一種表面處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種表面處理工藝。
【背景技術】
[0002]鎂是地球上第八種最富有的元素，其重量約占地殼的2.35%，海洋的0.13%。中國是全球范圍內鎂資源最富有的國家之一，菱鎂礦總儲量達27億噸，白云石礦40多億噸，有著極為顯著的發展鎂合金產業的優勢。純鎂的密度為1.738Mg/m3，以其為基的鎂合金具有一系列優良性能:
[0003]1.密度低，且比強度、比剛度高。密度約為鋁的2/3，鋼的1/4，是實際應用中最輕的金屬材料，可用于汽車和便攜式產品的零部件。鎂合金的強度接近于鋁合金，但鎂合金的比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度則接近鋁合金。
[0004]2.收縮率均勻一致，具有良好的蠕變強度，不需退火和消除應力就具有良好的尺寸穩定性。
[0005]3.良好的散熱性。鎂合金的導熱性比塑料要好的多，鎂合金作為電子產品殼體可以把內部電子器件產生的熱量很快地導出，避免電子器件因高溫而發生故障，這是工程塑料無法比擬的。
[0006]4.吸震性好，有利于減震和降低噪音。鎂合金在受外力時容易產生大的變形使受力構件的應力分布更均勻。在彈性范圍內，當受沖擊載荷時，鎂合金所能吸收的能量比鋁吸收的大一半。這個特性與其彈性模量較低有關，因為彈性變形功與彈性模量成反比。
[0007]5.相變收縮率約為鋁合金的1/3，縮孔傾向小。比熟和結晶潛熱小，所以流動性好、凝固快。鎂合金的沖型流動速度約為鋁合金的1.25倍，用于壓鑄生產時生產率比鋁合金提高40% — 50%。
[0008]6.具有較大的鑄造適應性，除砂型鑄造外，還可金屬型鑄造、壓力鑄造、殼型鑄造、石膏型鑄造、低壓鑄造等幾乎所有特種鑄造工藝。
[0009]7.無磁性，可用于電磁屏蔽。
[0010]8.可回收利用。
[0011]9.具有良好的切削加工性能。
[0012]鎂合金具有的一系列優越的性能，使其在手機、筆記本電腦、數碼相機、攝像機、飛機、汽車、摩托車、自行車、軍工產品、紡織、印刷、冶金化工和防腐等行業均獲得了應用。現就電子、汽車、自行車和生物醫學四個主要應用行業作一簡單介紹。
[0013]汽車行業
[0014]為減輕汽車重量以降低油耗，以及“環保型汽車”對材料可回收性的要求，鎂合金在汽車工業中的應用日益廣泛。目前汽車工業中鎂合金用量較多的地區和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。國外從1991年至2000年十年間轎車用鎂合金量增加了 4倍，使用鎂合金零部件已超過60種，各個廠家各種車型使用量各不相同，綜合起來包括車內構件、車體構件、傳動系統以及底盤的多種零部件。美國福特、通用、克萊斯勒3家公司在每輛汽車上采用的鎂合金鑄件分別達到30個，45個和20個。瑞典最新推出的沃爾沃CP2000車型全重700kg，所用鎂合金件達50kg，包括輪毅、離合器箱、轉向齒輪箱、后懸臂、發動機架、進氣歧管、氣缸體等重要部件。我國汽車廠使用鎂合金件還剛剛開始，目前一汽、東風和上海大眾等廠家已在使用，上海桑塔納轎車的變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼等使用鎂合金量約8.5kg。總的來說我國鎂合金的使用情況還遠遠落后于發達國家，這方面的市場潛力還很大。
[0015]自行車行業
[0016]自行車是人力驅動的工具，減輕質量可以方便使用。自行車生產商一直積極探索并不斷使用新材料和新技術，生產公眾需要的更輕便的車架。作為自行車架，鎂合金具有密度小、含量豐富、可加工性好、減振性能優異(單位減振性能比硬鋁高100倍、比合金鋼高20倍，比鈦合金高300-500倍)等優點。另外，鎂合金制品具有較高的抗側向沖擊與負載能力。中國臺灣自行車工業研究發展中心聯合多家自行車廠，已經開發完成鎂合金自行車，每年生產鎂合金自行車10萬輛，三年內達到300萬輛，每輛售價為450美元，銷往歐美市場。我國大陸近年來也在開發鎂合金自行車，由北京首鋼集團特鋼公司與保定遠東集團組建成的北京首特鋼遠東鎂合金制品公司，已開發出“遠東美”鎂合金自行車，車架由鎂合金壓鑄而成，其余部件為鋁臺金，整車質量約8kg.10kg，現已上市。
[0017]通訊電子行業
[0018]鎂合金現今在便攜式電腦、攝錄像器材和通訊器材上有著廣泛的應用。據資料顯示，鎂合金應用在筆記本電腦機殼的比例由1996年的1.3%，增加到2000年的14.5%，但根據臺灣廠商所估計的應用比例其實己到達30%;1998年以后日本所有的筆記本電腦廠商均推出了鎂合金外殼的機型，目前38cm以下的機種已經全面使用鎂合金作為外殼；中國的聯想、華碩等筆記本電腦也于1999年起部分采用了鎂合金外殼。另外，鎂合金在手機、相機以及電視機外殼上的用量也在迅猛增長。
[0019]生物醫用材料
[0020]鎂合金作為硬組織植入材料，具有一系列突出的優點，如:密度小(約為1.79/cm3，接近人骨的密質骨密度)、比強度和比剛度高、加工性能好、彈性模量較低(和人體匹配，能有效緩解應力遮擋效應)等。另外，鎂合金還參與人體內一系列新陳代謝過程，包括骨細胞的形成，加速骨愈合能力。
[0021]攪拌摩擦焊(Frict1n stir welding，FSff)是英國焊接研究所(TWI)提出的一項專利焊接技術，其焊接接頭組織不會產生與融化和凝固過程有關的焊接缺陷，如裂紋、氣孔、偏析和夾雜等:焊接時問短，熱影響區窄，組織無明顯粗化；無須添加填充金屬和惰性氣體保護，簡化了工藝；加熱溫度低，焊接變形和殘余應力小；焊接表面及其附近區域存在力的作用，產生了一些力學冶金效應，如細化晶粒、組織致密、夾雜相彌散分布等。因此，攪拌摩擦焊接技術具有焊接質量高，適用材料廣，節能節材低污染等顯著優點。在此基礎上，Mishra等人發明了一種新的固態加工技術--攪拌摩擦加工技術(Frict1n stir
processing，FSP)。該技術原理比較簡單。摩擦頭(為軸肩和攪拌針兩部分組成)在軸向壓力的作用下與工件緊密接觸，通過摩擦產生熱量使金屬發生軟化，在攪拌針機械攪拌的作用下金屬發生流動，同時摩擦頭沿著一定的方向運動，完成整個工藝過程。FSP加工后工件的組織可分為4部分:
[0022]1.攪拌摩擦區(Frict1n stir zone，FSZ)，該區受到攪拌針的直接作用，熱影響和塑性變形最為激烈，在熱機械作用下全部發生動態再結晶，晶粒最為細小，組織最為均勻:
[0023]2.熱機械影響區(Thermal mechanical affected zone，TMAZ)，該區域材料已經產生了劇烈的塑性變形，但是由于離攪拌針中心距離相對較遠，熱影響和塑性變形程度不如攪拌摩擦區劇烈，有時候鎂合金攪拌摩擦區和熱機械影響區的邊界很不明顯；
[0024]3.熱影響區(Heat affected zone，HAZ)，僅受到了熱循環的影響；
[0025]4.基體；
[0026]由于最接近軸肩的區域，組織結構通常有較大的變化，也可以將其細分為軸肩下壓區，該區緊靠軸肩，承受最大的熱機械作用，發生了最徹底的動態再結晶，晶粒組織最為細小。還定義前進面、前進側(Advancing side)為攪拌頭旋轉速度和焊接速度方向相同的一側；回撤面、后退側(Retreating side)為攪拌頭旋轉速度和焊接速度方向相反的一側。
[0027]從實質上說，攪拌摩擦加工技術與熱擠壓、等通道轉角擠壓(Equal ChannelAngular Extrus1n, ECAE)等材料制備技術一樣，也是一種熱機械處理技術(ThermalMechanical Processing)，是通過攪拌摩擦產生的熱和塑性變形來細化晶粒，均勾化微觀組織，從而大幅提高鎂合金機械性能和延展性，甚至于取得超塑性。與其它固態加工技術相比，攪拌摩擦加工因不加熱工件(鎂合金易氧化燃燒)，不受工件形狀和加工環境的限制而具有獨特的優勢。
【發明內容】
[0028]本發明的目的在于提出一種表面處理工藝。
[0029]為達此目的，本發明采用以下技術方案:
[0030]一種表面處理工藝，通過攪拌針的高速旋轉改善工件的微觀組織，提高工件的性能，加工的對象是儀合金、招合金和銅合金，包括:除油水洗除銹超聲波清洗一一前期熱處理一一攪拌摩擦加工一一去除氧化膜一一丙酮超聲波清洗一一水洗一一烘干。攪拌摩擦工藝參數包括接頭形狀為錐形，攪拌針直徑為5—一10_，軸肩為15—一25mm，夾具旋轉速率為700——2500r/min,焊接速度為30——120mm/min,下壓量為
0.5mm--3mmο
【具體實施方式】
[0031]實施例1
[0032]—種表面處理工藝，通過攪拌針的高速旋轉改善工件的微觀組織，提高工件的性能，加工的對象是鎂合金，板材尺寸300mmX400mmX5mm，包括:鑄造成型--除油--水洗一一除銹一一超聲波清洗一一前期熱處理一一攪拌摩擦加工一一去除氧化膜一一丙酮超聲波清洗一一水洗一一烘干。攪拌摩擦工藝參數包括接頭形狀為錐形，攪拌針直徑為5mm，軸肩為15mm，夾具旋轉速率為700r/min，焊接速度為30/min，下壓量為板材的厚度，經過該工藝處理后，鎂合金的抗拉強度和屈服強度明顯提升。
[0033]實施例2
[0034]—種表面處理工藝，通過攪拌針的高速旋轉改善工件的微觀組織，提高工件的性能，加工的對象是銅合金，板材尺寸50mmX450mmX5mm，包括:鑄造成型--除油--水洗一一除銹一一超聲波清洗一一前期熱處理一一兩次攪拌摩擦加工一一去除氧化膜一一丙酮超聲波清洗一一水洗一一烘干。攪拌摩擦工藝參數包括接頭形狀為錐形，攪拌針直徑為5mm，軸肩為15mm，夾具旋轉速率為700r/min，焊接速度為30/min，下壓量為板材的厚度，經過該工藝處理后，銅合金的硬度和延伸率比原材料有較大幅度提升。
【主權項】
1.一種表面處理工藝，其特征在于通過攪拌針的高速旋轉改善工件的微觀組織，提高工件的性能，加工的對象是鎂合金、鋁合金和銅合金，包括:除油一一水洗一一除銹一一超聲波清洗一一前期熱處理一一攪拌摩擦加工一一去除氧化膜一一丙酮超聲波清洗一一水洗--烘干。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的攪拌摩擦工藝參數包括接頭形狀為錐形，攪拌針直徑為5——10mm，軸肩為15——25mm，夾具旋轉速率為700——2500r/min，焊接速度為30--120mm/min,下壓量為板材的厚度。
【專利摘要】本發明公開了一種表面處理工藝，通過攪拌針的高速旋轉改善工件的微觀組織，提高工件的性能，加工的對象是鎂合金、鋁合金和銅合金，包括：除油——水洗——除銹——超聲波清洗——前期熱處理——攪拌摩擦加工——去除氧化膜——丙酮超聲波清洗——水洗——烘干。攪拌摩擦工藝參數包括接頭形狀為錐形，攪拌針直徑為5-10mm，軸肩為15-25mm，夾具旋轉速率為700-2500r/min，焊接速度為30-120mm/min，下壓量為0.5mm-3mm。該發明可經過一次或多次攪拌摩擦加工，提高材料的硬度和延伸率，并且該工藝綠色環保，便于大規模生產，滿足不同材料的加工需求。
【IPC分類】B23K20/12, B23K20/24
【公開號】CN105215538
【申請號】CN201510715976
【發明人】沈秋
【申請人】無錫橋陽機械制造有限公司
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月29日