專利名稱：爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散鎂或鎂合金制品表面合金化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鎂或鎂合金表面改性，特別涉及采用爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散對鎂及鎂合金進行表面合金化改性技術和工藝方法。
目前鎂合金表面改性主要采用的方法有陽極化處理、電鍍涂敷等表面改性工藝。雖然這些工藝可不同程度地減緩鎂合金的腐蝕，但仍存在諸多不足，如大多數(shù)表面改性均需經(jīng)有機物封孔的工藝環(huán)節(jié)，致使涂層含有有機物；有些耐腐蝕涂層與鎂合金基底之間存在明顯界面，形成的表層組織疏松多孔，常因應力造成表層開裂或剝落是常見的；有些工藝環(huán)節(jié)還會對環(huán)境造成污染等。
鑒于現(xiàn)有工藝方法存在局限性，目前各方均積極致力于鎂合金表面改性方面的前沿性研究包括氣相沉積涂層、微弧氧化、離子注入金屬鉻和氮等、激光表面處理等，但以上技術尚不成熟，工藝和成本難為企業(yè)所接受，有些技術還正處于探索階段，無法應用在工業(yè)生產(chǎn)中。在某些工作條件下，為防鎂合金表面有機物燃燒產(chǎn)生毒性，要求鎂合金耐腐蝕層為無機物，如飛機的操縱盤、座椅等部件，而目前大多數(shù)鎂合金的表面改性層含有有機物，難以滿足實際要求。
本發(fā)明的目的在于克服目前鎂合金表面改性工藝的缺陷，提供一種通過爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散形成鎂或鎂合金表層區(qū)域合金化的表面改性工藝方法。用該方法所制造的合金層不僅與鎂合金基體保持冶金結(jié)合，而且成分和厚度可控制，處理后零件表面質(zhì)量好。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明采取的技術方案是將不同的金屬粉配制后(如鋁、硅、鋅等)，用粘結(jié)劑涂于制品表面，對制品進行表面感應加熱，在鎂或鎂合金制品表面形成合金改性層。該方法依下列步驟進行a、對鎂制品進行表面處理，去除污染物，再用酒精沖洗，然后在空氣中干燥；b、用金屬粉和粘結(jié)劑配制金屬涂敷材料，粘結(jié)劑占金屬粉總量的0.05～0.4％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂制品表面上，涂層厚度為0.01～2mm；d、帶有涂層的鎂制品放置在空氣中自然干燥；然后，e、將鎂制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度一般控制在550～600℃；加熱時間一般控制在6～42小時；抽真空或用氣體保護，抽真空時真空度為-4.0～-5.5×104Pa；f、將鎂制品出爐，自然冷卻至室溫，即制成表面合金化的鎂制品。
該方法還可依下列步驟進行a、對鎂合金制品進行表面處理，去除污染物，再用酒精沖洗，然后在空氣中干燥；b、用金屬粉和粘結(jié)劑配制金屬涂敷材料，粘結(jié)劑占金屬粉總量的0.05～0.4％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂合金制品表面上，涂層厚度為0.01～2mm；d、帶有涂層的鎂合金制品放置在空氣中自然干燥；然后，e、將鎂合金制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度一般控制在470～540℃；加熱時間一般控制在6～42小時；抽真空或用氣體保護，抽真空時真空度為-4.0～-5.5×104Pa；
f、將鎂合金制品出爐，自然冷卻至室溫，即制成表面合金化的鎂合金制品。
上述方案所用的保護氣體是指氬氣或N2氣。
本發(fā)明所用的金屬粉，是指鋁粉、鋅粉、硅粉或鋁粉和鋅粉的混合粉。其中，鋁粉和鋅粉的混合比例為鋁粉∶鋅粉＝25～27∶73～75或者12～50∶50～88。
本發(fā)明配制的金屬涂敷材料中，所用金屬粉的粒度一般控制在70～400目，其最佳粒度范圍為200～320目。
所用的粘結(jié)劑是指低溫粘結(jié)劑，如聚乙烯醇縮丁醛、糊精等。
本發(fā)明的技術方案充分考慮了合金化元素或化合物與基體金屬間相互作用的特性，如可溶解性、形成化合物的可能性、潤濕性及比容等；考慮在合金化區(qū)形成的物相對合金化改性效果的影響，如耐蝕性、耐磨性及高溫下的抗氧化行為等；考慮表面合金層與基體間冶金結(jié)合的牢固性，以及合金層的脆性、抗壓、抗彎曲等性能。遵循上述原則制定合金化工藝包括，合金化成分的選配、合金粉末添加方式的制定、爐內(nèi)加熱參數(shù)確定等，最終達到控制固態(tài)擴散形成合金化表層質(zhì)量，改善了鎂合金零件表層力學化學性能，實現(xiàn)了本發(fā)明的技術目的。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明制備的改性合金層不僅具有良好的抗蝕性和抗磨性，而且具有自生自醫(yī)功能，同時表面合金層不含有機物。改性合金層與鎂或鎂合金基底之間為緊密的冶金結(jié)合，不易產(chǎn)生表層開裂或剝落的現(xiàn)象。
2、在鹽霧腐蝕過程中，該合金層可形成的連續(xù)致密復雜化合物，具有很好的抗鹽霧腐蝕抗力和抗磨能力，該復雜化合物一旦被機械磨掉，即可形成新的保護層，即合金化層具有一定的自愈合和自修復功能，從根本上改變了鎂合金表面物理化學性質(zhì)，也簡化了鎂合金現(xiàn)有的表面改性工藝。
3、本發(fā)明的工藝設計合理，參數(shù)易于控制，操作簡單，成品率高，工藝無環(huán)境污染，可廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。
a、對鎂合金制品進行表面處理(如拋砂、噴丸等)，去除表面污染物，再用酒精沖洗，然后在空氣中干燥；b、選取粒度范圍為200～320目的鋁粉，使用聚乙烯醇縮丁醛(或糊精)作粘結(jié)劑，配制金屬涂敷材料；聚乙烯醇縮丁醛(或糊精)糊精約占鋁粉總量的0.1％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂合金制品表面上，涂層厚度約為0.05mm；d、將帶有涂層的鎂合金制品放置在空氣中自然干燥，直至有機溶劑揮發(fā)掉；然后，e、將鎂合金制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度控制在480℃左右，加熱時間一般控制在6～15小時；在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散時，為了防止鎂的氧化，采取抽真空或氣體保護，抽真空時真空度約為-4.0～-5.5×104Pa，或用氬氣作為保護氣體，在爐內(nèi)加熱時送入爐內(nèi)；f、將鎂合金制品出爐，自然冷卻至室溫，制成表面有合金層的鎂合金制品。
實驗表明，按本發(fā)明的制備方法，制取的表面有合金層的鎂合金制品，在進行中性鹽霧腐蝕性試驗時，經(jīng)與AZ91鎂合金對比，其耐腐蝕性(出現(xiàn)明顯腐蝕坑時間)是ZM5鑄件的3.5倍，耐磨性(AZ91試樣與各合金化試樣的磨損體積之比)是AZ91鑄件的2.7倍。
a、對鎂合金制品進行表面處理(如拋砂、噴丸等)，去除表面污染物，再用酒精沖洗，然后在空氣中干燥；
b、選取粒度范圍為200～320目的鋅粉，使用聚乙烯醇縮丁醛(或糊精)作粘結(jié)劑，配制金屬涂敷材料；聚乙烯醇縮丁醛(或糊精)約占鋅粉總量的0.15％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂合金制品表面上，涂層厚度約為0.2mm；d、將帶有涂層的鎂合金制品放置在空氣中自然干燥，直至有機溶劑揮發(fā)掉；e、將鎂合金制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度控制在500℃左右，加熱時間一般控制在6～20小時；在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散時，為了防止鎂的氧化，可采取抽真空或氣體保護；抽真空時真空度約為-4.0～-5.5×104Pa，或用N2氣體作為保護氣體，在爐內(nèi)加熱時送入爐內(nèi)；f、將鎂合金制品出爐，自然冷卻至室溫，制成表面有合金層的鎂合金制品。
實驗表明，按本發(fā)明的制備方法，制取的表面有合金層的鎂合金制品，進行中性鹽霧腐蝕性試驗，經(jīng)與AZ91合金對比，其耐腐蝕性(出現(xiàn)明顯腐蝕坑時間)是AZ91零件3.2倍。耐磨性(AZ91試樣與各合金化試樣的磨損體積之比)是AZ91鑄件的1.5倍。
a、對鎂合金制品進行表面處理(如拋砂、噴丸等)，去除表面污染物，再用酒精沖洗，然后在空氣中干燥；b、選取粒度范圍為200～320目的硅粉，使用糊精(或聚乙烯醇縮丁醛)作粘結(jié)劑，配制金屬涂敷材料；糊精(或聚乙烯醇縮丁醛)約占硅粉總量的0.2％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂合金制品表面上，涂層厚度約為1.0mm；d、將帶有涂層的鎂合金制品放置在空氣中自然干燥，直至有機溶劑揮發(fā)掉；e、將鎂合金制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度控制在530℃左右，加熱時間一般控制在10～30小時；在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散時，為了防止鎂的氧化，可采取抽真空或氣體保護，抽真空時真空度約為-4.0～-5.5×104Pa，或用Ar氣作為保護氣體，在爐內(nèi)加熱時送入爐內(nèi)；f、將鎂合金制品出爐，自然冷卻至室溫，即制成表面有合金層的鎂合金制品。
實驗表明，按本發(fā)明的制備方法，制取的表面有合金層的鎂合金制品，進行中性鹽霧腐蝕性試驗，經(jīng)與AZ91合金對比，其耐腐蝕性(出現(xiàn)明顯腐蝕坑時間)是AZ91零件23.7倍。耐磨性(AZ91試樣與各合金化試樣的磨損體積之比)是AZ91鑄件的8.7倍。
實驗表明，按本發(fā)明的制備方法，制取的表面有合金層的鎂合金制品，進行中性鹽霧腐蝕性試驗，經(jīng)與AZ91合金對比，其耐腐蝕性(出現(xiàn)明顯腐蝕坑時間)是AZ91零件6.8倍。耐磨性(AZ91試樣與各合金化試樣的磨損體積之比)是AZ91鑄件的4.7倍。
參見

圖1。a、對鎂合金制品進行表面處理(如拋砂、噴丸等)，去除表面污染物，再用酒精沖洗，然后在空氣中干燥；b、選取粒度范圍為70～320目的鋁粉和鋅粉，鋁粉和鋅粉的混合比例為鋁粉∶鋅粉＝12～50∶50～88；使用糊精(或聚乙烯醇縮丁醛)作粘結(jié)劑，配制金屬涂敷材料；糊精(或聚乙烯醇縮丁醛)約占混合粉總量的0.05～0.4％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂合金制品表面上，涂層厚度約為2.0mm；d、將帶有涂層的鎂合金制品放置在空氣中自然干燥，直至有機溶劑揮發(fā)掉；e、將鎂合金制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度控制在500℃左右，加熱時間一般控制在10～30小時；在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散時，為了防止鎂的氧化，采取抽真空或氣體保護，抽真空時真空度約為-4.0～-5.5×104Pa，或用氬氣作為保護氣體，在爐內(nèi)加熱時送入爐內(nèi)；f、將鎂合金制品出爐，自然冷卻至室溫，制成表面有合金層的鎂合金制品。
實驗表明，按本發(fā)明的制備方法，制取的表面有合金層的鎂合金制品，進行中性鹽霧腐蝕性試驗，經(jīng)與AZ91合金對比，其耐腐蝕性(出現(xiàn)明顯腐蝕坑時間)是AZ91零件11.7倍。耐磨性(AZ91試樣與各合金化試樣的磨損體積之比)是AZ91鑄件的3.1倍。
e、將鎂制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度控制在550～600℃左右，加熱時間一般控制在6～42小時；在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散時，為了防止鎂的氧化，可采取兩種保護方式抽真空或氣體保護，抽真空時真空度約為-4.0～-5.5×104Pa，用氣體保護時，可選用的是氬氣或N2中的任何一種，在爐內(nèi)加熱時送入爐內(nèi)。
權利要求
1.一種爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散鎂或鎂合金制品表面合金化方法，其特征在于該方法依下列步驟進行a、對鎂制品進行表面處理，去除污染物，再用酒精沖洗，在空氣中干燥；b、用金屬粉和粘結(jié)劑配制金屬涂敷材料，粘結(jié)劑占金屬粉總量的0.05～0.4％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂制品表面上，涂層厚度為0.01～2mm；d、帶有涂層的鎂制品放置在空氣中自然干燥；然后，e、將鎂制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度一般控制在550～600℃；加熱時間一般控制在6～42小時；抽真空或用氣體保護，抽真空時真空度為-4.0～-5.5×104Pa；f、將鎂制品出爐，自然冷卻至室溫，即制成表面合金化的鎂制品。
2.根據(jù)權利要求1所述的鎂或鎂合金制品表面合金化方法，其特征在于該方法還可依下列步驟進行a、對鎂合金制品進行表面處理，去除污染物，再用酒精沖洗，然后在空氣中干燥；b、用金屬粉和粘結(jié)劑配制金屬涂敷材料，粘結(jié)劑占金屬粉總量的0.05～0.4％；c、將配制好的金屬涂敷材料均勻涂在鎂合金制品表面上，涂層厚度為0.01～2mm；d、帶有涂層的鎂合金制品放置在空氣中自然干燥；然后，e、將鎂合金制品放置在爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散，溫度一般控制在470～540℃；加熱時間一般控制在6～42小時；抽真空或用氣體保護，抽真空時真空度為-4.0～-5.5×104Pa；f、將鎂合金制品出爐，自然冷卻至室溫，即制成表面合金化的鎂合金制品。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的鎂或鎂合金制品表面合金化方法，其特征在于氣體保護時所用的氣體是氬氣或N2氣。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的鎂或鎂合金制品表面合金化方法，其特征在于該方法所選用的金屬粉，是指鋁粉、鋅粉、硅粉或鋁粉和鋅粉的混合粉。
5.根據(jù)權利要求4所述的鎂或鎂合金制品表面合金化方法，其特征在于鋁粉和鋅粉的混合比例為鋁粉∶鋅粉＝25～27∶73～75或者12～50∶50～88。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的鎂或鎂合金制品表面合金化方法，其特征在于配制的金屬涂敷材料中，所用金屬粉的粒度一般為70～400目，其最佳粒度范圍為200～320目。
7.根據(jù)權利要求1或4所述的鎂或鎂合金制品表面合金化方法，其特征在于所用的粘結(jié)劑是指低溫粘結(jié)劑，如聚乙烯醇縮丁醛、糊精。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種爐內(nèi)加熱固態(tài)擴散鎂或鎂合金制品表面合金化方法。該發(fā)明將不同的金屬粉(如鋁、硅、鋅等)配制后，用粘結(jié)劑涂于制品表面，進行感應加熱，在鎂或鎂合金制品表面形成合金改性層。優(yōu)點是本發(fā)明的改性合金層具有良好的抗蝕性和抗磨性及自生自醫(yī)功能，表面合金層不含有機物。改性合金層與鎂或鎂合金基底為冶金結(jié)合，不易產(chǎn)生表層開裂或剝落。工藝設計合理，參數(shù)易于控制，操作簡單，成品率高，無環(huán)境污染，可廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。
文檔編號C23C10/00GK1396298SQ0211465
公開日2003年2月12日 申請日期2002年7月1日 優(yōu)先權日2002年7月1日
發(fā)明者馬幼平 申請人:西安建筑科技大學