TWI621737B - 金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法 - Google Patents

金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，步驟如下：步驟一、待合金化金屬工件基體預處理；步驟二、電熱合金化電極製備；步驟三、電熱合金化設備組裝；步驟四、電熱合金化製備；步驟五、合金化金屬工件基體的磨削及拋光；本發明製備的合金化層緻密均勻，無脆性陶瓷、氮化物、氧化物等物質形成，合金化層與基體之間為冶金結合，強化層品質高；合金元素的選擇範圍廣，金屬絲束加工技術難度小、成本更加低廉；對工件的形狀、精度無特殊要求，適用性強；且操作簡單，加工效率高；設備簡單、維護成本低，加工成本低廉。

Description

金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法
本發明涉及表面處理技術領域，尤其涉及一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法。
引起金屬零件失效的原因主要有疲勞（占61%）、過載（占18%）、應力腐蝕（占8%）、過度磨損（占7%）、腐蝕（占3%）、高溫氧化（占2%）、應力破壞（占1%）；除過載以外，其餘失效均與零件表面狀態有關；因此，大部分金屬零部件實際使用過程中均需要進行表面強化處理。
傳統的表面強化技術可分為兩類：表面塗覆和表面改性處理。
表面塗覆處理包括電鍍、化學鍍、噴塗、氣相沉積、氧化等方法，塗層材料的成分、組織結構、緻密度和力學性能均與基體之間存在較大的差異；這種塗層強化技術能夠有效的解決金屬材料表面耐蝕、耐磨不足的缺陷，但對零部件的疲勞性能產生非常大的影響；而且塗層和基體之間的結合力較差，在加載作用下塗層的壽命也受到極大影響。
表面改性處理包括機械強化、高能束流輻射、離子注入、化學熱處理（滲氮、碳）等方法；改性層與基體之間無明顯分界面，且主要成分不發生變化；其中，機械強化對零部件的表面性能提升貢獻有限；高能束流輻射和離子注入等製程對設備的要求較高且效率低，需要在真空或保護下進行；化學熱處理需要在高溫、氣體環境之條件下進行，對零部件的力學性能產生較大影響。
金屬表面合金化技術能夠有效的克服以上製程的不足，獲得高品質的強化層或功能層；傳統的機械合金化及文獻《Rapid synthesis of Ti(C, N) powders by mechanical alloying and subsequent arc discharging》公布的機械輔助合金化技術均僅適合於粉體等原材料的加工，無法用於金屬部件的表面強化；機械鍍技術可以形成相對緻密的鍍層，但其結合力差且僅適合於形狀簡單的小件產品；目前，能夠有效實現金屬表面合金化的方法主要有：高溫包埋擴散滲、塗鍍後高溫熱擴散處理、高能束（雷射、電子束）表面合金化、微弧火花沉積等技術。
高溫包埋擴散滲（如鋼鐵材料表面粉末滲鋁）製程溫度高、時間長，對零部件的力學性能產生極大的負面影響，特別是疲勞性能造成很大的影響；而且強化層極易出現貫穿性裂紋，使用中易誘發強化層脫落，大幅降低強化效果。
塗鍍後熱擴散處理製程同樣存在後續高溫處理過程，使零部件芯部晶粒長大、強韌性登力學指標下降，而且處理成本更高。
高能束表面合金化製程存在加工成本高（能量利用率低）、設備及維護成本高昂，且存在微裂紋等品質缺陷。
微弧火花沉積技術是通過電容的脈衝放電將電極材料沉積在金屬基體表面，使基體和電極材料發生冶金反應形成高硬度的表面強化合金化塗層，從而改善鈦表面的耐磨和耐蝕性能；然而，微弧火花沉積速度慢、效率低，導致該技術僅適合處理精密零件表面失重型缺陷的微量修復，不適於修復塗層厚度較大(塗層厚度＞0.25mm)，更不適於較大面積的處理；而且整個處理製程需要經過機械加工、堆焊加厚修復、磨削平整等流程；因此，微弧火花沉積技術的應用領域十分有限。
文獻《柔性鈦電極電火花合成TiN塗層》、《柔性電極鈦合金表面電火花強化試驗研究》公布了一種柔性電火花沉積方法；相對於傳統電火花沉積技術，該製程僅在熔體沉積速率和品質控制上有所改進，但該製程的缺陷更加明顯：（1）該製程沒有解決電火花沉積速度慢、效率低的不足；（2）電極尺寸變大，導致現場或手工操作難度增加；（3）為了獲得更充分的火花放電效果和穩定性，必須保證圓形絲盤中較低的絲束密度且單根電極絲與基體之間的間隙控制在合理的範圍內，而且強化層完全依靠電極的沉積獲得，導致加工過程中單絲的消耗大、絲盤尺寸變化大，造成製程穩定性差，不能進行長時間、大面積處理；其中，文獻《柔性鈦電極電火花合成TiN塗層》中所述與填充氮氣氣體反應的絲狀電極材料選擇有限，形成的TiN為陶瓷材料，脆性大，適用範圍更小；文獻《柔性電極鈦合金表面電火花強化試驗研究》中，利用電火花的高能放電作用熔化金屬表面與空氣發生劇烈反應形成氧化物且存在大量顆粒狀電極材料雜質，塗層均勻性差、緻密度低、脆性大，表面粗糙度難以控制。
中國專利公告號CN 101817159 A，公開了“一種柔性電極零件表面電火花磨削拋光方法，其特徵是：調速電機帶動導電柔性電極旋轉，在柔性電極與作為另一極的零件表面通入脈衝電源/直流電，絕緣工作臺在步進電機的帶動下，柔性電極向零件表面靠近，達到放電間隙時，產生火花放電，向放電區域噴入拋光介質或者把放電區域侵入拋光介質，利用火花放電能量，蝕除零件表面凸出部分的表面材料，同時旋轉的柔性電極對零件表面有機械磨削作用，旋轉的柔性電極帶動拋光介質對零件表面有拋光作用”；該製程與傳統的電火花磨削拋光加工原理相同，即均通過電容脈衝放電去除工件表面的突起，達到拋光的目的，且降低了對工件精度的要求；同樣，該製程技工過程中必須保證電刷與工件之間具有合適的放電間隙，因此電刷的機械磨削作用可以忽略不計；反而由於柔性電極對液體的強烈攪拌及其引起的巨大阻力，對設備的防護和加工過程提出來了更高的要求；另一方面，該製程雖然通過拋光介質保護避免了上述文獻中熔體與介質之間的劇烈反應，但也失去了電火花的強化作用；因此，該製程僅適合一些小型、精細零件的去毛刺處理，很難獲得推廣應用，特別是在處理大件部件、大面積處理或需要有較好強化效果時，該製程的缺陷變得非常明顯。
文獻《Surface aluminizing on Ti-6Al-4V alloy via a novel multi-pass friction-stir lap welding method: Preparation process, oxidation behavior and interlayer evolution》公布了一種多道攪拌摩擦焊搭接固態加工技術，該技術也存在明顯的不足：（1）僅適合特定平整表面的強化處理，不具備實際大規模應用條件；（2）需要專用摩擦焊接及工裝卡具，且後續需要車銑加工，製程複雜、成本高昂；（3）僅適合於科學研究，幾乎不能用於成品零部件的表面強化處理。
本發明所要解決的技術問題是提供一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其具有製備的合金化層緻密、均勻，無脆性陶瓷、氮化物、氧化物等物質形成，合金化層與基體之間為冶金結合、無明顯界面，強化層品質高；合金元素的選擇範圍廣，且現對於雷射合金化等製程所需的粉體材料，本發明採用的金屬絲束加工技術難度小、成本更加低廉；本發明對工件的形狀、精度無特殊要求，適用性強；且操作簡單、易行，加工效率高，能夠用於大面積、複雜工件的表面強化處理；合金化與磨削過程同時進行，能夠獲得低表面粗糙度、高光亮度的表面拋光效果，無需拋光、去毛刺等二次加工；對工件的形狀、精度無特殊要求，且可實現對複合材料、薄壁零部件的處理，適用性強；設備簡單一次投入小、維護成本低，加工成本低廉。
為解決上述技術問題，本發明採用下述技術方案：一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，步驟如下：
步驟一、待合金化金屬工件基體預處理：去除待合金化金屬工件基體表面的油污、氧化皮、加工硬化層，獲得清潔、平整的表面狀態，以便後續的電熱合金化更均勻，製程更穩定，待用；
步驟二、電熱合金化電極製備：選用欲與金屬基體表面合金化的低熔點或低導熱係數金屬材料（熔點低或導熱係數低於待合金化金屬基體，以促使欲合金化材料優先於基體材料發生熔化），加工成超細纖維/絲束，將該超細纖維/絲束緊固在金屬刷體表面，製成帶有合金化元素超細纖維/絲束的刷子，作為電熱合金化電極材料，待用；該結構在合金化加工過程中，合金化元素絲束與金屬工件基體表面之間的點接觸形成高電阻值，進而產生大量的電阻熱；在電阻熱和摩擦熱共同作用下，使接觸點的金屬絲和基體發生熔合，實現合金化，相比於雷射合金化等製程需要實用的粉體合金材料，本發明採用的金屬絲束加工技術難度小、成本更加低廉；
步驟三、電熱合金化設備組裝：將步驟二準備的刷子固定在高頻震動器上或者固定在高速旋轉電機上，並在垂直待合金化金屬工件基體表面方向持續施加一定的壓力，以確保刷子的超細纖維/絲束合金材料與步驟一準備的金屬工件基體表面始終保持緊密接觸，保證合金化層緻密、均勻，無脆性陶瓷、氮化物、氧化物等物質形成，避免由於超細纖維/絲束合金材料與金屬工件基體分離而產生大光斑電弧燒蝕、形成金屬氧化物和氮化物等現象發生；而且將刷子與直/交流電源負極連接，電源正極與金屬工件基體連接，利於超細纖維/絲束的合金材料向金屬工件基體表面轉移，完成電熱合金化製備前的設備組裝，本發明對工件的形狀、精度無特殊要求，適用性強；且操作簡單、易行，加工效率高，能夠用於大面積、複雜工件的表面強化處理；
步驟四、電熱合金化製備：啟動高頻震動器或者高速旋轉電機，使帶有合金化元素超細纖維/絲束的刷子與待合金化金屬工件基體兩者之間處於高速的相對運動狀態，即兩者形成高速、高壓的摩擦過程；高頻往復運動或高速旋轉開始的同時，接通強流直/交流電，開始合金化材料向待合金化金屬工件基體的熔合/轉移、擴散，持續通電高頻往復運動或高速旋轉一段時間，進行反復的熔合/黏著轉移、擴散達到金屬工件基體接觸面深層合金化，獲得理想的合金化強化層；當電阻熱和摩擦熱僅能使金屬基體和合金元素絲束接觸點處於高溫黏流狀態，不足以使基體局部發生熔化時，僅依靠加壓的機械摩擦作用來實現合金元素從絲束材料向金屬基體的黏著轉移，並在高溫作用下實現向基體內部的擴散滲透，達到深層合金化的目的，由於合金材料與金屬工件基體之間為冶金結合、無明顯界面，金屬工件基體的合金強化層品質高；
步驟五、合金化金屬工件基體的磨削及拋光：在獲得步驟四理想的合金化強化層後，切斷供給強流直/交流電，繼續讓高頻震動器或者高速旋轉電機帶動帶有合金化元素超細纖維/絲束的刷子與步驟四的金屬工件基體高速的相對運動一段時間，合金化與磨削過程同時進行，能夠獲得低表面粗糙度、高光亮度的表面拋光效果，無需單獨拋光、去毛刺等二次加工，節省了習知技術中還需要另外磨削和拋光的工序，完成金屬工件基體的磨削及拋光。
本發明的進一步技術方案為：
優選的，為了進一步提高合金化效果，所述步驟一中可採用噴砂、機械研磨製程除去待合金化金屬工件基體表面的油污、氧化皮和加工硬化層。
優選的，為了進一步提高合金化效果，所述步驟二中所述的超細纖維/絲束的直徑0.05mm-0.2mm，超細纖維/絲束在金屬刷子上的密度500根/cm2 -3000根/cm2 。
優選的，為了進一步提高合金化效果，所述步驟三中垂直待合金化金屬工件基體表面方向持續施加的壓力值0.05Mpa-0.5Mpa。
優選的，為了進一步提高合金化效果，所述步驟四中高頻震動器或高速旋轉電機的相對運動速度為0.01m/s-10m/s；強流的電流密度5A/cm2 -20A/cm2 ；供給強流直/交流電進行高頻往復運動或高速旋轉的時間以單位面積累積處理20s-60s。
優選的，為了進一步提高合金化效果，所述步驟五中切斷供給強流直/交流電進行高頻往復運動或高速旋轉的時間以單位面積累積5s-20s。
本發明的有益效果包括：
（1）本發明製備的合金化層緻密、均勻，無脆性陶瓷、氮化物、氧化物等物質形成，合金化層與基體之間為冶金結合、無明顯界面，強化層品質高；
（2）合金元素的選擇範圍廣，且現對於雷射合金化等製程所需的粉體材料，本發明採用的金屬絲束加工技術難度小、成本更加低廉。
（3）本發明對工件的形狀、精度無特殊要求，適用性強；且操作簡單、易行，加工效率高，能夠用於大面積、複雜工件的表面強化處理。
（4）合金化與磨削過程同時進行，能夠獲得低表面粗糙度、高光亮度的表面拋光效果，無需拋光、去毛刺等二次加工。
（5）對工件的形狀、精度無特殊要求，且可實現對複合材料、薄壁零部件的處理，適用性強。
（6）設備簡單一次投入小、維護成本低，加工成本低廉。
實施例1
參見圖1所示，一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其操作步驟如下：
步驟一、待合金化金屬工件基體預處理：
以20mm×20mm×2mm的工業純鈦（TA2）板材作為待合金化金屬工件基體，經噴砂、打磨除去工業純鈦板材表面的油污、氧化皮、加工硬化層，固定於工作平臺待用；
步驟二、電熱合金化電極製備：以0.05mm直徑的不鏽鋼絲緊固在金屬刷體表面，製成密度3000根/cm2 、40×40mm的刷子，作為在空氣中進行Cr、Fe（不鏽鋼中的主要成分）共滲的電極材料，待用；
步驟三、電熱合金化設備組裝：將步驟二準備的刷子固定在高頻震動器上，並在垂直工業純鈦（TA2）板材表面方向持續施加0.5Mpa的正壓力，以確保刷子的不鏽鋼絲與步驟一準備的工業純鈦板材表面始終保持緊密接觸，將刷子與直流電源負極連接，電源正極與工業純鈦板材連接，完成電熱合金化製備前的設備組裝；
步驟四、電熱合金化製備：啟動高頻震動器，調節頻率200HZ、振幅1.2mm，使不鏽鋼刷毛的刷子在工業純鈦板材上做高頻往復運動，且不鏽鋼刷毛的刷子相對速度達到0.96m/s；往復運動開始的同時，接通5A的直流電，開始不鏽鋼刷毛的刷子向工業純鈦板材進行Cr、Fe共滲，持續通電20s，停止，待鈦板溫度降低至室溫後，再次處理20s，重複兩次，即累計共處理60s，獲得Cr、Fe、Ti合金化的表面強化層；
步驟五、合金化金屬工件基體的磨削及拋光：在獲得步驟四理想的Cr、Fe、Ti合金化的表面強化層後，切斷供給5A的直流電，繼續讓高頻震動器帶動不鏽鋼刷毛的刷子與步驟四的帶有Cr、Fe、Ti合金化的表面強化層的工業純鈦板材相對運動10s，完成帶有Cr、Fe、Ti合金化的表面強化層的工業純鈦板材的磨削及拋光。
實施例1成分分析結果平均值表 【表1】
實施例2
參見圖2所示，一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其操作步驟如下：
步驟一、待合金化金屬工件基體預處理：以Φ90×2mm的工業純鈦（TA1）板材作為待合金化金屬工件基體，經噴砂、打磨除去工業純鈦板材表面的油污、氧化皮、加工硬化層，固定於工作平臺待用；
步驟二、電熱合金化電極製備：以0.2mm直徑的紫銅絲緊固在金屬刷體表面，製成密度500根/cm2 、Φ30mm的實芯刷子，作為在空氣中進行滲銅（或鈦、銅合金化）處理的電極材料，待用；
步驟三、電熱合金化設備組裝：將步驟二準備的刷子固定在高速旋轉電機上，並在垂直工業純鈦（TA1）板材表面方向持續施加0.05Mpa的正壓力，以確保刷子的紫銅絲與步驟一準備的工業純鈦板材表面始終保持緊密接觸，將刷子與直流電源負極連接，電源正極與工業純鈦板材連接，完成電熱合金化製備前的設備組裝；
步驟四、電熱合金化製備：啟動高速旋轉電機，轉速為1800r/min，使銅刷做高速自傳運動，並以鈦板中心為起點、以0.01m/s的速度做螺旋形運動，紫銅絲刷子中單根銅絲與鈦板表面的相對速度介於2.8m/s之間；同時，接通20A的直流電，開始紫銅絲的刷子向工業純鈦板材進行滲銅（或鈦、銅合金化）處理，重複通電處理3次，單位面積累計共處理30s，獲得Cu、Ti合金化（或Cu滲層）的表面強化層；
步驟五、合金化金屬工件基體的磨削及拋光：在獲得步驟四理想的Cu、Ti合金化（或Cu滲層）的表面強化層後，切斷供給20A的直流電，繼續讓高速旋轉電機帶動紫銅絲的刷子與步驟四的帶有Cu、Ti合金化（或Cu滲層）的表面強化層的工業純鈦板材相對旋轉20s，完成帶有Cu、Ti合金化（或Cu滲層）的表面強化層的工業純鈦板材的磨削及拋光。
實施例2表面成分平均值表 【表2】
文獻《柔性電極鈦合金表面電火花強化試驗研究》採用的脈衝電源，並利用銅絲與基體之間的間隙，形成大光斑火花放電現象，利用放電的高能在鈦表面獲得主要成分黑色壓氧化鈦和少量黃銅夾雜的塗層結構；其主要成分為（wt%）：O：33.96，Al：2.64，Ti：39.69，Cu：7.84，Zn：15.88；本實施例中，採用高密度銅絲束刷，並施加一定的正壓力，使銅絲束與待處理基體表面緊密、無間隙結合，依靠摩擦和持續的直流電阻加熱基體表面，元素轉移、擴散速率可控無氧化物等脆性塗層或夾雜結構形成。
實施例3
參見圖3所示，一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其操作步驟如下：
步驟一、待合金化金屬工件基體預處理：以Φ60×2mm的45號鋼板作為待合金化金屬工件基體，經噴砂、打磨除去45號鋼板表面的油污、氧化皮、加工硬化層，固定於工作平臺待用。
步驟二、電熱合金化電極製備：以0.1mm直徑的TA2鈦絲（具有較低的導熱係數）緊固在金屬刷體表面，製成密度1200根/cm2 、Φ30mm的刷子，作為在空氣中進行滲鈦（或鈦、鋼合金化）處理的電極材料，待用。
步驟三、電熱合金化設備組裝：將步驟二準備的刷子固定在高速旋轉電機上，並在垂直45號鋼板表面方向持續施加0.2Mpa的正壓力，以確保刷子的TA2鈦絲與步驟一準備的45號鋼板表面始終保持緊密接觸，將刷子與直流電源負極連接，電源正極與45號鋼板連接，完成電熱合金化製備前的設備組裝。
步驟四、電熱合金化製備：啟動高速旋轉電機，轉速為2500r/min，使TA2鈦絲的刷子以45號鋼板中心為起點，以0.02m/s的速度在45號鋼板平面內做週期性螺旋運動（其中單週期覆蓋整個45號鋼板試樣加工面），且TA2鈦絲的刷子相對速度可達4m/s；高速旋轉開始的同時，接通25A的直流電，開始TA2鈦絲的刷子向45號鋼板進行滲鈦（或鈦、鋼合金化）處理，持續通電60s，獲得Fe、Ti、TiC合金化（或Ti滲層）的表面強化層。
步驟五、合金化金屬工件基體的磨削及拋光：在獲得步驟四理想的Fe、Ti、TiC合金化（或Ti滲層）的表面強化層後，切斷供給25A的直流電，繼續讓高速旋轉電機帶動TA2鈦絲的刷子與步驟四的帶有Fe、Ti、TiC合金化（或Ti滲層）的表面強化層的45號鋼板相對旋轉15s，完成帶有Fe、Ti、TiC合金化（或Ti滲層）的表面強化層的45號鋼板的磨削及拋光。
實施例3處理後表面成分平均值表 【表3】
文獻《柔性鈦電極電火花合成TiN塗層》採用的脈衝電源，並利用鈦絲與基體之間的間隙，形成大光斑火花放電現象，利用放電的高能燒蝕稀疏是鈦絲並與填充氮氣反應氮化鈦（TiN）陶瓷塗層結構。本實施例中，採用高密度鈦絲束刷，並施加一定的正壓力，使鈦絲束與待處理基體表面緊密、無間隙結合，依靠摩擦和持續的直流電阻加熱基體表面，元素轉移、擴散速率，不會發生鈦絲的劇烈燒蝕消耗，更不會造成燒蝕液滴與氣體等物質反應生成氧化物或氮化物等脆性塗層或夾雜結構形成。
實施例4
參見圖4所示，一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其操作步驟如下：
步驟一、待合金化金屬工件基體預處理：以Φ60×100mm的45號鋼棒作為待合金化金屬工件基體，經噴砂、打磨除去45號鋼棒表面的油污、氧化皮、加工硬化層，待用；
步驟二、電熱合金化電極製備：以Φ0.2mm直徑的鋁絲緊固在金屬輥軸表面，製成密度1000根/cm2 、Φ30mm的刷輥，作為在空氣中滲鋁（或鋁、鋼合金化）處理的電極材料，待用；
步驟三、電熱合金化設備組裝：將步驟二準備的刷輥和步驟一準備的45號鋼棒分別固定在兩個高速旋轉電機上，帶有鋁絲的刷輥和45號鋼棒並排設置，並在兩者之間持續施加0.08Mpa的正壓力，以確保刷輥的鋁絲與步驟一準備的45號鋼棒表面始終保持緊密接觸，將刷輥與直流電源負極連接，電源正極與45號鋼棒連接，完成電熱合金化製備前的設備組裝；
步驟四、電熱合金化製備：啟動兩台高速旋轉電機，保持兩台高速旋轉電機同方向自轉運動（相對速度可達10m/s），轉速為1500r/min；高速旋轉開始的同時，接通10A的直流電，開始鋁絲的刷輥向45號鋼棒進行Fe、Al合金化（或Ti滲層）的表面強化處理，持續通電20s，獲得Fe、Al合金化（或Ti滲層）的表面強化層；
步驟五、合金化金屬工件基體的磨削及拋光：在獲得步驟四理想的Fe、Al合金化（或Ti滲層）的表面強化層後，切斷供給10A的直流電，繼續讓兩台高速旋轉電機帶動鋁絲的刷輥與步驟四的帶有Fe、Al合金化（或Ti滲層）的表面強化層的45號鋼棒相對旋轉5s，完成帶有Fe、Al合金化（或Ti滲層）的表面強化層的45號鋼棒的磨削及拋光。
實施例4處理後表面成分平均值表 【表4】
本發明與習知技術的參數值對比表 【表5】
注：①、②、③主要參考《柔性鈦電極電火花合成TiN塗層》、《激光熔覆-微弧火花沉積複合修復技術的研究》、《微弧堆焊表面修復技術的研究》等文獻。
如上所述，本發明之金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，所述的實施例及圖式，只是本發明較好的實施效果，並不是只局限於本發明，凡是與本發明的結構、特徵等近似、雷同者，均應屬於本發明保護的範圍。
第1圖為本發明的實施例1合金化後金屬板材表面形貌、成分分析位置圖； 第2圖為本發明的實施例2合金化後金屬板材表面形貌、成分分析位置圖； 第3圖是本發明實施例3處理後表面XRD圖譜； 第4圖是本發明實施例4表面成分分析結果。

Claims (8)

  1. 一種金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中，步驟如下：步驟一、待合金化金屬工件基體預處理：去除待合金化金屬工件基體表面的油污、氧化皮、加工硬化層，待用；步驟二、電熱合金化電極製備：選用欲與金屬基體表面合金化的低熔點或低導熱係數金屬材料，加工成超細纖維/絲束，將該超細纖維/絲束緊固在金屬刷體表面，製成帶有合金化元素超細纖維/絲束的刷子，作為電熱合金化電極材料，待用；步驟三、電熱合金化設備組裝：將步驟二準備的刷子固定在高頻震動器上或者固定在高速運動電機上，並在垂直待合金化金屬工件基體表面方向持續施加一定的壓力，以確保刷子的超細纖維/絲束合金材料與步驟一準備的金屬工件基體表面始終保持緊密接觸，而且將刷子與直/交流電源負極連接，電源正極與金屬工件基體連接，完成電熱合金化製備前的設備組裝；步驟四、電熱合金化製備：啟動高頻震動器或者高速旋轉電機，使帶有合金化元素超細纖維/絲束的刷子與待合金化金屬工件基體兩者之間處於高速的相對運動狀態，即兩者形成高速、高壓的摩擦過程；高頻往復運動或高速旋轉開始的同時，接通強流直/交流電，開始合金化材料向待合金化金屬工件基體的熔合/轉移、擴散，持續通電高頻往復運動或高速旋轉一段時間，進行反復的熔合/黏著轉移、擴散達到金屬工件基體接觸面深層合金化，獲得理想的合金化強化層；步驟五、合金化金屬工件基體的磨削及拋光：在獲得步驟四理想的合金化強化層後，切斷供給強流直/交流電，繼續讓高頻震動器或者高速旋轉電機帶動帶 有合金化元素超細纖維/絲束的刷子與步驟四的金屬工件基體高速的相對運動一段時間，完成金屬工件基體的磨削及拋光。
  2. 如請求項1所述的金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中所述步驟一中可採用噴砂、機械研磨製程除去待合金化金屬工件基體表面的油污、氧化皮和加工硬化層。
  3. 如請求項1所述的金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中所述步驟二中所述的超細纖維/絲束的直徑0.05mm-0.2mm，超細纖維/絲束在金屬刷子上的密度500根/cm2-3000根/cm2。
  4. 如請求項1所述的金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中所述步驟三中垂直待合金化金屬工件基體表面方向持續施加的壓力值0.05Mpa-0.5Mpa。
  5. 如請求項1所述的金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中所述步驟四中高頻震動器或高速旋轉電機與待處理面的相對運動速度為0.01m/s-10m/s；強流的電流密度5A/cm2-25A/cm2；供給強流直/交流電進行高頻往復運動或高速旋轉的時間以單位面積累計共處理20s-60s。
  6. 如請求項1所述的金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中所述步驟五中切斷供給強流直/交流電後進行高頻往復運動或高速旋轉的時間以單位面積累計共處理5s-20s。
  7. 如請求項1、2、3、4、5或6所述的金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中所述待合金化金屬工件基體的材質是工業純鈦(TA2)板材、工業純鈦(TA1)板材、45號鋼板或45號鋼棒。
  8. 如請求項7所述的金屬表面機械輔助電熱合金化的製備方法，其中低熔點或低導熱係數的金屬材料製備成的導電纖維/絲束的材質是不鏽鋼絲、紫銅絲、TA2鈦絲或鋁絲。
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