一种在镁合金表面制备高硬度金属层的方法与流程

本发明属于镁合金表面强化技术领域，具体涉及一种在镁合金表面制备高硬度金属层的方法。

背景技术：

镁合金具有质量轻、比强度高、电磁屏蔽性好等一系列优点，广泛应用在汽车领域、3c领域和航空航天领域，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，但是不耐腐蚀、不耐磨等因素制约了镁合金的大量使用。近年来，许多学者采用阳极氧化、微弧氧化、气相沉积处理、表面喷涂、电镀、原位合成等技术去提高镁合金的耐磨性和耐蚀性。但采用表面喷涂、微弧氧化、电镀等技术生成的表面膜，往往与基体的结合力较弱，且工艺参数的探讨特别耗费时间。

中国发明专利201410025270.8公开了一种在镁合金表面使用固态热扩渗技术使镁合金表面合金化的方法，该方法是将经过表面处理的纯镁或镁合金工件埋入盛有纯锌粉的铁罐中震实，然后将铁罐放进加热炉内进行加热，其中加热温度为400~470℃，加热时间为4~20h。该方法摆脱了在真空或者在惰性气体保护条件下进行热扩散渗锌，但是仍然存在热处理时间长、温度过高、工业生产效率低的问题，并且根据如图1所示的mg-zn二元相图，当温度达到325℃时就会发生相变，长时间在400~470℃的相变温度以上停留，不但容易导致渗层中的各种金属间化合物长大，从而导致渗层性能的下降，而且还会导致不同金属间化合物分解，在渗层留下大量的缩松、缩孔。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种在镁合金表面制备高硬度金属层的方法，该方法的温度低、生产效率高，制备得到金属层的硬度高，且与镁合金的结合力强。

一种在镁合金表面制备高硬度金属层的方法，将经过表面处理的镁合金置于盛有锌粉的压力容器中，并且锌粉将镁合金包覆，然后在5~30mpa的压力条件下对压力容器进行加热，加热至370~395℃，然后保温50min~180min，保温结束后自然冷却至室温，即在镁合金表面制备得到高硬度金属层。

进一步地，镁合金表面处理过程为：先依次采用600#、800#、1500#的金相砂纸对镁合金进行打磨，以去掉镁合金表面的氧化膜；然后将镁合金放入丙酮溶液或者工业除油剂中超声处理3~5min，再用去离子水清洗并烘干，即得到表面处理后的镁合金。

进一步地，装料时，先表面处理后的镁合金放置在压力容器内，并用锌粉将镁合金包覆，然后对压力容器进行加压，使压力容器内的压力维持在5~30mpa。

进一步地，所述压力容器由圆柱形管、以及设置在圆柱形管两端且能插入圆柱形管两端将圆柱形管两端封闭的封头，封头外侧端部具有与圆柱形管轴向垂直的压板，压板上设有若干螺栓孔；镁合金设于圆柱形管内，并在圆柱形管内设置锌粉以将镁合金包覆，然后从外侧向圆柱形管内压缩封头，使圆柱形管内的压力为5~30mpa，然后用若干螺栓依次穿过两压板上对应的两螺栓孔以将两压板固定连接，从而保证圆柱形管内的压力维持在5~30mpa。

进一步地，锌粉的粒度为800μm~2000μm，纯度＞98.5%。

进一步地，对压力容器进行加热时，升温速率为10~20℃/min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明扩渗温度低，制备金属层过程中条件更易控制，同时本发明的扩渗时间短，有利于提高生产效率，有利于工业化应用。

2、本发明制备得到的金属层只含有金属间化合物mg7zn3或mgzn、mg7zn3，实现了金属层和镁合金基体之间的冶金结合，提高了金属层与镁合金基体的结合力。

3、本发明制备得到的金属层组织致密，金属层平均显微硬度达到160~222hv0.2，相对一般镁合金可提高3~6倍，有效的提高了镁合金的耐磨性。

附图说明

图1-mg-zn二元相图。

图2-压力容器的结构示意图。

图3-实施例1制备得到的金属层的扫描电镜组织图。

图4-实施例1制备得到的金属层的x射线衍射图。

图5-实施例1制备得到的金属层的显微硬度分布图。

图6-实施例1制备得到的金属层的电化学腐蚀tafel曲线图。

图7-对比实施例1制备得到的金属层的扫描电镜组织图。

图8-实施例2制备得到的显微硬度压痕图。

图9-实施例3制备得到的显微硬度压痕图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一种在镁合金表面制备高硬度金属层的方法，将经过表面处理的镁合金置于盛有锌粉的压力容器中，并且锌粉将镁合金包覆，然后在5~30mpa的压力条件下对压力容器进行加热，加热至370~395℃，然后保温50min-180min，保温结束后自然冷却至室温，即在镁合金表面制备得到高硬度金属层。

在加压的条件下，增加了镁合金表面附着的锌原子数量，同时，在一定程度上减少了锌原子向镁合金方向跃迁的距离，从而增加mg原子和zn原子的有效碰撞数量，进而有利于降低扩渗温度和扩渗时间。

另外，镁合金和zn粉被置于压力容器内，由于扩渗温度为370~395℃，zn原子所获得的能量并不能突破压力容器的晶界壁垒，只有低熔点镁合金的晶界空隙变大，更容易发生置换反应，而压力条件下使原本无序扩散的zn原子更容易沿着镁合金的方向扩散。具体为，在无压力的情况下，zn原子做无序扩散，有很大一部分zn原子并没有朝着镁合金方向扩散，而在压力条件下，压力为无序扩散的zn原子起导向的作用，使更多的zn原子朝着镁合金方向扩散，因此在相同的时间内，会有更多的zn原子进入镁合金基体内，从而有利于节省扩渗时间。

在5~30mpa的压力条件下，热处理后不会影响镁合金内应力的释放，使得冷却后的物相之间致密，不会出现间隙。其原因为：在此压力范围内，压力仅起减少扩散距离和导向的作用。在上述扩渗温度下，内应力会驱动材料的塑性变形，直到内应力与此应力下的屈服应力达到平衡的程度。如果压力太大，则屈服应力相对也会增大，在恢复到室温，去掉外面的保压装置以后，屈服应力降低，内应力和屈服应力之间的平衡被打破，容易导致样品出现裂纹，缩松等缺陷。

具体实施时，镁合金表面处理过程为：先依次采用600#、800#、1500#的金相砂纸对镁合金进行打磨，以去掉镁合金表面的氧化膜；然后将镁合金放入丙酮溶液或者工业除油剂中超声处理3~5min，再用去离子水清洗并烘干，即得到表面处理后的镁合金。

具体实施时，装料时，先将表面处理后的镁合金放置在压力容器内，并用锌粉将镁合金包覆，然后对压力容器进行加压，使压力容器内的压力维持在5~30mpa。

参见图2，所述压力容器由圆柱形管1、以及设置在圆柱形管1两端且能插入圆柱形管1两端将圆柱形管1两端封闭的封头2，封头2外侧端部具有与圆柱形管轴向垂直的压板3，压板3上设有若干螺栓孔；镁合金设于圆柱形管内，并在圆柱形管内设置锌粉以将镁合金包覆，然后从外侧向圆柱形管内压缩封头，使圆柱形管内的压力为5~30mpa，然后用若干螺栓4依次穿过两压板上对应的两螺栓孔以将两压板固定连接，从而保证圆柱形管内的压力维持在5~30mpa。

具体实施时，锌粉的粒度为800μm~2000μm，纯度＞98.5%。

使用时需避免锌粉被氧化。zn粉的粒度越小，zn原子越容易吸收能量，即越容易发生跃迁，也就越容易扩渗。同时，由于fe、cu等元素对镁都有毒害作用，会导致镁合金的性能急剧下降，因此扩渗所用锌粉的纯度要求较高。

具体实施时，对压力容器进行加热时，升温速率为10~20℃/min。

实施例1

（1）将az31镁合金试样切加工成φ20mm×5mm的圆薄片，用600#、800#、1500#的金相砂纸逐一打磨去掉镁合金表面的氧化膜；

（2）将打磨后的试样放入丙酮溶液中超声处理5min，再用去离子水清洗工件，最后用吹风机吹干试样；

（3）把吹干的镁合金试样放入容器中，用锌粉包裹，锌粉的粒度为800μm，再用压力机对容器进行加压，使得容器内的压力维持在5mpa；

（4）将保压的容器放置在加热炉内加热，升温速率为15℃/min，加热至390℃后保温120min，然后随炉冷却，即在az31镁合金试样表面制备得到高硬度金属层；

（5）对热扩渗处理后的镁合金试样进行打磨。

本实施例在镁合金表面制备得到的金属层致密均匀，外观光亮，手感圆润，其扫描电镜组织图、x射线衍射图谱、显微硬度分布图和电化学tafel曲线图分别如图3、图4、图5和图6所示，由图3可知，金属层嵌入到镁合金基体，与az31镁合金基体结合良好，致密无孔洞；由图4可知，锌元素渗入到基体组织中，并形成了金属间化合物mg7zn3和mgzn；由图5可知，金属层的硬度比az31镁合金基体的硬度提高了约5.6倍，金属层的金属间化合物的平均硬度为222hv0.2，表明热固态保压扩渗锌制备的金属层可以有效提高az31镁合金的硬度；由图6可知，腐蚀电位正移了0.05v，说明金属层的腐蚀趋势降低，用辰华660e标定基体和金属层的腐蚀电流密度，分别为1.732×10^-4(a.cm^-2)和8.253×10^-5(a.cm^-2)，可以发现金属层的腐蚀电流降低了半个数量级，说明镁合金表面渗锌后得到的金属层的耐蚀性能增强了。

对比实施例1

（1）将az31镁合金试样切加工成φ20mm×5mm的圆薄片，用600#、800#、1500#的金相砂纸逐一打磨去掉镁合金表面的氧化膜；

（2）将打磨后的试样放入丙酮溶液中超声处理5min，再用去离子水清洗工件，最后用吹风机吹干试样；

（3）把吹干的镁合金试样放入容器中，用锌粉包裹，锌粉的粒度为800μm，再用压力机对容器进行加压，使得容器内的压力维持在5mpa；

（4）将保压的容器放置在加热炉内加热，升温速率为15℃/min，加热至390℃后保温240min，然后随炉冷却，即在az31镁合金试样表面制备得到高硬度金属层；

（5）对热扩渗处理后的镁合金试样进行打磨。

本实施例在镁合金表面制备得到的金属层的扫描电镜扫描图如图7所示，金属层呈网状结构，存在很多空隙不致密。并且本实施例中金属层内的金属间化合物包括mgzn（图7中a处）、mg7zn3（图7中b处）和mgzn2（图7中c处），与实施例1相比，本实施例生成了粗大的mg7zn3相和mgzn2相，从而使金属层变成网状结构，并且mgzn相、mg7zn3相和mgzn2相之间存在空隙，使得金属层变得不致密。

实施例2

（1）将az31镁合金试样切加工成φ20mm×5mm的圆薄片，用600#、800#、1500#的金相砂纸逐一打磨去掉镁合金表面的氧化膜；

（2）将打磨后的试样放入丙酮溶液中超声处理5min，再用去离子水清洗，最后用吹风机吹干试样；

（3）把吹干的镁合金试样放入容器中，用锌粉包裹，锌粉的粒度为1000μm，再用压力机对容器进行加压，使得容器内的压力维持在10mpa；

（4）将保压的容器放置在加热炉内加热，升温速率为15℃/min，加热至390℃后保温90min，然后随炉冷却，即在az31镁合金试样表面制备得到高硬度金属层；

（5）对热扩渗处理后的镁合金试样进行打磨。

本实施例在镁合金表面制备得到的金属层致密均匀，外观光亮，手感圆润，耐磨性能优异，采用显微压痕机测量本实施例的基体层和金属层的显微硬度，其结果如图8所示，金属层的平均显微硬度为194.1hv0.2，与镁合金基体的结合良好，并根据本实施例金属层x射线衍射图谱，该金属层只含有mg7zn3相。

实施例3

（1）将az31镁合金试样切加工成φ20mm×5mm的圆薄片，用600#、800#、1500#的金相砂纸逐一打磨去掉镁合金表面的氧化膜；

（2）将打磨后的试样放入丙酮溶液中超声处理3min，再用去离子水清洗工件，最后用吹风机吹干试样；

（3）把吹干的镁合金试样放入容器中，用锌粉包裹，锌粉的粒度为800μm，再用压力机对容器进行加压，使得容器内的压力维持在15mpa；

（4）将保压的容器放置在加热炉内加热，升温速率为20℃/min，加热至380℃后保温90min，然后随炉冷却，即在az31镁合金试样表面制备得到高硬度金属层；

（5）对热扩渗处理后的镁合金试样进行打磨。

本实施例在镁合金表面制备得到的金属层致密均匀，外观光亮，但渗层中有开始出现粗大的片层状，采用显微压痕机测量本实施例的基体层和金属层的显微硬度，其结果如图9所示，平均显微硬度为168.1hv0.2，与镁合金基体的结合良好，并根据本实施例金属层x射线衍射图谱，该金属层只含有mg7zn3相。

实施例4

（1）将az31镁合金试样切加工成φ20mm×5mm的圆薄片，用600#、800#、1500#的金相砂纸逐一打磨去掉镁合金表面的氧化膜；

（2）将打磨后的试样放入丙酮溶液中超声处理5min，再用去离子水清洗工件，最后用吹风机吹干试样；

（3）把吹干的镁合金试样放入容器中，用锌粉包裹，锌粉的粒度为800μm，再用压力机对容器进行加压，使得容器内的压力维持在5mpa；

（4）将保压的容器放置在加热炉内加热，升温速率为15℃/min，加热至395℃后保温60min，然后随炉冷却，即在az31镁合金试样表面制备得到高硬度金属层；

（5）对热扩渗处理后的镁合金试样进行打磨。

本实施例在镁合金表面制备得到的金属层致密均匀，外观光亮，手感圆润，耐磨性能优异，平均显微硬度为188.6hv0.2，与镁合金基体的结合良好，并根据本实施例金属层x射线衍射图谱，该金属层只含有mg7zn3相。

实施例5

（1）将az31镁合金试样切加工成φ20mm×5mm的圆薄片，用600#、800#、1500#的金相砂纸逐一打磨去掉镁合金表面的氧化膜；

（2）将打磨后的试样放入丙酮溶液中超声处理3min，再用去离子水清洗工件，最后用吹风机吹干试样；

（3）把吹干的镁合金试样放入容器中，用锌粉包裹，锌粉的粒度为2000μm，再用压力机对容器进行加压，使得容器内的压力维持在15mpa；

（4）将保压的容器放置在加热炉内加热，升温速率为20℃/min，加热至390℃后保温120min，然后随炉冷却，即在az31镁合金试样表面制备得到高硬度金属层；

（5）对热扩渗处理后的镁合金试样进行打磨。

本实施例在镁合金表面制备得到的金属层致密均匀，外观光亮，但渗层中开始出现粗大的片层状，平均显微硬度为168.1hv0.2，与镁合金基体的结合良好，并根据本实施例金属层x射线衍射图谱，该金属层只含有mg7zn3相。

实施例6

（1）将az31镁合金试样切加工成φ20mm×5mm的圆薄片，用600#、800#、1500#的金相砂纸逐一打磨去掉镁合金表面的氧化膜；

（2）将打磨后的试样放入丙酮溶液中超声处理3min，再用去离子水清洗工件，最后用吹风机吹干试样；

（3）把吹干的镁合金试样放入容器中，用锌粉包裹，锌粉的粒度为1000μm，再用压力机对容器进行加压，使得容器内的压力维持在10mpa；

（4）将保压的容器放置在加热炉内加热，升温速率为10℃/min，加热至370℃后保温180min，然后随炉冷却，即在az31镁合金试样表面制备得到高硬度金属层；

（5）对热扩渗处理后的镁合金试样进行打磨。

本实施例在镁合金表面制备得到的金属层致密均匀，外观光亮，手感圆润，耐磨性能优异，平均显微硬度为180.5hv0.2，与镁合金基体的结合良好，并根据本实施例金属层x射线衍射图谱，该金属层只含有mg7zn3相和mgzn相。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。