[发明专利]一种镁及镁合金搅拌摩擦表面处理方法

说明书

本发明公开了一种镁及镁合金搅拌摩擦表面处理方法，包括以下步骤：设计制备一种球形搅拌摩擦表面处理工具，该表面处理工具与板材待处理面的接触面为球面；将该表面处理工具安装在搅拌摩擦焊机上，设定相应的搅拌摩擦表面处理参数；对镁/镁合金板材表面进行处理，然后将板材固定在搅拌摩擦焊机上；根据待处理区域的尺寸，设定工具移动的初始点和终点，然后开动搅拌摩擦焊机对板材进行表面处理，处理完成后卸下板材和工具；对处理完成的板材进行微观组织观察和硬度测试。本方法能够使镁或镁合金板材表面产生剧烈的塑性变形，在板材表面形成应变层，显著提高板材表面的硬度。

技术领域

本发明涉及金属材料表面处理领域，尤其涉及一种镁及镁合金搅拌摩擦表面处理方法。

背景技术

镁合金具有密度小、比刚度高、导热性好等优异的性能，在航天航空、轨道交通、生物医用等领域具有很好的应用前景。但是，镁合金的强度较低，无法适应一些对材料表面硬度要求较高的场合，因此要对镁合金进行表面处理，从而提高镁合金表面的强度和硬度。镁合金表面处理的方法包括表面机械研磨处理、高能喷丸、激光冲击、搅拌摩擦加工等。

搅拌摩擦加工是由搅拌摩擦焊接发展而来的一种金属材料塑性变形工艺。搅拌头的高速旋转可以使材料产生剧烈的塑性变形，同时，搅拌头轴肩和搅拌针与材料相互摩擦产生热量，提高搅拌区域的温度，促进搅拌区域发生动态再结晶。采用搅拌摩擦加工能够显著细化材料的组织，并提高材料的表面性能。但是，由于轴肩和搅拌针与材料之间的摩擦非常剧烈，导致搅拌区域的温度高达400℃以上。对于镁及镁合金这种低层错能金属来说，高温会促进再结晶晶粒长大，吞噬变形组织。因此，经过搅拌摩擦加工后，虽然镁合金的组织得到了一定的细化和均匀化，但很难在变形区域得到超细晶组织，且表层的硬度和强度并没有得到有效提高。

发明内容

发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种镁及镁合金搅拌摩擦表面处理方法，该方法在传统搅拌头的基础上，设计了一种球形搅拌摩擦表面处理工具，该工具没有搅拌针，且与材料的接触面为球面，在对镁/镁合金进行搅拌摩擦表面处理时，工具与材料之间摩擦所产生的热量较少，表层变形区域的温度较低，能够抑制表层晶粒的长大，并保留变形组织，显著提高材料表层的强度和硬度。

技术方案：本发明所公开的镁及镁合金搅拌摩擦表面处理方法，包括以下步骤：

S1、设计制备一种球形搅拌摩擦表面处理工具，该表面处理工具与板材待处理面的接触面为球面；

S2、将该表面处理工具安装在搅拌摩擦焊机上，设定相应的搅拌摩擦表面处理参数，包括旋转速度、前进速度和下压量；

S3、对镁/镁合金板材表面进行处理，然后将板材固定在搅拌摩擦焊机上；

S4、根据待处理区域的尺寸，设定工具移动的初始点和终点，然后开动搅拌摩擦焊机对板材进行表面处理，处理完成后卸下板材和工具；

S5、对处理完成的板材进行微观组织观察和硬度测试。

其中，S1中所述球形搅拌摩擦表面处理工具采用无针设计，包括夹持段、过渡段和加工段，其中夹持段和过渡段为圆柱形，加工段为半球形，球面为加工面。

球面的半径可根据待处理区域的大小作相应调整。

进一步的，所述加工段的球心位于表面处理工具的中轴线上。

进一步的，所述球形搅拌摩擦表面处理工具采用H13钢制备，经过粗加工、热处理和精加工，热处理包括高温油淬和两次中温回火。

进一步的，S2中设定旋转速度为300-1000r/min，前进速度为50-100mm/min，下压量为0.5-1.5mm/min。

进一步的，S3中对板材表面进行处理包括对板材进行清洁处理，采用砂纸打磨消除表面的氧化层，并采用酒精对板材表面进行清洗，防止其对处理后板材表面的性能产生影响。