基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法与流程

本发明涉及固态加工技术领域，尤其涉及一种基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法。

背景技术：

镁或镁合金材料具有低密度、高比强度、良好的铸造性能、良好的导电导热性能以及易回收等一系列优点。目前，在交通运输、电子设备、生物医疗等领域有着广泛应用。但是，当镁或镁合金材料由铸造方法成形后，由于其化学活性高、标准电极电位很低，其在日常环境中氧化形成的氧化镁又疏松多孔、保护性差。当在潮湿的环境中极易发生腐蚀，大大限制了铸造态纯镁或镁合金的应用。

为了解决铸造态纯镁或镁合金耐腐蚀性能差的缺陷，通常采用的处理方法如下：(1)对铸造态纯镁或镁合金进行表面覆层处理，以此通过隔绝腐蚀介质来提高镁及镁合金的耐腐蚀性能，表面覆层处理包括阳极氧化处理、化学转化镀层、物理沉积涂层、热处理等工艺；(2)通过添加一定量的合金元素(如铝、锌、稀土等)，以此改善镁合金在含cl^-水溶液中的腐蚀产物的致密性来提高镁合金的耐腐蚀性能。

但是，采用表面覆层处理工艺并没有改变铸造态纯镁或镁合金本身的耐腐蚀性能，如果在外加力或热作用下表面覆层发生破损而使铸造态纯镁或镁合金与外部腐蚀环境接触，那么铸造态纯镁或镁合金依然会发生严重的腐蚀破坏。由于大部分合金元素的固溶度较低，易于析出第二相组织，其与基体α-mg之间会产生严重的电偶腐蚀倾向，作为阳极的镁基体就会被加速腐蚀，大大降低了合金元素对镁合金耐腐蚀性能的改善效果。

技术实现要素：

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法，其能大大提高铸造态纯镁或镁合金的耐腐蚀性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法，其包括步骤：s1，提供采用铸造方法加工出的铸造态纯镁母材或镁合金母材；s2，提供旋转搅拌头，其中旋转搅拌头具有轴肩和固定连接于轴肩的搅拌针；s3，使旋转搅拌头的搅拌针以一定的下压力从纯镁母材或镁合金母材的外表面向内压入纯镁母材或镁合金母材中并使旋转搅拌头的轴肩接触纯镁母材或镁合金母材的外表面；以及s4，使旋转搅拌头旋转运动并同时相对纯镁母材或镁合金母材进行平移运动，旋转搅拌头的轴肩的下表面与纯镁母材或镁合金母材的外表面摩擦，旋转搅拌头在工作过程中产生的摩擦热使得纯镁母材或镁合金母材达到的温度低于镁的熔点，其中搅拌针的平移运动遍历的区域为纯镁母材或镁合金母材的加工区域，加工区域内的镁在摩擦热的作用下产生塑性变形并发生动态再结晶，由此得到固态加工后的纯镁或镁合金。

本发明的有益效果如下：

在根据本发明的基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法中，采用铸造方法加工出的纯镁母材或镁合金母材在旋转搅拌头的下压力、旋转运动以及平移运动的作用下，使其在铸造中产生的气孔、缩孔等缺陷得到修复和消除，从而降低了铸造缺陷对纯镁母材或镁合金母材的耐腐蚀性能的不利影响。并且，由于旋转搅拌头在工作过程中产生的摩擦热使得纯镁母材或镁合金母材达到的温度低于镁的熔点，因而加工区域内的镁在摩擦热的作用下产生塑性变形时的温度较低，其动态再结晶后的冷却速度快，从而使得固态加工后得到的纯镁或镁合金的晶粒尺寸相对于原始铸造态大大细化。当固态加工后得到的纯镁或镁合金处于日常环境中时，基于固态加工后得到的纯镁或镁合金的晶粒尺寸的细化，使得其在环境中氧化形成的氧化镁的致密性高，从而改善了氧化膜疏松多孔的缺陷，进而提高了铸造态纯镁母材或镁合金母材的耐腐蚀性能。

附图说明

图1是根据本发明的基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法的加工示意图。

图2是图1中的旋转搅拌头的立体图。

其中，附图标记说明如下：

1纯镁母材或镁合金母材

2旋转搅拌头

21轴肩

22搅拌针

t厚度方向

l长度方向

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法。

参照图1和图2，根据本发明的基于铸造纯镁或镁合金的固态加工方法包括步骤：s1，提供采用铸造方法(如砂型铸造、压铸、流变铸造或半固态铸造等)加工出的铸造态纯镁母材或镁合金母材1；s2，提供旋转搅拌头2，其中旋转搅拌头2具有轴肩21和固定连接于轴肩21的搅拌针22；s3，使旋转搅拌头2的搅拌针22以一定的下压力从纯镁母材或镁合金母材1的外表面向内压入纯镁母材或镁合金母材1中并使旋转搅拌头2的轴肩21接触纯镁母材或镁合金母材1的外表面；以及s4，使旋转搅拌头2旋转运动并同时相对纯镁母材或镁合金母材1进行平移运动，旋转搅拌头2的轴肩21的下表面与纯镁母材或镁合金母材1的外表面摩擦，旋转搅拌头2在工作过程中产生的摩擦热使得纯镁母材或镁合金母材1达到的温度低于镁的熔点，其中搅拌针22的平移运动遍历的区域为纯镁母材或镁合金母材1的加工区域，加工区域内的镁在摩擦热的作用下产生塑性变形并发生动态再结晶，由此得到固态加工后的纯镁或镁合金。

在根据本发明的基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法中，采用铸造方法加工出的纯镁母材或镁合金母材1在旋转搅拌头2的下压力、旋转运动以及平移运动的作用下，使其在铸造中产生的气孔、缩孔等缺陷得到修复和消除，从而降低了铸造缺陷对纯镁母材或镁合金母材1的耐腐蚀性能的不利影响。并且，由于旋转搅拌头2在工作过程中产生的摩擦热使得纯镁母材或镁合金母材1达到的温度低于镁的熔点，因而加工区域内的镁在摩擦热的作用下产生塑性变形时的温度较低，其动态再结晶后的冷却速度快，从而使得固态加工后得到的纯镁或镁合金的晶粒尺寸相对于原始铸造态大大细化。当固态加工后得到的纯镁或镁合金处于日常环境中时，基于固态加工后得到的纯镁或镁合金的晶粒尺寸的细化，使得其在环境中氧化形成的氧化镁的致密性高，从而改善了氧化膜疏松多孔的缺陷，进而提高了铸造态纯镁母材或镁合金母材1的耐腐蚀性能。

另外，对于铸造态镁合金母材来说，由于其在固态加工后得到的纯镁或镁合金的晶粒尺寸得到细化，相应地，铸造态镁合金母材中的强化相得到细化并在α-mg基相中均匀分布，从而弱化了不同相之间的电偶腐蚀倾向并使得铸造态镁合金母材在含cl^-水溶液中的严重的局部腐蚀转变为全面的均匀腐蚀，从而在相同时间内大大降低了铸造态镁合金母材的腐蚀速率，增强了其耐蚀性性能。

此外，本发明的基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法的具体操作简便，其固态加工后得到的纯镁或镁合金的耐蚀性性能好且无环境污染，因此具有较高的推广价值。

在步骤s4中，搅拌针22的平移运动遍历的区域可为整个纯镁母材或镁合金母材1。换句话说，加工区域为整个纯镁母材或镁合金母材1，即加工区域沿厚度方向t上的尺寸等于纯镁母材或镁合金母材1整体的厚度。这里，纯镁母材或镁合金母材1采用上述固态加工方法加工后，其任意部位均具有良好的耐蚀性性能。

当纯镁母材或镁合金母材1处于日常环境中时，由于纯镁母材或镁合金母材1的靠近外表面的部分与外界环境直接接触因而最易发生腐蚀，如果改善纯镁母材或镁合金母材1的靠近外表面的部分的耐蚀性性能，就能提高整个纯镁母材或镁合金母材1的耐蚀性性能。因此，在步骤s4中，搅拌针22的平移运动遍历的区域可为纯镁母材或镁合金母材1的靠近外表面的部分。换句话说，加工区域为纯镁母材或镁合金母材1的靠近外表面的部分，即加工区域沿厚度方向t上的尺寸小于纯镁母材或镁合金母材1整体的厚度。

基于铸造纯镁或镁合金的固态加工方法还可包括步骤：s5，冷却步骤s4加工后得到的纯镁或镁合金。这里，可采用风冷、水冷或自然冷却的方式对步骤s4加工后得到的纯镁或镁合金进行冷对。

基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法还可包括步骤：s6，多次重复步骤s4并冷却加工后得到的纯镁或镁合金。这里，通过多次重复步骤s4可以使得固态加工后得到的纯镁或镁合金的晶粒尺寸相对于原始铸造态更为细化，从而进一步提高了纯镁母材或镁合金母材1的耐腐蚀性能。

在步骤s1中，所提供的纯镁母材或镁合金母材1的外形可为形状规则的或形状不规则的，并基于所提供的纯镁母材或镁合金母材1的外形，旋转搅拌头2相对纯镁母材或镁合金母材1进行平移运动的方向可以适当调整。具体地，当所提供的纯镁母材或镁合金母材1在厚度方向t上的投影形状为矩形状时，在步骤s4中，旋转搅拌头2可沿与纯镁母材或镁合金母材1的长度方向l平行的方向进行平移运动，如图1所示。

旋转搅拌头2的材质可为不含fe、ni元素的硬质合金或金属陶瓷。并且，旋转搅拌头2的轴肩21和搅拌针22的尺寸可根据所提供的纯镁母材或镁合金母材1的需要加工的加工区域的大小进行适当调整。

在步骤s3中，旋转搅拌头2的搅拌针22的下压力可为5000n-15000n。

在步骤s4中，旋转搅拌头2旋转运动的转速可为400rpm-1600rpm。

在步骤s4中，旋转搅拌头2平移运动的移动速度可为20mm/min-200mm/min。

在步骤s1中，所提供的镁合金母材可为镁-铝-锌合金、镁-锌-锆合金或镁-稀土合金(如镁-钇-钕合金、镁-钆-钇-锆合金)。

这里补充说明的是，在根据本发明的基于铸造态纯镁或镁合金的固态加工方法中，当所选取的搅拌头的搅拌针22的下压力、旋转搅拌头2旋转运动的转速或者旋转搅拌头2平移运动的移动速度发生改变时，由此得到的固态加工后的纯镁或镁合金的耐蚀性性能也会不同。下面结合具体的实施例进行详细的说明。

待加工材料：各实施例采用市售的铸造态纯镁母材或镁合金母材1

加工工具：所有实施例所选取的旋转搅拌头2的材质均相同

耐腐蚀性能测试(析氢法)：将各实施例中经由上文所述的固态加工方法加工后得到的纯镁或镁合金置于3.5wt％浓度的氯化钠水溶液中，并在开路电位条件下(不施加极化电流)浸泡1周，并收集镁腐蚀过程中产生的氢气。由于1mol的镁腐蚀会产生1mol的氢气，因此可以得出镁在氯化钠水溶液中的腐蚀速率。

所有实施例所选取的实验参数及其实验结果如下表所示：

从上表可以看出，各实施例中的铸造态纯镁母材或镁合金母材1，在经过上文所述的固态加工方法加工后，其腐蚀速率都有了明显的降低，耐腐蚀性能得到提升。并且，在固态加工过程中，旋转搅拌头2旋转运动的转速越低、平移运动的移动速度越快、旋转搅拌头2的搅拌针22的下压力越大，固态加工后得到的纯镁或镁合金的腐蚀速率越低，其耐腐蚀性能越好。