本發(fā)明涉及材料加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種金屬表面處理工藝。

背景技術(shù)：

金屬表面處理技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)金屬表面性能優(yōu)化的一類工藝，主要包括諸如電鍍、電泳、發(fā)黑、金屬表面著色、拋丸、噴丸、磷化、鈍化等。

攪拌摩擦加工(fsp)是在攪拌摩擦焊技術(shù)(fsw)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種材料加工與制備技術(shù)。其工作過程和原理與攪拌摩擦焊類似，首先將待加工材料固定在具有剛性底板的工作臺(tái)面上，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭緩慢地被插入待加工的材料中；焊接過程中，攪拌頭和待焊接材料通過摩擦剪切阻力來獲得摩擦熱，摩擦熱作為母材塑性變形的熱源，使得攪拌頭作用區(qū)域范圍內(nèi)的金屬材料達(dá)到熱塑化狀態(tài)；同時(shí)伴隨旋轉(zhuǎn)著的攪拌頭向前移動(dòng)，熱塑性的金屬材料則在攪拌針的旋轉(zhuǎn)作用以及軸肩的包裹作用下向攪拌針后方移動(dòng)來填充后方空腔。因此攪拌摩擦加工的整個(gè)過程均在攪拌頭軸肩的摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下進(jìn)行的，加工完成之后即可形成致密的表面加工組織。攪拌摩擦加工過程中只需要攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和待焊工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)這兩種形式就能滿足實(shí)驗(yàn)操作的基本要求。

攪拌工具由軸肩和攪拌針組合而成，攪拌針的主要作用是使材料在過程中充分?jǐn)嚢?，同時(shí)控制攪拌工具周圍材料的流動(dòng)方向。軸肩在過程中主要有兩個(gè)作用：(1)與工件表面摩擦產(chǎn)生熱量；(2)提供自封閉的環(huán)境，防止塑化的金屬?gòu)臄嚢鑵^(qū)溢出。

現(xiàn)有技術(shù)中，采用攪拌摩擦加工方法制備復(fù)合材料表層以強(qiáng)化合金表面的工藝方法，均是將細(xì)小的強(qiáng)化相強(qiáng)行引入合金表面后，采用軸肩和攪拌針頭摩擦的方式進(jìn)行劇烈塑性變形，將顆粒“鍛造”如合金亞表面。所涉及的反應(yīng)為“固-固”界面反應(yīng)或“半固態(tài)”反應(yīng)。此類反應(yīng)的表面強(qiáng)化復(fù)合區(qū)域的均勻性通常不是很好，即某些區(qū)域強(qiáng)度較高，某些區(qū)域強(qiáng)度相對(duì)較低。且此類方法難以有效的改善合金表面的耐蝕性。

綜上所述，如何有效地解決采用攪拌摩擦加工工藝對(duì)合金表面進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化均勻性較差等問題，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬表面處理工藝，該金屬表面處理工藝可以有效地解決采用攪拌摩擦加工工藝對(duì)合金表面進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化均勻性較差的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種金屬表面處理工藝，包括：

制屑，選擇共晶合金熔點(diǎn)低于待處理金屬熔點(diǎn)的共晶合金，并將所述共晶合金加工成共晶合金屑；

球磨，將所述共晶合金屑與增強(qiáng)體顆粒按預(yù)設(shè)比例混合后球磨；

熱壓，將球磨后的混粉鋪于待處理金屬件表面，進(jìn)行冷壓后再進(jìn)行真空熱壓，以在所述待處理金屬件表面形成共晶混粉熱壓層；

攪拌摩擦加工。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述待處理金屬件為鎂合金件。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述共晶合金為mg-al體系、mg-zn體系、al-mg-zn體系、al-si體系或al-cu體系的二元或三元共晶合金。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述增強(qiáng)體顆粒為碳化物顆粒、氧化物顆粒、碳氧化物陶瓷粉末或顆粒中的一種或幾種的組合。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述增強(qiáng)體顆粒的粒徑平均尺寸為r，且200nm≤r≤50μm。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述增強(qiáng)體顆粒為碳納米管、石墨顆?；蚴╊w粒。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述攪拌摩擦加工，具體包括：

攪拌摩擦加工，其中，工具轉(zhuǎn)速為ω，且500rpm≤ω≤3500rpm；主軸傾角為γ，且1°≤γ≤5°；加工速度為ν，且5mm/min≤ν≤100mm/min。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述真空熱壓具體包括：

將冷壓坯錠裝入真空熱壓爐中加熱，升溫速率為3-6℃/min；熱壓保溫溫度為指定溫度并保溫預(yù)設(shè)時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻，熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下；所述熱壓保溫溫度為h，且h＝t±10℃，其中t為所述共晶合金的熔點(diǎn)。

優(yōu)選地，上述金屬表面處理工藝中，所述預(yù)設(shè)比例具體為：所述共晶合金屑與所述增強(qiáng)體顆粒的體積配比w，且1:200≤w≤200:1；

所述球磨的工藝參數(shù)具體包括：球磨時(shí)間為t1，且4小時(shí)≤t1≤200小時(shí)，球磨罐轉(zhuǎn)速為s1，且10rpm≤s1≤200rpm，球料比比值為n，且1:10≤n≤10:1

應(yīng)用本發(fā)明提供的金屬表面處理工藝，利用了攪拌摩擦加工技術(shù)，但并未完全利用攪拌摩擦產(chǎn)生的熱量進(jìn)行塑性變形，而主要是利用攪拌摩擦的熱量熔化了低熔點(diǎn)的共晶合金，即利用軸肩和攪拌頭的摩擦將共晶相熔化為液相，發(fā)生“固-液界面反應(yīng)”，同時(shí)引入強(qiáng)化相，并隨后凝固。凝固后的合金表面完全覆蓋住了含有增強(qiáng)體顆粒的凝固后的共晶組織。類似于二次冶金+機(jī)械攪拌的原理，將相對(duì)熔點(diǎn)較低的異質(zhì)共晶和增強(qiáng)體顆粒以涂覆的形式緊密的覆蓋于鎂合金表面，既強(qiáng)化了合金，又起到了增加防腐性能的作用。由于共晶組織通常硬度較高，既能夠起到強(qiáng)化作用，也能夠起到提高耐蝕性的作用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的金屬表面處理工藝的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例公開了一種金屬表面處理工藝，以提高攪拌摩擦加工工藝對(duì)合金表面進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化的均勻性。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的金屬表面處理工藝的流程示意圖。

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供的金屬表面處理工藝，包括以下步驟：

s1：制屑，選擇共晶合金熔點(diǎn)低于待處理金屬熔點(diǎn)的共晶合金，并將共晶合金加工成共晶合金屑；即配置異質(zhì)共晶合金，選擇共晶合金熔點(diǎn)低于待處理金屬熔點(diǎn)的合金體系，具體可以為二元或三元共晶。制備出的共晶合金通常脆性較高，強(qiáng)度較差，因此較為容易通過機(jī)械加工等方式制備成共晶合金屑。此處及下文提到的待處理金屬一般指待處理的合金，如鎂合金等，根據(jù)需要也可以為純金屬等。

s2：球磨，將共晶合金屑與增強(qiáng)體顆粒按預(yù)設(shè)比例混合后球磨；

具體的預(yù)設(shè)比例可根據(jù)共晶合金屑及增強(qiáng)體顆粒的成分等進(jìn)行具體設(shè)置，此處不作具體限定。球磨的具體工藝參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，此處也可不作具體限定。

s3：熱壓，將球磨后的混粉鋪于待處理金屬件表面，進(jìn)行冷壓后再進(jìn)行真空熱壓，以在待處理金屬件表面形成共晶混粉熱壓層；

需要說明的是，待處理金屬件即與上述的待處理金屬對(duì)應(yīng)的工件，一般可以為待處理金屬板材或塊體等。如待處理金屬件為鎂基合金件時(shí)，則相應(yīng)的待處理金屬即為該鎂基合金。具體的，將待處理金屬板材或塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的混粉鋪在合金表面，隨后合模。進(jìn)行冷壓后再進(jìn)行真空熱壓。具體真空熱壓的工藝參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，此處可以不作具體限定，但熱壓溫度應(yīng)滿足通過真空熱壓以在待處理金屬板材件表面形成共晶混粉熱壓層。優(yōu)選的，合金熱壓溫度為共晶點(diǎn)，即共晶熔化溫度，因此，熱壓后的熱壓層和鎂合金基體會(huì)有良好的結(jié)合強(qiáng)度。

s4：攪拌摩擦加工。

對(duì)熱壓后的外表面為共晶混粉的待處理金屬件，如鎂合金件進(jìn)行fsp加工，具體攪拌摩擦的工藝參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，此處不作具體限定。

應(yīng)用本發(fā)明提供的金屬表面處理工藝，利用了攪拌摩擦加工技術(shù)，但并未完全利用攪拌摩擦產(chǎn)生的熱量進(jìn)行塑性變形，而主要是利用攪拌摩擦的熱量熔化了低熔點(diǎn)的共晶合金，即利用軸肩和攪拌頭的摩擦將共晶相熔化為液相，發(fā)生“固-液界面反應(yīng)”，同時(shí)引入強(qiáng)化相，并隨后凝固。凝固后的合金表面完全覆蓋住了含有增強(qiáng)體顆粒的凝固后的共晶組織。類似于二次冶金+機(jī)械攪拌的原理，將相對(duì)熔點(diǎn)較低的異質(zhì)共晶和增強(qiáng)體顆粒以涂覆的形式緊密的覆蓋于鎂合金表面，既強(qiáng)化了合金，又起到了增加防腐性能的作用。由于共晶組織通常硬度較高，既能夠起到強(qiáng)化作用，也能夠起到提高耐蝕性的作用。

具體的，待處理金屬件為鎂合金件，即鎂基合金件，則應(yīng)選擇共晶合金熔點(diǎn)低于該鎂合金的共晶合金。

進(jìn)一步地，共晶合金為mg-al體系、mg-zn體系、al-mg-zn體系、al-si體系或al-cu體系的二元或三元共晶合金。優(yōu)選的，共晶體組織在合金中所占體積比例不低于50％。

在上述實(shí)施例中，增強(qiáng)體顆粒為碳化物顆粒、氧化物顆粒、碳氧化物陶瓷粉末或顆粒中的一種或幾種的組合。

進(jìn)一步地，增強(qiáng)體顆粒的粒徑平均尺寸為r，且200nm≤r≤50μm。需要說明的是，此處的顆粒平均尺寸指顆粒半徑的平均尺寸。

根據(jù)需要，增強(qiáng)體顆粒也可以為碳納米管、石墨顆?；蚴╊w粒。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，步驟s4具體可以包括：

攪拌摩擦加工，其中，工具轉(zhuǎn)速為ω，且500rpm≤ω≤3500rpm；主軸傾角為γ，且1°≤γ≤5°；加工速度為ν，且5mm/min≤ν≤100mm/min。

進(jìn)一步地，步驟s3中真空熱壓具體可以包括：

將冷壓坯錠裝入真空熱壓爐中加熱，升溫速率為3-6℃/min；熱壓保溫溫度為指定溫度并保溫預(yù)設(shè)時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻，熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下；熱壓保溫溫度為h，且h＝t±10℃，其中t為共晶合金的熔點(diǎn)。

更進(jìn)一步地，預(yù)設(shè)比例具體為：共晶合金屑與增強(qiáng)體顆粒的體積配比w，且1:200≤w≤200:1；

則步驟s2中球磨的工藝參數(shù)具體可以包括：球磨時(shí)間為t1，且4小時(shí)≤t1≤200小時(shí)，球磨罐轉(zhuǎn)速為s1，且10rpm≤s1≤200rpm，球料比比值為n，且1:10≤n≤10:1。

以下以優(yōu)選的三個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明：

實(shí)施例1：

熔煉mg17al12共晶合金(al含量為17.4wt.％)并制成合金屑。將所制成屑與碳化硼顆?；旌?。體積比為1:1。將兩種粉末在球磨機(jī)中球磨，球磨時(shí)間12小時(shí)。直徑10cm的球磨罐轉(zhuǎn)速為50rpm，球料比比值為1:1。熱壓。將10cm×6cm×2cm尺寸的az31鎂合金塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的粉末鋪在合金表面，隨后合模。上下表面進(jìn)行冷壓后再進(jìn)行真空熱壓。升溫速度為4℃/min，保壓溫度435℃，保溫時(shí)間30min，然后隨爐緩慢冷卻。熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后對(duì)熱壓后的外表面為共晶混粉的鎂合金進(jìn)行fsp加工。加工速度5mm/min，工具轉(zhuǎn)速為1000rpm，攪拌頭傾角1°。隨后對(duì)合金加工表面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果表明，合金顯微硬度提高80％，耐蝕性提高1倍。

實(shí)施例2：

熔煉zn-al共晶合金(al含量為5wt.％)并制成合金屑。將所制成屑與碳化硼顆粒混合。體積比為1:1。將兩種粉末在球磨機(jī)中球磨，球磨時(shí)間12小時(shí)。直徑10cm的球磨罐轉(zhuǎn)速為40rpm，球料比比值為1:1。熱壓。將10cm×6cm×2cm尺寸的az61鎂合金塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的粉末鋪在合金表面，隨后合模。上下表面進(jìn)行冷壓后再進(jìn)行真空熱壓。升溫速度為4℃/min，保壓溫度420℃，保溫時(shí)間60min，然后隨爐緩慢冷卻。熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后對(duì)熱壓后的外表面為共晶混粉的鎂合金進(jìn)行fsp加工。行進(jìn)速度50mm/min，工具轉(zhuǎn)速為1500rpm，攪拌頭傾角2.5°。隨后對(duì)合金加工表面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果表明，合金顯微硬度提高1倍，耐蝕性提高50％。

實(shí)施例3：

熔煉al-si共晶合金(si含量為12.6wt.％)并制成合金屑。將所制成屑與碳納米管混合。體積比為1:1。將兩種粉末在球磨機(jī)中球磨，球磨時(shí)間10小時(shí)。直徑10cm的球磨罐轉(zhuǎn)速為40rpm，球料比比值為1:1。熱壓。將10cm×6cm×2cm尺寸的we43鎂合金塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的粉末鋪在合金表面，隨后合模。上下表面進(jìn)行冷壓后再進(jìn)行真空熱壓。升溫速度為4℃/min，保壓溫度577℃，保溫時(shí)間60min，然后隨爐緩慢冷卻。熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后對(duì)熱壓后的外表面為共晶混粉的鎂合金進(jìn)行fsp加工。行進(jìn)速度100mm/min，工具轉(zhuǎn)速為2000rpm，攪拌頭傾角5°。隨后對(duì)合金加工表面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果表明，合金顯微硬度提高1倍，耐蝕性提高90％。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。