一种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及表面等离子体扩渗强化的方法。
【背景技术】
[0002]由于金属材料失效(例如磨损、疲劳等)均发生在其表面，所以表面改性一直受到研究者们的广泛重视。常见的表面改性方法包括化学热处理，物理/化学气相沉积，激光处理和等离子喷涂等。
[0003]铝及铝合金材料由于其比重小、比强度高、延展性优良、导电性好、易成型加工以及优异的物理、化学性能，在电子、电力、航空、化工、建材、交通等许多工业部门及日常生活中，得到广泛的应用，成为目前工业中使用量仅次于钢铁的第二大类金属材料。但铝的化学性质较活泼，标准电极电位低，在空气中铝的表面自发形成厚约0.Ο?μπι?0.Ιμπι的氧化膜，这层非晶态氧化膜结构疏松、薄而多孔、耐磨耐蚀性差，且机械强度也很低，另外，铝及其合金的硬度低，耐磨性差，易产生晶间腐蚀，应用受到了限制，因此对铝合金进行表面处理提高其性能，扩大其使用范围显得尤为重要。
[0004]目前铝合金表面处理技术有电化学氧化法、化学转化技术、稀土转化膜、等离子体渗氮、离子注入、微弧氧化、磁控溅射镀膜等，前三种属于化学处理方法，不利于环保，后四种方法材料工作者研究较多。等离子体渗氮属于化学热处理方法，在钢铁材料表面处理中得到了广泛的应用，但是铝合金由于其表面存在氧化膜阻碍了氮原子的渗入，生成产物AlN的电阻大阻碍了放电过程，渗氮温度低，使其工业化生产受到限制。对铝合金进行氮离子注入得到的氮化层薄且脆，不能满足实际应用要求。微弧氧化处理能在铝合金表面形成较厚的陶瓷层，但也存在大量的微孔。利用磁控溅射技术在铝合金表面沉积的硬质膜能提高铝合金表面的耐磨耐蚀性，但存在膜层与基体的结合力不足的问题。因此，探索一种使铝合金表面硬度提高，硬质层厚度可控，改性层与基体结合良好的方法是材料工作者努力的方向。
【发明内容】
[0005]本发明要解决现有铝合金表面硬度低，耐磨性差的问题，而提供一种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法。
[0006]—种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0007]—、铝合金表面预处理:利用金相砂纸对铝合金表面打磨和抛光，然后依次置于蒸馏水和丙酮中超声波清洗1min?30min，取出后吹干，得到预处理后的铝合金；
[0008]二、铝合金表面预置扩渗合金元素:将预处理后的铝合金放置于磁控溅射炉中，调节靶材和预处理后的铝合金之间的距离为80mm?120mm，将磁控溅射炉炉腔抽真空至低于3X10—5Torr,向磁控溅射炉中通入气流量为14sccm?20sccm的氩气，调节Ti靶功率为0.08kW?0.lkW，调节基底偏压为200V?400V，然后在Ti靶功率为0.08kW?0.1kW及基底偏压为200V?400V的条件下，保持20min?40min，再将Ti靶功率调节至0.5kW?3kW，基底偏压调节至50V?200V，然后在Ti靶功率为0.5kW?3kW及基底偏压为50V?400V的条件下，溅射沉积0.5h?6h，得到镀Ti层的铝合金；
[0009]三、等离子体扩渗:将镀Ti层的铝合金置于等离子体渗氮炉中，抽真空至低于30Pa，调节电压为450V?700V，在电压为450V?700V的条件下，离子轰击清洗镀Ti层的铝合金表面1min?20min，然后将清洗后的Ti层的铝合金加热至温度为300°C?500°C，以气体流量为0.3sccm?1.0sccm通入含氮气体，保持等离子体渗氮炉炉压为150Pa?350Pa，然后在温度为300°C?500°C及压力为150Pa?350Pa的条件下，保温Ih?32h，保温结束后，在氮气气氛下，冷却至室温，即完成铝合金表面等离子体扩渗强化的方法。
[0010]本发明的有益效果是:本发明在铝合金表面得到的改性层的厚度为?ομπι?25μπι，硬度最高达到439HV，摩擦系数为0.35?0.45。
[0011 ]本发明相对于现有铝合金表面改性技术具有如下优点:
[0012](I)本发明能在铝合金表面获得厚度适当，硬度较高的改性层，与铝合金基体结合较好，能达到减小摩擦系数的效果。
[0013](2)本发明中等离子体渗氮过程在较低温度(300°C?500°C)下获得了较厚的复合改性层，符合节能的要求。
[0014](3)本发明制备的铝合金表面强化层为梯度结构，外层为Ti(N)固溶体和T1-N化合物，里层为金属间化合物层，由铝基金属间化合物组成。
[0015](4)本发明中等离子体渗氮过程得到的复合改性层生成速度快，通过处理温度和处理时间的较佳组合，可以达到节省能源的目的。
[0016](5)本发明在铝合金表面镀渗处理后得到的改性层硬度高，摩擦系数小，能将处理后的铝合金用于低速轻载的传动场合。
[0017]本发明用于一种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法。
【附图说明】
[0018]图1为实施例四制备的表面获得扩渗合金硬化层的铝合金的截面显微组织；
[0019]图2为实施例四制备的表面获得扩渗合金硬化层的铝合金的截面显微硬度测试图；
[0020]图3为摩擦磨损性能测试曲线图，I为实施例四制备的表面获得扩渗合金硬化层的铝合金，2为未经处理的铝合金；
[0021]图4为实施例四制备的表面获得扩渗合金硬化层的铝合金经摩擦学测试后磨损率图;a为未经处理的铝合金，b为实施例四制备的表面获得扩渗合金硬化层的铝合金。
【具体实施方式】
[0022]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0023]【具体实施方式】一:本实施方式所述的一种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0024]1、一种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的:
[0025]一、铝合金表面预处理:利用金相砂纸对铝合金表面打磨和抛光，然后依次置于蒸馏水和丙酮中超声波清洗1min?30min，取出后吹干，得到预处理后的铝合金；
[0026]二、铝合金表面预置扩渗合金元素:将预处理后的铝合金放置于磁控溅射炉中，调节靶材和预处理后的铝合金之间的距离为80mm?120mm，将磁控溅射炉炉腔抽真空至低于3X10—5Torr,向磁控溅射炉中通入气流量为14sccm?20sccm的氩气，调节Ti靶功率为0.08kW?0.lkW，调节基底偏压为200V?400V，然后在Ti靶功率为0.08kW?0.1kW及基底偏压为200V?400V的条件下，保持20min?40min，再将Ti靶功率调节至0.5kW?3kW，基底偏压调节至50V?200V，然后在Ti靶功率为0.5kW?3kW及基底偏压为50V?400V的条件下，溅射沉积0.5h?6h，得到镀Ti层的铝合金；
[0027]三、等离子体扩渗:将镀Ti层的铝合金置于等离子体渗氮炉中，抽真空至低于30Pa，调节电压为450V?700V，在电压为450V?700V的条件下，离子轰击清洗镀Ti层的铝合金表面1min?20min，然后将清洗后的Ti层的铝合金加热至温度为300°C?500°C，以气体流量为0.3sccm?1.0sccm通入含氮气体，保持等离子体渗氮炉炉压为150Pa?350Pa，然后在温度为300°C?500°C及压力为150Pa?350Pa的条件下，保温Ih?32h，保温结束后，在氮气气氛下，冷却至室温，即完成铝合金表面等离子体扩渗强化的方法。
[0028]本实施方式步骤三中通过加电压至450?700V获得辉光放电等离子体。
[0029]本实施方式的有益效果是:本实施方式在铝合金表面得到的改性层的厚度为ΙΟμπι?25μπι，硬度最高达到439HV，摩擦系数为0.35?0.45。
[0030]本实施方式相对于现有铝合金表面改性技术具有如下优点:
[0031](I)本实施方式能在铝合金表面获得厚度适当，硬度较高的改性层，与铝合金基体结合较好，能达到减小摩擦系数的效果。
[0032](2)本实施方式中等离子体渗氮过程在较低温度(300?500°C)下获得了较厚的复合改性层，符合节能的要求。
[0033](3)本实施方式制备的铝合金表面强化层为梯度结构，外层为Ti(N)固溶体和T1-N化合物，里层为金属间化合物层，由铝基金属间化合物组