CN105215538A - 一种表面处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面处理工艺，通过搅拌针的高速旋转改善工件的微观组织，提高工件的性能，加工的对象是镁合金、铝合金和铜合金，包括：除油——水洗——除锈——超声波清洗——前期热处理——搅拌摩擦加工——去除氧化膜——丙酮超声波清洗——水洗——烘干。搅拌摩擦工艺参数包括接头形状为锥形，搅拌针直径为5-10mm，轴肩为15-25mm，夹具旋转速率为700-2500r/min，焊接速度为30-120mm/min，下压量为0.5mm-3mm。该发明可经过一次或多次搅拌摩擦加工，提高材料的硬度和延伸率，并且该工艺绿色环保，便于大规模生产，满足不同材料的加工需求。

Description

一种表面处理工艺

技术领域

本发明涉及一种表面处理工艺。

背景技术

镁是地球上第八种最富有的元素，其重量约占地壳的2.35％，海洋的0.13％。中国是全球范围内镁资源最富有的国家之一，菱镁矿总储量达27亿吨，白云石矿40多亿吨，有着极为显著的发展镁合金产业的优势。纯镁的密度为1.738Mg/m3，以其为基的镁合金具有一系列优良性能：

1.密度低，且比强度、比刚度高。密度约为铝的2/3，钢的1/4，是实际应用中最轻的金属材料，可用于汽车和便携式产品的零部件。镁合金的强度接近于铝合金，但镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则接近铝合金。

2.收缩率均匀一致，具有良好的蠕变强度，不需退火和消除应力就具有良好的尺寸稳定性。

3.良好的散热性。镁合金的导热性比塑料要好的多，镁合金作为电子产品壳体可以把内部电子器件产生的热量很快地导出，避免电子器件因高温而发生故障，这是工程塑料无法比拟的。

4.吸震性好，有利于减震和降低噪音。镁合金在受外力时容易产生大的变形使受力构件的应力分布更均匀。在弹性范围内，当受冲击载荷时，镁合金所能吸收的能量比铝吸收的大一半。这个特性与其弹性模量较低有关，因为弹性变形功与弹性模量成反比。

5.相变收缩率约为铝合金的1/3，缩孔倾向小。比熟和结晶潜热小，所以流动性好、凝固快。镁合金的冲型流动速度约为铝合金的1.25倍，用于压铸生产时生产率比铝合金提高40％一50％。

6.具有较大的铸造适应性，除砂型铸造外，还可金属型铸造、压力铸造、壳型铸造、石膏型铸造、低压铸造等几乎所有特种铸造工艺。

7.无磁性，可用于电磁屏蔽。

8.可回收利用。

9.具有良好的切削加工性能。

镁合金具有的一系列优越的性能，使其在手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、飞机、汽车、摩托车、自行车、军工产品、纺织、印刷、冶金化工和防腐等行业均获得了应用。现就电子、汽车、自行车和生物医学四个主要应用行业作一简单介绍。

汽车行业

为减轻汽车重量以降低油耗，以及“环保型汽车”对材料可回收性的要求，镁合金在汽车工业中的应用日益广泛。目前汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。国外从1991年至2000年十年间轿车用镁合金量增加了4倍，使用镁合金零部件已超过60种，各个厂家各种车型使用量各不相同，综合起来包括车内构件、车体构件、传动***以及底盘的多种零部件。美国福特、通用、克莱斯勒3家公司在每辆汽车上采用的镁合金铸件分别达到30个，45个和20个。瑞典最新推出的沃尔沃CP2000车型全重700kg，所用镁合金件达50kg，包括轮毅、离合器箱、转向齿轮箱、后悬臂、发动机架、进气歧管、气缸体等重要部件。我国汽车厂使用镁合金件还刚刚开始，目前一汽、东风和上海大众等厂家已在使用，上海桑塔纳轿车的变速箱壳体、壳盖和离合器外壳等使用镁合金量约8.5kg。总的来说我国镁合金的使用情况还远远落后于发达国家，这方面的市场潜力还很大。

自行车行业

自行车是人力驱动的工具，减轻质量可以方便使用。自行车生产商一直积极探索并不断使用新材料和新技术，生产公众需要的更轻便的车架。作为自行车架，镁合金具有密度小、含量丰富、可加工性好、减振性能优异(单位减振性能比硬铝高100倍、比合金钢高20倍，比钛合金高300-500倍)等优点。另外，镁合金制品具有较高的抗侧向冲击与负载能力。中国台湾自行车工业研究发展中心联合多家自行车厂，已经开发完成镁合金自行车，每年生产镁合金自行车10万辆，三年内达到300万辆，每辆售价为450美元，销往欧美市场。我国大陆近年来也在开发镁合金自行车，由北京首钢集团特钢公司与保定远东集团组建成的北京首特钢远东镁合金制品公司，已开发出“远东美”镁合金自行车，车架由镁合金压铸而成，其余部件为铝台金，整车质量约8kg.10kg，现已上市。

通讯电子行业

镁合金现今在便携式电脑、摄录像器材和通讯器材上有着广泛的应用。据资料显示，镁合金应用在笔记本电脑机壳的比例由1996年的1.3％，增加到2000年的14.5％，但根据台湾厂商所估计的应用比例其实己到达30％；1998年以后日本所有的笔记本电脑厂商均推出了镁合金外壳的机型，目前38cm以下的机种已经全面使用镁合金作为外壳；中国的联想、华硕等笔记本电脑也于1999年起部分采用了镁合金外壳。另外，镁合金在手机、相机以及电视机外壳上的用量也在迅猛增长。

生物医用材料

镁合金作为硬组织植入材料，具有一系列突出的优点，如：密度小(约为1.79/cm3，接近人骨的密质骨密度)、比强度和比刚度高、加工性能好、弹性模量较低(和人体匹配，能有效缓解应力遮挡效应)等。另外，镁合金还参与人体内一系列新陈代谢过程，包括骨细胞的形成，加速骨愈合能力。

搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding，FSW)是英国焊接研究所(TWI)提出的一项专利焊接技术，其焊接接头组织不会产生与融化和凝固过程有关的焊接缺陷，如裂纹、气孔、偏析和夹杂等：焊接时问短，热影响区窄，组织无明显粗化；无须添加填充金属和惰性气体保护，简化了工艺；加热温度低，焊接变形和残余应力小；焊接表面及其附近区域存在力的作用，产生了一些力学冶金效应，如细化晶粒、组织致密、夹杂相弥散分布等。因此，搅拌摩擦焊接技术具有焊接质量高，适用材料广，节能节材低污染等显著优点。在此基础上，Mishra等人发明了一种新的固态加工技术——搅拌摩擦加工技术(Frictionstirprocessing，FSP)。该技术原理比较简单。摩擦头(为轴肩和搅拌针两部分组成)在轴向压力的作用下与工件紧密接触，通过摩擦产生热量使金属发生软化，在搅拌针机械搅拌的作用下金属发生流动，同时摩擦头沿着一定的方向运动，完成整个工艺过程。FSP加工后工件的组织可分为4部分：

1.搅拌摩擦区(Frictionstirzone，FSZ)，该区受到搅拌针的直接作用，热影响和塑性变形最为激烈，在热机械作用下全部发生动态再结晶，晶粒最为细小，组织最为均匀：

2.热机械影响区(Thermalmechanicalaffectedzone，TMAZ)，该区域材料已经产生了剧烈的塑性变形，但是由于离搅拌针中心距离相对较远，热影响和塑性变形程度不如搅拌摩擦区剧烈，有时候镁合金搅拌摩擦区和热机械影响区的边界很不明显；

3.热影响区(Heataffectedzone，HAZ)，仅受到了热循环的影响；

4.基体；

由于最接近轴肩的区域，组织结构通常有较大的变化，也可以将其细分为轴肩下压区，该区紧靠轴肩，承受最大的热机械作用，发生了最彻底的动态再结晶，晶粒组织最为细小。还定义前进面、前进侧(Advancingside)为搅拌头旋转速度和焊接速度方向相同的一侧；回撤面、后退侧(Retreatingside)为搅拌头旋转速度和焊接速度方向相反的一侧。

从实质上说，搅拌摩擦加工技术与热挤压、等通道转角挤压(EqualChannelAngularExtrusion，ECAE)等材料制备技术一样，也是一种热机械处理技术(ThermalMechanicalProcessing)，是通过搅拌摩擦产生的热和塑性变形来细化晶粒，均匀化微观组织，从而大幅提高镁合金机械性能和延展性，甚至于取得超塑性。与其它固态加工技术相比，搅拌摩擦加工因不加热工件(镁合金易氧化燃烧)，不受工件形状和加工环境的限制而具有独特的优势。

发明内容

本发明的目的在于提出一种表面处理工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种表面处理工艺，通过搅拌针的高速旋转改善工件的微观组织，提高工件的性能，加工的对象是镁合金、铝合金和铜合金，包括：除油——水洗——除锈——超声波清洗——前期热处理——搅拌摩擦加工——去除氧化膜——丙酮超声波清洗——水洗——烘干。搅拌摩擦工艺参数包括接头形状为锥形，搅拌针直径为5——10mm，轴肩为15——25mm，夹具旋转速率为700——2500r/min，焊接速度为30——120mm/min，下压量为0.5mm——3mm。

具体实施方式

实施例1

一种表面处理工艺，通过搅拌针的高速旋转改善工件的微观组织，提高工件的性能，加工的对象是镁合金，板材尺寸300mm×400mm×5mm，包括：铸造成型——除油——水洗——除锈——超声波清洗——前期热处理——搅拌摩擦加工——去除氧化膜——丙酮超声波清洗——水洗——烘干。搅拌摩擦工艺参数包括接头形状为锥形，搅拌针直径为5mm，轴肩为15mm，夹具旋转速率为700r/min，焊接速度为30/min，下压量为板材的厚度，经过该工艺处理后，镁合金的抗拉强度和屈服强度明显提升。

实施例2

一种表面处理工艺，通过搅拌针的高速旋转改善工件的微观组织，提高工件的性能，加工的对象是铜合金，板材尺寸50mm×450mm×5mm，包括：铸造成型——除油——水洗——除锈——超声波清洗——前期热处理——两次搅拌摩擦加工——去除氧化膜——丙酮超声波清洗——水洗——烘干。搅拌摩擦工艺参数包括接头形状为锥形，搅拌针直径为5mm，轴肩为15mm，夹具旋转速率为700r/min，焊接速度为30/min，下压量为板材的厚度，经过该工艺处理后，铜合金的硬度和延伸率比原材料有较大幅度提升。

Claims (2)

1.一种表面处理工艺，其特征在于通过搅拌针的高速旋转改善工件的微观组织，提高工件的性能，加工的对象是镁合金、铝合金和铜合金，包括：除油——水洗——除锈——超声波清洗——前期热处理——搅拌摩擦加工——去除氧化膜——丙酮超声波清洗——水洗——烘干。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的搅拌摩擦工艺参数包括接头形状为锥形，搅拌针直径为5——10mm，轴肩为15——25mm，夹具旋转速率为700——2500r/min，焊接速度为30——120mm/min，下压量为板材的厚度。