[发明专利]金属表面的消耗性工具摩擦进动处理

说明书

技术领域

本发明涉及通过在物件表面上沉积耐蚀组分的涂层增强金属物件、特别是镁合金物件的耐蚀保护。耐蚀组分可被用作阻隔或牺牲涂层，并且可通过使用消耗性工具将工具材料传递到物件表面由摩擦进动（friction stir）处理来施加。

背景技术

多种汽车构件在传统上通过钢合金形成，并且更最近地通过铝合金形成。在许多情况下，这些构件的耐蚀性可通过施加涂层而强化，以更好地确保在腐蚀性环境中的产品寿命。涂层可以是阻隔涂层，用于将腐蚀性环境排斥于物件之外，或者是牺牲涂层，该牺牲涂层在暴露于腐蚀性环境时将先于物件腐蚀。这些涂层，可包括金属或者有机涂层，可使用多种方法施加，包括：将物件浸渍在熔化金属池中，金属喷溅，涂刷，和诸如电镀之类的各种电沉积工艺。

近年来，镁合金、特别是作为铸件，由于其相对于其它结构金属的相对低的密度而已经成为重点研究和开发的主题。然而，这样的基于镁的合金（通常包含重量百分比85％或更多的镁和诸如铝、锌、硅和锰等合金元素）在暴露于水或暴露于含水盐溶液时易于腐蚀。当镁合金与其它不易腐蚀的合金（例如常用于汽车中的钢和铝）接触时，电蚀是特别棘手的。

镁合金不是特别适合于被开发以保护钢和铝免于腐蚀的许多涂层处理，且与一些涂层处理不相容。例如，磷化处理，其意在将耐蚀磷酸盐层沉积到钢上，在一些暴露于镁合金之后将导致失效。由此，许多这些铸造镁合金物件已经用于预期不暴露于腐蚀性介质或者可很好地控制任何这种暴露的环境中。典型的应用包括：转向柱构件、仪表板梁、离合器和制动器踏板架、变速箱和壳体，等等。

大体上对于金属和合金、特别是对于镁合金而言，如果其腐蚀性能可以得到改进，例如通过施加更具耐蚀或牺牲组分的表面涂层，则可预期更宽范围的应用。然而，传统的涂层处理未证明特别适合于镁合金，并且当前可用的替代涂层技术例如火花阳极氧化（微弧、等离子体电解氧化，等等）或者热喷溅处理仅实现了有限的成功。

因此，需要一种高效且易于操作的技术以改造金属物件和特别地镁合金构件的表面组分以赋予这样的构件更耐蚀。

发明内容

本发明提供一种通过在金属合金物件的表面的至少一部分上沉积耐蚀金属涂层而增强物件的耐蚀性的方法。所述方法需要形成耐蚀材料的工具并然后将工具旋转和压抵物件表面。工具的压抵和旋转动作将在物件表面上磨蚀工具、加热工具并促使材料从工具传递到物件表面以在物件表面上沉积附着的耐蚀涂层。

在一个实施例中，当沉积的材料在强力结合到物件外不与金属物件的组分反应或合金化时，可形成本源沉积部或涂层。在另一个实施例中，沉积部或涂层可与金属物件的表面反应、合金化或扩散到金属物件的表面中以形成衍生层或沉积，其组分将包含来自工件和本源沉积部的贡献组分。应认识到，根据沉积条件、特别是沉积温度，单一的金属工具材料可以在物件上形成本源或衍生涂层。另外，特别是在复合合金系统中，可形成多于一种衍生涂层组分。

用于增强镁合金物件耐蚀性的有限数量的适合手段赋予可特别适合于这种镁合金物件的方法。适合的镁合金组分可包含重量百分比85％或更大的量的镁并结合以合金元素，例如铝、锌、硅和锰，以及少比例的常见杂质。示例性的合金包括AZ31（名义上包含3wt％的铝、1wt％的锌、其余为镁）、AZ91（名义上包含9wt％的铝、1wt％的锌、其余为镁）、AM60（名义上包含6wt％的铝、约0.4wt％的锰、其余为镁），等等。

涂层的耐蚀性能可通过两种方式提升。对于金属或合金层而言，工具材料可被选择为比下面物件的阳极性更强，使得其通过用作牺牲层并优先于物件首先腐蚀而保护物件。替代地，工具材料可被选择为比物件的阳极性弱，并通过在物件表面上形成阻隔层且避免物件与腐蚀性环境接触而保护物件。对于高阳极性的镁合金而言，常采用阻隔层涂层。

工具材料可为金属或合金。意在使工具材料软于物件使得工具材料被磨蚀到物件上。由于工具通过抵靠物件磨蚀而被至少部分地摩擦加热，因而材料从工具到物件的这种传递在升高的温度下发生，并可通过相对于工件的热性能选择具有适合热性能的工具得到便利。特别地，熔化温度（对于金属工具）或作为合金被完全固化的最低温度的固相线温度（对于合金工具）应低于物件的固相线温度，通常对于镁合金而言低于约650℃。用于在镁及其合金上沉积这种阻隔涂层的适合工具材料包括：铝、锌、锡和它们的合金，所有这些可以形成本源或衍生的沉积部。