專利名稱：一種鎂合金表面合金化改性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金表面合金化改性的方法。該方法是通過采用磁控濺射鍍膜和強流脈沖電子束輻射加熱的方法在鎂合金的表面形成高硬度、高耐磨性和高耐腐蝕性的合金化層，屬于材料表面改性技術領域。
背景技術：
鎂及其合金以其低密度，高的比強度，比剛度，以及綠色環(huán)保，易于回收等特點，近年來在航空、航天、汽車、通訊、電子和機械、等領域中的應用越來越廣泛。然而由于鎂的化學活性較高，在大氣、酸性物質和鹽中有高的溶解度和腐蝕速度，而且形成的腐蝕產物穩(wěn)定性差并且比較疏松，因此耐腐蝕性是嚴重影響鎂合金應用的最大問題之一。為了提高鎂合金的耐腐蝕性能，一般在鎂合金表面采用化學轉化、擴滲合金化、激光處理、陽極氧化、物理氣相沉積涂層等表面改性處理方法，可以起到一定的效果，但是耐磨性、耐蝕性仍不夠理想。設計人為許并社等，公開號為CN 101532134 A的發(fā)明發(fā)明，公開了一種鎂鋁合金表面的激光重熔增強方法，通過先對鎂鋁合金表面進行潔凈處理，用氧-乙炔火焰噴涂鋁鎳合金粉，然后在激光機上進行重熔固化，形成表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性大幅度提高的合金層。設計人為謝冬柏等，授權公告號為CN1242096A的發(fā)明發(fā)明，公開了一種在鎂合金表面涂多層Al或Al/TiN涂層提高鎂合金耐腐蝕涂層及制備方法。設計人為王福會等，授權公告號為CN1242096A和CN 1219110 A的發(fā)明專利，通過化學轉化處理和化學鍍鎳相結合的方法在鎂及其合金構件表面形成了具有良好防蝕、耐磨效果良好的鍍層。設計人為張永君，授權公告號為CN 101161866 A的發(fā)明專利，公開了一種鎂及鎂合金表面鍍層的制備方法，該發(fā)明基于利用鍍膜技術及微弧氧化技術優(yōu)勢，尤其是微弧氧化陶瓷膜兼具耐蝕性和多孔性的特征，將表面陶瓷化和表面合金化技術有機結合起來，獲得均勻光滑、結構致密、性能優(yōu)良的鍍層。設計人為袁曉光等，授權公告號為CN 100406625 A的發(fā)明專利，通過快速冷凝鋅鋁合金粉在鎂合金表面噴涂了結構致密、顆粒均勻的涂層。設計人為董選普，授權公告號為CN 101590517 A的發(fā)明專利，通過將復合改性材料涂覆在泡沫模樣的表面，在鎂合金澆注過程中在表面同步形成了抗腐蝕和抗磨性好的合金化層和陶瓷層。設計人為馬幼平等，授權公告號為CN 1236105A的發(fā)明專利，公開了一種感應加熱鎂合金表面合金化的改性方法，該發(fā)明的合金層具有良好的鹽霧腐蝕抗力和抗磨能力，從根本上改變了鎂合金表面物理化學性質，也簡化了鎂合金現(xiàn)有的表面改性工藝。設計人為徐可為等，授權公告號為CN1118345A，通過將不同規(guī)格的金屬粉用粘結劑涂于模樣表面，利用鎂合金凝固過程形成致密復雜合金化層。崔澤琴等(崔澤琴，吳宏亮、王文先等.AZ31B鎂合金表面熔覆Cu-Ni合金層.中國有色金屬學報，2010，20 (9): 1665-1669)發(fā)現(xiàn)激光熔覆Cu-Ni合金層的AZ31B鎂合金耐蝕性得到較大改善。張穎等(張穎，王曉軒，陶珍東等.鎂合金表面化學鍍Ni-Co-P合金的研究.材料保護，2008,41 (6):23-25)等發(fā)現(xiàn)鎂合金表面化學鍍Ni-Co-P合金后具有較好的耐蝕性。付麗英等(付麗英，聞志杰，周瑩等.AZ91D鎂合金表面轉化膜腐蝕及防護涂層性能研究.中國鑄造裝備及技術，2012，I :1-5)發(fā)現(xiàn)高錳酸鹽和鑰酸鹽化學轉化AZ91D鎂合金膜表面具有大量微細裂紋，錫酸鹽轉化AZ91D鎂合金膜表面的耐蝕性最好，高錳酸鹽轉化轉化AZ91D鎂合金膜表面的附著力和耐蝕性能最好。強流脈沖電子束(HCPEB )是近年來發(fā)展起來的一種新型高效表面處理技術，是以加速電子為能量載體的新型高能密度荷電粒子束流。強流脈沖電子束比脈沖離子束易于引出和控制，裝置簡單可靠；在相同加速電壓下，電子束射程遠，有利于形成較厚的改性層。強流脈沖電子束照射金屬材料時不存在脈沖激光束的能量反射問題，能量吸收率受材料成份和表面形態(tài)的影響小。強流脈沖電子束是在真空環(huán)境中完成，可有效抑制材料的高溫氧化和污染等問題。因此，強流脈沖電子束表面處理能得到傳統(tǒng)的表面處理技術所不能達到的改性效果，在材料表面改性、表面合金化等方面都有很好的應用前景。況軍等(況軍，李剛，相捃等.強流脈沖電子束表面改性AZ31鎂合金的耐磨耐蝕性能.金屬熱處理，2009, 34(9) :25-28)發(fā)現(xiàn)強流脈沖電子束表面改性AZ31鎂合金的耐磨性和耐蝕性都得到提高。李旻才等(李旻才，郝勝智，董闖.強流脈沖電子束處理AZ91鎂合金的顯微結構 及磨損性能變化.材料研究與應用，2009，3 (1):5-8)研究發(fā)現(xiàn)擠壓態(tài)々291鎂合金經過強流脈沖電子束處理后耐磨損性能提高。盡管有學者采用不同表面改性處理方法提高鎂及鎂合金表面的耐磨性和耐蝕性等進行了大量的研究，然而沒有人采用磁控濺射鍍合金膜和強流脈沖電子束輻射加熱相結合的方法對鎂合金表面進行合金化改性的研究。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術中的上述不足，本發(fā)明技術根據(jù)鎂合金表面強度低、耐磨性和耐蝕性差的狀況，對鎂合金表面采用真空磁控濺射鍍Ni-Cr合金膜和強流脈沖電子束表面重熔合金化相結合的方法，可以避免空氣的污染和在鎂合金表面形成一層顯微硬度高，耐磨性和耐蝕性好，與鎂合金基體有良好結合力的合金化層。本發(fā)明的技術方案如下一種鎂合金表面合金化改性的方法，其包括如下步驟
(I)真空感應熔煉法制備Cr wt. %含量為3 20%的Ni-Cr合金鑄錠，去掉表皮并鋸斷成圓片狀，圓片狀Ni-Cr合金的表面進行打磨處理，光滑平整并清洗干凈后固定安裝在真空磁控濺射設備的靶材裝置上；
(2)用砂紙對鎂合金基材的表面進行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈,并用乙醇溶液滴在試樣的表面,吹干其表面,吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡；將表面干凈的鎂合金裝在配用的夾具上，并裝入到磁控濺射設備真空室中；
(3)開啟磁控濺射鍍膜設備，抽真空至P〈1X 10_3Pa，在鎂合金基材的表面鍍2 10 u m厚度的Ni-Cr合金膜；
(4)將表面鍍好Ni-Cr合金膜的鎂合金放入到強流脈沖電子束設備中，啟動強流脈沖電子束設備，抽真空至P〈6 X 10-4Pa后，采用強流脈沖電子束輻射加熱鍍膜鎂合金表面進行電子束表面合金化處理；處理參數(shù)為加速電壓為10-40 keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數(shù)為2 30次。進一步的特征在于Cr的重量含量為5%。
相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明鎂合金表面合金化改性的方法，具有以下有益效果
I、在鎂合金表面形成一層顯微硬度高，耐磨性和耐蝕性好的Ni-Cr合金化層，該合金化層與鎂合金基體有良好結合力。2、有效提高鎂合金表面強度，提高鎂合金表面耐磨性和耐蝕性。3、在處理過程中，能避免空氣的污染，提高合金層的純度。
具體實施方式

本發(fā)明鎂合金表面合金化改性的方法，其步驟為
1.真空感應熔煉法制備Crwt.%含量為T20 wt. %的Ni-Cr合金鑄錠，去掉表皮(車掉外皮)并鋸斷成圓片狀，圓片狀Ni-Cr合金的表面進行打磨處理，光滑平整并清洗干凈后固定安裝在真空磁控濺射設備的靶材裝置上；
2.用砂紙(如金相砂紙)對鎂合金基材的表面進行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用乙醇溶液滴在試樣的表面，吹干其表面(用電吹風)，吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡；將表面干凈的鎂合金裝在配用的夾具上，并裝入到磁控濺射設備真空室中；
3.開啟磁控濺射鍍膜設備，抽真空至P〈lX10_3Pa，在鎂合金基材的表面鍍2 10iim厚度的Ni-Cr合金膜；根據(jù)不同的要求,Ni-Cr合金膜的厚度可以選取3 ii m>4 u m>5 u m>6 u m>
7u m、8 u m、9 u m、10 u m ;
4.將表面鍍好Ni-Cr合金膜的鎂合金放入到強流脈沖電子束設備中(如RITM-2M強流脈沖電子束設備)，啟動強流脈沖電子束設備，抽真空至P〈6 X KT4Pa后，采用強流脈沖電子束輻射加熱鍍膜鎂合金表面進行電子束表面合金化處理，在鎂合金表面獲得致密的Ni-Cr合金膜層，其與鎂合金表面牢固連接成一體。處理參數(shù)為加速電壓為10-40 keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數(shù)為2 30次。Cr的重量含量為3 20%，可以選取的具體含量為3%、5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%等。加速電壓為10 keV、20 keV、3 0 keV、40 keV等；脈沖間隔為10秒、20秒、25秒、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒、60秒等；脈沖次數(shù)為2次、3次、5次、8次、10次、12次、15次、18次、20次、23次、25次、28次、30次等，都能滿足本發(fā)明的要求。在磁控濺射鍍膜設備抽真空后，向真空室內充入保護性氣體(如氬氣等惰性氣體、氮氣等)。實施例I :
采用將重量百分比為95 5的鎳塊和鉻塊放入到中頻真空感應熔煉爐內，抽真空至P=2. OX KT3Pa后，打開中頻電源進行感應加熱熔化，待合金完全熔化后，澆注到直徑為70mm的水冷銅坩堝中。將澆注好的NiCr5合金鑄錠車去外皮，并鋸斷成圓片狀，對圓片狀的NiCr5合金進行表面打磨處理，光滑平整并清洗干凈后裝入到真空磁控濺射設備的靶材裝置上，用于磁控濺射鍍膜的NiCr5合金靶材。用金相砂紙對AZ91D鎂合金的表面進行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用乙醇溶液滴在試樣的表面，用電吹風吹干，吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡。將表面干凈的AZ91D鎂合金裝在專用的夾具上，放入真空磁控濺射鍍膜設備的真空室內，抽真空至真空度P = 8. OX KT4Pa后，然后向真空室內充入氬氣(最好為純度為99. 99%的高純氬氣)，氬氣的流量為0. 4 L/min，啟動磁控濺射設備，進行鍍NiCr5合金膜，濺射時間為lOmin，鍍膜厚度約6 y m。將鍍好NiCr5合金膜的AZ9ID鎂合金裝入到RITM-2M強流脈沖電子束設備真空室專用的夾具上，抽真空至真空度P=5. 0X10_4Pa后，啟動RITM-2M強流脈沖電子束設備，對合金的表面進行電子束表面合金化處理。RITM-2M強流脈沖電子束設備的加載電壓為15keV，脈沖間隔為30秒，脈沖次數(shù)為10次。實施例2
采用將重量百分比為90 10的鎳塊和鉻塊放入到中頻真空感應熔煉爐內，抽真空至P = 3. OX 10 后，打開中頻電源進行感應加熱熔化，待合金完全熔化后，澆注到直徑為70mm的水冷銅坩堝中。將澆注好的NiCrlO合金鑄錠車去外皮，并鋸斷成圓片狀，對圓片 狀的NiCrlO合金進行表面打磨處理，光滑平整并清洗干凈后裝入到真空磁控濺射設備的靶材裝置上，用于磁控濺射鍍膜的NiCrlO合金靶材。用金相砂紙對AZ91D鎂合金的表面進行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用乙醇溶液滴在試樣的表面，用電吹風吹干，吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡。將表面干凈的AZ91D鎂合金裝在配用的夾具上，放入真空磁控濺射鍍膜設備的真空室內，抽真空至真空度P = 6. O X 10_4Pa后，然后向真空室內充入純度為99. 99%的高純氬氣，氬氣的流量為0. 3 L/min，啟動磁控濺射設備，進行鍍NiCrlO合金膜，濺射時間為15min，鍍膜厚度約8 Um0將鍍好NiCrlO合金膜的AZ91D鎂合金裝入到RITM-2M強流脈沖電子束設備真空室專用的夾具上，抽真空至真空度P =
4.0X10_4 Pa后，啟動RITM-2M強流脈沖電子束設備，對合金的表面進行電子束表面合金化處理。RITM-2M強流脈沖電子束設備的加載電壓為20 keV，脈沖間隔為45秒，脈沖次數(shù)為15次。需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明技術方案而非限制技術方案，盡管申請人參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種鎂合金表面合金化改性的方法，其特征在于包括如下步驟 (1)真空感應熔煉法制備Crwt. %含量為3 20%的Ni-Cr合金鑄錠，去掉表皮并鋸斷成圓片狀，圓片狀Ni-Cr合金的表面進行打磨處理，光滑平整并清洗干凈后固定安裝在真空磁控濺射設備的靶材裝置上； (2)用砂紙對鎂合金基材的表面進行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈,并用乙醇溶液滴在試樣的表面,吹干其表面,吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡；將表面干凈的鎂合金裝在配用的夾具上，并裝入到磁控濺射設備真空室中； (3)開啟磁控濺射鍍膜設備，抽真空至P〈1X 10_3Pa，在鎂合金基材的表面鍍2 10 u m厚度的Ni-Cr合金膜； (4)將表面鍍好Ni-Cr合金膜的鎂合金放入到強流脈沖電子束設備中，啟動強流脈沖電子束設備，抽真空至P〈6 X 10-4Pa后，采用強流脈沖電子束輻射加熱鍍膜鎂合金表面進行電子束表面合金化處理；處理參數(shù)為加速電壓為10-40 keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數(shù)為2 30次。
2.根據(jù)權利要求I所述鎂合金表面合金化改性的方法，其特征在于在磁控濺射鍍膜設備抽真空后，向真空室內充入氬氣。
3.根據(jù)權利要求I或2所述鎂合金表面合金化改性的方法，其特征在于Cr的重量含量為5%。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鎂合金表面合金化改性的方法，首先真空感應熔煉法制備Crwt.%含量為3~20%的Ni-Cr合金鑄錠，去掉表皮、打磨處理后固定安裝在真空磁控濺射設備的靶材裝置上；將表面打磨處理干凈的鎂合金裝在配用的夾具上，并裝入到磁控濺射設備真空室中；開啟磁控濺射鍍膜設備，在鎂合金基材的表面鍍2~10μm厚度的Ni-Cr合金膜；將表面鍍好Ni-Cr合金膜的鎂合金放入到強流脈沖電子束設備中，進行電子束表面合金化處理，本發(fā)明的方法，在鎂合金表面形成一層顯微硬度高，耐磨性和耐蝕性好的Ni-Cr合金化層，該合金化層與鎂合金基體有良好結合力；能有效提高鎂合金表面強度，提高鎂合金表面耐磨性和耐蝕性。
文檔編號C23C14/35GK102677014SQ201210170829
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權日2012年5月29日
發(fā)明者周志明, 唐麗文, 宋小放, 張寶亮, 王祥, 陳元芳, 魏炳偉, 黃偉九 申請人:重慶理工大學