CN102101232B

CN102101232B - 一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法

Info

Publication number: CN102101232B
Application number: CN 201010546930
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 赵玉涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: CN102101232A

Abstract

本发明涉及一种在金属表面制作微纳结构的方法，具体而言涉及一种通过局部加热与塑性复制相结合在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：首先使得晶态镁合金表面实现超细晶化，然后将超细晶化后的镁合金表面加热到超塑性温度范围，并通过事先加工好的具有微纳结构的模具碾压处于上述温度条件的镁合金表面，从而在镁合金表面上快速复制出微纳结构。由于加热辊与材料表面接触时间短，不影响金属材料的整体质量；由于辊状模具加工好后可以多次反复使用，而表面制作过程又没有其它特殊的设备和工艺要求，大大降低了加工成本；一旦辊状模具加工好，在实际表面制作时，形成新的具有微纳结构表面的速度将非常快，大大提高了加工效率。

Description

一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法

技术领域

本发明涉及一种在金属表面制作微纳结构的方法，具体而言为涉及一种通过局部加热与塑性复制相结合在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法。

背景技术

镁合金具有密度小、比强度高、易加工、抗冲击性能良好、电磁屏蔽性能优良等优点，但同时该材料易燃、耐蚀性差。

为了提高镁合金的耐蚀性，研究人员提出了各种方法，主要包括化学转化、阳极氧化、电镀与化学镀、液相沉积和溶胶凝胶法等；化学转化是在化学处理液中在金属表面形成氧化物或金属化合物钝化膜，化学转化膜较薄，结合力较弱，只能减缓腐蚀速度，并不能有效地防止腐蚀，还需要进一步涂装；阳极氧化是在金属表面通过电化学氧化形成一层厚且相对稳定的氧化物膜层，Mg的阳极氧化膜层比化学转化膜厚，强度大、硬度高、耐蚀性好，镁合金阳极氧化膜具有双层结构——薄的致密内层和厚的多孔外层，外膜层的孔并没有穿透内膜层，外层的孔隙经涂漆、染色、封孔或钝化处理后，耐蚀性进一步提高；镁合金的电化学活性很高，镀液会对镁合金基体造成腐蚀，并且Mg与镀液中的阳离子发生置换，形成的镀层疏松多孔、结合力差，所以必须对镁合金进行适当的前处理，传统的前处理包括浸锌和直接化学镀，生成保护膜后再进行化学镀或电镀；通过液相沉积法和溶胶凝胶方法可以在镁合金表面得到无机、有机以及无机-有机杂化膜层，但这方面的研究还处于尝试阶段；上述这些提高镁合金耐蚀性的方法在耐腐蚀效果、工艺稳定性、操作方便性等方面尚存在问题，有待进一步改进。

超疏水材料具有防水、防雾、防雪、防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁等特点，在国防、工农业生产和日常生活中有着广泛的应用，因此在镁合金表面获得超疏水特性是提高其耐腐蚀性的可行途径之一；通过设计不同结构及物理、化学特征的表面层，可以使固体材料获得超疏水特性；低的表面自由能和合适的表面微细结构是固体表面产生超疏水性的两个前提条件，其中构建合适的表面微细结构是超疏水表面制备技术的关键。因此，要利用超疏水特性提高镁合金的耐腐蚀性能，迫切需要提出一种环保、高效、复制质量高的表面微纳结构构建方法。

镁合金超塑性研究开始于上世纪六十年代，近年来，Mg-Al-Zn等合金体系超塑性的研究得到了重视；研究者希望，通过简单的处理即可使镁合金获得较好的超塑性。Kim W J研究Mg-Al-Ca合金时发现，由电磁铸造(EMC)加电磁搅拌(EMS)熔制的AZ31镁合金通过热挤压之后，在573K和673K、1.0×10^-2S^-1的应变速率下，合金的伸长率超过400%，体现出了良好的超塑性；低温超塑性(LTSP)是指合金在低于0.5Tm(Tm为合金的熔点)的温度下，能够体现出超塑性，对镁合金而言，在室温下其塑性极差，一些商用铸态镁合金，其在室温下的伸长率不超过20%，在573K时，其伸长率也不过在30%-40%之间。能否使镁合金在低温Kim W J等对AZ61箔材通过不同的速度碾压塑性变形，在523K、3.0×10^-4S^-1的应变速率下，箔材的极限伸长率达到850%。变形过程能源消耗。一般认为高速超塑性是指应变速率不小于1.0×10^-3S^-1时，合金可以体现出超塑性；高应变速率容易导致合金的过早颈缩断裂，反过来制约了合金的塑性变形，如何能够使合金在高的应变速率下，获得好的超塑性一度成为材料研究的一个热点。Wang Q D等在对AZ91箔材的研究中发现，在623K、1.0×10^-3S^-1的应变速率下，AZ91箔材的极限伸长率可达到455%。

本发明利用镁合金表面的超塑性变形，进而获得表面微纳结构，提高了镁合金的耐蚀性。

发明内容

针对镁合金材料表面微纳结构加工方面存在的问题，本发明提出一种采用局部加热复制方法在晶态镁合金表面快速制作微纳结构的方法。本发明首先使得晶态镁合金表面实现超细晶化，然后将超细晶化后的镁合金表面加热到超塑性温度范围，并通过事先加工好的具有微纳结构的模具碾压处于上述温度条件的镁合金表面，从而在镁合金表面上快速复制出微纳结构。

具体而言，本发明的步骤为：

将晶态镁合金表面的氧化物、油脂清除干净，使晶态镁合金需要复制加工微纳结构的表面处于真空或惰性气体保护状态，采用加热装置使晶态镁合金材料表面重熔并快速冷却实现超细晶化，然后采用加热后的辊状模具，在压应力作用下滚压需要复制加工微纳结构的超细晶化晶态镁合金的表面，使该表面达到超细晶化镁合金的超塑性变形温度，并复制出辊状模具表面的结构，从而在镁合金表面快速制作出微纳结构。

所述的使晶态镁合金需要复制加工微纳结构的表面处于真空或惰性气体保护状态的方法，根据镁合金材料的尺寸大小而异：当镁合金待复制加工表面二维尺寸均不大于200mm时，可以将镁合金材料直接放入真空罩中；而当镁合金待复制加工表面尺寸至少一维大于200mm时，而需要复制加工的部分任何一维尺寸不大于100mm时，则在镁合金需要制作微纳结构的表面上放置真空罩，并由镁合金与真空罩构成真空腔。

所述的加热装置，是采用各种加热方法的装置，其温度控制在镁合金熔点温度以上30~80K，与镁合金材料表面的垂直距离控制在1~3mm。

所述的辊状模具，采用耐高温的镍铬合金制作，该模具做成中空的辊状，通过电阻加热或传导加热，其加热温度由温度控制系统控制，使得镁合金材料表面处于其超塑性变形温度范围；模具外表面采用常规微纳加工技术在整个表面制作出微纳结构。

所述的辊状模具，其滚压的压应力为100~1000kPa，模具的水平移动速度为10～25mm/s，由速度控制系统控制。

所述的加热装置与辊状模具之间的水平距离为15~25mm，加热装置与辊状模具组合在一起以相同的水平移动速度同时移动。

本发明所涉及的技术方法，具有如下优点：

1）表面质量好。由于加热辊与材料表面接触时间短，不影响金属材料的整体质量；

2）加工成本低。由于辊状模具加工好后可以多次反复使用，而表面制作过程又没有其它特殊的设备和工艺要求，因此大大降低了加工成本；

3）加工效率高。一旦辊状模具加工好，在实际表面制作时，形成新的具有微纳结构表面的速度将非常快，这大大提高了加工效率；

通过上述技术方法，可以在晶态镁合金材料上顺利制作出具有微纳结构的表面。

附图说明

图1 构建微纳结构装置示意图；

1 晶态镁合金 2 加热装置 3 辊状模具 4 温度控制系统 5 速度控制系统

图2 复制加工后晶态镁合金材料的扫描电镜（SEM）照片。

具体实施方式

在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

晶态镁合金为厚10mm 的ZK60板材，尺寸为150mm×150mm，对整个板面进行处理，对晶态镁合金表面进行酸洗、碱洗，将表面的氧化物、油脂清除干净，然后将镁合金直接放入真空罩中，抽真空使晶态镁合金需要加工的表面处于真空状态（真空度为1×10^-2Pa），加热装置距离镁合金表面的垂直距离为1mm，加热装置与辊状模具的水平距离20mm，加热温度为943K，随后采用加热到570K的辊状模具以25mm/s的水平移动速度在100kPa压应力作用下滚压镁合金表面，辊状模具表面具有规则排列的底边长200nm的方形凹坑结构，与辊状模具接触后镁合金表面的最高温度达533K，最终获得了具有良好微纳结构的表面，图2为加工获得的具有规则微纳凸起结构的晶态镁合金表面。

实施例2

晶态镁合金为厚8mm的AZ31板材，尺寸为150mm×100mm，对整个板面进行处理，对晶态镁合金材料表面进行酸洗、碱洗，将表面的氧化物、油脂清除干净，然后将镁合金直接放入真空罩中，抽真空使晶态镁合金材料需要加工的表面处于真空状态（真空度为1×10^-2Pa），然后向真空罩充入氩气（压力为8×10⁴Pa），加热装置距离镁合金表面的垂直距离为2mm，加热装置与辊状模具之间的水平距离为25mm，加热温度为963K，然后采用加热到指定温度730K的辊状模具，以20mm/s的水平移动速度在800kPa压应力作用下滚压镁合金表面，辊状模具表面具有规则排列的底边长80nm的凸方柱结构，与辊状模具接触后镁合金表面的最高温度达683K，最终获得了具有良好微纳结构的表面。

实施例3

晶态镁合金为厚12mm的AZ91板材，尺寸为250mm×150mm，板面上50mm×50mm的区域需要进行处理，对晶态镁合金材料表面进行酸洗、碱洗，将表面的氧化物、油脂清除干净，然后在镁合金表面放置真空罩，并让镁合金材料作为真空罩的一部分，抽真空使晶态镁合金需要加工的表面处于真空状态（真空度为1×10^-2Pa），然后向真空罩充入氩气（压力为8×10⁴Pa），加热装置距离镁合金表面的垂直距离为3mm，加热装置与辊状模具之间的水平距离为15mm，加热温度为973K，然后采用加热到指定温度610K的辊状模具，以10mm/s的水平移动速度在1000kPa压应力作用下滚压镁合金表面，辊状模具表面具有规则排列的底边长100nm的凸方柱结构，与辊状模具接触后镁合金表面的最高温度达573K，最终获得了具有良好微纳结构的表面。

Claims

1.一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：首先使得晶态镁合金表面实现超细晶化，其超细晶化步骤如下：将晶态镁合金表面的氧化物、油脂清除干净，使晶态镁合金需要复制加工微纳结构的表面处于真空或惰性气体保护状态，采用加热装置使晶态镁合金材料表面重熔并快速冷却实现超细晶化；然后将超细晶化后的镁合金表面加热到超塑性温度范围，并对事先加工好的具有微纳结构的模具进行加热，在压应力作用下滚压需要复制加工微纳结构的超细晶化晶态镁合金的表面，并复制出辊状模具表面的结构，从而在镁合金表面上快速复制出微纳结构。

2.如权利要求1所述的一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述的使晶态镁合金需要复制加工微纳结构的表面处于真空或惰性气体保护状态的方法为：根据镁合金材料的尺寸大小而异，当镁合金待复制加工表面二维尺寸均不大于200mm时，将镁合金材料直接放入真空罩中；当镁合金待复制加工表面尺寸至少一维大于200mm时，而需要复制加工的部分任何一维尺寸不大于100mm时，则在镁合金需要制作微纳结构的表面上放置真空罩，并由镁合金与真空罩构成真空腔。

3. 如权利要求1所述的一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述的加热装置，是采用各种加热方法的装置，其加热温度控制在镁合金熔点温度以上30~80K，加热装置与镁合金材料表面的垂直距离控制在1~3mm。

4. 如权利要求1所述的一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述的辊状模具，采用耐高温的镍铬合金制作，该辊状模具做成中空的辊状，通过电阻加热或传导加热，其加热温度由温度控制系统控制，使得镁合金材料表面处于其超塑性变形温度范围；模具外表面采用常规微纳加工技术在整个表面制作出微纳结构。

5. 如权利要求1所述的一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述的辊状模具滚压的压应力为100~1000kPa，辊状模具的水平移动速度为10～25mm/s，由速度控制系统控制。.

6. 如权利要求1所述的一种在晶态镁合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述的加热装置与辊状模具之间的水平距离为15~25mm，加热装置与辊状模具组合在一起以相同的水平移动速度同时移动。