一种加弧辉光离子渗镀镁合金板的方法

摘要

本发明涉及一种加弧辉光离子渗镀镁合金板的方法，采用加弧辉光离子渗镀技术，在加弧辉光离子渗镀炉内，利用钛+铜+镍阳极靶作为离子渗镀源，镁合金板作为辉光电源阴极，在镁合金板表面进行离子渗镀，在镁合金板表面形成渗镀层，渗镀层厚度为5-10μm，表面硬度达HV100，抗腐蚀性提高90%，此渗镀方法工艺先进，数据翔实准确，镁合金板与渗镀膜层固着率好，形成了合金化层，是十分理想的镁合金板的表面增强方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加弧辉光离子渗镀镁合金板的方法，属有色金属表面改性的技术领域。

背景技术

镁合金由于其密度低、比强度高，加工、焊接性好，被广泛地应用于航空航天、汽车制造和电子工业。

但是镁是活泼金属，标准电极电位为-2.36V，其耐蚀性极差，即使在室温下，也会与空气发生氧化反应；镁合金的化学性质活泼，在潮湿和海洋气候环境中都会遭受严重的腐蚀；镁合金表面生成的氧化膜层疏松多孔，对基体的保护效果极其微弱，不能适应大多数恶劣环境的要求，因此也阻碍了镁合金的推广应用，对镁合金进行表面改性是改善其性能的有效途径。

目前，镁合金板的表面改性有许多方法，例如电化学镀法、阳极氧化、化学转化处理、激光表面改性、离子注入；电化学镀法生产成本低，但对环境的危害较大，且电化学涂层与基体的结合力差；阳极氧化表面改性产生的膜结构疏松，且得到的转化膜比较薄，不能作为长期防腐保护膜；激光表面改性后激光重熔使表面硬度会提高，熔敷层合金的均匀化存在问题；离子注入得到的改性层非常薄，往往无法满足所需要的表面性能，总之，这些现有的方法效果不佳，有的还处于研究之中。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，采用加弧辉光复合渗镀技术，用钛、铜和镍制成复合靶，使镁合金板表面渗镀一层钛+铜+镍合金层，以提高镁合金表面的抗腐蚀和耐磨损性能。

 技术方案

本发明使用的化学物质材料为：镁合金板、钛棒、铜棒、镍棒、乙醇、氩气、砂纸，其准备用量如下：以毫米、毫升、厘米³为计量单位

镁合金板：AZ31B                 50 mm×50 mm×10 mm

钛棒：Ti                             Φ70 mm×50 mm

铜棒：Cu                            Φ50 mm×40 mm

镍棒：Ni                            Φ30 mm×30 mm

乙醇：C₂H₅OH                    2000 ml±5 ml

氩气：Ar                           100000 cm³±50 cm³

砂纸：SiC                          276 mm×230 mm×0.5 mm

渗镀方法如下： 

(1) 精选化学物质材料

对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制；

镁合金板：固体板状                 99.5 %

钛棒：固体块状                       99.99 %

铜棒：固体棒状                       99.9 %

镍棒：固体棒状                       99.9 %

乙醇：液态液体                       99.9 %

氩气：气态气体                       99.999 %

砂纸：固体纸状                       800目

(2) 打磨镁合金板表面

将镁合金板置于平板上，用砂纸打磨表面，使表面粗糙度为Ra=0.32-0.63 μm，并确定上面为正面；

(3) 制作复合靶

取钛棒：                       Φ70 mm×50 mm

取铜棒：                       Φ50 mm×40 mm

取镍棒：                       Φ30 mm×30 mm

将钛棒、铜棒和镍棒进行机械加工，镶嵌制成层状复合靶，复合靶尺寸为Φ70 mm×50 mm，靶芯为镍，中间靶为铜，外靶为钛；

(4) 清洗复合靶

将复合靶置于超声波清洗槽中，加入乙醇500 ml，进行清洗，时间10 min，清洗后晾干；

(5) 加弧辉光离子渗镀镁合金板表面

镁合金板的表面加弧辉光离子渗镀是在加弧辉光离子渗镀炉中进行的，是在真空状态、氩气保护、辉光电源、电弧电源、外水循环冷却下完成的；

① 清洁加弧辉光离子渗镀炉

打开加弧辉光离子渗镀炉，用压缩空气清理炉内灰尘及有害物质，时间5min，使炉内清洁；

然后通入氩气，氩气输入速度50 cm³/min，驱除炉内有害气体，时间5 min，使炉内洁净；

② 置放镁合金板

将镁合金板置于加弧辉光离子渗镀炉内的底部工作转台上，正面朝上，工作转台连通辉光电源阴极；

③ 置放复合靶

将层状复合靶置于炉内的靶座上，靶芯向下对准镁合金板，复合靶与镁合金板的距离为150 mm；

④ 抽出炉内空气

关闭炉门，抽取炉内空气，使炉内压强为15 Pa；

⑤ 输入氩气

开启氩气瓶，向炉内输入氩气，氩气输入速度15 cm³/min，使炉内压强恒定在15 Pa；

⑥ 开启炉腔外部的外水循环冷却水，冷却加弧辉光离子渗镀炉；

⑦ 开启炉内底部的工作转台，使其转动，转动速度100 r/min，同时接通辉光电源阴极，辉光电源电压400V，功率5 kW；

⑧ 开启炉内上部的复合靶靶座转动电源，使其转动，同时接通电弧电源，电弧电源电流50A，电压24V，功率1.2 kW；靶座转动速度50 r/min；

⑨ 电弧电源阳极使用复合靶的钛+铜+镍靶芯，电弧在电弧电源阴极和复合靶阳极之间产生，复合靶表面上产生直径为10^-3 mm的弧斑，弧斑处于3800 ℃高温、35 MPa高气压与10⁶~10⁸ A/cm²高电流密度状态下，在复合靶表面迅速运动，钛、铜、镍离子流在辉光电压的吸引下，高速轰击工件表面，使工件进一步加热到渗镀金属温度，并使铜、镍、钛离子沉积在镁合金板表面；

⑩ 关闭电弧电源，辉光电源继续作用于镁合金板的表面，作用时间10 min，使镁合金板表面的膜层继续固化成膜；

? 关闭辉光电源，在外水循环冷却下、在氩气保护下随炉冷却至25 ℃；

? 关闭氩气阀，停止输入氩气；关闭外水循环冷却；

? 打开加弧辉光离子渗镀炉，取出表面渗镀合金的镁合金板；

(6) 低温回火

将渗镀了金属化层的镁合金板置于低温回火炉中，进行低温回火，回火温度150℃，回火时间60 min；

(7) 清理镁合金板表面

用砂纸打磨镁合金板表面，使其光洁；用乙醇清洗镁合金板表面，然后晾干；

(9) 检测、化验、分析、表征

对表面渗镀金属化层的镁合金板的形貌、成分、化学物理性能、力学性能进行检测、化验、分析、表征；

用划痕仪进行膜层与镁合金板的结合强度分析；

用光学显微镜和扫描电镜对镁合金板的合金化表面和界面进行显微组织和微观形貌分析；

结论：渗镀后的镁合金板表面为灰色膜层，膜层厚度为5-10 μm，表面硬度达HV100，耐腐蚀性可提高90%；

 (10) 储存

对渗镀后的镁合金板用软质材料包装，置于清洁、阴凉、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐腐蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10%。

 

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对镁合金板硬度低、耐腐蚀性差的实际情况，利用加弧辉光离子渗镀技术，在加弧辉光离子渗镀炉内，采用钛+铜+镍阳极靶为电弧渗镀源，利用辉光对镁合金板清理，并用辉光离子加速渗镀作用，在镁合金板表面形成离子渗镀层，渗镀层厚度达5-10 μm，表面硬度达HV100，抗腐蚀性提高90%，此渗镀方法工艺先进，数据翔实准确，镁合金板与渗镀膜层固着率好，形成了合金化层，是十分理想的镁合金板的表面增强方法。

 

附图说明

图1为镁合金板表面离子渗镀状态图

图2为复合靶结构图

图3为镁合金板离子渗镀后的表面形貌图

图4为镁合金板离子渗镀后的横截面形貌图

图5为镁合金板离子渗镀后的XRD图谱

图中所示，附图标记清单如下：

1.加弧辉光离子渗镀炉，2.电控炉座，3.炉盖，4.工作台，5.转盘，6.镁合金板，7.测厚仪，8.转动靶座，9.出气孔，10.复合靶，11.左观察窗，12.右观察窗，13.氩气，14.外水循环冷却管，15.显示屏，16.指示灯，17.转动靶座调控器，18.转动工作台调控器，19.真空泵调控器，20.阳极电弧电源调控器，21.阴极辉光电源调控器，22.氩气瓶，23.氩气阀，24.氩气管，25.钛靶，26.铜靶，27.镍靶。

 

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为镁合金板表面离子渗镀状态图，各部位置、联接关系要正确，按量配置，按序操作。

本发明使用的化学物质材料的量值，是按预先设置的范围确定的，以毫米、毫升、厘米³为计量单位。

镁合金板的表面加弧辉光离子渗镀是在加弧辉光离子渗镀炉中进行的，是在真空状态、氩气保护、辉光电源、电弧电源、外水循环冷却下完成的；

加弧辉光离子渗镀炉为立式，在加弧辉光离子渗镀炉1的下部为电控炉座2，上部为炉盖3，在加弧辉光离子渗镀炉1内下部设有工作台4，在工作台4上部为转盘5，在转盘5上置放镁合金板6，在炉内上部、炉盖3上安装转动靶座8，在转动靶座8上镶嵌复合靶10，炉内由氩气13充填；在加弧辉光离子渗镀炉1的外部设有左观察窗11、右观察窗12、测厚仪7；在炉盖3上设有出气孔9；加弧辉光离子渗镀炉1的外部设有外水循环冷却管14并环绕；在电控炉座2上设有显示屏15、指示灯16、转动靶座调控器17、转动工作台调控器18、真空泵调控器19、阳极电弧电源调控器20、阴极辉光电源调控器21；在加弧辉光离子渗镀炉1左侧部设有氩气瓶22，氩气瓶22通过氩气阀23、氩气管24与炉腔联通。

图2所示，为复合靶结构图，复合靶10为圆柱体，外部为钛靶25，中间为铜靶26、内靶芯为镍靶27，复合靶组装镶嵌为一体。

图3所示，为镁合金板离子渗镀后表面形貌图，图中可知，表面为钛、铜、镍形成的合金层，合金层比较均匀，没有成分聚集现象。

图4所示，为镁合金板渗镀后横截面形貌图，图中可知，镁合金板表面存在膜层，膜层与镁合金板之间存在一个过渡层，膜层厚度为5 -10 μm。

图5所示，为镁合金板渗镀后衍射强度图谱，图中可知，膜层中存在镁、铜镍钛、铜钛、铜、镍钛的衍射峰。