一种金属表面处理工艺的制作方法

本发明涉及材料加工技术领域，更具体地说，涉及一种金属表面处理工艺。

背景技术：

金属表面处理技术是为了实现金属表面性能优化的一类工艺，主要包括诸如电镀、电泳、发黑、金属表面着色、抛丸、喷丸、磷化、钝化等。

搅拌摩擦加工(fsp)是在搅拌摩擦焊技术(fsw)基础上发展起来的一种材料加工与制备技术。其工作过程和原理与搅拌摩擦焊类似，首先将待加工材料固定在具有刚性底板的工作台面上，高速旋转的搅拌头缓慢地被插入待加工的材料中；焊接过程中，搅拌头和待焊接材料通过摩擦剪切阻力来获得摩擦热，摩擦热作为母材塑性变形的热源，使得搅拌头作用区域范围内的金属材料达到热塑化状态；同时伴随旋转着的搅拌头向前移动，热塑性的金属材料则在搅拌针的旋转作用以及轴肩的包裹作用下向搅拌针后方移动来填充后方空腔。因此搅拌摩擦加工的整个过程均在搅拌头轴肩的摩擦产热和锻压共同作用下进行的，加工完成之后即可形成致密的表面加工组织。搅拌摩擦加工过程中只需要搅拌头的旋转运动和待焊工件的相对运动这两种形式就能满足实验操作的基本要求。

搅拌工具由轴肩和搅拌针组合而成，搅拌针的主要作用是使材料在过程中充分搅拌，同时控制搅拌工具周围材料的流动方向。轴肩在过程中主要有两个作用：(1)与工件表面摩擦产生热量；(2)提供自封闭的环境，防止塑化的金属从搅拌区溢出。

现有技术中，采用搅拌摩擦加工方法制备复合材料表层以强化合金表面的工艺方法，均是将细小的强化相强行引入合金表面后，采用轴肩和搅拌针头摩擦的方式进行剧烈塑性变形，将颗粒“锻造”如合金亚表面。所涉及的反应为“固-固”界面反应或“半固态”反应。此类反应的表面强化复合区域的均匀性通常不是很好，即某些区域强度较高，某些区域强度相对较低。且此类方法难以有效的改善合金表面的耐蚀性。

综上所述，如何有效地解决采用搅拌摩擦加工工艺对合金表面进行复合强化均匀性较差等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属表面处理工艺，该金属表面处理工艺可以有效地解决采用搅拌摩擦加工工艺对合金表面进行复合强化均匀性较差的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属表面处理工艺，包括：

制屑，选择共晶合金熔点低于待处理金属熔点的共晶合金，并将所述共晶合金加工成共晶合金屑；

球磨，将所述共晶合金屑与增强体颗粒按预设比例混合后球磨；

热压，将球磨后的混粉铺于待处理金属件表面，进行冷压后再进行真空热压，以在所述待处理金属件表面形成共晶混粉热压层；

搅拌摩擦加工。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述待处理金属件为镁合金件。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述共晶合金为mg-al体系、mg-zn体系、al-mg-zn体系、al-si体系或al-cu体系的二元或三元共晶合金。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述增强体颗粒为碳化物颗粒、氧化物颗粒、碳氧化物陶瓷粉末或颗粒中的一种或几种的组合。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述增强体颗粒的粒径平均尺寸为r，且200nm≤r≤50μm。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述增强体颗粒为碳纳米管、石墨颗粒或石墨烯颗粒。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述搅拌摩擦加工，具体包括：

搅拌摩擦加工，其中，工具转速为ω，且500rpm≤ω≤3500rpm；主轴倾角为γ，且1°≤γ≤5°；加工速度为ν，且5mm/min≤ν≤100mm/min。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述真空热压具体包括：

将冷压坯锭装入真空热压炉中加热，升温速率为3-6℃/min；热压保温温度为指定温度并保温预设时间，然后随炉缓慢冷却，热压过程中真空度保持在5×10^-1pa以下；所述热压保温温度为h，且h＝t±10℃，其中t为所述共晶合金的熔点。

优选地，上述金属表面处理工艺中，所述预设比例具体为：所述共晶合金屑与所述增强体颗粒的体积配比w，且1:200≤w≤200:1；

所述球磨的工艺参数具体包括：球磨时间为t1，且4小时≤t1≤200小时，球磨罐转速为s1，且10rpm≤s1≤200rpm，球料比比值为n，且1:10≤n≤10:1

应用本发明提供的金属表面处理工艺，利用了搅拌摩擦加工技术，但并未完全利用搅拌摩擦产生的热量进行塑性变形，而主要是利用搅拌摩擦的热量熔化了低熔点的共晶合金，即利用轴肩和搅拌头的摩擦将共晶相熔化为液相，发生“固-液界面反应”，同时引入强化相，并随后凝固。凝固后的合金表面完全覆盖住了含有增强体颗粒的凝固后的共晶组织。类似于二次冶金+机械搅拌的原理，将相对熔点较低的异质共晶和增强体颗粒以涂覆的形式紧密的覆盖于镁合金表面，既强化了合金，又起到了增加防腐性能的作用。由于共晶组织通常硬度较高，既能够起到强化作用，也能够起到提高耐蚀性的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的金属表面处理工艺的流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种金属表面处理工艺，以提高搅拌摩擦加工工艺对合金表面进行复合强化的均匀性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明一个具体实施例的金属表面处理工艺的流程示意图。

在一个实施例中，本发明提供的金属表面处理工艺，包括以下步骤：

s1：制屑，选择共晶合金熔点低于待处理金属熔点的共晶合金，并将共晶合金加工成共晶合金屑；即配置异质共晶合金，选择共晶合金熔点低于待处理金属熔点的合金体系，具体可以为二元或三元共晶。制备出的共晶合金通常脆性较高，强度较差，因此较为容易通过机械加工等方式制备成共晶合金屑。此处及下文提到的待处理金属一般指待处理的合金，如镁合金等，根据需要也可以为纯金属等。

s2：球磨，将共晶合金屑与增强体颗粒按预设比例混合后球磨；

具体的预设比例可根据共晶合金屑及增强体颗粒的成分等进行具体设置，此处不作具体限定。球磨的具体工艺参数可根据需要进行设定，此处也可不作具体限定。

s3：热压，将球磨后的混粉铺于待处理金属件表面，进行冷压后再进行真空热压，以在待处理金属件表面形成共晶混粉热压层；

需要说明的是，待处理金属件即与上述的待处理金属对应的工件，一般可以为待处理金属板材或块体等。如待处理金属件为镁基合金件时，则相应的待处理金属即为该镁基合金。具体的，将待处理金属板材或块体置于钢制模具底部，并将混合后的混粉铺在合金表面，随后合模。进行冷压后再进行真空热压。具体真空热压的工艺参数可根据需要进行设置，此处可以不作具体限定，但热压温度应满足通过真空热压以在待处理金属板材件表面形成共晶混粉热压层。优选的，合金热压温度为共晶点，即共晶熔化温度，因此，热压后的热压层和镁合金基体会有良好的结合强度。

s4：搅拌摩擦加工。

对热压后的外表面为共晶混粉的待处理金属件，如镁合金件进行fsp加工，具体搅拌摩擦的工艺参数可根据需要进行设置，此处不作具体限定。

应用本发明提供的金属表面处理工艺，利用了搅拌摩擦加工技术，但并未完全利用搅拌摩擦产生的热量进行塑性变形，而主要是利用搅拌摩擦的热量熔化了低熔点的共晶合金，即利用轴肩和搅拌头的摩擦将共晶相熔化为液相，发生“固-液界面反应”，同时引入强化相，并随后凝固。凝固后的合金表面完全覆盖住了含有增强体颗粒的凝固后的共晶组织。类似于二次冶金+机械搅拌的原理，将相对熔点较低的异质共晶和增强体颗粒以涂覆的形式紧密的覆盖于镁合金表面，既强化了合金，又起到了增加防腐性能的作用。由于共晶组织通常硬度较高，既能够起到强化作用，也能够起到提高耐蚀性的作用。

具体的，待处理金属件为镁合金件，即镁基合金件，则应选择共晶合金熔点低于该镁合金的共晶合金。

进一步地，共晶合金为mg-al体系、mg-zn体系、al-mg-zn体系、al-si体系或al-cu体系的二元或三元共晶合金。优选的，共晶体组织在合金中所占体积比例不低于50％。

在上述实施例中，增强体颗粒为碳化物颗粒、氧化物颗粒、碳氧化物陶瓷粉末或颗粒中的一种或几种的组合。

进一步地，增强体颗粒的粒径平均尺寸为r，且200nm≤r≤50μm。需要说明的是，此处的颗粒平均尺寸指颗粒半径的平均尺寸。

根据需要，增强体颗粒也可以为碳纳米管、石墨颗粒或石墨烯颗粒。

在上述各实施例的基础上，步骤s4具体可以包括：

搅拌摩擦加工，其中，工具转速为ω，且500rpm≤ω≤3500rpm；主轴倾角为γ，且1°≤γ≤5°；加工速度为ν，且5mm/min≤ν≤100mm/min。

进一步地，步骤s3中真空热压具体可以包括：

将冷压坯锭装入真空热压炉中加热，升温速率为3-6℃/min；热压保温温度为指定温度并保温预设时间，然后随炉缓慢冷却，热压过程中真空度保持在5×10^-1pa以下；热压保温温度为h，且h＝t±10℃，其中t为共晶合金的熔点。

更进一步地，预设比例具体为：共晶合金屑与增强体颗粒的体积配比w，且1:200≤w≤200:1；

则步骤s2中球磨的工艺参数具体可以包括：球磨时间为t1，且4小时≤t1≤200小时，球磨罐转速为s1，且10rpm≤s1≤200rpm，球料比比值为n，且1:10≤n≤10:1。

以下以优选的三个实施例进行说明：

实施例1：

熔炼mg17al12共晶合金(al含量为17.4wt.％)并制成合金屑。将所制成屑与碳化硼颗粒混合。体积比为1:1。将两种粉末在球磨机中球磨，球磨时间12小时。直径10cm的球磨罐转速为50rpm，球料比比值为1:1。热压。将10cm×6cm×2cm尺寸的az31镁合金块体置于钢制模具底部，并将混合后的粉末铺在合金表面，随后合模。上下表面进行冷压后再进行真空热压。升温速度为4℃/min，保压温度435℃，保温时间30min，然后随炉缓慢冷却。热压过程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后对热压后的外表面为共晶混粉的镁合金进行fsp加工。加工速度5mm/min，工具转速为1000rpm，搅拌头倾角1°。随后对合金加工表面进行显微硬度测试，结果表明，合金显微硬度提高80％，耐蚀性提高1倍。

实施例2：

熔炼zn-al共晶合金(al含量为5wt.％)并制成合金屑。将所制成屑与碳化硼颗粒混合。体积比为1:1。将两种粉末在球磨机中球磨，球磨时间12小时。直径10cm的球磨罐转速为40rpm，球料比比值为1:1。热压。将10cm×6cm×2cm尺寸的az61镁合金块体置于钢制模具底部，并将混合后的粉末铺在合金表面，随后合模。上下表面进行冷压后再进行真空热压。升温速度为4℃/min，保压温度420℃，保温时间60min，然后随炉缓慢冷却。热压过程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后对热压后的外表面为共晶混粉的镁合金进行fsp加工。行进速度50mm/min，工具转速为1500rpm，搅拌头倾角2.5°。随后对合金加工表面进行显微硬度测试，结果表明，合金显微硬度提高1倍，耐蚀性提高50％。

实施例3：

熔炼al-si共晶合金(si含量为12.6wt.％)并制成合金屑。将所制成屑与碳纳米管混合。体积比为1:1。将两种粉末在球磨机中球磨，球磨时间10小时。直径10cm的球磨罐转速为40rpm，球料比比值为1:1。热压。将10cm×6cm×2cm尺寸的we43镁合金块体置于钢制模具底部，并将混合后的粉末铺在合金表面，随后合模。上下表面进行冷压后再进行真空热压。升温速度为4℃/min，保压温度577℃，保温时间60min，然后随炉缓慢冷却。热压过程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后对热压后的外表面为共晶混粉的镁合金进行fsp加工。行进速度100mm/min，工具转速为2000rpm，搅拌头倾角5°。随后对合金加工表面进行显微硬度测试，结果表明，合金显微硬度提高1倍，耐蚀性提高90％。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。