CN107488801B - 一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107488801B
CN107488801B CN201710788115.5A CN201710788115A CN107488801B CN 107488801 B CN107488801 B CN 107488801B CN 201710788115 A CN201710788115 A CN 201710788115A CN 107488801 B CN107488801 B CN 107488801B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnesium alloy
composite material
tac
coating
corrosion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710788115.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107488801A (zh
Inventor
郑洋
臧立彬
陈勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Technology
Original Assignee
Hebei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei University of Technology filed Critical Hebei University of Technology
Priority to CN201710788115.5A priority Critical patent/CN107488801B/zh
Publication of CN107488801A publication Critical patent/CN107488801A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107488801B publication Critical patent/CN107488801B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/06—Alloys based on magnesium with a rare earth metal as the next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B27/00—Hubs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/02—Alloys based on magnesium with aluminium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/083—Oxides of refractory metals or yttrium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B2360/00—Materials; Physical forms thereof
    • B60B2360/10—Metallic materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明为一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法。该复合材料的组成包括基体和其表面涂层；所述的基体为镁合金，以重量百分比计，包含以下成分：Zn 1~5%、Al 4~12%、Y 6~15%、TaC颗粒 10~30%，其余为Mg。表面涂层为以离子注入沉积方法形成的ZrO2涂层。该材料通过Zn、Al、Y合金元素和TaC颗粒协同作用，达到了析出强化和时效硬化的效果，基体内部的Mg‑Zn‑(Y)、Mg‑Al‑(Y)金属间化合物和离散的TaC颗粒在变形过程中对位错产生钉扎，提高了镁合金复合材料的力学性能；同时利用离子注入沉积制备的ZrO2涂层具有梯度结构，显著提高了涂层与基体间的结合强度和基体的耐腐蚀性能。

Description

一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金领域，具体涉及汽车轻量化中新型高性能镁合金的制备方法。
背景技术
汽车轻量化在保证整车强度和安全性能的前提下，尽可能减少不必要的重量，从而降低油耗、提高操控性，采用新型高性能镁合金替代传统汽车金属材料是实现汽车轻量化最直接有效的手段。汽车轮毂是汽车零部件的一个重要组成部分，对整车操控性和安全性至关重要，常用的轮毂材料包括钢铁和铝合金。近年来，镁合金在汽车轻量化领域的研究不断深入，其中新型镁合金轮毂的开发已成为研究热点。
镁合金用作汽车轮毂材料具有明显优势：(1)重量轻：镁合金密度约为钢铁的1/4、铝合金的2/3，一般来说，汽车簧下质量每减重一公斤，相当于整车减重十公斤，故镁合金轮毂对实现汽车轻量化和节能减排效果显著；(2)减震优：镁合金具有优异的阻尼性能，可以大幅度吸收汽车行驶过程中来自路面的震动和噪声，提升车辆稳定性和乘坐舒适性；(3)操控好：镁合金轮毂重量轻，有利于降低惯性能量，减少转动所需力矩，同时提高悬挂系统的动态响应能力，使整车提速快、制动快。基于以上优势，镁合金被称为“21世纪绿色工程材料”，是理想的汽车轻量化材料。
然而，镁合金的绝对强度低、化学性质活泼，车辆行驶中接触的腐蚀介质(如雨水、化学物质等)和飞溅的碎石会损坏轮毂表面，进而引起轮毂基体发生破坏，这极大地限制了镁合金轮毂的应用，因此需要开发新型高强耐蚀镁合金。
发明内容
本发明针对现有商业化镁合金强度低、耐腐蚀性能差的问题，提供了一种用于汽车轮毂的高强耐蚀镁合金复合材料。该材料通过Zn、Al、Y合金元素和TaC颗粒协同作用，达到了析出强化和时效硬化的效果，基体内部的Mg-Zn-(Y)、Mg-Al-(Y)金属间化合物和离散的TaC颗粒在变形过程中对位错产生钉扎，提高了镁合金复合材料的力学性能；同时利用离子注入沉积制备的ZrO2涂层具有梯度结构，提高了涂层与基体间的结合强度和基体的耐腐蚀性能。
本发明的技术方案为：
一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料，该复合材料的组成包括基体和其表面涂层；所述的基体为镁合金，以重量百分比计，包含以下成分：Zn 1～5％、Al 4～12％、Y 6～15％、TaC颗粒10～30％，其余为Mg；所述表面涂层为以离子注入沉积方法形成的ZrO2涂层，所述ZrO2涂层厚度为3～8μm，具有梯度结构，外层为ZrO2沉积层，内层为ZrO2/MgO注入层。优选地，所述镁合金成分以重量百分比计为：Zn 2～4％、Al 6～10％、Y 8～14％、增强相TaC颗粒15～25％，其余为Mg。
其中，Zn元素可以通过固溶强化和时效硬化来提高镁合金强度，在镁合金基体中形成MgZn、MgZn2强化相，其含量低于1％时，强化相含量较少，难以有效提高镁合金强度，其含量高于5％时，强化相数量过多且尺寸分布不均匀，会引起电偶腐蚀作用而加速镁合金基体的腐蚀，因此其含量定为1～5％，优选为2～4％；Al元素可以和Mg形成有限固溶体，其在镁合金基体中的固溶度随温度下降而降低，可以通过适当的热处理工艺得到不同形貌、尺寸和数量的Al17Mg12强化相，以强化镁合金，其含量低于4％时，热处理时效析出的强化相较少，其含量高于12％时，镁合金铸造性能变差，易形成显微缩松，因此其含量定为4～12％，优选为6～10％；稀土元素Y具有净化合金熔体、细化合金组织、提高表面钝化膜稳定性的作用，其含量低于6％时，无法有效细化晶粒，并且表面钝化膜的稳定性较差，其含量高于15％时，增加了镁合金的热裂倾向，因此其含量定为6～15％，优选为8～14％；TaC是一种质地坚硬、性质稳定的无机物增强相，其与镁合金的界面亲和性高于其它增强颗粒，通过在镁合金熔体中添加一定尺寸和含量的TaC颗粒，可以制备力学性能优异的镁合金复合材料，本人通过多次实验得到了增强效果较佳的TaC颗粒含量范围，该范围为10～30wt.％，优选为15～25wt.％。
所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料屈服强度为225～250MPa，抗拉强度为270～290MPa；自腐蚀电位为-1.07～-0.47V，自腐蚀电流密度为1.0×10-5～1.0×10-6A/cm2；涂层与基体间结合强度为12～16N。
所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
第一步：TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的熔炼
将高纯原材料Mg(99.95％)、Zn(99.9％)、Al(99.9％)、Y(99.9％)分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗后，冷风干燥，将其置于真空感应加热炉中，抽真空至1×10-4Pa，加热得到合金熔体并保温后，然后向合金熔体中加入TaC颗粒，TaC颗粒尺寸为40±5nm之间，磁搅拌后冷却，得到TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；
其中，以Mg(99.95％)、Zn(99.9％)、Al(99.9％)、Y和TaC颗粒的质量之和为总质量计，各物料的质量百分比为：Zn1～5％、Al4～12％、Y6～15％、10～30wt.％的TaC颗粒，其余为Mg；
优选地，合金元素按重量百分比计，其含量范围为：Zn 2～4％、Al 6～10％、Y 8～14％，TaC颗粒的加入量为15～25wt.％。
第二步：表面预处理
将第一步制备的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面进行机械抛光，分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除表面杂质，然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对表面进行抛光，随后在无水乙醇中超声清洗，冷风晾干；
第三步：离子注入沉积制备ZrO2涂层
(A)将第二步制备的试样放入离子注入沉积复合镀膜机中进行锆离子注入，离子注入选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆离子注入同时通入高纯氧气，氧气流量5～20sccm，优选为10～15sccm，能量10～45KeV，优选为20～35KeV，时间20～60min，优选为30～50min，电流2～10mA，优选为4～8mA，从而得到注入层；
(B)将锆离子注入后试样进行锆等离子体沉积，等离子体沉积选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量10～20sccm，优选为12～18sccm，负偏压-90～-160V，优选为-110～-140V，沉积电流500～800mA，优选为600～750mA，沉积时间45～75min，优选为55～70min，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速12r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°；
第四步：镀膜后热处理
将第三步制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料放入马弗炉中进行热处理，所述热处理包括两个连续过程，首先在350～450℃温度，保温120～240min，然后在150～250℃温度，保温320～480min，最后在60±5℃热水中淬火。
优选地，第一级热处理工艺为：温度360～420℃，保温150～210min；第二级热处理工艺为：温度180～220℃，保温360～450min。
优选地，所述ZrO2涂层厚度为3～8μm，该涂层具有梯度结构，外层为ZrO2沉积层，内层为ZrO2/MgO注入层。
上述方法制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料中，基体内部形成金属间化合物和TaC颗粒强化相；基体表面形成厚度可控且具有梯度结构的ZrO2涂层，涂层由外而内依次为ZrO2沉积层和ZrO2/MgO注入层。通过对离子注入沉积工艺参数的优化，得到了厚度为3～8μm的ZrO2梯度涂层，该涂层的耐腐蚀性能和结合强度均有较大提高；镀膜后进行二级连续热处理，并对热处理工艺参数进行不断优化，进一步提高了基体的力学性能和涂层与基体间的界面结合力。上述方法制备的镁合金复合材料力学性能高、耐腐蚀性能好，涂层与基体间结合力强，满足汽车轮毂的使用要求。
本发明还提供一种汽车轮毂，该汽车轮毂是由上述高强耐蚀镁合金复合材料制成。
本发明的有益效果为：
本发明有机结合了元素合金化、结构复合化、表面改性以及热处理方法，其优点在于：
(1)Zn、Al、Y合金元素和TaC颗粒协同作用，达到了析出强化和时效硬化的效果，基体内部的Mg-Zn-(Y)、Mg-Al-(Y)金属间化合物和离散的TaC颗粒在变形过程中对位错产生钉扎，提高了镁合金复合材料的力学性能，屈服强度和抗拉强度分别为225～250MPa和270～290MPa。
(2)离子注入沉积制备的ZrO2涂层具有梯度结构，外层为ZrO2沉积层，内层为ZrO2/MgO注入层，注入层增强了ZrO2涂层与基体的结合强度，沉积层与注入层共同作用显著提高了基体的耐腐蚀性能，自腐蚀电位为-1.07～-0.47V，自腐蚀电流密度为1.0×10-5～1.0×10-6A/cm2，与未镀膜镁合金复合材料相比，自腐蚀电位提高了300～900mV，自腐蚀电流密度降低了1～2个数量级。
(3)镀膜后的镁合金复合材料进行二级连续热处理，一方面促进了材料内部形成均匀分布的金属间化合物，进一步提高了其力学性能，另一方面促进了涂层/基体界面处的元素扩散，使界面结合强度由热处理前的10N提高到16N。
附图说明
图1：实施例1中TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料与纯镁力学性能对比。
图2：实施例1中TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面ZrO2涂层形貌。
图3：实施例1中TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料离子注入沉积前后腐蚀性能对比。
图4：实施例1中带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料热处理前后力学性能对比。
图5：实施例1中带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料热处理前后界面结合力对比。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明中一种用于汽车轮毂的高强耐蚀镁合金复合材料的制备方法，具体实施这种制备方法有下列步骤：
第一步：TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的熔炼
将高纯原材料Mg(99.95％)、Zn(99.9％)、Al(99.9％)、Y(99.9％)在丙酮和无水乙醇中各超声清洗15min后，冷风干燥，按重量百分比进行称重配比，合金元素含量为Zn1～5％、Al4～12％、Y6～15％、其余为Mg，优选Zn2～4％、Al6～10％、Y8～14％、其余为Mg，将原料置于真空感应加热炉中，抽真空至1×10-4Pa，加热得到合金熔体并保温5min，然后向合金熔体中加入10～30wt.％的TaC颗粒，优选15～25wt.％，TaC颗粒尺寸为40±5nm之间，磁搅拌10min后冷却，得到TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；
第二步：表面预处理
将第一步制备的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面进行机械抛光，分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除表面杂质，然后利用Al2O3溶液浸润的尼龙布对表面进行抛光，随后在无水乙醇中超声清洗15min，冷风晾干；
第三步：离子注入沉积制备ZrO2涂层
(A)将第二步制备的试样放入离子注入沉积复合镀膜机中进行锆离子注入，离子注入选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆离子注入同时通入高纯氧气，氧气流量5～20sccm，优选10～15sccm，能量10～45KeV，优选20～35KeV，时间20～60min，优选30～50min，电流2～10mA，优选4～8mA，从而得到注入层；
(B)将锆离子注入后试样进行锆等离子体沉积，等离子体沉积选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量10～20sccm，优选12～18sccm，负偏压-90～-160V，优选-110～-140V，沉积电流500～800mA，优选600～750mA，沉积时间45～75min，优选55～70min，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速12r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°；
第四步：镀膜后热处理
将第三步制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料放入马弗炉中进行热处理，所述热处理包括两个连续过程，首先在350～450℃温度，优选360～420℃，保温120～240min，优选150～210min，然后在150～250℃温度，优选180～220℃，保温320～480min，优选360～450min，最后在60±5℃热水中淬火。
将本发明所述方法制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料进行截面和内部微观结构分析，可知该材料内部存在均匀分布的Mg-Zn-(Y)相、Mg-Al-(Y)相和离散的TaC颗粒，表面涂层具有梯度结构，外层为由ZrO2构成的沉积层、内层为由ZrO2/MgO构成的注入层。
下面通过具体实施例进行详细介绍。
实施例1：
第一步：TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的熔炼
将高纯原材料Mg(99.95％)、Zn(99.9％)、Al(99.9％)、Y(99.9％)在丙酮和无水乙醇中各超声清洗15min后，冷风干燥，按重量百分比进行称重配比，将原料置于真空感应加热炉中，抽真空至1×10-4Pa，加热得到合金熔体并保温5min，然后向合金熔体中加入TaC颗粒，TaC颗粒尺寸为40±5nm之间，磁搅拌10min后冷却，得到TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；合金元素和TaC颗粒占物料总质量的比例为：Zn2％、Al6％、Y8％、TaC颗粒15％，其余为Mg；
第二步：表面预处理
将第一步制备的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面进行机械抛光，分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除表面杂质，然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对表面进行抛光，随后在无水乙醇中超声清洗15min，冷风晾干；
第三步：离子注入沉积制备ZrO2涂层
(A)将第二步制备的试样放入离子注入沉积复合镀膜机中进行锆离子注入，离子注入选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆离子注入同时通入高纯氧气(纯度为99.999％)，氧气流量10sccm，能量20KeV，时间30min，电流4mA，从而得到注入层；
(B)将锆离子注入后试样进行锆等离子体沉积，等离子体沉积选择纯锆(纯度为99.9％)作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量12sccm，负偏压-110V，沉积电流600mA，沉积时间55min，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速12r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°；
第四步：镀膜后热处理
将第三步制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料放入马弗炉中进行热处理，所述热处理包括两个连续过程，首先在360℃，保温150min，然后在180℃，保温360min，最后在55℃热水中淬火。
对实施例1中制得的试样进行结构分析和性能检测：
(A)合金化对力学性能的影响：
采用拉伸试验测试材料的力学性能，温度25℃，应变速率0.5mm/min。由附图1可见，实施例1制得的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料，屈服强度和抗拉强度分别为160MPa和250MPa，而纯镁的屈服强度和抗拉强度仅为8MPa和18MPa，Zn、Al、Y合金元素和TaC颗粒增强相显著提高了力学性能。
(B)ZrO2涂层形貌：
采用扫描电镜对ZrO2涂层微观形貌进行观察。由附图2可见，实施例1制得的ZrO2涂层厚度为3.5μm，涂层整体均匀致密，未发现微裂纹和孔洞；并显现出来了梯度结构：图2中ZrO2涂层最外面较暗、靠近基体处较亮，该图是背散射电子像，不同亮度代表不同原子序数的元素，因此，图2中ZrO2涂层内部有元素的变化，即呈现梯度结构。
(C)ZrO2涂层对腐蚀性能的影响：
TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料镀膜前后的腐蚀性能在25℃，3.5％饱和NaCl溶液中进行电化学测试，采用三电极体系，铂极作为辅助电极，饱和甘汞作为参比电极，电位扫描速度为0.001v/s。由附图3可见，实施例1制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的自腐蚀电位为-1.07V，自腐蚀电流密度为1.0×10-5A/cm2，与未改性镁合金复合材料相比，ZrO2涂层使自腐蚀电位提高了300mV，自腐蚀电流密度降低了1个数量级，离子注入沉积显著提高了基体耐腐蚀性能。
(D)热处理对力学性能的影响：
采用拉伸试验测试热处理对力学性能的影响。由附图4可见，热处理使带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的屈服强度由160MPa提高到225MPa，抗拉强度由250MPa提高到270MPa，热处理过程中基体内部形成的金属间化合物和弥散分布的TaC颗粒提高了力学性能。
(E)热处理对界面结合力的影响：
采用划痕法测定带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料热处理前后，表面涂层与基体的界面结合力。由附图5可见，热处理使ZrO2涂层的界面结合力由10N提高到12N，热处理对界面处元素扩散的促进作用提高了ZrO2涂层与基体间的结合强度。
实施例2：
第一步：TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的熔炼
将高纯原材料Mg(99.95％)、Zn(99.9％)、Al(99.9％)、Y(99.9％)在丙酮和无水乙醇中各超声清洗15min后，冷风干燥，按重量百分比进行称重配比，将原料置于真空感应加热炉中，抽真空至1×10-4Pa，加热得到合金熔体并保温5min，然后向合金熔体中加入TaC颗粒，TaC颗粒尺寸为40±5nm之间，磁搅拌10min后冷却，得到TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；
合金元素和TaC颗粒占物料总质量的比例为：Zn3％、Al8％、Y10％、TaC颗粒18％，其余为Mg；
第二步：表面预处理
将第一步制备的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面进行机械抛光，分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除表面杂质，然后利用Al2O3溶液浸润的尼龙布对表面进行抛光，随后在无水乙醇中超声清洗15min，冷风晾干；
第三步：离子注入沉积制备ZrO2涂层
(A)将第二步制备的试样放入离子注入沉积复合镀膜机中进行锆离子注入，离子注入选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆离子注入同时通入高纯氧气，氧气流量12sccm，能量25KeV，时间35min，电流6mA，从而得到注入层；
(B)将锆离子注入后试样进行锆等离子体沉积，等离子体沉积选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量14sccm，负偏压-120V，沉积电流650mA，沉积时间65min，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速12r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°；
第四步：镀膜后热处理
将第三步制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料放入马弗炉中进行热处理，所述热处理包括两个连续过程，首先在380℃，保温180min，然后在190℃，保温380min，最后在58℃热水中淬火。
经性能检测，该方法制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料在热处理后，ZrO2涂层厚度为4.5μm，屈服强度为235MPa，抗拉强度为278MPa；自腐蚀电位为-0.67V，自腐蚀电流密度为5.0×10-6A/cm2，与未改性镁合金复合材料相比，ZrO2涂层使自腐蚀电位提高了700mV，自腐蚀电流密度降低了1.5个数量级；界面结合强度为13N。
实施例3：
第一步：TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的熔炼
将高纯原材料Mg(99.95％)、Zn(99.9％)、Al(99.9％)、Y(99.9％)在丙酮和无水乙醇中各超声清洗15min后，冷风干燥，按重量百分比进行称重配比，将原料置于真空感应加热炉中，抽真空至1×10-4Pa，加热得到合金熔体并保温5min，然后向合金熔体中加入TaC颗粒，TaC颗粒尺寸为40±5nm之间，磁搅拌10min后冷却，得到TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；
合金元素和TaC颗粒占物料总质量的比例为：Zn3％、Al9％、Y12％、TaC颗粒22％，其余为Mg；
第二步：表面预处理
将第一步制备的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面进行机械抛光，分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除表面杂质，然后利用Al2O3溶液浸润的尼龙布对表面进行抛光，随后在无水乙醇中超声清洗15min，冷风晾干；
第三步：离子注入沉积制备ZrO2涂层
(A)将第二步制备的试样放入离子注入沉积复合镀膜机中进行锆离子注入，离子注入选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆离子注入同时通入高纯氧气，氧气流量14sccm，能量30KeV，时间45min，电流8mA，从而得到注入层；
(B)将锆离子注入后试样进行锆等离子体沉积，等离子体沉积选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量16sccm，负偏压-130V，沉积电流700mA，沉积时间65min，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速12r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°；
第四步：镀膜后热处理
将第三步制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料放入马弗炉中进行热处理，所述热处理包括两个连续过程，首先在400℃，保温200min，然后在210℃，保温420min，最后在62℃热水中淬火。
经性能检测，该方法制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料在热处理后，ZrO2涂层厚度为5.5μm，屈服强度为240MPa，抗拉强度为285MPa；自腐蚀电位为-0.57V，自腐蚀电流密度为3.0×10-6A/cm2，与未改性镁合金复合材料相比，ZrO2涂层使自腐蚀电位提高了800mV，自腐蚀电流密度降低了近2个数量级；界面结合强度为14N。
实施例4：
第一步：TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的熔炼
将高纯原材料Mg(99.95％)、Zn(99.9％)、Al(99.9％)、Y(99.9％)在丙酮和无水乙醇中各超声清洗15min后，冷风干燥，按重量百分比进行称重配比，将原料置于真空感应加热炉中，抽真空至1×10-4Pa，加热得到合金熔体并保温5min，然后向合金熔体中加入TaC颗粒，TaC颗粒尺寸为40±5nm之间，磁搅拌10min后冷却，得到TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；
合金元素和TaC颗粒占物料总质量的比例为：Zn4％、Al10％、Y14％、TaC颗粒25％，其余为Mg；
第二步：表面预处理
将第一步制备的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面进行机械抛光，分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除表面杂质，然后利用Al2O3溶液浸润的尼龙布对表面进行抛光，随后在无水乙醇中超声清洗15min，冷风晾干；
第三步：离子注入沉积制备ZrO2涂层
(A)将第二步制备的试样放入离子注入沉积复合镀膜机中进行锆离子注入，离子注入选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆离子注入同时通入高纯氧气，氧气流量15sccm，能量35KeV，时间50min，电流8mA，从而得到注入层；
(B)将锆离子注入后试样进行锆等离子体沉积，等离子体沉积选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量18sccm，负偏压-140V，沉积电流750mA，沉积时间70min，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速12r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°；
第四步：镀膜后热处理
将第三步制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料放入马弗炉中进行热处理，所述热处理包括两个连续过程，首先在420℃，保温210min，然后在220℃，保温450min，最后在65℃热水中淬火。
经性能检测，该方法制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料在热处理后，ZrO2涂层厚度为7.5μm，屈服强度为250MPa，抗拉强度为290MPa；自腐蚀电位为-0.47V，自腐蚀电流密度为1.0×10-6A/cm2，与未改性镁合金复合材料相比，ZrO2涂层使自腐蚀电位提高了900mV，自腐蚀电流密度降低了2个数量级；界面结合强度为16N。
经本发明所述方法制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料可以用于制造汽车轮毂，Zn、Al、Y合金元素和TaC颗粒通过析出强化和时效硬化提高了基体的力学性能；离子注入沉积制备的ZrO2涂层由外层ZrO2沉积层和内层ZrO2/MgO注入层构成，提高了基体的耐腐蚀性能；镀膜后热处理工艺有利于材料内部金属间化合物的形成，并且促进了涂层/基体界面处的元素扩散，同时提高了材料力学性能和涂层结合力。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (9)

1.一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料，其特征为该复合材料的组成包括基体和其表面涂层；所述的基体为镁合金，以重量百分比计，包含以下成分：Zn 1～5％、Al 4～12％、Y 6～15％、TaC颗粒10～30％，其余为Mg；所述表面涂层为以离子注入沉积方法形成的ZrO2涂层，所述ZrO2涂层厚度为3～8μm，具有梯度结构，外层为ZrO2沉积层，内层为ZrO2/MgO注入层。
2.如权利要求1所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料，其特征为所述镁合金成分以重量百分比计为：Zn 2～4％、Al 6～10％、Y 8～14％、增强相TaC颗粒15～25％，其余为Mg。
3.如权利要求1所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料，其特征为所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料屈服强度为225～250MPa，抗拉强度为270～290MPa；自腐蚀电位为-1.07～-0.47V，自腐蚀电流密度为1.0×10-5～1.0×10-6A/cm2；涂层与基体间结合强度为12～16N。
4.如权利要求1所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料的制备方法，其特征首先采用真空感应熔炼方法制备TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料，然后利用离子注入沉积方法在基体表面制备ZrO2梯度涂层，最后采用二级连续热处理方法促进材料内部强化相形成以及涂层/基体界面处元素扩散。
5.如权利要求4所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料的制备方法，其特征为包括如下步骤：
第一步：TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料的熔炼
将高纯原材料Mg、Zn、Al、Y分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗后，冷风干燥，将其置于真空感应加热炉中，抽真空至1×10-4Pa，加热得到合金熔体并保温后，然后向合金熔体中加入TaC颗粒，TaC颗粒尺寸为40±5nm之间，磁搅拌后冷却，得到TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；
其中，Mg的纯度为99.95％，Zn、Al和Y的纯度均为99.9％；以Mg、Zn、Al、Y和TaC颗粒的质量之和为总质量计，各物料的的质量百分比为：Zn1～5％、Al4～12％、Y6～15％、10～30wt.％的TaC颗粒，其余为Mg；
第二步：表面预处理
将第一步制备的TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料表面进行机械抛光，分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除表面杂质，然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对表面进行抛光，随后在无水乙醇中超声清洗，冷风晾干；
第三步：离子注入沉积制备ZrO2涂层
(A)将第二步制备的试样放入离子注入沉积复合镀膜机中进行锆离子注入，离子注入选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆离子注入同时通入高纯氧气，氧气流量5～20sccm，能量10～45KeV，时间20～60min，电流2～10mA，从而得到注入层；
(B)将锆离子注入后试样进行锆等离子体沉积，等离子体沉积选择纯锆作为阴极靶源，在真空度5×10-4Pa起弧，锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量10～20sccm，负偏压-90～-160V，沉积电流500～800mA，沉积时间45～75min，样品台转速12r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°，得到带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料；
第四步：镀膜后热处理
将第三步制备的带涂层TaC/Mg-Zn-Al-Y镁合金复合材料放入马弗炉中进行热处理，所述热处理包括两个连续过程，首先，第一级热处理工艺：在350～450℃温度，保温120～240min，然后，第二级热处理工艺：在150～250℃温度，保温320～480min，最后在60±5℃热水中淬火。
6.如权利要求5所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料的制备方法，其特征为合金元素按重量百分比计，其含量范围为：Zn 2～4％、Al 6～10％、Y 8～14％，TaC颗粒的加入量为15～25wt.％，其余为Mg。
7.如权利要求5所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料的制备方法，其特征为所述的第三步中，锆离子注入同时通入高纯氧气，氧气流量10～15sccm，能量20～35KeV，时间30～50min，电流4～8mA；锆等离子体沉积同时通入高纯氧气，氧气流量12～18sccm，负偏压-110～-140V，沉积电流600～750mA，沉积时间55～70min。
8.如权利要求5所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料的制备方法，其特征为所述的第一级热处理工艺为：温度360～420℃，保温150～210min；第二级热处理工艺为：温度180～220℃，保温360～450min。
9.一种汽车轮毂，其特征为该汽车轮毂是由权利要求1所述的汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料制成。
CN201710788115.5A 2017-09-05 2017-09-05 一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法 Active CN107488801B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710788115.5A CN107488801B (zh) 2017-09-05 2017-09-05 一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710788115.5A CN107488801B (zh) 2017-09-05 2017-09-05 一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107488801A CN107488801A (zh) 2017-12-19
CN107488801B true CN107488801B (zh) 2018-04-13

Family

ID=60651458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710788115.5A Active CN107488801B (zh) 2017-09-05 2017-09-05 一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107488801B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108674090B (zh) * 2018-07-25 2019-11-19 徐州诚凯知识产权服务有限公司 一种梯度结构的汽车轮毂
CN112080675B (zh) * 2020-09-11 2021-09-07 河海大学 一种具有梯度界面的高强韧镁/镁复合材料及其制备方法
CN114921699B (zh) * 2022-05-26 2023-04-25 扬州工业职业技术学院 抗高温轮毂用复合材料及汽车轮毂
CN115198152A (zh) * 2022-06-07 2022-10-18 华为技术有限公司 镁复合材料、电子设备及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4134759A (en) * 1976-09-01 1979-01-16 The Research Institute For Iron, Steel And Other Metals Of The Tohoku University Light metal matrix composite materials reinforced with silicon carbide fibers
CN101158041A (zh) * 2007-09-11 2008-04-09 太原理工大学 金属表面形成ZrO2陶瓷复合材料的方法
CN103498129A (zh) * 2013-09-03 2014-01-08 北京航空航天大学 一种铁离子注入沉积对生物降解镁和镁合金进行表面改性的方法
CN104087800A (zh) * 2014-07-09 2014-10-08 北京汽车股份有限公司 一种含SiC颗粒的高弹性模量镁合金及其制备方法
CN104342591A (zh) * 2014-11-03 2015-02-11 北京汽车股份有限公司 一种含SiC颗粒的高模量镁基复合材料及其制备方法
CN105463281A (zh) * 2016-01-15 2016-04-06 佛山市领卓科技有限公司 一种高强轻金属及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4134759A (en) * 1976-09-01 1979-01-16 The Research Institute For Iron, Steel And Other Metals Of The Tohoku University Light metal matrix composite materials reinforced with silicon carbide fibers
CN101158041A (zh) * 2007-09-11 2008-04-09 太原理工大学 金属表面形成ZrO2陶瓷复合材料的方法
CN103498129A (zh) * 2013-09-03 2014-01-08 北京航空航天大学 一种铁离子注入沉积对生物降解镁和镁合金进行表面改性的方法
CN104087800A (zh) * 2014-07-09 2014-10-08 北京汽车股份有限公司 一种含SiC颗粒的高弹性模量镁合金及其制备方法
CN104342591A (zh) * 2014-11-03 2015-02-11 北京汽车股份有限公司 一种含SiC颗粒的高模量镁基复合材料及其制备方法
CN105463281A (zh) * 2016-01-15 2016-04-06 佛山市领卓科技有限公司 一种高强轻金属及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107488801A (zh) 2017-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107488801B (zh) 一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法
Zhang et al. Fast hydrolysis and hydrogen generation on Al-Bi alloys and Al-Bi-C composites synthesized by high-pressure torsion
CN102051562A (zh) 一种铝合金的均匀化工艺方法
CN107675046A (zh) 一种轻质高强铝镁铜高熵合金及其制备方法
CN110691859B (zh) 高强度铝基合金
Hirmke et al. Influence of chemical composition of Mg alloys on surface alloying by diffusion coating
CN108531780B (zh) 一种石墨烯增强镍铝合金基复合材料的制备方法
CN114525429B (zh) 一种高强钛合金及其增材制备方法
CN105779999B (zh) 一种高机械强度零件的材料
Ge et al. Microstructure, hardness and wear resistance of AlCoCrFeNiTax (x= 0, 0.1, 0.3) high-entropy alloys enhanced by laser remelting and Ta addition
Zhong et al. Effect of minor Sc modification on the high-temperature oxidation behavior of near-α Ti alloy
Sun et al. Effect of rolling reduction and heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Al1060/Al6061-0.5 SiC/Al1060 laminates
CN1302137C (zh) 一种铝锌镁系合金及其制备工艺
CN110421004B (zh) 一种氧化铝弥散强化铜大块板带材料的制备方法
CN109321794B (zh) Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料及制备方法
Wang et al. Effect of Cu addition and heat treatment on the microstructure and microwear of selective laser melted Mg–Al–Zn alloy
CN108570588B (zh) 一种汽车顶盖用高硬耐蚀表面自洁净镁合金及其制备方法
CN108642311A (zh) 一种镁合金材料的制备方法
CN110760916B (zh) 一种提高镁合金阀门耐蚀性的方法
CN108070831A (zh) TiAl基合金表面防护的Ta-Zr合金涂层及其制备方法
CN108220694A (zh) 一种纤维增强铝合金复合材料及其制备方法
CN109321793B (zh) Al2Y颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料及制备方法
CN110205528B (zh) 一种高耐晶间腐蚀的Al-Mg合金及其制备方法
CN105063692A (zh) 一种Fe-V梯度材料及其制备方法
Youping et al. Effects of treatment parameters on microstructure of diffusion alloyed coatings on pure magnesium

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant