CN113493876A - 一种铁基非晶改性镁合金表面的方法 - Google Patents

Abstract

一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，涉及表面改性技术领域，具体步骤如下：S1、将组分A和组分B按照质量百分比称重；其中组分A为铸造镁合金的原料，其质量百分比为92～95％；组分B为铁基非晶合金颗粒，其质量百分比为5～8％；S2、将铁基非晶合金颗粒置于保温炉中预热并保温；S3、将步骤S1中组分A的原料中熔点高于650℃的组分置于坩埚内，然后将坩埚放入加热炉内，升温至700℃～740℃并通入保护气进行熔炼，熔炼完成后向坩埚内加入组分A的原料中熔点低于650℃的组分以及步骤S2中的铁基非晶合金颗粒，升温至760℃并保温20～30min；S4、待温度冷却至T₀温度时，进行机械搅拌5～10min至T₅₀温度后，再静置20min，然后冷却得到铁基非晶合金颗粒增强的镁合金表面复合材料。

Description

一种铁基非晶改性镁合金表面的方法

技术领域

本发明涉及表面改性技术领域，具体涉及一种铁基非晶改性镁合金表面的方法。

背景技术

表面改性技术作为能显著改善机械零部件性能和扩大其使用领域的有效手段。主要应用在提高零件表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性等力学、物理及化学性能改善上。目前表面改性技术主要是通过采用化学和物理方法来改变或改进零件表层的化学成分或组织结构。主要包括化学热处理(渗碳，渗氮，渗金属等)，表面涂层(等离子喷涂，电弧喷涂)，激光重熔复合等薄膜镀层(物理气相沉积，化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。通过以上技术手段对零件和材料表面进行改性处理，显著改善工件的使用性能，对其应用领域拓展有巨大的推动作用，与此同时，也有重要的经济意义。

镁合金是目前工程应用领域中最轻的金属结构材料(见参考文献：张津,章宗和.镁合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2005.)，因其比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能优异、阻尼减震性能好、切屑加工性能优良等特点，广泛应用于航空航天、汽车工业和3C领域中(见参考文献：李晓敏.压铸镁合金在汽车中的应用及其发展前景[J].世界有色金属，2001(9):16-18.张永忠，张奎，樊建中，等.压铸镁合金及其在汽车工业中的应用[J].特种铸造及有色合金，1999(3)：54-56.曾荣昌，柯伟，徐永波，等.Mg合金的最新发展及应用前景[J].金属学报，2001，37(7)：673-685.)。但作为结构材料，镁合金的硬度低，耐磨性比较差，严重阻碍了镁合金材料的应用领域及其使用范围。镁合金常用的表面改性技术，如阳极氧化技术、化学转化膜技术、有机涂层技术、表面覆盖技术、电镀、微弧氧化、激光表面处理、热喷涂以及表面渗层处理等(见参考文献：文斯雄.镁合金零件局部的抗蚀保护[J].电镀与精饰，1999，21(5)：31-32.曾小勤，王渠东，吕宜振，等.镁合金的应用新进展[J].铸造，1988(11)：39-43.)，但镁合金因电极电位太低，表面活性高，所以形成优良的镀层非常困难。同时，结合镁合金表面改性技术沿着低污染，低成本和高效率的主流设计方向，研发更为高效的制备技术，有着非常重要的现实意义。

铁基非晶合金因其具有长程无序，短程有序的原子结构，晶体内部不存在位错，晶界等缺陷，而且具备低成本、高强度、高硬度和高耐磨性等优点(见参考文献：Wang W H.Thenature and properties of amorphous matter[J].Progress in Physics,2013,33(5):177-351.Q.Dong,P.Song,J.Tan,X.M.Qin,C.J.Li,P.Gao,Z.X.Feng,M.Calin,J.Eckert,Non-isothermal crystallization kinetics of a Fe–Cr–Mo–B–C amorphous powder[J].Journal of Alloys and Compounds,2020,823:153783.)。因此在表面工程领域收到广泛的关注。目前对镁合金的表面处理主要采用的表面涂层技术为激光熔覆和热喷涂，但因其制备工艺复杂，难度极大，同时制备的涂层存在非晶含量不够高，孔隙和氧化物较多，成分难以精确控制，残余应力较大，界面结合不稳定，涂层厚度控制难等一系列问题，严重制约了铁基非晶材料在表面工程领域的应用。

发明内容

本发明根据现有的镁合金表面处理难度大、工艺复杂以及性能不足的问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，所述方法的具体步骤如下：

S1、将组分A和组分B按照质量百分比称重；其中

组分A为铸造镁合金的原料，其质量百分比为92～95％；

组分B为铁基非晶合金颗粒，其质量百分比为5～8％；

S2、将铁基非晶合金颗粒置于保温炉中预热并保温；

S3、将步骤S1中组分A的原料中熔点高于650℃的组分置于坩埚内，然后将坩埚放入加热炉内，升温至700℃～740℃并通入保护气进行熔炼，熔炼完成后向坩埚内加入组分A的原料中熔点低于650℃的组分以及步骤S2中的铁基非晶合金颗粒，升温至760℃并保温20～30min；

S4、待温度冷却至镁合金熔体的半固态温度区间的T₀温度时，进行机械搅拌5～10min至T₅₀温度后，再静置20min，然后冷却得到铁基非晶合金颗粒增强的镁合金表面复合材料，其中T₀为镁合金熔体的初始凝固温度，T₅₀为镁合金熔体中液相重量百分比为50％左右时的温度，T₀至T₅₀的温度区间即为半固态温度区间。

优选地，所述S1中的镁合金为AZ91、AM50、AM60以及ZA81四个牌号之中的一种，所述铁基非晶颗粒为FeCrMoBC非晶颗粒。

优选地，所述S2中的预热温度为200～300℃。

优选地，所述S3中的保护气为CO₂和SF₆。

优选地，所述S4中机械搅拌的转速为700～1000rpm。

优选地，所述S4中的冷却方式为水冷。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)由于FeCrMoBC非晶颗粒与镁合金的熔融金属液的密度差异大，因此FeCrMoBC非晶颗粒均匀分散在镁合金的熔融金属液中十分困难，易沉底、偏聚和团聚，但是镁合金的熔融金属液在半固态温度区间内具有一定的粘度，同时在机械搅拌时产生的高速剪切作用下，能为分散FeCrMoBC非晶颗粒提供良好的条件，使得FeCrMoBC非晶颗粒与镁合金结合良好，而且后续的静置为非晶颗粒形成表面复合材料提供沉降所需要的动力学时间，使其接近最终铸件成品要求，从而减少后续工序加工处理。

(2)预热和保温可以破坏FeCrMoBC非晶颗粒表面的吸附气体，减少镁合金与水蒸气、氧气等的反应，提高制备过程中的安全性，提高制备合金的纯净度，同时提高非晶颗粒与镁合金溶液之间的润湿性。

(3)后加入熔点低于650℃的组分后能够提高镁合金成分的稳定性，减少组分烧损的不可控风险；后加入FeCrMoBC非晶颗粒的能够减少FeCrMoBC非晶颗粒的团聚风险，以便后续机械搅拌能使其更好的分散在镁合金的熔体中。

(4)水冷能够提高凝固过程的冷却速度，抑制晶粒的长大，有效提高合金的力学性能。

(5)可以通过改变FeCrMoBC非晶颗粒的添加量，来获取不同厚度的改性层，使其满足具体的使用要求。

(6)本发明方法的制备技术涉及到的设备简单、操作方便、成本低廉，可以适用于多个铸造镁合金体系，易于实现工业化生产和推广。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明铁基非晶改性镁合金表面复合材料的电子显微镜组织结构图。

图2为图1中FeCrMoBC非晶颗粒与镁合金基体的界面结合处的局部放大图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

实施例1

提供一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其中镁合金选取AZ91牌号，具体包括以下步骤：

S1、将铸造AZ91镁合金的原料以及FeCrMoBC非晶颗粒按照95.00％和5.00％的质量百分比称重；

S2、熔炼前将FeCrMoBC非晶颗粒放置于温度300℃的保温炉中预热并保温；

S3、将步骤S1中铸造AZ91镁合金的原料中熔点高于650℃的组分置于坩埚内，然后将坩埚放入加热炉内，升温至700℃并通入CO₂和SF₆作为保护气进行熔炼，熔炼完成后向坩埚内加入原料中熔点低于650℃的组分以及步骤S2中的FeCrMoBC非晶颗粒，升温至760℃并保温20min；

S4、待温度冷却至AZ91镁合金的半固态温度区间的T₀温度600℃时，以700rpm进行机械搅拌10min至T₅₀温度570℃后，再静置20min，然后采用水冷的方式得到FeCrMoBC非晶颗粒增强的AZ91镁合金表面复合材料。

实施例2

提供一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其中镁合金选取AM50牌号，具体包括以下步骤：

S1、将铸造AM50镁合金的原料以及FeCrMoBC非晶颗粒按照94.00％和6.00％的质量百分比称重；

S2、熔炼前将FeCrMoBC非晶颗粒放置于温度200℃的保温炉中预热并保温；

S3、将步骤S1中铸造AM50镁合金的原料中熔点高于650℃的组分置于坩埚内，然后将坩埚放入加热炉内，升温至720℃并通入CO₂和SF₆作为保护气进行熔炼，熔炼完成后向坩埚内加入原料中熔点低于650℃的组分以及步骤S2中的FeCrMoBC非晶颗粒，升温至760℃并保温25min；

S4、待温度冷却至AM50镁合金的半固态温度区间的T₀温度625℃时，以800rpm进行机械搅拌8min至T₅₀温度605℃后，再静置20min，然后采用水冷的方式得到FeCrMoBC非晶颗粒增强的AM50镁合金表面复合材料。

实施例3

提供一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其中镁合金选取AM60牌号，具体包括以下步骤：

S1、将铸造AM60镁合金的原料以及FeCrMoBC非晶颗粒按照93.00％和7.00％的质量百分比称重；

S2、熔炼前将FeCrMoBC非晶颗粒放置于温度250℃的保温炉中预热并保温；

S3、将步骤S1中铸造AM60镁合金的原料中熔点高于650℃的组分置于坩埚内，然后将坩埚放入加热炉内，升温至730℃并通入CO₂和SF₆作为保护气进行熔炼，熔炼完成后向坩埚内加入原料中熔点低于650℃的组分以及步骤S2中的FeCrMoBC非晶颗粒，升温至760℃并保温30min；

S4、待温度冷却至AM60镁合金的半固态温度区间的T₀温度620℃时，以1000rpm进行机械搅拌5min至T₅₀温度600℃后，再静置20min，然后采用水冷的方式得到FeCrMoBC非晶颗粒增强的AM60镁合金表面复合材料。

实施例4

提供一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其中镁合金选取ZA81牌号，具体包括以下步骤：

S1、将铸造ZA81镁合金的原料以及FeCrMoBC非晶颗粒按照92.00％和8.00％的质量百分比称重；

S2、熔炼前将FeCrMoBC非晶颗粒放置于设置温度280℃的保温炉中预热并保温；

S3、将步骤S1中铸造ZA81镁合金的原料中熔点高于650℃的组分置于坩埚内，然后将坩埚放入加热炉内，升温至740℃并通入CO₂和SF₆作为保护气进行熔炼，熔炼完成后向坩埚内加入原料中熔点低于650℃的组分以及步骤S2中的FeCrMoBC非晶颗粒，升温至760℃并保温25min；

S4、待温度冷却至ZA81镁合金的半固态温度区间的T₀温度610℃时，以900rpm进行机械搅拌6min至T₅₀温度590℃后，再静置20min，然后采用水冷的方式得到FeCrMoBC非晶颗粒增强的ZA81镁合金表面复合材料。

其中实施例1-4中提到的半固态温度区间的确定方法为：根据镁合金相图计算，取其初始凝固温度T₀至其熔体中液相重量百分比为50％左右时的温度T₅₀为半固态温度区间，下表为AZ91、AM50、AM60以及ZA81四个牌号的镁合金的半固态温度区间表：

合金	T<sub>0</sub>(℃)	T<sub>50</sub>(℃)	熔体中液相重量百分比
				AZ91	600	570	53％
AM50	625	605	46％
				AM60	620	600	50％
ZA81	610	590	51％

实施例1-4中涉及的AZ91、AM50、AM60以及ZA81四个牌号的镁合金，其中每种镁合金的组成以及各组分配比均为现有技术，这里不做详细描述，并且每种镁合金中熔点低于650℃的组分有且仅有Zn。

如图1-2所示，展示了实施例1-4制备的FeCrMoBC非晶颗粒增强的不同镁合金表面复合材料中，FeCrMoBC非晶颗粒均良好的分散在镁合金基体内，并与镁合金基体结合良好，性能稳定。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：

S1、将组分A和组分B按照质量百分比称重；其中

组分A为铸造镁合金的原料，其质量百分比为92～95％；

组分B为铁基非晶合金颗粒，其质量百分比为5～8％；

S2、将铁基非晶合金颗粒置于保温炉中预热并保温；

S3、将步骤S1中组分A的原料中熔点高于650℃的组分置于坩埚内，然后将坩埚放入加热炉内，升温至700℃～740℃并通入保护气进行熔炼，熔炼完成后向坩埚内加入组分A的原料中熔点低于650℃的组分以及步骤S2中的铁基非晶合金颗粒，升温至760℃并保温20～30min；

S4、待温度冷却至镁合金熔体的半固态温度区间的T₀温度时，进行机械搅拌5～10min至T₅₀温度后，再静置20min，然后冷却得到铁基非晶合金颗粒增强的镁合金表面复合材料，其中T₀为镁合金熔体的初始凝固温度，T₅₀为镁合金熔体中液相重量百分比为50％左右时的温度，T₀至T₅₀的温度区间即为半固态温度区间。

2.根据权利要求1所述的一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其特征在于，所述S1中的镁合金为AZ91、AM50、AM60以及ZA81四个牌号之中的一种，所述铁基非晶颗粒为FeCrMoBC。

3.根据权利要求1所述的一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其特征在于，所述S2中的预热温度为200～300℃。

4.根据权利要求1所述的一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其特征在于，所述S3中的保护气为CO₂和SF₆。

5.根据权利要求1所述的一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其特征在于，所述S4中机械搅拌的转速为700～1000rpm。

6.根据权利要求1所述的一种铁基非晶改性镁合金表面的方法，其特征在于，所述S4中的冷却方式为水冷。

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