專利名稱：鎂合金表面SiC+Al堆焊方法
技術領域：
本發明涉及一種鎂合金表面重熔堆焊方法，具體是一種鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，用于焊接技術領域。
背景技術：
鎂及鎂合金的比重較輕，且鎂合金比強度和比剛度高、導熱導電性好、兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能，同時易于加工成型，廢料易回收，環境污染少，可代替航空、交通運輸等行業的鋼鐵和鋁合金結構件，從而減輕重量，提高能源利用效益。但鎂合金的硬度較低，耐磨性較差，化學性質活潑，不耐腐蝕，這也極大地限制了它的應用范圍。陶瓷材料可用來作為工件的表面涂層，以提高工件表面的硬度和耐磨性。目前，用于鎂合金表面涂層的方法有陽極氧化、氣相沉積、微弧氧化、離子注入、電子束熔覆和激光熔覆等。以上技術不同程度地改善鎂合金的硬度、耐磨性和耐蝕性，但由于改性層與鎂合金表面結合強度差或厚度薄，在隨后的使用過程造成剝落或磨損掉，使用中容易失去其保護作用。而且，上述方法的應用也受到一定條件的限制，如較低的沉積速率、需要真空密閉室以及對工件表面粗糙度的要求等。
經對現有技術的文獻檢索發現，韓夏云等人在《材料保護》2002年11月第35卷第11期31-33上發表的“鎂及鎂合金表面鍍鋅工藝”，該文中介紹了一種在鎂及鎂合金基體上電鍍鋅進行表面改性處理的方法，工藝流程為試樣→打磨→去氫→化學除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→浸鋅→水洗→電鍍鋅→水洗→鈍化→水洗→干燥。但是，鋅含量對鍍液性能和鍍層質量有重要影響，鋅偏高，電流效率提高，但分散能力和深鍍能力降低，復雜件的尖棱部位鍍層粗糙，容易出現陰陽面；鋅含量偏低，分散能力較好，但沉積速度慢。當鍍液中不含添加劑時，鍍出來的是黑色、疏松的海綿狀鍍層。因此，只有采用添加劑才可改善鍍層外觀和特性。而且，電流密度對鍍層的結合力影響較大，在較高的電流密度下，沉積速度很快，但結合力較差。在較低的電流密度下，沉積速度較慢，但結合力較好。此外，溫度對鍍層的影響也較大。當溫度低時，鍍液導電性能差，添加劑吸附強，脫附困難。此時若用高電流密度會造成邊棱部位燒焦，添加劑夾雜，鍍層脆性增大鼓泡；當溫度高時，添加劑吸附弱，極化降低，容易產生陰陽面。鍍鋅層的硬度約為80HV，與鎂合金基體相比，硬度提高不明顯，對于一般的結構材料來說硬度仍達不到要求。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，通過在鎂合金表面涂敷一定厚度的SiC+Al混合粉料，然后進行惰性氣體保護鎢極電弧堆焊重熔，使SiC顆粒嵌入鎂合金基體表面，而Al作為合金元素，能夠有效地增強鎂合金的耐腐蝕性能，從而增加鎂合金表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。使用本發明能有效地將上述三重功效(提高表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性)結合，而且所需設備簡單，易于全方位操作，大大降低了生產成本，簡化了加工工藝，降低了勞動強度，提高了生產效率。
本發明是通過以下技術方案實現的，方法步驟如下(1)將鎂合金工件表面用砂紙打磨，去除氧化物，再用酒精沖洗，在空氣中干燥。
(2)根據實際需要，將SiC和Al粉料按不同顆粒度和不同體積比SiC/Al混合后加入粘結劑，攪拌均勻，制成涂敷材料。
(3)將配制好的涂敷材料均勻地涂在鎂合金工件表面，然后將具有涂層的鎂合金工件放置在空氣中自然干燥或放在100-150℃的熱處理爐中烘干。
(4)對具有涂層的鎂合金工件表面進行惰性氣體保護鎢極電弧堆焊重熔處理，根據工件的不同厚度和實際中對堆焊熔深不同的要求以及不同的涂層厚度，調節焊接電流，焊接速度和焊槍角度(焊槍與焊縫所在平面的夾角)，選擇保護氣體和保護氣流量，選用鎢極直徑。
所述的涂敷材料，是由SiC和Al組成的混合粉料，其中，SiC和Al的混合體積比例為SiC∶Al在1∶5-1∶2之間。本發明配制的涂敷材料中，所用SiC和Al的顆粒度一般控制在7μm-100μm。所用的粘結劑是指低溫粘結劑，如聚乙烯醇縮丁醛等等，涂敷材料的涂層厚度在0.1-1.0mm之間。
對涂有涂敷材料的鎂合金工件表面進行堆焊重熔處理，根據工件的不同厚度和實際中對堆焊熔深不同的要求，焊接電流范圍控制在60-200A，焊槍角度(焊槍與焊縫所在平面的夾角)范圍控制在50-90°之間，焊接速度控制在5-15mm/s，鎢極直徑在F1.6-2.2mm之間，保護氣流量為5-15L/min，熔深層厚度為0.5-2mm。采用脈沖氬弧焊機作為焊接電源，所使用的焊接電流為交流，而且焊接方法為自動和手工兩用。
所述的保護氣體采用惰性氣體，是氬氣、氦氣或者氬氣和氦氣的混合氣體。
本發明充分考慮鋁和碳化硅與基體金屬之間相互作用的特性，如可溶解性、形成化合物的可能性、潤濕性等；考慮在堆焊重熔區形成的物相對硬度、耐磨性、耐蝕性等的影響；考慮表面合金層與基體間冶金結合的牢固性，以及合金層的脆性、抗壓、抗彎曲等性能。遵循上述原則制定堆焊重熔工藝包括涂敷材料成分的選配、涂敷材料添加方式的制定、堆焊重熔焊接工藝參數確定等，最終達到控制鎂合金表面合金化質量，改善了鎂合金零件表層力學和化學性能，實現了本發明的技術目的。
本發明具有以下優點1)制備的堆焊重熔表面改性合金層具有良好的硬度、耐磨性、耐蝕性，改性合金層與鎂合金基體之間為緊密的冶金結合，不易產生表層開裂或剝落的現象。2)采用脈沖氬弧焊機作為焊接電源，使用焊接電流為交流，即可以采用手工操作，又可以實現自動化操作。3)工藝設計合理，焊接工藝參數易于控制，操作簡單，不受空間范圍限制，可實現全方位堆焊重熔，可廣泛應用于工業生產中。4)可根據實際需要來配制不同比例的涂敷材料和不同厚度的涂層、調節焊接電流、焊接速度和焊槍角度(焊槍與焊縫所在平面的夾角)來控制堆焊重熔合金層的厚度，以滿足不同的工藝要求。
圖1是本發明方法原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖以及本發明方法內容提供以下實施例，實施例采用的裝置主要包括鎢極氬弧焊槍1，熔池2，涂敷材料3，熔深層厚度4，焊接熱影響區5，鎂合金工件6，銅墊板7。
將鎂合金工件6表面用砂紙打磨，去除氧化物，再用酒精沖洗，在空氣中干燥。根據實際工作對堆焊重熔合金層中SiC和Al的含量和顆粒度的需要，將SiC和Al顆粒按不同顆粒度(7μm-100μm)和不同體積比SiC/Al(1/5-1/2)混合后加入粘接劑，攪拌均勻，制成涂敷材料。將配制好的涂敷材料3均勻地涂在鎂合金工件表面，涂層厚度在0.1-1.0mm之間。然后將具有涂敷材料3的鎂合金工件6放置在空氣中自然干燥或放在100-150℃的熱處理爐中烘干。將具有涂敷材料3的鎂合金工件6固定在銅墊板7上，銅墊板7對鎂合金工件6起到散熱作用。根據鎂合金工件6的不同厚度和實際中對堆焊熔深層厚度4的不同要求以及不同的涂敷材料3涂層厚度，調整合適的鎢極氬弧焊槍角度(鎢極氬弧焊槍6與焊縫所在平面之間的夾角)和焊槍鎢極與鎂合金工件6之間的距離，確定焊接速度、焊接電流和保護氣流量等焊接工藝參數。焊接電流范圍控制在60-200A，焊槍角度(焊槍與焊縫所在平面的夾角)范圍在50-90°之間，保護氣流量控制在5-15L/min，焊槍鎢極與鎂合金工件6之間的距離在0.5-3mm之間。全部參數調整確定后，進行焊接操作。首先鎢極氬弧焊槍1在鎂合金工件6端部引弧施焊，當鎢極氬弧焊槍1到達鎂合金工件6的末端時，鎢極氬弧焊槍1息弧，焊槍抬起，完成焊接過程。
實施例1選用厚度為3.6mm變形鎂合金AZ31B板材(試樣尺寸為200×100×3.6mm，)，選用鋁粉和碳化硅粉的顆粒度均為7μm，碳化硅粉和鋁粉的混合體積比例為碳化硅粉∶鋁粉＝1∶5，所用的粘結劑為聚乙烯醇縮丁醛。將碳化硅粉和鋁粉充分混合，加入粘結劑攪拌均勻，將涂敷材料均勻地涂于已經清除氧化膜等雜質的潔凈的鎂合金工件表面，涂層厚度為0.1mm。鎢極氬弧焊焊接電流為60A(交流)，焊槍鎢極直徑均為F1.6mm，焊接速度為5mm/s，焊槍氬氣流量為5L/min，焊槍角度(焊槍與焊縫所在平面之間的夾角)為50°，采用氬氣作為保護氣體。對堆焊-重熔處理后的鎂合金表面分析表明，熔深層厚度為0.5mm，SiC顆粒均勻地嵌入鎂合金基體表面，顯微硬度為120VHN。在耐磨性能試驗機上進行表面耐磨性試驗。采用淬火鋼盤片，3kg壓力，轉速為300轉/分鐘，用時6000s，合金層磨損10μm。將堆焊-重熔處理后的鎂合金表面浸入5％(質量百分比)的NaCl溶液中，25℃恒溫條件下，保持30min后取出稱重，質量損失率為10mg/cm2。
實施例2選用厚度為8mm鑄造鎂合金AZ91B板材(試樣尺寸為200×100×8mm)，選用鋁粉和碳化硅粉的顆粒度均為50μm，碳化硅粉和鋁粉的混合體積比例為碳化硅粉∶鋁粉＝1∶3.5，所用的粘結劑為聚乙烯醇縮丁醛。將碳化硅粉和鋁粉充分混合，加入粘結劑攪拌均勻，將涂敷材料均勻地涂于已經清除氧化膜等雜質的潔凈的鎂合金工件表面，涂層厚度為0.5mm。鎢極氬弧焊焊接電流為130A(交流)，焊槍鎢極直徑均為F2.0mm，焊接速度為10mm/s，焊槍氬氣流量為10L/min，焊槍角度(焊槍與焊縫所在平面之間的夾角)為70°，采用氬氣作為保護氣體。對堆焊-重熔處理后的鎂合金表面分析表明，熔深層厚度為1.3mm，SiC顆粒均勻地嵌入鎂合金基體表面，顯微硬度為160VHN。在耐磨性能試驗機上進行表面耐磨性試驗。采用淬火鋼盤片，3kg壓力，轉速為300轉/分鐘，用時6000s，合金層磨損8μm。將堆焊-重熔處理后的鎂合金表面浸入5％(質量百分比)的NaCl溶液中，25℃恒溫條件下，保持30min后取出稱重，質量損失率為12mg/cm2。
實施例3選用厚度為10mm鑄造鎂合金AM60板材(試樣尺寸為200×100×10mm)，選用鋁粉和碳化硅粉的顆粒度均為100μm，碳化硅粉和鋁粉的混合體積比例為碳化硅粉∶鋁粉＝1∶2，所用的粘結劑為聚乙烯醇縮丁醛。將碳化硅粉和鋁粉充分混合，加入粘結劑攪拌均勻，將涂敷材料均勻地涂于已經清除氧化膜等雜質的潔凈的鎂合金工件表面，涂層厚度為1.0mm。鎢極氬弧焊焊接電流為200A(交流)，焊槍鎢極直徑均為F2.2mm，焊接速度為15mm/s，焊槍氬氣流量為15L/min，焊槍角度(焊槍與焊縫所在平面之間的夾角)為90°，采用氬氣作為保護氣體。對堆焊-重熔處理后的鎂合金表面分析表明，熔深層厚度為2.0mm，SiC顆粒均勻地嵌入鎂合金基體表面，顯微硬度為200VHN。在耐磨性能試驗機上進行表面耐磨性試驗。采用淬火鋼盤片，3kg壓力，轉速為300轉/分鐘，用時6000s，合金層磨損6μm。將堆焊重熔處理后的鎂合金表面浸入5％(質量百分比)的NaCl溶液中，25℃恒溫條件下，保持30min后取出稱重，質量損失率為14mg/cm2。
權利要求
1.一種鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征在于，方法步驟如下(1)將鎂合金工件表面用砂紙打磨，去除氧化物，再用酒精沖洗，在空氣中干燥；(2)將SiC和Al粉料按顆粒度和體積比SiC/Al混合后加入粘結劑，攪拌均勻，制成涂敷材料；(3)將配制好的涂敷材料均勻地涂在鎂合金工件表面，然后將具有涂層的鎂合金工件烘干；(4)對具有涂層的鎂合金工件表面進行惰性氣體保護鎢極電弧堆焊重熔處理，根據工件厚度和對堆焊熔深的要求以及涂層厚度，調節焊接電流，焊接速度和焊槍角度，選擇保護氣體和保護氣流量，選用鎢極直徑。
2.根據要求1所述的鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的涂敷材料，是由SiC和Al組成的混合粉料，其中，SiC和Al的混合體積比例為SiC∶Al在1∶5-1∶2之間，所用SiC和Al的顆粒度控制在7μm-100μm，涂敷材料的涂層厚度在0.1-1.0mm之間。
3.根據要求1所述的鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所用的粘結劑是指低溫粘結劑。
4.根據要求1所述的鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的焊接電流范圍控制在60-200A，焊槍角度范圍控制在50-90°之間，焊接速度控制在5-15mm/s，鎢極直徑在F1.6-2.2mm之間，保護氣流量為5-15L/min，熔深層厚度為0.5-2mm。
5.根據要求1或4所述的鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，采用脈沖氬弧焊機作為焊接電源，焊接電流為交流，焊接方法為自動和手工兩用。
6.根據要求1所述的鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的保護氣體采用惰性氣體，是氬氣、氦氣或者氬氣和氦氣的混合氣體。
7.根據要求1所述的鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的將具有涂層的鎂合金工件烘干，是通過放置在空氣中自然干燥或放在100-150℃的熱處理爐中烘干。
全文摘要
一種鎂合金表面SiC+Al堆焊方法，用于焊接技術領域。方法步驟如下將鎂合金工件表面用砂紙打磨，去除氧化物，再用酒精沖洗，在空氣中干燥；將SiC和Al粉料按顆粒度和體積比SiC/Al混合后加入粘結劑，攪拌均勻，制成涂敷材料；將配制好的涂敷材料均勻地涂在鎂合金工件表面，然后將具有涂層的鎂合金工件烘干；對具有涂層的鎂合金工件表面進行惰性氣體保護鎢極電弧堆焊重熔處理，調節焊接電流，焊接速度和焊槍角度，選擇保護氣體和保護氣流量，選用鎢極直徑。本發明能有效地將提高表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性結合，而且所需設備簡單，易于全方位操作，大大降低了生產成本，簡化了加工工藝，降低了勞動強度，提高了生產效率。
文檔編號B23K9/16GK1618561SQ20041008927
公開日2005年5月25日 申請日期2004年12月9日 優先權日2004年12月9日
發明者丁文斌, 蔣海燕, 姚壽山, 曾小勤, 丁文江, 吳國松 申請人:上海交通大學