CN107841666A - 一种支架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种支架，属于合金材料技术领域。所述的支架由镁合金制成，且表面涂覆有厚度为10‑20μm的非晶金刚石涂层，所述的镁合金由如下质量百分比的组分组成Al6.5‑7.0％，Zn0.35‑0.4％，Mn0.15‑0.25％，Si0.08‑0.12％，Nd0.05‑0.15％，Ca0.08‑0.15％，La0.20％‑0.80％，余量为Mg。本发明将配伍合理的镁合金制成支架，并通过物理气相沉积法在产品表面形成非晶金刚石涂层，并在涂层表面喷涂凝胶，进一步提高支架的强度和耐腐蚀性。

Description

一种支架
技术领域
本发明涉及一种支架，属于合金材料技术领域。
背景技术
目前，随着人们对能源和环境的日益关注，有“绿色金属”之称的镁及镁合金正受到前所未有的关注，而由于其拥有高强度、高刚度、体轻、隔音减震等很多优点，已成为世界公认的取代铝的最佳材料，在航天、军工、汽车、通信、电子、医药等方面都有着极其广泛和重要的应用。受益于资源优势，我国镁金属方面在世界上具有举足轻重的地位。自1999年以来，我国金属镁产量保持10年位居世界第一的位置。
镁的合金也具有比强度高、加工性能好、能量衰减系数大等优点,但镁的电极电位很低(为-2.37V)，即使在大气环境中也会形成氧化膜,而这种氧化膜的PBR值小于1(为0.99)，恒温氧化动力学曲线呈线性关系，因此，镁的自然氧化膜疏松多孔易脱落，导致镁及其合金的耐蚀性很差，应用受到限制。国内外研究人员运用各种方法对其进行表面处理，以提高它的耐蚀性、耐磨性,现已取得很大进展。目前，镁及其合金材料已广泛应用于汽车、航空、军事等领域。分类论述镁及其合金材料表面处理方法的研究进展。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供高强度、耐腐蚀的支架。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种支架，所述的支架由镁合金制成，且表面涂覆有厚度为10-20μm的非晶金刚石涂层，所述的镁合金由如下质量百分比的组分组成：Al：6.5-7.0％，Zn：0.35％-0.4％，Mn：0.15-0.25％，Si：0.08-0.12％，Nd：0.05-0.15％，Ca：0.08％-0.15％，La：0.20％-0.80％，余量为Mg。
本发明在镁合金的基础上，加入适量的Nd以及稀土La，通过碱土元素Ca改善镁合金的高温性能，稀土元素加强固溶强化作用，并显著提高镁合金的耐腐蚀性能，以及这些成分之间的协同作用，得到具有良好的力学性能和耐腐蚀的镁合金，稀土元素La在镁中的固溶度大，可起到固溶强化、沉淀强化等作用，其在镁中的扩散系数小，通过减慢再结晶过程和提高再结晶温度，可以减小晶界和相界的扩散渗透性以及相界的聚集作用，而且稀土元素能与Mg、Al、Zn、Mn等形成高熔点、热稳定性好的金属间化合物以实现弥散强化作用，从而提高镁合金的耐热性、抗高温蠕变性等。经研究发现，镁合金高温蠕变的失效形式主要表现为沿晶断裂，在合金的晶界处，非连续沉淀相Mg12Al12与基体的结合较弱，容易产生裂纹，随着晶界的滑动，裂纹逐步扩展为空洞，并在温度和英语的共同作用下形成空洞，空洞通过位错滑移和晶界滑动，沿着垂直于应力方向的晶界扩展，进一步扩展接连而形成沿晶裂纹。本发明将配伍合理的镁合金制成支架，并在镁合金支架的表面涂覆非晶金刚石涂层进一步提高支架的强度和耐腐蚀性。
本发明的另一个目的还在于提供上述支架的加工方法，所述的加工方法包括如下步骤：
S1、球磨制粉：称取上述镁合金原料装入球磨机中在Ar气下进行球磨得粉末；
S2、冷轧制坯：将粉末在真空室温下压制成支架坯件；
S3、热处理：将坯件先在520-550℃下保温6-10h，随炉冷却，然后以1-2℃/s的速度升温至300-330℃，保温2-5h后空冷至室温，得支架半成品；
S4、沉积：利用物理气相沉积法在支架半成品表面形成非晶金刚石涂层；
S5、后处理：在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，得最终支架成品。
本发明采用的冷轧制坯，紧接着将坯件升至较高温度进行保温，可以通过瞬间的温差，不仅提高坯件的强度还可以大大缩短保温时间，冷却后再升温至较低温度即可获得性能较好的坯件。再者，本发明利用物理气相沉积法在产品表面形成非晶金刚石涂层，既具有一部分金刚石的SP3键，又具有一部分碳的SP2键，其成膜硬度很高，又兼具强耐蚀性，对于产品的表面防护有极大的帮助。最后本发明还在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，凝胶能完全填充到非晶金刚石薄膜的表面微中空内，同时填补其他细小缝隙并形成凝胶固体，隔绝金属与空气的接触，也能形成疏水层，避免水等液体与金属表面接触，进一步提高支架的强度和耐蚀性。
在上述支架的加工方法中，在球磨过程中还加入了无水乙醇。无水乙醇不能与Mg元素发生反应，且无水乙醇的后处理步骤简单，将无水乙醇加入到球磨机中，能防止Mg的氧化，并且防止金属元素粘附于球磨机上。
作为优选，所述无水乙醇的加入量为镁合金原料质量的0.8-1.5％。
作为优选，球磨时球磨机的转速为450-500r/min，球磨时间为5-8h。
在上述支架的加工方法中，所述物理气相沉积的气源为甲烷、乙烯、乙炔中的一种或多种。本发明采用物理气相沉积中的离子束沉积方法，将气源中的碳离子沉积到合金表面并积累形成薄膜，其薄膜与合金表面的结合力极强，不易脱落。
在上述支架的加工方法中，沉积过程中还外部施加微波。外加微波不仅能促进薄膜的沉积速度，同时使得薄膜表面形成微中空层，便于后续填充凝胶。
作为优选，前5-10min内施加的微波频率为1.0-1.2KHz，在后5-10min施加的微波频率为0.5-0.8KHz。本发明通过两个不同阶段施加不同的微波频率，进一步提高支架表面的非晶金刚石涂层的性能。先采用较高微波频率，使非晶金刚石涂层快速沉积在镁合金表面，接着用较低微波频率巩固非晶金刚石涂层与镁合金之间的应力。
在上述支架的加工方法中，所述凝胶包括如下组分：纳米氧化铝溶胶：3-10份、多面体低聚倍半硅氧烷10-20份、丙酮3-5份、聚乙烯醚3-10份、碳酸乙烯酯3-10份、钼酸钠3-8份。凝胶能完全填充到非晶金刚石薄膜的表面微中空内，同时填补其他细小缝隙并形成凝胶固体，隔绝金属与空气的接触，也能形成疏水层，避免水等液体与金属表面接触，进一步提高支架的强度和耐腐蚀性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明将配伍合理的镁合金制成支架，并在镁合金支架的表面涂覆非晶金刚石涂层进一步提高支架的强度和耐腐蚀性。
(2)利用物理气相沉积法在产品表面形成非晶金刚石涂层，其成膜硬度很高，又兼具强耐蚀性，对于产品的表面防护有极大的帮助。
(3)凝胶能完全填充到非晶金刚石薄膜的表面微中空内，同时填补其他细小缝隙并形成凝胶固体，隔绝金属与空气的接触，也能形成疏水层，避免水等液体与金属表面接触。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
球磨制粉：称取镁合金原料装入球磨机中在Ar气下加入占镁合金原料质量的1.2％的无水乙醇进行球磨，球磨机的转速为480r/min，球磨时间为6h，得粉末；镁合金由如下质量百分比的组分组成：Al：6.8％，Zn：0.38％，Mn：0.2％，Si：0.1％，Nd：0.1％，Ca：0.12％，La：0.50％，余量为Mg。
冷轧制坯：将粉末在真空室温下压制成支架坯件；
热处理：将坯件先在540℃下保温8h，随炉冷却，然后以1.5℃/s的速度升温至315℃，保温3h后空冷至室温，得支架半成品；
沉积：利用物理气相沉积法在甲烷的保护下在支架半成品表面形成非晶金刚石涂层；沉积过程中还外部施加微波，前8min内施加的微波频率为1.1KHz，在后7min施加的微波频率为0.6KHz。
后处理：在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，得最终支架成品。其中，凝胶包括如下组分：纳米氧化铝溶胶：7份、多面体低聚倍半硅氧烷15份、丙酮4份、聚乙烯醚6份、碳酸乙烯酯7份、钼酸钠5份。
实施例2
球磨制粉：称取镁合金原料装入球磨机中在Ar气下加入占镁合金原料质量的1.0％的无水乙醇进行球磨，球磨机的转速为460r/min，球磨时间为7h，得粉末；镁合金由如下质量百分比的组分组成：Al：6.9％，Zn：0.36％，Mn：0.22％，Si：0.09％，Nd：0.12％，Ca：0.1％，La：0.60％，余量为Mg。
冷轧制坯：将粉末在真空室温下压制成支架坯件；
热处理：将坯件先在530℃下保温8h，随炉冷却，然后以1.2℃/s的速度升温至310℃，保温4h后空冷至室温，得支架半成品；
沉积：利用物理气相沉积法在乙烯的保护下在支架半成品表面形成非晶金刚石涂层；沉积过程中还外部施加微波，前9min内施加的微波频率为1.1KHz，在后6min施加的微波频率为0.7KHz。
后处理：在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，得最终支架成品。其中，凝胶包括如下组分：纳米氧化铝溶胶：5份、多面体低聚倍半硅氧烷18份、丙酮4份、聚乙烯醚4份、碳酸乙烯酯9份、钼酸钠4份。
实施例3
球磨制粉：称取镁合金原料装入球磨机中在Ar气下加入占镁合金原料质量的1.4％的无水乙醇进行球磨，球磨机的转速为490r/min，球磨时间为6h，得粉末；镁合金由如下质量百分比的组分组成：Al：6.6％，Zn：0.38％，Mn：0.16％，Si：0.11％，Nd：0.08％，Ca：0.14％，La：0.40％，余量为Mg。
冷轧制坯：将粉末在真空室温下压制成支架坯件；
热处理：将坯件先在525℃下保温7h，随炉冷却，然后以1.8℃/s的速度升温至325℃，保温3h后空冷至室温，得支架半成品；
沉积：利用物理气相沉积法在甲烷的保护下在支架半成品表面形成非晶金刚石涂层；沉积过程中还外部施加微波，前5min内施加的微波频率为1.2KHz，在后10min施加的微波频率为0.8KHz。
后处理：在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，得最终支架成品。其中，凝胶包括如下组分：纳米氧化铝溶胶：8份、多面体低聚倍半硅氧烷12份、丙酮5份、聚乙烯醚9份、碳酸乙烯酯4份、钼酸钠7份。
实施例4
球磨制粉：称取镁合金原料装入球磨机中在Ar气下加入占镁合金原料质量的1.5％的无水乙醇进行球磨，球磨机的转速为450r/min，球磨时间为8h，得粉末；镁合金由如下质量百分比的组分组成：Al：6.5％，Zn：0.4％，Mn：0.15％，Si：0.12％，Nd：0.05％，Ca：0.15％，La：0.20％，余量为Mg。
冷轧制坯：将粉末在真空室温下压制成支架坯件；
热处理：将坯件先在520℃下保温10h，随炉冷却，然后以1℃/s的速度升温至300℃，保温5h后空冷至室温，得支架半成品；
沉积：利用物理气相沉积法在乙烯的保护下在支架半成品表面形成非晶金刚石涂层。
后处理：在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，得最终支架成品。其中，凝胶包括如下组分：纳米氧化铝溶胶：10份、多面体低聚倍半硅氧烷10份、丙酮5份、聚乙烯醚3份、碳酸乙烯酯10份、钼酸钠3份。
实施例5
球磨制粉：称取镁合金原料装入球磨机中在Ar气下加入占镁合金原料质量的0.8％的无水乙醇进行球磨，球磨机的转速为500r/min，球磨时间为5h，得粉末；镁合金由如下质量百分比的组分组成：Al：7.0％，Zn：0.35％，Mn：0.25％，Si：0.08％，Nd：0.15％，Ca：0.08％，La：0.80％，余量为Mg。
冷轧制坯：将粉末在真空室温下压制成支架坯件；
热处理：将坯件先在550℃下保温6h，随炉冷却，然后以2℃/s的速度升温至330℃，保温2h后空冷至室温，得支架半成品；
沉积：利用物理气相沉积法在甲烷的保护下在支架半成品表面形成非晶金刚石涂层。
后处理：在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，得最终支架成品。其中，凝胶包括如下组分：纳米氧化铝溶胶：3份、多面体低聚倍半硅氧烷20份、丙酮3份、聚乙烯醚10份、碳酸乙烯酯3份、钼酸钠8份。
对比例1
现有技术中普通市售的支架。
对比例2
与实施例5相比，区别仅在于：该对比例中的镁合金为普通镁合金，其他与实施例5相同，此处不再累述。
对比例3
与实施例5相比，区别仅在于：该对比例中的热处理先升温至500℃，保温15h冷却，然后再升温至380℃，其他与实施例5相同，此处不再累述。
对比例4
与实施例5相比，区别仅在于：该对比例的支架表面未涂覆非晶金刚石涂层，其他与实施例5相同，此处不再累述。
对比例5
与实施例5相比，区别仅在于：该对比例未在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，其他与实施例5相同，此处不再累述。
将实施例1-5及对比例1-5的中制得的支架进行测试，测试其强度、硬度、耐腐蚀性，结果如表1所示：
表1：实施例1-5及对比例1-5中产品的性能
综上所述，本发明将配伍合理的镁合金制成支架，并通过物理气相沉积法在产品表面形成非晶金刚石涂层，并在涂层表面喷涂凝胶，使凝胶完全填充到非晶金刚石薄膜的表面微中空内，同时填补其他细小缝隙并形成凝胶固体，隔绝金属与空气的接触，也能形成疏水层，避免水等液体与金属表面接触，进一步提高支架的强度和耐腐蚀性。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (9)

1.一种支架，其特征在于，所述的支架由镁合金制成，且表面涂覆有厚度为10-20μm的非晶金刚石涂层，所述的镁合金由如下质量百分比的组分组成：Al：6.5-7.0％，Zn：0.35-0.4％，Mn：0.15-0.25％，Si：0.08-0.12％，Nd：0.05-0.15％，Ca：0.08-0.15％，La：0.20-0.80％，余量为Mg。
2.一种如权利要求1所述支架的加工方法，其特征在于，所述的加工方法包括如下步骤：
S1、球磨制粉：称取镁合金原料装入球磨机中在Ar气下进行球磨得粉末；
S2、冷轧制坯：将粉末在真空室温下压制成支架坯件；
S3、热处理：将坯件先在520-550℃下保温6-10h，随炉冷却，然后以1-2℃/s的速度升温至300-330℃，保温2-5h后空冷至室温，得支架半成品；
S4、沉积：利用物理气相沉积法在支架半成品表面形成非晶金刚石涂层；
S5、后处理：在非晶金刚石涂层的表面喷涂凝胶，得最终支架成品。
3.根据权利要求2所述支架的加工方法，其特征在于，球磨过程中还加入了无水乙醇。
4.根据权利要求3所述支架的加工方法，其特征在于，所述无水乙醇的加入量为镁合金原料质量的0.8-1.5％。
5.根据权利要求2所述支架的加工方法，其特征在于，球磨时球磨机的转速为450-500r/min，球磨时间为5-8h。
6.根据权利要求2所述支架的加工方法，其特征在于，所述物理气相沉积的气源为甲烷、乙烯、乙炔中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述支架的加工方法，其特征在于，沉积过程中还外部施加微波。
8.根据权利要求7所述支架的加工方法，其特征在于，前5-10min内施加的微波频率为1.0-1.2KHz，在后5-10min施加的微波频率为0.5-0.8KHz。
9.根据权利要求2所述支架的加工方法，其特征在于，所述凝胶包括如下组分：纳米氧化铝溶胶：3-10份、多面体低聚倍半硅氧烷10-20份、丙酮3-5份、聚乙烯醚3-10份、碳酸乙烯酯3-10份、钼酸钠3-8份。
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