CN103952709A - 一种镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，该镁合金强变形表面改性的方法包括以下步骤：镁合金材料的表面纳米化处理；启动振动发生装置，使硬质合金弹丸获得使镁合金表面产生纳米结构的动能；硬质合金弹丸在垂直于待处理镁合金表面的方向上、在封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，获得纳米结构表层；将变形后的镁合金表面清洗干净；进行稀土扩渗，扩渗温度200℃～410℃，热处理时间3h～24h。本发明通过在热处理扩渗之前对镁合金进行机械研磨，形成纳米化表面结构，再通过热处理扩散对变形镁合金进行稀土扩渗，镁合金的纳米化表面结构使得扩渗温度大大降低，而稀土的渗入将进一步提高镁合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等表面性能。

Description

一种镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，尤其涉及一种镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法。

背景技术

金属表面处理工程是指金属通过表面涂覆、表面改性或多种技术复合处理后，改变金属材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等的工艺措施，以获得所需要的表面性能，因此表面处理技术是提高镁合金耐热、耐腐蚀性能的最直接、有效的途径之一。

目前，已提出众多表面防护技术，包括阳极氧化、微弧氧化、化学转化、金属镀层、物理和化学气相沉积、离子注入、热扩散、激光表面处理等。在众多的表面技术中，通过热扩散渗金属从而在镁合金表面形成冶金扩散层具有一系列显著的优点。首先，所获表面合金层与基体为冶金扩散结合，结合力极佳，这是大多数表面处理方法难以实现的。此外，所得的金属间化合物(如Mg₁₇Al₁₂等)不仅可提升耐蚀性能，还可显著提升硬度，提高表面耐磨性，而且不像PVD、激光表面处理等需要昂贵的设备。尤其值得一提的是，不同于传统的阳极氧化、有机涂层处理等，该方法可最大限度保留镁合金的优异性能，如镁铝表面合金层可保持镁合金本身良好的导电导热性、抗电磁屏蔽性等。虽然目前已有为数不多的报道将该技术应用到镁合金体系上，但大多还是需要很高的温度。

现有技术中，已有不少国内外学者实现了低温渗金属，如通过各种物理场，包括等离子场、高频电场、超声波等来加速渗层中原子的扩散速度，进行金属扩渗，目前主要应用于传统的钢铁体系渗金属或非金属元素；又如采用超声喷丸、冲击等表面纳米化方法，在基体材料上制备出纳米结构表层，通过引入晶界等大量短路扩散通道，从而实现欲渗元素的低温扩散，如M.X.Zhang等人通过超声喷丸方法在AZ91D镁合金表面制备出一表面纳米化层，使得后续的固体粉末渗铝温度降低至380℃，这一温度比未经表面纳米化处理的镁合金渗铝温度要低50℃以上，同时徐哲等人在437℃对AZ91D实施了Al-Ce共渗，也获得了较好的效果。

现有相近技术方案：

1、张津等人提出一种降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法。在对镁合金基体表面进行热喷涂涂层前，先对镁合金表面进行纳米化处理，使镁合金表面晶粒细化至纳米尺寸，并去除镁合金表面的氧化皮和粗化以增强涂层与基体的机械铆合结合力；然后再热喷涂铝或锌或锌铝复合涂层；最后在普通热处理炉中200℃～400℃下保温处理，促使涂层与基体形成冶金结合。具体实施方式是分别采用高能喷丸法、表面机械研磨法(SMAT)、表面超声喷丸法(UUSP)和超音速颗粒轰击法(SSPB)对不同镁合金进行表面纳米化，再进行表面喷涂铝涂层及扩散处理。出处：张津，欧信兵，麻彦龙，王莹，杨栋华，龚喜兵.一种降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法：中国，ZL200710092486.6[P].2008-4-26；

2、吴晓春等人发明一种在模具钢件表面进行喷丸然后进行等离子渗硼形成复合层的工艺方法，首先在钢件表面进行喷丸处理，然后在热处理炉内通入BF₃、Ar和H₂的混合气体，进行等离子低温渗硼处理。等离子渗硼处理的温度为510℃～610℃，低于一般热作模具钢的回火温度580℃～620℃，更低于过去传统渗硼温度850℃～950℃；最终在钢件表面形成喷丸层和渗硼层的复合层。该发明实施方案中采用的钢件试样为热作模具钢H13钢。出处：吴晓春，王庆芳.钢件表面喷丸及等离子低温渗硼的复合工艺方法：中国，ZL200810200323.X[P].2009-2-11

3、钟澄等人采用AlCl₃～NaCl熔盐，在较低温度(380℃)下对AZ91D镁合金表面进行热扩散渗铝处理，制备一扩散合金层。所用熔盐体系由无水AlCl₃与NaCl按摩尔比1∶1混合，将镁合金试样用无水AlCl₃和NaCl包埋于洁净干燥陶瓷罐中。再将陶瓷罐密封后放入氩气保护气氛炉中，在380℃处理6h。结束后，用去离子水、丙酮清洗去除表面残留熔盐，烘干置于干燥器供后续测试分析。出处：钟澄，刘磊，仵亚婷，何美凤，沈彬，邓意达，胡文彬.AZ91D镁合金表面低温扩散渗铝层的组织与性能，中国有色金属学报，2010，20(12)：2269-2273。

4、徐滨士等人提供了一种在钢或铸铁表面形成高质量FeS薄膜的工艺。首先利用超音速微粒轰击工艺对钢或铸铁表面进行表面纳米化处理，然后对经过表面纳米化处理的钢或铸铁表面进行低温离子渗硫处理以形成FeS薄膜。实施方式以热轧退火态的1Cr18Ni9Ti不锈钢为基材。出处：徐滨士，王海斗，马国政，司红娟.超音速微粒轰击和低温离子渗硫复合处理制备高质量FeS薄膜的工艺：中国，ZL201010255930.3[P].2010-12-15。

5、李伟等人提供一种利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，在金属材料的SMAT处理容器中加入一定量的超细金属粉末，在实现金属材料表面纳米化的同时通过合金元素的扩散对金属材料进行表面改性，然后对SMAT得到的表层扩散入合金元素的纳米晶金属材料样品进行退火处理，使金属元素进一步向材料内部扩散，增大渗层的深度，强化金属材料表面改性的效果。该技术实施方案有对退火态纯Fe和退火态45钢进行表面改性处理渗Cr，对退火态纯Ni进行表面改性处理渗Fe。出处：李伟，陈小红，刘平，马凤仓，刘新宽，何代华.利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法：中国，ZL201210051784.1[P].2012-03-01。

传统的阳极氧化、微弧氧化、化学转化、金属镀层、物理和化学气相沉积、离子注入、激光表面处理等金属表面防护技术存在工艺复杂、设备要求比较高、部分方法还涉及到环境污染等问题。扩散渗金属技术因能够有效弥补以上缺点，并且能够获得结合力极佳的扩散层和保留金属优异性等特点而备受国内外学者关注，目前已有为数不多的报道将该技术应用到镁合金体系上，但大多还是需要很高的温度，扩渗效率不太高，需要的热处理周期长，生产成本也比较高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，旨在解决现有金属表面防护方法存在的工艺复杂、设备要求比较高、污染环境，而扩散渗金属技术大多还是需要很高的温度、热处理周期长的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，该镁合金强变形表面改性的方法包括以下步骤：

步骤一，表面纳米化处理，将加工成方形、表面经过抛光后的镁合金材料固定在频率可调的振动发生装置上面，作为底板；待处理镁合金上面固定环状合金器皿，在环状合金器皿中放入硬质合金弹丸，环状合金器皿上面盖上高硬度不易变形材料顶板；

步骤二，启动振动发生装置，振动频率10HZ～50HZ，振动时间2h～20h；使硬质合金弹丸获得足以使镁合金表面产生纳米结构的动能；

步骤三，硬质合金弹丸在垂直于待处理镁合金表面的方向上、在封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，不断与镁合金底板发生碰撞，使撞击点覆盖镁合金的整个表面，获得纳米结构表层；

步骤四，稀土扩渗，将表面清洁处理过的镁合金置于无水无机稀土熔盐体系中，对熔盐体系进行加热保温处理，通过扩散渗透作用在镁合金表面形成一层含Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd化合物的镁合金扩渗层，扩渗温度200℃～410℃，热处理时间3h～24h。

进一步，硬质合金弹丸的直径为φ7mm～18mm。

进一步，弹丸数量为10个～50个。

进一步，稀土扩渗的具体步骤为：

a：对镁合金进行表面清洁预处理：将机械研磨处理后的镁合金用酒精和丙酮清洗，干燥后备用；

b：将NaF、YF₃、GdF₃和NdF₃按照一定比例混合均匀，形成无水无机稀土熔盐体系；

c：将无水无机稀土熔盐体系和预处理好的镁合金放入不锈钢罐中，使镁合金包埋于无水无机稀土熔盐体系中，并保证镁合金不得接触不锈钢罐壁，用铝箔密封好罐口；

d：将不锈钢罐放入炉内进行加热保温处理，保温结束后将不锈钢罐取出，自然冷却至室温；

e：从无水无机稀土熔盐体系中取出处理后的镁合金，清理干净其表面，即得到了在表面形成含Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd化合物扩渗层的镁合金。

进一步，镁合金为AZ91D或其他镁合金。

本发明提供的镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，通过在热处理扩渗之前对镁合金进行机械研磨处理，形成纳米化表面结构，再通过热处理扩散对变形镁合金进行稀土扩渗，镁合金的纳米化结构使得扩渗温度大大降低，而稀土的渗入将进一步提高镁合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等表面性能。

效果汇总

本发明的方法简单，操作方便，较好的解决了现有金属表面防护方法存在的工艺复杂、设备要求比较高、污染环境，而扩散渗金属技术大多还是需要很高的温度、热处理周期长的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法包括以下步骤：

S101：表面纳米化处理，将加工成方形、表面经过抛光后的镁合金材料固定在频率可调的振动发生装置上面，作为底板；待处理镁合金上面固定环状合金器皿，在环状合金器皿中放入硬质合金弹丸，硬质合金弹丸的直径为φ7mm～18mm，数量为10个～50个，环状合金器皿上面盖上高硬度不易变形材料顶板；

S102：启动振动发生装置，根据镁合金与硬质合金弹丸的物理特性确定振动的频率与时间，振动频率10HZ～50HZ，振动时间2h～20h；使硬质合金弹丸获得足以使镁合金表面产生纳米结构的动能；

S103：硬质合金弹丸在垂直于待处理镁合金表面的方向上、在封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，不断与镁合金底板发生碰撞，使撞击点覆盖镁合金的整个表面，获得纳米结构表层；

S104：稀土扩渗，将表面清洁处理过的镁合金置于无水无机稀土熔盐体系中，对熔盐体系进行加热保温处理，通过扩散渗透作用在镁合金表面形成一层含Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd化合物的镁合金扩渗层，扩渗温度200℃～410℃，热处理时间3h～24h。

本发明的具体实施例：

一、表面纳米化处理：

1)将加工成方形、表面经过抛光后的镁合金材料固定在一频率可调的振动发生装置上面，作为底板；待处理镁合金上面固定一环状合金器皿，作为实验容器；在该容器中放入一定数量和一定大小的硬质合金弹丸，弹丸数量与尺寸的标准是能够使得镁合金表面均匀变形；容器上面盖上一高硬度不易变形材料顶板；

2)实验装置固定好后，启动振动发生装置，根据镁合金与硬质合金弹丸的物理特性确定振动的频率与时间，使硬质合金弹丸获得足以使镁合金表面产生纳米结构的动能；

3)硬质合金弹丸在垂直于待处理镁合金表面的方向上、在封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，不断与镁合金底板发生碰撞，使撞击点覆盖镁合金的整个表面，获得纳米结构表层。

具体实验参数：硬质合金弹丸的直径φ7mm～18mm，10个～50个，振动频率10HZ～50HZ，振动时间2h～20h；

表面纳米化(即表面机械研磨处理)：其原理类似于高速喷丸，其设备包括两部分：振动发生器以及用于盛放撞击弹丸、固定金属样品的容器。SMAT处理的过程为：将硬质合金弹丸放在由振动发生器驱动的密闭容器内，被处理金属材料固定在容器底部，处理时通过振动发生器的驱动，容器内硬质合金弹丸产生共振，并连续不断的高速撞击金属材料表面，每一次撞击都导致材料表层发生塑性变形，经过连续多方向高速的撞击，金属材料表层产生剧烈塑性变形，致使表层晶粒细化至纳米量级。

二、稀土扩渗，将变形后的镁合金表面清洗干净；进行稀土扩渗，扩渗温度200℃～410℃，热处理时间3h～24h。

稀土扩渗的具体步骤为：

a：对镁合金进行表面清洁预处理：将机械研磨处理后的镁合金用酒精和丙酮清洗，干燥后备用；

b：将NaF、YF₃、GdF₃和NdF₃按照一定比例混合均匀，形成无水无机稀土熔盐体系；

c：将无水无机稀土熔盐体系和预处理好的镁合金放入不锈钢罐中，使镁合金包埋于无水无机稀土熔盐体系中，并保证镁合金不得接触不锈钢罐壁，用铝箔密封好罐口；

d：将不锈钢罐放入炉内进行加热保温处理，保温结束后将不锈钢罐取出，自然冷却至室温；

e：从无水无机稀土熔盐体系中取出处理后的镁合金，清理干净其表面，即得到了在表面形成含Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd化合物扩渗层的镁合金。

热处理渗稀土：其原理是将工件放入含有稀土物质的不同介质中加热，使其吸收其中某些化学元素的原子或离子，使该原子或离子自表面向内扩散，改变表面化学成分和组织，从而改变工件表层的成分、组织和性能热处理工艺。一般可看作是由渗剂中的反应、渗剂中的扩散、渗剂与被渗金属表面的界面反应、被渗元素原子的扩散和扩散过程中相变等过程所构成。

本发明的工作原理：本发明通过对镁合金进行机械研磨处理获得纳米化表面结构，大大降低金属扩渗温度，提高扩渗效率；再通过热处理扩散对变形镁合金进行稀土扩渗，改善镁合金内部组织，进一步提高镁合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等表面性能，从而使得全面提高工程镁合金材料性能成为可能。

本发明对镁合金表面进行机械研磨处理，然后进行稀土扩渗处理，可大大降低镁合金表面渗稀土温度，提高扩渗效率，减少了能耗；低温渗稀土不但锐减了高温扩渗引起的材料大变形，而且能提高镁合金表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等力学性能，因而延长了镁合金材料的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，其特征在于，该镁合金强变形表面改性的方法包括以下步骤：

步骤一，表面纳米化处理，将加工成方形、表面经过抛光后的镁合金材料固定在频率可调的振动发生装置上面，作为底板；待处理镁合金上面固定环状合金器皿，在环状合金器皿中放入硬质合金弹丸，环状合金器皿上面盖上高硬度不易变形材料顶板；

步骤二，启动振动发生装置，振动频率10HZ～50HZ，振动时间2h～20h；使硬质合金弹丸获得足以使镁合金表面产生纳米结构的动能；

步骤三，硬质合金弹丸在垂直于待处理镁合金表面的方向上、在封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，不断与镁合金底板发生碰撞，使撞击点覆盖镁合金的整个表面，获得纳米结构表层；

步骤四，稀土扩渗，将表面清洁处理过的镁合金置于无水无机稀土熔盐体系中，对熔盐体系进行加热保温处理，通过扩散渗透作用在镁合金表面形成一层含Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd化合物的镁合金扩渗层，扩渗温度200℃～410℃，热处理时间3h～24h。

2.如权利要求1所述的镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，其特征在于，硬质合金弹丸的直径为φ7mm～18mm。

3.如权利要求1所述的镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，其特征在于，弹丸数量为10个～50个。

4.如权利要求1所述的镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，其特征在于，稀土扩渗的具体步骤为：

a：对镁合金进行表面清洁预处理：将机械研磨处理后的镁合金用酒精和丙酮清洗，干燥后备用；

b：将NaF、YF₃、GdF₃和NdF₃按照一定比例混合均匀，形成无水无机稀土熔盐体系；

c：将无水无机稀土熔盐体系和预处理好的镁合金放入不锈钢罐中，使镁合金包埋于无水无机稀土熔盐体系中，并保证镁合金不得接触不锈钢罐壁，用铝箔密封好罐口；

d：将不锈钢罐放入炉内进行加热保温处理，保温结束后将不锈钢罐取出，自然冷却至室温；

e：从无水无机稀土熔盐体系中取出处理后的镁合金，清理干净其表面，即得到了在表面形成含Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd化合物扩渗层的镁合金。

5.如权利要求1所述的镁合金强变形及稀土扩渗表面改性的方法，其特征在于，镁合金为AZ91D或其他镁合金。