一種鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法
【專利摘要】一種鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，本發(fā)明涉及一種鋁合金基體表面改性的方法，它為了解決現(xiàn)有常規(guī)鋁合金微弧氧化表面處理方法所得的涂層表面粗糙度高、耐腐蝕性能不佳的問(wèn)題。制備方法：一、打磨鋁合金和純銅材的表面，放入丙酮中進(jìn)行超聲清洗；二、將主鹽溶解到去離子水中，配制得到電解液；三、將清洗后的鋁合金和銅材置于裝有電解液的不銹鋼槽體中，以鋁合金和純銅材作陽(yáng)極、槽體為陰極，在脈沖電源的作用下，通過(guò)微弧氧化方法在鋁合金基體上制得高光潔度涂層。本發(fā)明制得的涂層的粗糙度Ra僅為0.400μm～0.600μm，摩擦系數(shù)為0.1～0.4。涂層鹽霧電化學(xué)測(cè)試，其腐蝕電流可達(dá)到10?8A/cm2。
【專利說(shuō)明】
一種鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種鋁合金基體表面改性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金因密度小、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、比強(qiáng)度高、良好的力學(xué)物理性能、易加工成型和回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械、建筑工程領(lǐng)域需求廣泛，但其差的耐腐蝕性極大的限制了它的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)高光潔度涂層因其表面的致密度較高，其耐腐蝕性能優(yōu)異。因此，研究鋁合金的表面改性技術(shù)以制備高光潔度涂層，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用背景和目的意義。
[0003]傳統(tǒng)鋁合金表面耐腐蝕涂層的制備方法有陽(yáng)極氧化技術(shù)、化學(xué)鍍、激光熔覆法、等離子體注入技術(shù)、電弧噴涂技術(shù)等，然而目前的這些改性技術(shù)得到的涂層會(huì)存在涂層較薄、硬度較低、涂層與基體機(jī)械結(jié)合、涂層多孔、作業(yè)環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。特別是在對(duì)鋁合金性能要求較高的航空航天領(lǐng)域，上述方法所制涂層無(wú)法滿足要求。微弧氧化是在陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型表面處理技術(shù)，涂層與基體冶金結(jié)合，極大提高了鋁合金表面的耐腐蝕耐磨損性能。
[0004]鋁合金微弧氧化表面處理一直是研究熱點(diǎn)，除了研究電源模式和電參數(shù)對(duì)鋁合金微弧氧化膜層的影響外，研究較多的是電解液的影響。Haihe Luo等研究發(fā)現(xiàn)(NaPO3)6濃度為5g/L時(shí)所制備的涂層的抗腐蝕性能最好為6.84 X 10—7A/cm2，涂層厚度為22μηι，粗糙度Ra為3.2μπι。除了研究基礎(chǔ)電解液的影響，向基礎(chǔ)電解液中加入添加劑來(lái)改善電解液的性能也是研究熱點(diǎn)。Μ.Kaseem等向NaA102、K0H電解液中加入苯甲酸鈉，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入苯甲酸鈉的涂層的腐蝕電流為2.11 X 10—8A/cm2，涂層厚度為13μπι，而不加苯甲酸鈉涂層的腐蝕電流為1.84X10—5A/cm2。但銅元素引入電解液對(duì)合金微弧氧化涂層的研究較少，主要集中在涂層的著色方面。管靖遠(yuǎn)研究了硫酸銅對(duì)TC4鈦合金涂層的影響，發(fā)現(xiàn)硫酸銅濃度增大涂層由灰色到深灰色，到軍綠色，最后為紅褐色。但是，堿性電解液中銅鹽的引入必須加入絡(luò)合劑，導(dǎo)致所配置電解液一般不穩(wěn)定，所制涂層的粗糙度一般較大。
[0005]目前通過(guò)在鋁合金微弧氧化過(guò)程中直接電解銅來(lái)改善電解液，制備高光潔度涂層未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。
[0006]常規(guī)微弧氧化方法所制高光潔度耐腐蝕性能優(yōu)異的鋁合金涂層，其涂層厚度一般在ΙΟμπι左右，硬度較低，耐磨性能較差，涂層疲勞壽命較短。當(dāng)所制涂層厚度大于20μπι時(shí)，涂層粗糙度2.ΟΟΟμπι，則引起涂層耐腐蝕性能降低。如通過(guò)常規(guī)微弧氧化方法分步制得高光潔度耐腐蝕性能優(yōu)異的鋁合金涂層，則是先制備高厚度涂層，然后對(duì)涂層進(jìn)行打磨處理，這使得加工工藝變得復(fù)雜且工件的打磨尺寸不易控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有常規(guī)鋁合金微弧氧化表面處理方法所得一定厚度(多20μπι)的涂層表面粗糙度高、耐腐蝕性能不佳的問(wèn)題，而提供一種鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法。
[0008]本發(fā)明鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法按以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0009]—、使用砂紙將鋁合金和純銅材的表面打磨去除氧化層，然后放入丙酮中進(jìn)行超聲清洗，分別得到清洗后的鋁合金和清洗后的銅材；
[0010]二、按濃度為lg/L?10g/L將主鹽溶解到去離子水中，配制得到電解液；
[0011]三、將步驟一得到的清洗后的鋁合金和清洗后的銅材置于裝有電解液的不銹鋼槽體中，以清洗后的鋁合金和純銅材作陽(yáng)極，以不銹鋼槽體為陰極，采用脈沖微弧氧化電源供電，在恒流模式下以正負(fù)電流密度為lA/dm2?15A/dm2、頻率為10Hz?1500Hz、占空比為10%?50%和攪拌的條件下進(jìn)行微弧氧化處理，即在鋁合金基體上制備得到高光潔度涂層。
[0012]本發(fā)明利用微弧氧化的方法使鋁合金表面上的氧化層處于微等離子體的高溫高壓的作用下而發(fā)生相和結(jié)構(gòu)的變化，制備的涂層與基底是冶金結(jié)合，具有良好的韌性、耐腐蝕、耐磨特性及良好的絕緣性，而且微弧放電區(qū)瞬間高溫高壓過(guò)程對(duì)基體未氧化的區(qū)域沒(méi)有影響，涂層顏色、相組成、厚度、力學(xué)性能通過(guò)工藝參數(shù)(電參數(shù)、電解質(zhì)等)的調(diào)節(jié)在較寬的范圍內(nèi)可控，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，經(jīng)濟(jì)高效，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需氣氛保護(hù)或真空條件，制備過(guò)程無(wú)環(huán)境污染性廢液及廢氣的排放，是一種綠色環(huán)保型制備方法。
[0013]本發(fā)明在鋁合金微弧氧化過(guò)程中直接電解銅，使銅元素在放電過(guò)程中直接燒結(jié)到膜層中，得到高光潔度膜層。應(yīng)用本發(fā)明的方法得到的高光潔度涂層的厚度為20μπι?40μπι，粗糙度Ra僅為0.400μπι?0.600μπι，納米硬度可達(dá)5GPa?1GPa，摩擦系數(shù)為0.1?0.4。涂層鹽霧電化學(xué)測(cè)試，其腐蝕電流可達(dá)到10—8A/cm2。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為相同條件下實(shí)施例一得到的高光潔度涂層和對(duì)比實(shí)施例所得涂層的厚度圖；
[0015]圖2為相同條件下實(shí)施例一得到的高光潔度涂層和對(duì)比實(shí)施例所得涂層粗糙度圖；
[0016]圖3為實(shí)施例一得到的高光潔度涂層的納米硬度圖，其中?代表硬度，■代表模量；
[0017]圖4為對(duì)比實(shí)施例得到的未電解銅涂層表面放大300倍的SEM圖；
[0018]圖5為實(shí)施例一所得高光潔度涂層表面放大300倍的SEM圖；
[0019]圖6為對(duì)比實(shí)施例得到的未電解銅涂層的截面元素分布圖；
[0020]圖7為實(shí)施例一所得高光潔度涂層的截面元素分布圖；
[0021]圖8為相同條件下實(shí)施例一所得高光潔度涂層和對(duì)比實(shí)施例所得涂層及基體摩擦系數(shù)圖，其中A代表鋁合金基體，B代表對(duì)比實(shí)施例得到的未電解銅試樣，C代表實(shí)施例一得到的電解銅試樣；
[0022]圖9為相同條件下實(shí)施例一得到的高光潔度涂層和對(duì)比實(shí)施例所得涂層及基體腐蝕測(cè)試圖，其中A代表鋁合金基體，B代表對(duì)比實(shí)施例得到的未電解銅試樣，C代表實(shí)施例一得到的電解銅試樣。
【具體實(shí)施方式】
[0023]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法按以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0024]—、使用砂紙將鋁合金和純銅材的表面打磨去除氧化層，然后放入丙酮中進(jìn)行超聲清洗，分別得到清洗后的鋁合金和清洗后的銅材；
[0025]二、按濃度為lg/L?10g/L將主鹽溶解到去離子水中，配制得到電解液；
[0026]三、將步驟一得到的清洗后的鋁合金和清洗后的銅材置于裝有電解液的不銹鋼槽體中，以清洗后的鋁合金和純銅材作陽(yáng)極，以不銹鋼槽體為陰極，采用脈沖微弧氧化電源供電，在恒流模式下以正負(fù)電流密度為lA/dm2?15A/dm2、頻率為10Hz?1500Hz、占空比為10%?50%和攪拌的條件下進(jìn)行微弧氧化處理，即在鋁合金基體上制備得到高光潔度涂層。
[0027]本實(shí)施方式在放電過(guò)程中電解銅使銅元素?zé)Y(jié)到涂層中，達(dá)到降低涂層表面粗糙度，提高其耐腐蝕性能的目的，所制涂層厚度在20μπι?40μπι可控，涂層粗糙度低，具有優(yōu)異的耐腐蝕耐磨性能，所得涂層可直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，無(wú)需后加工。
[0028]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是步驟一依次使用320#和2000#的砂紙將鋁合金和純銅材的表面打磨去除氧化層。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是步驟一所述的純銅材的純度大于99.99%，純銅材的形狀為棒狀或柱狀。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是步驟一所述的鋁合金的型號(hào)為L(zhǎng)D2、LD5或LY12。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是步驟二所述的主鹽為硅酸鈉、鋁酸鈉、四硼酸鈉、氟化鈉、六偏磷酸鈉、碳酸鈉中的一種或其中多種的混合物。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是步驟三中鋁合金的表面積細(xì)餘與純銅材的表面積S纟爾彳的比為1:0.002?0.02。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是步驟三微弧氧化處理時(shí)的電解液溫度為20°C?40°C。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是步驟三微弧氧化處理的時(shí)間為1min?60min。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是步驟三得到的高光潔度涂層的厚度為20μπι?40μπι。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0036]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是步驟三在恒流模式下以正負(fù)電流密度為I OA/dm2、頻率為600Hz、占空比為30 %和攪拌的條件下進(jìn)行微弧氧化處理。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至九之一相同。
[0037]實(shí)施例一:本實(shí)施例鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法按以下步驟實(shí)施:
[0038]一、依次使用320#和2000#的水砂紙將鋁合金和純銅材的表面打磨去除氧化層(至表面有明亮的金屬光澤)，然后放入丙酮中進(jìn)行超聲清洗5min去油，蒸餾水清洗后冷風(fēng)吹干，分別得到清洗后的鋁合金和清洗后的銅材；
[0039]二、將主鹽溶解到去離子水中，配制得到電解液；
[0040]三、將步驟一得到的清洗后的鋁合金和清洗后的銅材置于裝有電解液的不銹鋼槽體中，以清洗后的鋁合金和純銅材作陽(yáng)極，其中鋁合金的表面積與純銅材的表面積
的比為1:0.004，以不銹鋼槽體為陰極，采用脈沖微弧氧化電源供電，在恒流模式下以正負(fù)電流密度為ΙΟΑ/dm2、頻率為600Hz、占空比為30%和攪拌的條件下進(jìn)行微弧氧化處理40min，S卩在招合金基體上制備得到高光潔度涂層。
[0041 ] 其中步驟一中的鋁合金為L(zhǎng)D2鋁合金，尺寸為Φ 45 X 5mm，表面積為0.389dm2，步驟二電解液的組成為氫氧化鉀:3g/L，硅酸鈉:lg/L，鋁酸鈉:lg/L。步驟三將制冷機(jī)溫度設(shè)置在20°C，通過(guò)制冷系統(tǒng)保證微弧氧化處理過(guò)程中電解槽內(nèi)溶液的溫度低于35°C。電源陽(yáng)極連接在鋁合金和純銅材上，電源陰極連接在電解槽邊緣。
[0042]對(duì)比實(shí)施例:本實(shí)施例與實(shí)施例一不同的僅是步驟三以清洗后的鋁合金作陽(yáng)極，以不銹鋼槽體為陰極，從而得到未電解銅涂層。
[0043]圖1所示，相同條件下Stmt=1:0.004所制涂層和對(duì)比實(shí)施例所得涂層的厚度均在20μηι以上，差別不大。
[0044]圖2所示，雖然相同條件下Smm=1: 0.004所制涂層和對(duì)比實(shí)施例所得涂層的厚度基本一致，然而其粗糙度差別很大。1:0.004所制涂層的粗糙度為0.505μπι，而對(duì)比實(shí)施例所制涂層為2.598μηι。
[0045]圖3所示為S^fi=1:0.004條件下所制高光潔度涂層的納米硬度圖，可以看出涂層的納米硬度達(dá)到7GPa左右。
[0046]圖4所示為對(duì)比實(shí)施例所制涂層放大300倍表面形貌圖?？梢钥闯觯繉颖砻嫱蛊鹑廴陬w粒物較多，出現(xiàn)局部多次放電，出現(xiàn)較多的孔洞和裂紋。
[0047]圖5所示為實(shí)施例一所制涂層放大300倍表面形貌圖。圖中可以看出，涂層表面比較致密平整，涂層幾乎無(wú)局部多次放電。
[0048]圖6所示為對(duì)比實(shí)施例所得涂層截面元素分布圖，可以看出涂層較疏松，截面主要元素為Al、0和Si。
[0049]圖7所示為實(shí)施例一所得涂層即汝》|.=1:0.004所制涂層截面元素分布圖，可以看出涂層較致密，截面主要元素為Al、0、Cu和Si。很明顯涂層經(jīng)燒結(jié)滲入銅元素，膜層粗糙度的降低和此有很大關(guān)系。
[0050]圖8所示為涂層與Y80硬質(zhì)合金盤(pán)對(duì)磨，載荷20N，滑動(dòng)速度為0.8m/s，滑動(dòng)距離100m所得摩擦系數(shù)圖?？梢钥闯觯琒iiWi= 1:0.004所制涂層的的摩擦系數(shù)穩(wěn)定為0.2，對(duì)比實(shí)施例所得涂層的摩擦系數(shù)為0.4，基體的摩擦系數(shù)為0.8且上下波動(dòng)較大。可見(jiàn)電解銅所制涂層的摩擦系數(shù)最小且最穩(wěn)定，涂層有優(yōu)異的耐磨損性能。
[0051]圖9所示為涂層腐蝕測(cè)試圖，測(cè)試條件為正負(fù)電壓:200mv掃描速度:5mv/S，工作電極:樣品，輔助電極:Pt，參比電極:飽和甘汞，溶液:3.5% NaCl溶液，接觸面積:I cm2?？梢钥闯?，Ss#: Sw= 1:0.004所制涂層的腐蝕電流為1.253 X 10—8A/cm2，對(duì)比實(shí)施例所制涂層的腐蝕電流為3.882 X 10—7A/cm2，基體的腐蝕電流為5.479 X 10—5A/cm2，可見(jiàn)電解銅所制涂層的腐蝕電流最小較基體降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，較未電解銅所制涂層降低I個(gè)數(shù)量級(jí)，開(kāi)路電位上升0.4V，其耐腐蝕性能明顯提_
【主權(quán)項(xiàng)】
1.鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于是按下列步驟實(shí)現(xiàn): 一、使用砂紙將鋁合金和純銅材的表面打磨去除氧化層，然后放入丙酮中進(jìn)行超聲清洗，分別得到清洗后的鋁合金和清洗后的銅材； 二、按濃度為lg/L?10g/L將主鹽溶解到去離子水中，配制得到電解液； 三、將步驟一得到的清洗后的鋁合金和清洗后的銅材置于裝有電解液的不銹鋼槽體中，以清洗后的鋁合金和純銅材作陽(yáng)極，以不銹鋼槽體為陰極，采用脈沖微弧氧化電源供電，在恒流模式下以正負(fù)電流密度為lA/dm2?15A/dm2、頻率為10Hz?1500Hz、占空比為10%?50%和攪拌的條件下進(jìn)行微弧氧化處理，即在鋁合金基體上制備得到高光潔度涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟一依次使用320#和2000#的砂紙將鋁合金和純銅材的表面打磨去除氧化層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟一所述的純銅材的純度大于99.99%，純銅材的形狀為棒狀或柱狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟一所述的鋁合金的型號(hào)為L(zhǎng)D2、LD5或LY12。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟二所述的主鹽為硅酸鈉、鋁酸鈉、四硼酸鈉、氟化鈉、六偏磷酸鈉、碳酸鈉中的一種或其中多種的混合物。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟三中鋁合金的表面積％餘與純銅材的表面積汝搬彳的比為I: 0.002?0.02。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟三微弧氧化處理時(shí)的電解液溫度為20°C?40°C。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟三微弧氧化處理的時(shí)間為1min?60min。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟三得到的高光潔度涂層的厚度為20μπι?40μπι。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基體上高光潔度涂層的制備方法，其特征在于步驟三在恒流模式下以正負(fù)電流密度為ΙΟΑ/dm2、頻率為600Hz、占空比為30%和攪拌的條件下進(jìn)行微弧氧化處理。
【文檔編號(hào)】C25D11/04GK106086980SQ201610472777
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】孫秋, 易奎楊, 辛鐵柱, 宋英
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)