CN111996535A - 提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法及轻合金压铸件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法及轻合金压铸件，包括步骤：S1、在压铸件表面的待加工位置预涂装耐磨层；S2、采用搅拌摩擦焊机在压铸件表面按照预定的加工路线进行搅拌摩擦加工；S3、当搅拌摩擦焊机的搅拌头行进到加工路线终点时停止搅拌，对压铸件进行冷却。在热机械搅拌的作用下破碎晶粒，得到细小的显微组织。通过晶粒细化与嵌入增强相来提高材料的表面硬度和耐磨性。本发明具有操作简单、高效、低成本、效果明显等特点。由于加工过程中的热输入来源于摩擦热，不产生有害气体、辐射和噪音，是一种绿色、节能的加工技术。

Description

提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法及轻合金压铸件
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地，涉及一种提高压铸件表面局部硬度和耐磨性能的方法及轻合金压铸件。
背景技术
镁合金、铝合金等轻合金材料由于具有密度小、比强度和比刚度高以及优良的铸造性能，在电子信息、航空航天、汽车等领域中具有广泛的应用前景。压铸工艺及产品具有的尺寸精度高、生产速度快、铸件性能好等诸多特点，使其在提高轻合金铸件的精度水平、生产效率、表面质量等方面显示出了巨大优势。随着汽车、摩托车等工业的发展，以及提高压铸件质量、节省能耗、降低污染等设计要求的实现，轻合金(铝及镁合金)压铸件的应用范围在快速扩张，压铸件的使用范围也从非承力构件扩展到承力构件，压铸件也向大型化、复杂化和薄壁化方向发展。
对于压铸件中的某些结构承力部位或者需要后期加工，如需要加工螺孔的厚大部位，往往要求该部位具有更高的力学性能和耐磨损性能。例如在厚大部位进行紧固连接时，受限于压铸件固有的内部组织致密度不高的问题，为了提高连接的可靠性，通常首先嵌入钢制螺套，但是，钢制螺套不仅会增加铸件的重量，减弱轻量化的效果，而且会产生电偶腐蚀的问题。因此，需要开发一种方法，在不改变本体材料的主体成分基础上，局部提高铸件表面的硬度和耐磨性，以适应更多的场合需求。
目前，所采用的表面改性措施主要有化学转化处理、阳极氧化处理、微弧氧化、激光表面处理、化学镀及电镀、表面淬火(固态表面强化)、表面铸渗或熔渗强化(液态表面强化)等。上述传统方法多采用焦耳能、激光能、化学能，存在能量利用率低(激光改性)、层/基界面结合较差且材料利用率略低(热喷涂)、能耗大(液态表面强化所需加热温度高)、对操作者或环保有一定不利影响等不足之处。
近年来，由搅拌摩擦焊技术改进的搅拌摩擦加工技术(FSP)已被应用到轻合金的微观组织改性与沉淀相粒子均匀化方面。它利用搅拌头所造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合和破碎来实现材料显微组织的细化、均匀化和致密化。FSP的其中一个典型应用就是运用FSP将材料表面的金属基体与外加的陶瓷粉末在固态下进行机械混合，从而可制备出高硬度、耐磨的颗粒强化“表面复合材料”。这些技术需要预先在基板表面加工窄而浅的沟槽，为了使添加的粉末在搅拌摩擦加工后能够均匀地分布在整个平面，必然要加工比较多的沟槽，这在一定程度上增加了制备过程的复杂性。而且对于非水平基面的工件，如曲面、垂直面等，难以保证添加的粉末始终在沟槽内，这一不足之处也大大限制了该技术的使用范围。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法及轻合金压铸件。
根据本发明提供的一种提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，包括步骤：
S1、在压铸件表面的待加工位置预涂装耐磨层；
S2、采用搅拌摩擦焊机在压铸件表面按照预定的加工路线进行搅拌摩擦加工；
S3、当搅拌摩擦焊机的搅拌头行进到加工路线终点时停止搅拌，对压铸件进行冷却。
优选地，所述耐磨层的厚度为10～50μm。
优选地，步骤S3中，所述搅拌头的转速为300～800r/min，焊速为100～600mm/min，轴肩下压量为0.05～0.1mm。
优选地，还包括步骤：
S4、搅拌摩擦焊机的搅拌头回到加工路线起点，按照所述加工路线重新进行搅拌。
优选地，所述步骤S4的执行次数为0～4次。
优选地，步骤S4中，搅拌头的转速为250～750r/min，焊速为100～600mm/min，轴肩下压量为0.1～0.2mm。
优选地，所述耐磨层包括：采用阳极氧化的方法在压铸件表面形成MgO涂层或用热喷涂的方法在压铸件表面形成纳米级的SiC、Al2O3或TiO涂层。
优选地，所述冷却的时间为1min。
优选地，在步骤S1之前还包括对压铸件表面的待加工位置进行清理。
根据本发明提供的一种轻合金压铸件，采用上述提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法加工制得。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)在搅拌摩擦加工过程中，在热机械搅拌的作用下晶粒被破碎，同时发生动态再结晶，得到细小的显微组织。与母材相比，复合材料层的晶粒小了30％；抗拉强度为母材的110％，延伸率是母材的130％。
(2)通过晶粒细化与嵌入增强相来大幅度提高材料的表面硬度和耐磨性。与母材相比，复合材料层的硬度是母材硬度的1.5倍，耐磨性是母材的1.2倍。
(3)搅拌摩擦加工还能均匀化合金组织，消除铸态组织缺陷。
(4)具有操作简单、高效、低成本、效果明显等特点。
(5)可实现材料表面的组织细化、致密化和均匀化，被处理区域的深度可通过改变搅拌针的长度来调节。由于加工过程中的热输入来源于摩擦热，不产生有害气体、辐射和噪音，是一种绿色、节能的加工技术。与传统的在高温液相下进行的复合技术相比(如激光熔覆、热喷涂等)，本发明在质量方面与生产管理方面具有独特优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1至图4为本发明的工作流程图；
图5为通过本发明得到的压铸件在显微镜下的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，包括步骤：
S0、如图1所示，对压铸件1表面的待加工位置2进行清理。
S1、如图2所示，在压铸件1表面的待加工位置2预涂装耐磨层3。耐磨层包括：采用阳极氧化的方法在压铸件表面形成MgO涂层或用热喷涂的方法在压铸件表面形成纳米级的SiC、Al2O3或TiO涂层，耐磨层的厚度为10～50μm。
S2、如图3所示，采用搅拌摩擦焊机在压铸件表面按照预定的加工路线进行搅拌摩擦加工。搅拌头的转速为300～800r/min，焊速为100～600mm/min，轴肩下压量为0.05～0.1mm。
S3、如图4所示，当搅拌摩擦焊机的搅拌头4行进到加工路线终点时停止搅拌，提起搅拌头，对压铸件进行冷却。
S4、为促进纳米级陶瓷颗粒的均匀分布，得到相近的焊核区组织，并保证复合材料层与基体更好的结合，搅拌摩擦焊机的搅拌头回到加工路线起点，按照所述加工路线重新进行搅拌。搅拌头的转速为250～750r/min，焊速为100～600mm/min，轴肩下压量为0.1～0.2mm。
复搅拌的目的是为了避免由上一道次因为较少下压量可能产生的隧道等缺陷，重复搅拌的次数由需要处理的表面层厚度决定，优选的次数为0～4次。
实施例1
通过阳极氧化的方法在合金表面形成MgO涂层，涂层的厚度约为15μm。将待加工件装夹在搅拌摩擦焊机平台上，对其表面进行搅拌摩擦加工。搅拌头的转速为600r/min，焊速为300mm/min，轴肩下压量为0.1mm。当搅拌头行进到加工路线终端，停止旋转移动，提起搅拌头，冷却1min。
实施例2
本实施例是对待加工表面重新二次搅拌。通过阳极氧化的方法在合金表面形成MgO涂层，涂层的厚度约为15μm。将待加工件装夹在搅拌摩擦焊机平台上，对其表面进行搅拌摩擦加工。搅拌头的转速为600r/min，焊速为300mm/min，轴肩下压量为0.05mm。当搅拌头行进到加工路线终端，停止旋转移动，提起搅拌头，冷却。然后搅拌头回到加工起点，重新对材料进行搅拌，可以适当调整加工参数。搅拌头的转速为550r/min，焊速为400mm/min，轴肩下压量为0.1mm。
如图5所示，本发明在待焊材料表面预制陶瓷涂层，以摩擦热作为热源，用机械搅拌的方法，破碎被拉长的晶粒，在晶粒发生动态回复与动态再结晶的过程中，陶瓷颗粒作为增强相更有效地钉扎晶界，促进了细小晶粒的形成。由于陶瓷颗粒强化与细晶强化的共同作用，在合金表面形成符合材料层(图中虚线框内)，合金表面的耐磨性和硬度也将得到提高。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在压铸件表面的待加工位置预涂装耐磨层；
S2、采用搅拌摩擦焊机在压铸件表面按照预定的加工路线进行搅拌摩擦加工；
S3、当搅拌摩擦焊机的搅拌头行进到加工路线终点时停止搅拌，对压铸件进行冷却。
2.根据权利要求1所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，所述耐磨层的厚度为10～50μm。
3.根据权利要求1所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，步骤S3中，所述搅拌头的转速为300～800r/min，焊速为100～600mm/min，轴肩下压量为0.05～0.1mm。
4.根据权利要求1所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，还包括步骤：
S4、搅拌摩擦焊机的搅拌头回到加工路线起点，按照所述加工路线重新进行搅拌。
5.根据权利要求4所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，所述步骤S4的执行次数为0～4次。
6.根据权利要求4所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，步骤S4中，搅拌头的转速为250～750r/min，焊速为100～600mm/min，轴肩下压量为0.1～0.2mm。
7.根据权利要求1所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，所述耐磨层包括：采用阳极氧化的方法在压铸件表面形成MgO涂层或用热喷涂的方法在压铸件表面形成纳米级的SiC、Al2O3或TiO涂层。
8.根据权利要求1所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，所述冷却的时间为1min。
9.根据权利要求1所述的提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括对压铸件表面的待加工位置进行清理。
10.一种轻合金压铸件，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述提高压铸件表面局部硬度和耐磨性的方法加工制得。
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