CN102677014A - 一种镁合金表面合金化改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镁合金表面合金化改性的方法，首先真空感应熔炼法制备Crwt.%含量为3~20%的Ni-Cr合金铸锭，去掉表皮、打磨处理后固定安装在真空磁控溅射设备的靶材装置上；将表面打磨处理干净的镁合金装在配用的夹具上，并装入到磁控溅射设备真空室中；开启磁控溅射镀膜设备，在镁合金基材的表面镀2~10μm厚度的Ni-Cr合金膜；将表面镀好Ni-Cr合金膜的镁合金放入到强流脉冲电子束设备中，进行电子束表面合金化处理，本发明的方法，在镁合金表面形成一层显微硬度高，耐磨性和耐蚀性好的Ni-Cr合金化层，该合金化层与镁合金基体有良好结合力；能有效提高镁合金表面强度，提高镁合金表面耐磨性和耐蚀性。

Description

一种镁合金表面合金化改性的方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金表面合金化改性的方法。该方法是通过采用磁控溅射镀膜和强流脉冲电子束辐射加热的方法在镁合金的表面形成高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性的合金化层，属于材料表面改性技术领域。

 

背景技术

镁及其合金以其低密度，高的比强度，比刚度，以及绿色环保，易于回收等特点，近年来在航空、航天、汽车、通讯、电子和机械、等领域中的应用越来越广泛。然而由于镁的化学活性较高，在大气、酸性物质和盐中有高的溶解度和腐蚀速度，而且形成的腐蚀产物稳定性差并且比较疏松，因此耐腐蚀性是严重影响镁合金应用的最大问题之一。 为了提高镁合金的耐腐蚀性能，一般在镁合金表面采用化学转化、扩渗合金化、激光处理、阳极氧化、物理气相沉积涂层等表面改性处理方法，可以起到一定的效果，但是耐磨性、耐蚀性仍不够理想。设计人为许并社等，公开号为CN 101532134 A的发明发明，公开了一种镁铝合金表面的激光重熔增强方法，通过先对镁铝合金表面进行洁净处理，用氧-乙炔火焰喷涂铝镍合金粉，然后在激光机上进行重熔固化，形成表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性大幅度提高的合金层。设计人为谢冬柏等，授权公告号为CN1242096A的发明发明，公开了一种在镁合金表面涂多层Al或Al/TiN涂层提高镁合金耐腐蚀涂层及制备方法。设计人为王福会等，授权公告号为CN1242096A和CN 1219110 A的发明专利，通过化学转化处理和化学镀镍相结合的方法在镁及其合金构件表面形成了具有良好防蚀、耐磨效果良好的镀层。设计人为张永君，授权公告号为：CN 101161866 A的发明专利，公开了一种镁及镁合金表面镀层的制备方法，该发明基于利用镀膜技术及微弧氧化技术优势，尤其是微弧氧化陶瓷膜兼具耐蚀性和多孔性的特征，将表面陶瓷化和表面合金化技术有机结合起来，获得均匀光滑、结构致密、性能优良的镀层。设计人为袁晓光等，授权公告号为CN 100406625 A的发明专利，通过快速冷凝锌铝合金粉在镁合金表面喷涂了结构致密、颗粒均匀的涂层。设计人为董选普，授权公告号为CN 101590517 A的发明专利，通过将复合改性材料涂覆在泡沫模样的表面，在镁合金浇注过程中在表面同步形成了抗腐蚀和抗磨性好的合金化层和陶瓷层。设计人为马幼平等，授权公告号为CN 1236105A的发明专利，公开了一种感应加热镁合金表面合金化的改性方法，该发明的合金层具有良好的盐雾腐蚀抗力和抗磨能力，从根本上改变了镁合金表面物理化学性质，也简化了镁合金现有的表面改性工艺。设计人为徐可为等，授权公告号为CN 1118345A，通过将不同规格的金属粉用粘结剂涂于模样表面，利用镁合金凝固过程形成致密复杂合金化层。崔泽琴等（崔泽琴，吴宏亮、王文先等. AZ31B镁合金表面熔覆Cu-Ni合金层. 中国有色金属学报，2010，20（9）：1665-1669）发现激光熔覆Cu-Ni合金层的AZ31B镁合金耐蚀性得到较大改善。张颖等（张颖, 王晓轩,陶珍东等. 镁合金表面化学镀Ni-Co-P合金的研究. 材料保护，2008，41（6）：23-25）等发现镁合金表面化学镀Ni-Co-P合金后具有较好的耐蚀性。付丽英等（付丽英,闫志杰,周莹等. AZ91D镁合金表面转化膜腐蚀及防护涂层性能研究. 中国铸造装备及技术，2012，1：1-5）发现高锰酸盐和钼酸盐化学转化AZ91D镁合金膜表面具有大量微细裂纹，锡酸盐转化AZ91D镁合金膜表面的耐蚀性最好，高锰酸盐转化转化AZ91D镁合金膜表面的附着力和耐蚀性能最好。

强流脉冲电子束( HCPEB )是近年来发展起来的一种新型高效表面处理技术，是以加速电子为能量载体的新型高能密度荷电粒子束流。强流脉冲电子束比脉冲离子束易于引出和控制，装置简单可靠；在相同加速电压下，电子束射程远，有利于形成较厚的改性层。强流脉冲电子束照射金属材料时不存在脉冲激光束的能量反射问题，能量吸收率受材料成份和表面形态的影响小。强流脉冲电子束是在真空环境中完成，可有效抑制材料的高温氧化和污染等问题。因此，强流脉冲电子束表面处理能得到传统的表面处理技术所不能达到的改性效果，在材料表面改性、表面合金化等方面都有很好的应用前景。况军等（况军，李刚，相珺等. 强流脉冲电子束表面改性AZ31镁合金的耐磨耐蚀性能. 金属热处理, 2009,34(9):25-28）发现强流脉冲电子束表面改性AZ31镁合金的耐磨性和耐蚀性都得到提高。李旻才等（李旻才, 郝胜智,董闯. 强流脉冲电子束处理AZ91镁合金的显微结构及磨损性能变化. 材料研究与应用， 2009，3（1）：5-8）研究发现挤压态AZ91镁合金经过强流脉冲电子束处理后耐磨损性能提高。

尽管有学者采用不同表面改性处理方法提高镁及镁合金表面的耐磨性和耐蚀性等进行了大量的研究，然而没有人采用磁控溅射镀合金膜和强流脉冲电子束辐射加热相结合的方法对镁合金表面进行合金化改性的研究。

  

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明技术根据镁合金表面强度低、耐磨性和耐蚀性差的状况，对镁合金表面采用真空磁控溅射镀Ni-Cr合金膜和强流脉冲电子束表面重熔合金化相结合的方法，可以避免空气的污染和在镁合金表面形成一层显微硬度高，耐磨性和耐蚀性好，与镁合金基体有良好结合力的合金化层。 

本发明的技术方案如下：一种镁合金表面合金化改性的方法，其包括如下步骤：（1）真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为3~20% 的Ni-Cr合金铸锭，去掉表皮并锯断成圆片状，圆片状Ni-Cr合金的表面进行打磨处理，光滑平整并清洗干净后固定安装在真空磁控溅射设备的靶材装置上；

（2）用砂纸对镁合金基材的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，吹干其表面，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹；将表面干净的镁合金装在配用的夹具上，并装入到磁控溅射设备真空室中；

（3）开启磁控溅射镀膜设备，抽真空至P<1×10^-3Pa，在镁合金基材的表面镀2~10 μm 厚度的Ni-Cr合金膜；

（4）将表面镀好Ni-Cr合金膜的镁合金放入到强流脉冲电子束设备中，启动强流脉冲电子束设备，抽真空至P<6×10-4Pa后，采用强流脉冲电子束辐射加热镀膜镁合金表面进行电子束表面合金化处理；处理参数为：加速电压为10-40 keV，脉冲间隔为10～60秒，脉冲次数为2～30次。

进一步的特征在于：Cr 的重量含量为5%。

相对于现有技术，本发明镁合金表面合金化改性的方法，具有以下有益效果：

1、在镁合金表面形成一层显微硬度高，耐磨性和耐蚀性好的Ni-Cr合金化层，该合金化层与镁合金基体有良好结合力。

    2、有效提高镁合金表面强度，提高镁合金表面耐磨性和耐蚀性。

3、在处理过程中，能避免空气的污染，提高合金层的纯度。

  

具体实施方式

本发明镁合金表面合金化改性的方法，其步骤为：

1．真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为3~20 wt.% 的Ni-Cr合金铸锭，去掉表皮（车掉外皮）并锯断成圆片状，圆片状Ni-Cr合金的表面进行打磨处理，光滑平整并清洗干净后固定安装在真空磁控溅射设备的靶材装置上；

2．用砂纸（如金相砂纸）对镁合金基材的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，吹干其表面（用电吹风），吹干后试样的表面没有水渍的痕迹；将表面干净的镁合金装在配用的夹具上，并装入到磁控溅射设备真空室中；

3．开启磁控溅射镀膜设备，抽真空至P<1×10^-3Pa，在镁合金基材的表面镀2~10 μm 厚度的Ni-Cr合金膜；根据不同的要求，Ni-Cr合金膜的厚度可以选取3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm；

4．将表面镀好Ni-Cr合金膜的镁合金放入到强流脉冲电子束设备中（如RITM-2M强流脉冲电子束设备），启动强流脉冲电子束设备，抽真空至P<6×10^-4Pa后，采用强流脉冲电子束辐射加热镀膜镁合金表面进行电子束表面合金化处理，在镁合金表面获得致密的Ni-Cr合金膜层，其与镁合金表面牢固连接成一体。处理参数为：加速电压为10-40 keV，脉冲间隔为10～60秒，脉冲次数为2～30次。

Cr 的重量含量为3~20%，可以选取的具体含量为3%、5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%等。加速电压为10 keV、20 keV、3 0 keV、40 keV等；脉冲间隔为10秒、20秒、25秒、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒、60秒等；脉冲次数为2次、3次、5次、8次、10次、12次、15次、18次、20次、23次、25次、28次、30次等，都能满足本发明的要求。

在磁控溅射镀膜设备抽真空后，向真空室内充入保护性气体（如氩气等惰性气体、氮气等）。

实施例1：

采用将重量百分比为95：5的镍块和铬块放入到中频真空感应熔炼炉内，抽真空至P＝2.0×10^-3Pa后，打开中频电源进行感应加热熔化，待合金完全熔化后，浇注到直径为70 mm的水冷铜坩埚中。将浇注好的NiCr5合金铸锭车去外皮，并锯断成圆片状，对圆片状的NiCr5合金进行表面打磨处理，光滑平整并清洗干净后装入到真空磁控溅射设备的靶材装置上，用于磁控溅射镀膜的NiCr5合金靶材。用金相砂纸对AZ91D镁合金的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，用电吹风吹干，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹。将表面干净的AZ91D镁合金装在专用的夹具上，放入真空磁控溅射镀膜设备的真空室内，抽真空至真空度P＝8.0×10^-4 Pa后，然后向真空室内充入氩气（最好为纯度为99.99％的高纯氩气），氩气的流量为0.4 L/min，启动磁控溅射设备，进行镀NiCr5合金膜，溅射时间为10min，镀膜厚度约6 μm。将镀好NiCr5合金膜的AZ91D镁合金装入到RITM-2M强流脉冲电子束设备真空室专用的夹具上，抽真空至真空度P＝5.0×10^-4Pa后，启动RITM-2M强流脉冲电子束设备，对合金的表面进行电子束表面合金化处理。RITM-2M强流脉冲电子束设备的加载电压为15keV，脉冲间隔为30秒，脉冲次数为10次。

实施例２：

采用将重量百分比为90：10的镍块和铬块放入到中频真空感应熔炼炉内，抽真空至P＝3.0×10^-3Pa后，打开中频电源进行感应加热熔化，待合金完全熔化后，浇注到直径为70mm的水冷铜坩埚中。将浇注好的NiCr10合金铸锭车去外皮，并锯断成圆片状，对圆片状的NiCr10合金进行表面打磨处理，光滑平整并清洗干净后装入到真空磁控溅射设备的靶材装置上，用于磁控溅射镀膜的NiCr10合金靶材。用金相砂纸对AZ91D镁合金的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，用电吹风吹干，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹。将表面干净的AZ91D镁合金装在配用的夹具上，放入真空磁控溅射镀膜设备的真空室内，抽真空至真空度P＝6.0×10^-4Pa后，然后向真空室内充入纯度为99.99％的高纯氩气，氩气的流量为0.3 L/min，启动磁控溅射设备，进行镀NiCr10合金膜，溅射时间为15min，镀膜厚度约8 μm。将镀好NiCr10合金膜的AZ91D镁合金装入到RITM-2M强流脉冲电子束设备真空室专用的夹具上，抽真空至真空度P＝4.0×10^-4 Pa后，启动RITM-2M强流脉冲电子束设备，对合金的表面进行电子束表面合金化处理。RITM-2M强流脉冲电子束设备的加载电压为20 keV，脉冲间隔为45秒，脉冲次数为15次。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种镁合金表面合金化改性的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为3~20% 的Ni-Cr合金铸锭，去掉表皮并锯断成圆片状，圆片状Ni-Cr合金的表面进行打磨处理，光滑平整并清洗干净后固定安装在真空磁控溅射设备的靶材装置上；

（2）用砂纸对镁合金基材的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，吹干其表面，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹；将表面干净的镁合金装在配用的夹具上，并装入到磁控溅射设备真空室中；

（3）开启磁控溅射镀膜设备，抽真空至P<1×10^-3Pa，在镁合金基材的表面镀2~10 μm 厚度的Ni-Cr合金膜；

（4）将表面镀好Ni-Cr合金膜的镁合金放入到强流脉冲电子束设备中，启动强流脉冲电子束设备，抽真空至P<6×10-4Pa后，采用强流脉冲电子束辐射加热镀膜镁合金表面进行电子束表面合金化处理；处理参数为：加速电压为10-40 keV，脉冲间隔为10～60秒，脉冲次数为2～30次。

2.根据权利要求1所述镁合金表面合金化改性的方法，其特征在于：在磁控溅射镀膜设备抽真空后，向真空室内充入氩气。

3.根据权利要求1或2所述镁合金表面合金化改性的方法，其特征在于：Cr 的重量含量为5%。