本发明涉及表面处理
技术领域：
，尤其涉及一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法。
背景技术：
：引起金属零件失效的原因主要有疲劳(占61％)、过载(占18％)、应力腐蚀(占8％)、过度磨损(占7％)、腐蚀(占3％)、高温氧化(占2％)、应力破坏(占1％)；除过载以外，其余失效均与零件表面状态有关；因此，大部分金属零部件实际使用过程中均需要进行表面强化处理。传统的表面强化技术可分为两类：表面涂覆和表面改性处理。表面涂覆处理包括电镀、化学镀、喷涂、气相沉积、氧化等方法，涂层材料的成分、组织结构、致密度和力学性能均与基体之间存在较大的差异；这种涂层强化技术能够有效的解决金属材料表面耐蚀、耐磨不足的缺陷，但对零部件的疲劳性能产生非常大的影响；而且涂层和基体之间的结合力较差，在加载作用下涂层的寿命也受到极大影响。表面改性处理包括机械强化、高能束流辐照、离子注入、化学热处理(渗氮、碳)等方法；改性层与基体之间无明显分界面，且主要成分不发生变化；其中，机械强化对零部件的表面性能提升贡献有限；高能束流辐照和离子注入等工艺对设备的要求较高且效率低，需要在真空或保护下进行；化学热处理需要高温、气氛条件下进行，对零部件的力学性能产生较大影响。金属表面合金化技术能够有效的克服以上工艺的不足的，获得高质量的强化层或功能层；传统的机械合金化及文献《RapidsynthesisofTi(C,N)powdersbymechanicalalloyingandsubsequentarcdischarging》公布的机械辅助合金化技术均仅适合于粉体等原材料的加工，无法用于金属部件的表面强化；机械镀技术可以形成相对致密的镀层，但其结合力差且仅适合于形状简单的小件产品；目前，能够有效实现金属表面合金化的方法主要有：高温包埋扩散渗、涂镀后高温热扩散处理、高能束(激光、电子束)表面合金化、微弧火花沉积等技术。高温包埋扩散渗(如钢铁材料表面粉末渗铝)工艺温度高、时间长，对零 部件的力学性能产生极大的负面影响，特别是疲劳性能造成很大的影响；而且强化层极易出现贯穿性裂纹，使用中易诱发强化层脱落，大幅降低强化效果。涂镀后热扩散处理工艺同样存在后续高温处理过程，使零部件芯部晶粒长大、强韧性登力学指标下降，而且处理成本更高。高能束表面合金化工艺存在加工成本高(能量利用率低)、设备及维护成本高昂，且存在微裂纹等质量缺陷。微弧火花沉积技术是通过电容的脉冲放电将电极材料沉积在金属基体表面，使基体和电极材料发生冶金反应形成高硬度的表面强化合金化涂层，从而改善钛表面的耐磨和耐蚀性能；然而，微弧火花沉积速度慢、效率低，导致该技术仅适合处理精密零件表面失重型缺陷的微量修复，不适于修复涂层厚度较大(涂层厚度＞0.25mm)，更不适于较大面积的处理；而且整个处理工艺需要经过机械加工、堆焊加厚修复、磨削平整等流程；因此，微弧火花沉积技术的应用领域十分有限。文献《柔性钛电极电火花合成TiN涂层》、《柔性电极钛合金表面电火花强化试验研究》公布了一种柔性电火花沉积方法；相对于传统电火花沉积技术，该工艺仅在熔体沉积速率和质量控制上有所改进，但该工艺的缺陷更加明显：(1)该工艺没有解决电火花沉积速度慢、效率低的不足；(2)电极尺寸变大，导致现场或手工操作难度增加；(3)为了获得更充分的火花放电效果和稳定性，必须保证圆形丝盘中较低的丝束密度且单根电极丝与基体之间的间隙控制在合理的范围内，而且强化层完全依靠电极的沉积获得，导致加工过程中单丝的消耗大、丝盘尺寸变化大，造成工艺稳定性差，不能进行长时间、大面积处理；其中，文献《柔性钛电极电火花合成TiN涂层》中所述与填充氮气气体反应的丝状电极材料选择有限，形成的TiN为陶瓷材料，脆性大，适用范围更小；文献《柔性电极钛合金表面电火花强化试验研究》中，利用电火花的高能放电作用熔化金属表面与空气发生剧烈反应形成氧化物且存在大量颗粒状电极材料杂质，涂层均匀性差、致密度低、脆性大，表面粗糙度难以控制。中国专利公告号CN101817159A，公开了“一种柔性电极零件表面电火花磨削抛光方法，其特征是：调速电机带动导电柔性电极旋转，在柔性电极与作为另一极的零件表面通入脉冲电源/直流电，绝缘工作台在步进电机的带动下，柔性电极向零件表面靠近，达到放电间隙时，产生火花放电，向放电区域喷入抛光介质或者把放电区域侵入抛光介质，利用火花放电能量，蚀除零件表面凸 出部分的表面材料，同时旋转的柔性电极对零件表面有机械磨削作用，旋转的柔性电极带动抛光介质对零件表面有抛光作用”；该工艺与传统的电火花磨削抛光加工原理相同，即均通过电容脉冲放电去除工件表面的突起，达到抛光的目的，且降低了对工件精度的要求；同样，该工艺技工过程中必须保证电刷与工件之间具有合适的放电间隙，因此电刷的机械磨削作用可以忽略不计；反而由于柔性电极对液体的强烈搅拌及其引起的巨大阻力，对设备的防护和加工过程提出来了更高的要求；另一方面，该工艺虽然通过抛光介质保护避免了上述文献中熔体与介质之间的剧烈反应，但也失去了电火花的强化作用；因此，该工艺仅适合一些小型、精细零件的去毛刺处理，很难获得推广应用，特别是在处理大件部件、大面积处理或需要有较好强化效果时，该工艺的缺陷变得非常明显。文献《SurfacealuminizingonTi-6Al-4Valloyviaanovelmulti-passfriction-stirlapweldingmethod:Preparationprocess,oxidationbehaviorandinterlayerevolution》公布了一种多道搅拌摩擦焊搭接固态加工技术，该技术也存在明显的不足：(1)仅适合特定平整表面的强化处理，不具备实际大规模应用条件；(2)需要专用摩擦焊接及工装卡具，且后续需要车铣加工，工艺复杂、成本高昂；(3)仅适合于科学研究，几乎不能用于成品零部件的表面强化处理。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法，其具有制备的合金化层致密、均匀，无脆性陶瓷、氮化物、氧化物等物质形成，合金化层与基体之间为冶金结合、无明显界面，强化层质量高；合金元素的选择范围广，且现对于激光合金化等工艺所需的粉体材料，本发明采用的金属丝束加工技术难度小、成本更加低廉；本发明对工件的形状、精度无特殊要求，适用性强；且操作简单、易行，加工效率高，能够用于大面积、复杂工件的表面强化处理；合金化与磨削过程同时进行，能够获得低表面粗糙度、高光亮度的表面抛光效果，无需抛光、去毛刺等二次加工；对工件的形状、精度无特殊要求，且可实现对复合材料、薄壁零部件的处理，适用性强；设备简单一次投入小、维护成本低，加工成本低廉。为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法，步骤如下：步骤一、待合金化金属工件基体预处理：去除待合金化金属工件基体表面的油污、氧化皮、加工硬化层，获得清洁、平整的表面状态，以便后续的电热合金化更均匀，工艺更稳定，待用；步骤二、电热合金化电极制备：选用欲与金属基体表面合金化的低熔点或低导热系数金属材料(熔点低或导热系数低于待合金化金属基体，以促使欲合金化材料优先于基体材料发生熔化)，加工成超细纤维/丝束，将该超细纤维/丝束紧固在金属刷体表面，制成带有合金化元素超细纤维/丝束的刷子，作为电热合金化电极材料，待用；该结构在合金化加工过程中，合金化元素丝束与金属工件基体表面之间的点接触形成高电阻值，进而产生大量的电阻热；在电阻热和摩擦热共同作用下，使接触点的金属丝和基体发生熔合，实现合金化，相比于激光合金化等工艺需要实用的粉体合金材料，本发明采用的金属丝束加工技术难度小、成本更加低廉；步骤三、电热合金化设备组装：将步骤二准备的刷子固定在高频震动器上或者固定在高速旋转电机上，并在垂直待合金化金属工件基体表面方向持续施加一定的压力，以确保刷子的超细纤维/丝束合金材料与步骤一准备的金属工件基体表面始终保持紧密接触，保证合金化层致密、均匀，无脆性陶瓷、氮化物、氧化物等物质形成，避免由于超细纤维/丝束合金材料与金属工件基体分离而产生大光斑电弧烧蚀、形成金属氧化物和氮化物等现象发生；而且将刷子与直/交流电源负极连接，电源正极与金属工件基体连接，利于超细纤维/丝束的合金材料向金属工件基体表面转移，完成电热合金化制备前的设备组装，本发明对工件的形状、精度无特殊要求，适用性强；且操作简单、易行，加工效率高，能够用于大面积、复杂工件的表面强化处理；步骤四、电热合金化制备：启动高频震动器或者高速旋转电机，使带有合金化元素超细纤维/丝束的刷子与待合金化金属工件基体两者之间处于高速的相对运动状态，即两者形成高速、高压的摩擦过程；高频往复运动或高速旋转开始的同时，接通强流直/交流电，开始合金化材料向待合金化金属工件基体的熔合/转移、扩散，持续通电高频往复运动或高速旋转一段时间，进行反复的熔合/粘着转移、扩散达到金属工件基体接触面深层合金化，获得理想的合金化强化层；当电阻热和摩擦热仅能使金属基体和合金元素丝束接触点处于高温黏流状态，不足以使基体局部发生熔化时，仅依靠加压的机械摩擦作用来实现合金元素从丝束材料向金属基体的粘着转移，并在高温作用下实现向基体内 部的扩散渗透，达到深层合金化的目的，由于合金材料与金属工件基体之间为冶金结合、无明显界面，金属工件基体的合金强化层质量高；步骤五、合金化金属工件基体的磨削及抛光：在获得步骤四理想的合金化强化层后，切断供给强流直/交流电，继续让高频震动器或者高速旋转电机带动带有合金化元素超细纤维/丝束的刷子与步骤四的金属工件基体高速的相对运动一段时间，合金化与磨削过程同时进行，能够获得低表面粗糙度、高光亮度的表面抛光效果，无需单独抛光、去毛刺等二次加工，节省了现有技术中还需要另外磨削和抛光的工序，完成金属工件基体的磨削及抛光。本发明的进一步技术方案为：优选的，为了进一步提高合金化效果，所述步骤一中可采用喷砂、机械研磨工艺除去待合金化金属工件基体表面的油污、氧化皮和加工硬化层。优选的，为了进一步提高合金化效果，所述步骤二中所述的超细纤维/丝束的直径0.05mm-0.2mm，超细纤维/丝束在金属刷子上的密度500根/cm2-3000根/cm2。优选的，为了进一步提高合金化效果，所述步骤三中垂直待合金化金属工件基体表面方向持续施加的压力值0.05Mpa-0.5Mpa。优选的，为了进一步提高合金化效果，所述步骤四中高频震动器或高速旋转电机的相对运动速度为0.01m/s-10m/s；强流的电流密度5A/cm2-20A/cm2；供给强流直/交流电进行高频往复运动或高速旋转的时间以单位面积累积处理20s-60s。优选的，为了进一步提高合金化效果，所述步骤五中切断供给强流直/交流电进行高频往复运动或高速旋转的时间以单位面积累积5s-20s。本发明的有益效果包括：(1)本发明制备的合金化层致密、均匀，无脆性陶瓷、氮化物、氧化物等物质形成，合金化层与基体之间为冶金结合、无明显界面，强化层质量高；(2)合金元素的选择范围广，且现对于激光合金化等工艺所需的粉体材料，本发明采用的金属丝束加工技术难度小、成本更加低廉；(3)本发明对工件的形状、精度无特殊要求，适用性强；且操作简单、易行，加工效率高，能够用于大面积、复杂工件的表面强化处理；(4)合金化与磨削过程同时进行，能够获得低表面粗糙度、高光亮度的表面抛光效果，无需抛光、去毛刺等二次加工；(5)对工件的形状、精度无特殊要求，且可实现对复合材料、薄壁零部件的处理，适用性强；(6)设备简单一次投入小、维护成本低，加工成本低廉。附图说明图1是本发明实施例1合金化后金属板材表面形貌、成分分析位置图。图2是本发明实施例2合金化后金属板材表面形貌、成分分析位置图。图3是本发明实施例3处理后表面XRD图谱。图4是本发明实施例4表面成分分析结果。具体实施方式实施例1参见图1所示，一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法，其操作步骤如下：步骤一、待合金化金属工件基体预处理：以20mm×20mm×2mm的工业纯钛(TA2)板材作为待合金化金属工件基体，经喷砂、打磨除去工业纯钛板材表面的油污、氧化皮、加工硬化层，固定于工作平台待用；步骤二、电热合金化电极制备：以0.05mm直径的不锈钢丝紧固在金属刷体表面，制成密度3000根/cm2、40×40mm的刷子，作为在空气中进行Cr、Fe(不锈钢中的主要成分)共渗的电极材料，待用；步骤三、电热合金化设备组装：将步骤二准备的刷子固定在高频震动器上，并在垂直工业纯钛(TA2)板材表面方向持续施加0.5Mpa的正压力，以确保刷子的不锈钢丝与步骤一准备的工业纯钛板材表面始终保持紧密接触，将刷子与直流电源负极连接，电源正极与工业纯钛板材连接，完成电热合金化制备前的设备组装；步骤四、电热合金化制备：启动高频震动器，调节频率200HZ、振幅1.2mm，使不锈钢刷毛的刷子在工业纯钛板材上做高频往复运动，且不锈钢刷毛的刷子相对速度达到0.96m/s；往复运动开始的同时，接通5A的直流电，开始不锈钢刷毛的刷子向工业纯钛板材进行Cr、Fe共渗，持续通电20s，停止，待钛板温度降低至室温后，再次处理20s，重复两次，即累计共处理60s，获得Cr、Fe、Ti合金化的表面强化层；步骤五、合金化金属工件基体的磨削及抛光：在获得步骤四理想的Cr、Fe、 Ti合金化的表面强化层后，切断供给5A的直流电，继续让高频震动器带动不锈钢刷毛的刷子与步骤四的带有Cr、Fe、Ti合金化的表面强化层的工业纯钛板材相对运动10s，完成带有Cr、Fe、Ti合金化的表面强化层的工业纯钛板材的磨削及抛光。实施例1成分分析结果平均值表元素线类型wt％原子百分比厂家标准TiK线系72.1886.78是CrK线系3.521.72是FeK线系24.3011.05是总量:100.00100.00实施例2参见图2所示，一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法，其操作步骤如下：步骤一、待合金化金属工件基体预处理：以Φ90×2mm的工业纯钛(TA1)板材作为待合金化金属工件基体，经喷砂、打磨除去工业纯钛板材表面的油污、氧化皮、加工硬化层，固定于工作平台待用；步骤二、电热合金化电极制备：以0.2mm直径的紫铜丝紧固在金属刷体表面，制成密度500根/cm2、Φ30mm的实芯刷子，作为在空气中进行渗铜(或钛、铜合金化)处理的电极材料，待用；步骤三、电热合金化设备组装：将步骤二准备的刷子固定在高速旋转电机上，并在垂直工业纯钛(TA1)板材表面方向持续施加0.05Mpa的正压力，以确保刷子的紫铜丝与步骤一准备的工业纯钛板材表面始终保持紧密接触，将刷子与直流电源负极连接，电源正极与工业纯钛板材连接，完成电热合金化制备前的设备组装；步骤四、电热合金化制备：启动高速旋转电机，转速为1800r/min，使铜刷做高速自传运动，并以钛板中心为起点、以0.01m/s的速度做螺旋形运动，紫铜丝刷子中单根铜丝与钛板表面的相对速度介于2.8m/s之间；同时，接通20A的直流电，开始紫铜丝的刷子向工业纯钛板材进行渗铜(或钛、铜合金化)处理，重复通电处理3次，单位面积累计共处理30s，获得Cu、Ti合金化(或Cu渗层)的表面强化层；步骤五、合金化金属工件基体的磨削及抛光：在获得步骤四理想的Cu、Ti 合金化(或Cu渗层)的表面强化层后，切断供给20A的直流电，继续让高速旋转电机带动紫铜丝的刷子与步骤四的带有Cu、Ti合金化(或Cu渗层)的表面强化层的工业纯钛板材相对旋转20s，完成带有Cu、Ti合金化(或Cu渗层)的表面强化层的工业纯钛板材的磨削及抛光。实施例2表面成分平均值表元素线类型wt％原子百分比厂家标准CuK线系32.4425.09是TiK线系67.5674.91是总量:100.00100.00文献《柔性电极钛合金表面电火花强化试验研究》采用的脉冲电源，并利用铜丝与基体之间的间隙，形成大光斑火花放电现象，利用放电的高能在钛表面获得主要成分黑色压氧化钛和少量黄铜夹杂的涂层结构；其主要成分为(wt％)：O：33.96，Al：2.64，Ti：39.69，Cu：7.84，Zn：15.88；本实施例中，采用高密度铜丝束刷，并施加一定的正压力，使铜丝束与待处理基体表面紧密、无间隙结合，依靠摩擦和持续的直流电阻加热基体表面，元素转移、扩散速率可控无氧化物等脆性涂层或夹杂结构形成。实施例3参见图3所示，一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法，其操作步骤如下：步骤一、待合金化金属工件基体预处理：以Φ60×2mm的45号钢板作为待合金化金属工件基体，经喷砂、打磨除去45号钢板表面的油污、氧化皮、加工硬化层，固定于工作平台待用；步骤二、电热合金化电极制备：以0.1mm直径的TA2钛丝(具有较低的导热系数)紧固在金属刷体表面，制成密度1200根/cm2、Φ30mm的刷子，作为在空气中进行渗钛(或钛、钢合金化)处理的电极材料，待用；步骤三、电热合金化设备组装：将步骤二准备的刷子固定在高速旋转电机上，并在垂直45号钢板表面方向持续施加0.2Mpa的正压力，以确保刷子的TA2钛丝与步骤一准备的45号钢板表面始终保持紧密接触，将刷子与直流电源负极连接，电源正极与45号钢板连接，完成电热合金化制备前的设备组装；步骤四、电热合金化制备：启动高速旋转电机，转速为2500r/min，使TA2钛丝的刷子以45号钢板中心为起点，以0.02m/s的速度在45号钢板平面内做周期性螺旋运动(其中单周期覆盖整个45号钢板试样加工面)，且TA2钛丝的 刷子相对速度可达4m/s；高速旋转开始的同时，接通25A的直流电，开始TA2钛丝的刷子向45号钢板进行渗钛(或钛、钢合金化)处理，持续通电60s，获得Fe、Ti、TiC合金化(或Ti渗层)的表面强化层；步骤五、合金化金属工件基体的磨削及抛光：在获得步骤四理想的Fe、Ti、TiC合金化(或Ti渗层)的表面强化层后，切断供给25A的直流电，继续让高速旋转电机带动TA2钛丝的刷子与步骤四的带有Fe、Ti、TiC合金化(或Ti渗层)的表面强化层的45号钢板相对旋转15s，完成带有Fe、Ti、TiC合金化(或Ti渗层)的表面强化层的45号钢板的磨削及抛光。实施例3处理后表面成分平均值表元素线类型wt％原子百分比厂家标准CK线系0.431.56是TiK线系10.5111.21是FeK线系87.3382.37是ElseK线系1.734.86是总量:100.00100.00文献《柔性钛电极电火花合成TiN涂层》采用的脉冲电源，并利用钛丝与基体之间的间隙，形成大光斑火花放电现象，利用放电的高能烧蚀稀疏是钛丝并与填充氮气反应氮化钛(TiN)陶瓷涂层结构。本实施例中，采用高密度钛丝束刷，并施加一定的正压力，使钛丝束与待处理基体表面紧密、无间隙结合，依靠摩擦和持续的直流电阻加热基体表面，元素转移、扩散速率，不会发生钛丝的剧烈烧蚀消耗，更不会造成烧蚀液滴与气体等物质反应生成氧化物或氮化物等脆性涂层或夹杂结构形成。实施例4参见图4所示，一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法，其操作步骤如下：步骤一、待合金化金属工件基体预处理：以Φ60×100mm的45号钢棒作为待合金化金属工件基体，经喷砂、打磨除去45号钢棒表面的油污、氧化皮、加工硬化层，待用；步骤二、电热合金化电极制备：以Φ0.2mm直径的铝丝紧固在金属辊轴表面，制成密度1000根/cm2、Φ30mm的刷辊，作为在空气中渗铝(或铝、钢合金化)处理的电极材料，待用；步骤三、电热合金化设备组装：将步骤二准备的刷辊和步骤一准备的45 号钢棒分别固定在两个高速旋转电机上，带有铝丝的刷辊和45号钢棒并排设置，并在两者之间持续施加0.08Mpa的正压力，以确保刷辊的铝丝与步骤一准备的45号钢棒表面始终保持紧密接触，将刷辊与直流电源负极连接，电源正极与45号钢棒连接，完成电热合金化制备前的设备组装；步骤四、电热合金化制备：启动两台高速旋转电机，保持两台高速旋转电机同方向自转运动(相对速度可达10m/s)，转速为1500r/min；高速旋转开始的同时，接通10A的直流电，开始铝丝的刷辊向45号钢棒进行Fe、Al合金化(或Ti渗层)的表面强化处理，持续通电20s，获得Fe、Al合金化(或Ti渗层)的表面强化层；步骤五、合金化金属工件基体的磨削及抛光：在获得步骤四理想的Fe、Al合金化(或Ti渗层)的表面强化层后，切断供给10A的直流电，继续让两台高速旋转电机带动铝丝的刷辊与步骤四的带有Fe、Al合金化(或Ti渗层)的表面强化层的45号钢棒相对旋转5s，完成带有Fe、Al合金化(或Ti渗层)的表面强化层的45号钢棒的磨削及抛光。实施例4处理后表面成分平均值表元素线类型wt％原子百分比厂家标准OK线系9.8825.23是AlK线系44.4952.10是FeK线系42.9924.32是ElseK线系0.310.27是总量:100.00100.00本发明与现有技术的参数值对比表注：①、②、③主要参考《柔性钛电极电火花合成TiN涂层》、《激光熔覆-微弧火花沉积复合修复技术的研究》、《微弧堆焊表面修复技术的研究》等文献。如上所述，本发明一种金属表面机械辅助电热合金化的制备方法，所述的实施例及图，只是本发明较好的实施效果，并不是只局限于本发明，凡是与本发明的结构、特征等近似、雷同者，均应属于本发明保护的范围。当前第1页1 2 3