本發明涉及材料加工技術領域，更具體地說，涉及一種金屬表面處理工藝。

背景技術：

金屬表面處理技術是為了實現金屬表面性能優化的一類工藝，主要包括諸如電鍍、電泳、發黑、金屬表面著色、拋丸、噴丸、磷化、鈍化等。

攪拌摩擦加工(fsp)是在攪拌摩擦焊技術(fsw)基礎上發展起來的一種材料加工與制備技術。其工作過程和原理與攪拌摩擦焊類似，首先將待加工材料固定在具有剛性底板的工作臺面上，高速旋轉的攪拌頭緩慢地被插入待加工的材料中；焊接過程中，攪拌頭和待焊接材料通過摩擦剪切阻力來獲得摩擦熱，摩擦熱作為母材塑性變形的熱源，使得攪拌頭作用區域范圍內的金屬材料達到熱塑化狀態；同時伴隨旋轉著的攪拌頭向前移動，熱塑性的金屬材料則在攪拌針的旋轉作用以及軸肩的包裹作用下向攪拌針后方移動來填充后方空腔。因此攪拌摩擦加工的整個過程均在攪拌頭軸肩的摩擦產熱和鍛壓共同作用下進行的，加工完成之后即可形成致密的表面加工組織。攪拌摩擦加工過程中只需要攪拌頭的旋轉運動和待焊工件的相對運動這兩種形式就能滿足實驗操作的基本要求。

攪拌工具由軸肩和攪拌針組合而成，攪拌針的主要作用是使材料在過程中充分攪拌，同時控制攪拌工具周圍材料的流動方向。軸肩在過程中主要有兩個作用：(1)與工件表面摩擦產生熱量；(2)提供自封閉的環境，防止塑化的金屬從攪拌區溢出。

現有技術中，采用攪拌摩擦加工方法制備復合材料表層以強化合金表面的工藝方法，均是將細小的強化相強行引入合金表面后，采用軸肩和攪拌針頭摩擦的方式進行劇烈塑性變形，將顆粒“鍛造”如合金亞表面。所涉及的反應為“固-固”界面反應或“半固態”反應。此類反應的表面強化復合區域的均勻性通常不是很好，即某些區域強度較高，某些區域強度相對較低。且此類方法難以有效的改善合金表面的耐蝕性。

綜上所述，如何有效地解決采用攪拌摩擦加工工藝對合金表面進行復合強化均勻性較差等問題，是目前本領域技術人員急需解決的問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種金屬表面處理工藝，該金屬表面處理工藝可以有效地解決采用攪拌摩擦加工工藝對合金表面進行復合強化均勻性較差的問題。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種金屬表面處理工藝，包括：

制屑，選擇共晶合金熔點低于待處理金屬熔點的共晶合金，并將所述共晶合金加工成共晶合金屑；

球磨，將所述共晶合金屑與增強體顆粒按預設比例混合后球磨；

熱壓，將球磨后的混粉鋪于待處理金屬件表面，進行冷壓后再進行真空熱壓，以在所述待處理金屬件表面形成共晶混粉熱壓層；

攪拌摩擦加工。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述待處理金屬件為鎂合金件。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述共晶合金為mg-al體系、mg-zn體系、al-mg-zn體系、al-si體系或al-cu體系的二元或三元共晶合金。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述增強體顆粒為碳化物顆粒、氧化物顆粒、碳氧化物陶瓷粉末或顆粒中的一種或幾種的組合。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述增強體顆粒的粒徑平均尺寸為r，且200nm≤r≤50μm。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述增強體顆粒為碳納米管、石墨顆粒或石墨烯顆粒。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述攪拌摩擦加工，具體包括：

攪拌摩擦加工，其中，工具轉速為ω，且500rpm≤ω≤3500rpm；主軸傾角為γ，且1°≤γ≤5°；加工速度為ν，且5mm/min≤ν≤100mm/min。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述真空熱壓具體包括：

將冷壓坯錠裝入真空熱壓爐中加熱，升溫速率為3-6℃/min；熱壓保溫溫度為指定溫度并保溫預設時間，然后隨爐緩慢冷卻，熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下；所述熱壓保溫溫度為h，且h＝t±10℃，其中t為所述共晶合金的熔點。

優選地，上述金屬表面處理工藝中，所述預設比例具體為：所述共晶合金屑與所述增強體顆粒的體積配比w，且1:200≤w≤200:1；

所述球磨的工藝參數具體包括：球磨時間為t1，且4小時≤t1≤200小時，球磨罐轉速為s1，且10rpm≤s1≤200rpm，球料比比值為n，且1:10≤n≤10:1

應用本發明提供的金屬表面處理工藝，利用了攪拌摩擦加工技術，但并未完全利用攪拌摩擦產生的熱量進行塑性變形，而主要是利用攪拌摩擦的熱量熔化了低熔點的共晶合金，即利用軸肩和攪拌頭的摩擦將共晶相熔化為液相，發生“固-液界面反應”，同時引入強化相，并隨后凝固。凝固后的合金表面完全覆蓋住了含有增強體顆粒的凝固后的共晶組織。類似于二次冶金+機械攪拌的原理，將相對熔點較低的異質共晶和增強體顆粒以涂覆的形式緊密的覆蓋于鎂合金表面，既強化了合金，又起到了增加防腐性能的作用。由于共晶組織通常硬度較高，既能夠起到強化作用，也能夠起到提高耐蝕性的作用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明一個具體實施例的金屬表面處理工藝的流程示意圖。

具體實施方式

本發明實施例公開了一種金屬表面處理工藝，以提高攪拌摩擦加工工藝對合金表面進行復合強化的均勻性。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1，圖1為本發明一個具體實施例的金屬表面處理工藝的流程示意圖。

在一個實施例中，本發明提供的金屬表面處理工藝，包括以下步驟：

s1：制屑，選擇共晶合金熔點低于待處理金屬熔點的共晶合金，并將共晶合金加工成共晶合金屑；即配置異質共晶合金，選擇共晶合金熔點低于待處理金屬熔點的合金體系，具體可以為二元或三元共晶。制備出的共晶合金通常脆性較高，強度較差，因此較為容易通過機械加工等方式制備成共晶合金屑。此處及下文提到的待處理金屬一般指待處理的合金，如鎂合金等，根據需要也可以為純金屬等。

s2：球磨，將共晶合金屑與增強體顆粒按預設比例混合后球磨；

具體的預設比例可根據共晶合金屑及增強體顆粒的成分等進行具體設置，此處不作具體限定。球磨的具體工藝參數可根據需要進行設定，此處也可不作具體限定。

s3：熱壓，將球磨后的混粉鋪于待處理金屬件表面，進行冷壓后再進行真空熱壓，以在待處理金屬件表面形成共晶混粉熱壓層；

需要說明的是，待處理金屬件即與上述的待處理金屬對應的工件，一般可以為待處理金屬板材或塊體等。如待處理金屬件為鎂基合金件時，則相應的待處理金屬即為該鎂基合金。具體的，將待處理金屬板材或塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的混粉鋪在合金表面，隨后合模。進行冷壓后再進行真空熱壓。具體真空熱壓的工藝參數可根據需要進行設置，此處可以不作具體限定，但熱壓溫度應滿足通過真空熱壓以在待處理金屬板材件表面形成共晶混粉熱壓層。優選的，合金熱壓溫度為共晶點，即共晶熔化溫度，因此，熱壓后的熱壓層和鎂合金基體會有良好的結合強度。

s4：攪拌摩擦加工。

對熱壓后的外表面為共晶混粉的待處理金屬件，如鎂合金件進行fsp加工，具體攪拌摩擦的工藝參數可根據需要進行設置，此處不作具體限定。

應用本發明提供的金屬表面處理工藝，利用了攪拌摩擦加工技術，但并未完全利用攪拌摩擦產生的熱量進行塑性變形，而主要是利用攪拌摩擦的熱量熔化了低熔點的共晶合金，即利用軸肩和攪拌頭的摩擦將共晶相熔化為液相，發生“固-液界面反應”，同時引入強化相，并隨后凝固。凝固后的合金表面完全覆蓋住了含有增強體顆粒的凝固后的共晶組織。類似于二次冶金+機械攪拌的原理，將相對熔點較低的異質共晶和增強體顆粒以涂覆的形式緊密的覆蓋于鎂合金表面，既強化了合金，又起到了增加防腐性能的作用。由于共晶組織通常硬度較高，既能夠起到強化作用，也能夠起到提高耐蝕性的作用。

具體的，待處理金屬件為鎂合金件，即鎂基合金件，則應選擇共晶合金熔點低于該鎂合金的共晶合金。

進一步地，共晶合金為mg-al體系、mg-zn體系、al-mg-zn體系、al-si體系或al-cu體系的二元或三元共晶合金。優選的，共晶體組織在合金中所占體積比例不低于50％。

在上述實施例中，增強體顆粒為碳化物顆粒、氧化物顆粒、碳氧化物陶瓷粉末或顆粒中的一種或幾種的組合。

進一步地，增強體顆粒的粒徑平均尺寸為r，且200nm≤r≤50μm。需要說明的是，此處的顆粒平均尺寸指顆粒半徑的平均尺寸。

根據需要，增強體顆粒也可以為碳納米管、石墨顆粒或石墨烯顆粒。

在上述各實施例的基礎上，步驟s4具體可以包括：

攪拌摩擦加工，其中，工具轉速為ω，且500rpm≤ω≤3500rpm；主軸傾角為γ，且1°≤γ≤5°；加工速度為ν，且5mm/min≤ν≤100mm/min。

進一步地，步驟s3中真空熱壓具體可以包括：

將冷壓坯錠裝入真空熱壓爐中加熱，升溫速率為3-6℃/min；熱壓保溫溫度為指定溫度并保溫預設時間，然后隨爐緩慢冷卻，熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下；熱壓保溫溫度為h，且h＝t±10℃，其中t為共晶合金的熔點。

更進一步地，預設比例具體為：共晶合金屑與增強體顆粒的體積配比w，且1:200≤w≤200:1；

則步驟s2中球磨的工藝參數具體可以包括：球磨時間為t1，且4小時≤t1≤200小時，球磨罐轉速為s1，且10rpm≤s1≤200rpm，球料比比值為n，且1:10≤n≤10:1。

以下以優選的三個實施例進行說明：

實施例1：

熔煉mg17al12共晶合金(al含量為17.4wt.％)并制成合金屑。將所制成屑與碳化硼顆粒混合。體積比為1:1。將兩種粉末在球磨機中球磨，球磨時間12小時。直徑10cm的球磨罐轉速為50rpm，球料比比值為1:1。熱壓。將10cm×6cm×2cm尺寸的az31鎂合金塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的粉末鋪在合金表面，隨后合模。上下表面進行冷壓后再進行真空熱壓。升溫速度為4℃/min，保壓溫度435℃，保溫時間30min，然后隨爐緩慢冷卻。熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后對熱壓后的外表面為共晶混粉的鎂合金進行fsp加工。加工速度5mm/min，工具轉速為1000rpm，攪拌頭傾角1°。隨后對合金加工表面進行顯微硬度測試，結果表明，合金顯微硬度提高80％，耐蝕性提高1倍。

實施例2：

熔煉zn-al共晶合金(al含量為5wt.％)并制成合金屑。將所制成屑與碳化硼顆粒混合。體積比為1:1。將兩種粉末在球磨機中球磨，球磨時間12小時。直徑10cm的球磨罐轉速為40rpm，球料比比值為1:1。熱壓。將10cm×6cm×2cm尺寸的az61鎂合金塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的粉末鋪在合金表面，隨后合模。上下表面進行冷壓后再進行真空熱壓。升溫速度為4℃/min，保壓溫度420℃，保溫時間60min，然后隨爐緩慢冷卻。熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后對熱壓后的外表面為共晶混粉的鎂合金進行fsp加工。行進速度50mm/min，工具轉速為1500rpm，攪拌頭傾角2.5°。隨后對合金加工表面進行顯微硬度測試，結果表明，合金顯微硬度提高1倍，耐蝕性提高50％。

實施例3：

熔煉al-si共晶合金(si含量為12.6wt.％)并制成合金屑。將所制成屑與碳納米管混合。體積比為1:1。將兩種粉末在球磨機中球磨，球磨時間10小時。直徑10cm的球磨罐轉速為40rpm，球料比比值為1:1。熱壓。將10cm×6cm×2cm尺寸的we43鎂合金塊體置于鋼制模具底部，并將混合后的粉末鋪在合金表面，隨后合模。上下表面進行冷壓后再進行真空熱壓。升溫速度為4℃/min，保壓溫度577℃，保溫時間60min，然后隨爐緩慢冷卻。熱壓過程中真空度保持在5×10^-1pa以下。此后對熱壓后的外表面為共晶混粉的鎂合金進行fsp加工。行進速度100mm/min，工具轉速為2000rpm，攪拌頭傾角5°。隨后對合金加工表面進行顯微硬度測試，結果表明，合金顯微硬度提高1倍，耐蝕性提高90％。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。