CN102234803B - 镁合金等离子氧化陶瓷膜表面复合涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在镁合金等离子阳化陶瓷膜表面制备有机涂层-化学镀层的复合涂层方法，属于金属表面处理技术领域。该方法主要步聚包括首先对镁合金采用等离子体阳极氧化形成多孔陶瓷层，再以ABS树脂或清漆进行喷涂，最后采用化学镀形成镍-磷镀层。本发明通过对镁合金进行等离子氧化后形成的多孔陶瓷膜为基体，采用有机涂层进行封孔后，再进行化学镀。采用该方法制备的多层复合膜层不仅具有足够的防护厚度，而且涂层与基体结合力强、硬度高，有效地解决了镁合金抗刮伤和耐腐蚀的防护要求。
Description
技术领域
本发明涉及在镁合金等离子阳化陶瓷膜表面制备有机涂层-化学镀层的复合涂层方法，属于金属表面处理技术领域。
背景技术
镁合金具有高的比强度和比刚度以及良好的阻尼特性，是满足汽车轻质化、环保化和性能优化发展的最具潜力的金属结构材料，也是二十一世纪最有应用前景的金属材料之一。但是由于镁的热力学稳定性差，且氧化物(膜)结构疏松，致使镁合金的耐腐蚀能力较差，在很大程度上限制了它的广泛应用。因此，镁合金表面处理在实际应用中是十分重要的。表面改性的方法很多，如电化学法、化学法、热加工法等。一些新型的表面处理方法如激光表面处理、氮化铬涂层、镁合金表面沉积铝等。但至今为止，世界各国还没有能开发出一种抵抗恶劣环境的适用于镁合金基体的防护层。
为了提高金属镁的表面防腐和耐磨能力，国内外学者开发了众多的表面改性及涂/镀层工艺，如在镁合金微等离子体电解氧化膜表面复合非晶态Ni-P沉积层可获得与基体结合牢固且耐蚀抗刮伤的硬膜，是一种有效可行的技术思路。一方面，完整的镀镍层对多层陶瓷膜可起到封闭作用，避免了镁合金基体与腐蚀介质的直接接触，另一方面由于金属镍的化学稳定性好、硬度高，具有良好的耐磨和抗蚀性。但镁合金陶瓷膜具有多孔结构，直接在其表面进行化学镀，由于镀层金属比镁合金电位高，与镁合金接触后很容易发生双金属电偶腐蚀。尤其对于形状复杂或大面积镀件难以获得均匀无缺陷的镀层。这种结构缺陷的形成很容易出现局部双金属腐蚀或微观电偶腐蚀现象，造成镁合金部件力学性能的恶化，这样反而会大大加快腐蚀过程，造成灾难性的后果。
采用有机涂层涂覆也是一种常用的镁合金防护方法，有机涂层保护机理主要是屏蔽作用、钝化缓蚀作用。但是涂层一般比较薄、有孔隙且机械性能差不抗刮伤，在强腐蚀介质及高温高强度环境下容易脱落，一般只能用来短时间保护金属，不能用来做长期防护。
研究表明，可用于在镁合金表面形成防护涂层工艺虽多，但各种工艺的防腐和耐磨性能均难以达到较高水平，且涂层的结合力也往往成为一个制约因素。
发明内容
本发明在于克服现有技术的不足，提供一种在镁合金等离子氧化陶瓷膜表面制备有机涂层-化学镀层的复合涂层方法，提高镁合金防腐和耐磨的综合性能，解决了镁合金抗刮伤和耐腐蚀的防护要求。
本发明是通过下列技术方案来实施的：
一种在镁合金等离子氧化陶瓷膜表面制备有机涂层-化学镀层的复合涂层方法，首先对镁合金进行等离子阳极氧化，形成多孔陶瓷层；然后进行有机涂层的涂覆，最后通过化学镀在最外层形成高硬耐蚀的镍-磷镀层，具体包括如下步骤：
(一)镁合金表面等离子体氧化
将镁合金试样经过打磨、抛光、除油等预处理后，以去除表面氧化皮和杂质。然后将镁合金试样(作为阳极)放入电解液中采用高电压脉冲方式对试样进行等离子火花放电氧化。等离子氧化的电解液为：氢氧化钠1～3g/L，硅酸钠5～20g/L，磷酸钠5～10g/L，其余为水，均匀混合，温度为0～50℃；采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为100～2000Hz，电流密度为1～10A/dm2，氧化时间为30～120分钟，氧化膜厚度为5～40μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为30％～60％，孔径为3～10μm。
(二)涂覆有机涂层：ABS树脂涂覆或清漆涂覆
1)ABS树脂涂覆
将等离子氧化后的镁合金试样进行树脂喷涂，喷涂液组成：ABS树脂150～250g/L，溶剂为二甲基亚砜，均匀混合。喷涂工艺参数为：粉末粒度为200～400目，喷涂压力为1.5～2.5MPa，喷涂距离为20～40mm，ABS树脂涂层的厚度在1～5mm。
本发明中，按重量百分比计，ABS树脂的组成如下：丙烯腈(A)占15％～35％，丁二烯(B)占5％～30％，苯乙烯(S)占40％～60％。
2)清漆涂覆
将等离子氧化后的镁合金试样进行清漆喷涂，喷涂液组成：清漆100～200g/L，溶剂为***，均匀混合。喷涂工艺参数为：粉末粒度为200～400目，喷涂温度定为150～300℃，压力为1.5～2.5MPa，喷涂距离为10～40mm，清漆涂层的厚度在1～3mm。
本发明中，清漆是指常用的丙烯酸清漆，其重量组成可以如下：甲基丙烯酸甲酯30～50％；甲基丙烯酸丁酯10％～30％；甲基丙烯酸共聚树脂10％～30％；硝化棉5％～10％。
(三)化学镀
将涂覆ABS树脂或清漆的镁合金试样放入化学镀液中进行化学镀。化学镀液组成：碱式碳酸镍10～15g/L，次亚磷酸钠20～30g/L，柠檬酸钠3～5g/L，氟化氢铵10～15g/L，乙酸钠10～15g/L，硫脲2～4mg/L，苹果酸2～6mg/L，氨水10～20mL/L，均匀混合。化学镀镍工艺参数为：操作温度为85～90℃，化学镀时间为30～60min，获得的化学镀层厚度为8～10μm。从而，获得镁合金等离子阳化陶瓷膜表面制备有机涂层-化学镀层的复合涂层。
本发明中，在ABS树脂喷涂之前，可以对镁合金试样进行封闭处理，封闭处理的作用是，使封闭剂能填充膜层中较大的微孔，进而获得均匀的微孔表面，确保ABS树脂在膜层表面分布的弥散而细致，进而有利于化学镀层的均匀生长。封闭处理工艺为：铬酐400～420g/L，其余为水，均匀混合；温度：50～60℃，时间：30～50min。取出后，立即用自来水清洗1～3min，再用去离子水清洗1～3min。
本发明中，在采用清漆喷涂之后，可以对镁合金试样进行浸蚀处理，其作用在于对膜层表面进行活化处理以利于清漆的附着，浸蚀工艺为：在盐酸1～2％(重量浓度)的室温下浸蚀2～5秒(s)。取出后，立即用自来水清洗1～3min，再用去离子水清洗1～3min。
本发明的优点和有益效果如下：
1、通过本发明方法在镁合金等离子氧化形成的多孔陶瓷膜表面结合有机涂层和化学镀层，形成多层防护层(厚度＞30μm)，有效隔绝镁合金基体与外界腐蚀介质的接触，具有较强的防腐蚀效果，而且复合涂层结合强度大、硬度高，具有耐磨抗刮伤的性能。本发明在镁合金多层防护层的制备过程中无有害物质的使用且能量利用效率高，具有环境友好及能耗低的特点。
2、本发明适用于AZ、ZM、MB以及稀土系列的镁合金：如AZ91D、AZ31B、ZM5、ZM6、MB5以及Mg-Gd-Y等。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
1.材料准备：AZ91D镁合金切割打磨、抛光后，在丙酮溶液中用超声波清洗除油，然后在去离子水中超声清洗去除有机物及杂质。
2.等离子氧化：电解液中，氢氧化钠3g/L，硅酸钠15g/L，磷酸钠10g/L，其余为水，温度为50℃；采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为1000Hz，电流密度为5A/dm2，氧化时间为40分钟，氧化膜厚度为30μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为40％，孔径为5～10μm。
3.ABS树脂喷涂：对等离子氧化后的试样表面进行ABS树脂喷涂，喷涂液组成：ABS树脂150g/L，溶剂为二甲基亚砜。喷涂工艺参数为：粉末粒度为300目，喷涂压力为2MPa，喷涂距离为20mm，ABS树脂涂层的厚度2mm。
本实施例中，ABS树脂的重量组成A∶B∶S＝20∶30∶50。
4.化学镀镍磷
化学镀液组成：碱式碳酸镍10gg/L，次亚磷酸钠25gg/L，柠檬酸钠3gg/L，氟化氢铵15gg/L，乙酸钠10g/L，硫脲2mg/L，苹果酸4mg/L，氨水15mL/L。化学镀镍工艺参数为：操作温度为85℃，化学镀时间为50min，获得的化学镀层厚度为10μm。
由本实施例获得的复合涂层的结合强度＞30MPa，表面维氏硬度最大可达900HV，耐中性盐雾试验达2000h以上。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
1.材料准备：AZ31B镁合金切割打磨、抛光后，在丙酮溶液中用超声波清洗除油，然后在去离子水中超声清洗去除有机物及杂质。
2.等离子氧化：电解液中，氢氧化钠2g/L，硅酸钠10g/L，磷酸钠5g/L，其余为水，温度为室温。采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为1000Hz，电流密度为2A/dm2，氧化时间为60min，氧化膜厚度为15μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为30％，孔径为3～8μm。
3.清漆喷涂：对等离子氧化后的试样表面进行清漆喷涂，喷涂液组成：清漆200g/L，溶剂为***。喷涂工艺参数为：粉末粒度为400目，喷涂温度定为300℃，压力为2.5MPa，喷涂距离为30mm，清漆的厚度3mm。
本实施例中，清漆是指常用的丙稀酸清漆，其重量组成可以如下：甲基丙烯酸甲酯30％；甲基丙烯酸丁酯30％；甲基丙烯酸共聚树脂30％；硝化棉10％。
4.化学镀镍磷：
化学镀液组成：碱式碳酸镍10g/L，次亚磷酸钠25g/L，柠檬酸钠3g/L，氟化氢铵15g/L，乙酸钠15g/L，硫脲2mg/L，苹果酸5mg/L，氨水10mL/L。化学镀镍工艺参数为：操作温度为90℃，化学镀时间为60min，获得的化学镀层厚度为10μm。
由本实施例获得的复合涂层的结合强度＞35MPa，表面维氏硬度最大可达800HV，耐中性盐雾试验达1500h以上。
实施例3
与实施例2不同之处在于：
1.材料准备：ZM5镁合金切割打磨、抛光后，在丙酮溶液中用超声波清洗除油，然后在去离子水中超声清洗去除有机物及杂质。
2.等离子氧化：电解液中，电解液含氢氧化钠2g/L，硅酸钠15g/L，磷酸钠5g/L，其余为水，温度为30℃；采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为1500Hz，电流密度为8A/dm2，氧化时间为30分钟，氧化膜厚度为20μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为50％，孔径为6～10μm。
3.清漆喷涂：对等离子氧化后的试样表面进行清漆喷涂，喷涂液组成：清漆200g/L，溶剂为***。喷涂工艺参数为：粉末粒度为400目，喷涂温度定为150℃，压力为2.0MPa，喷涂距离为40mm，清漆的厚度1mm。
4.浸蚀：在盐酸1％(重量浓度)的室温下浸蚀3s。取出后，立即用自来水清洗1min，再用去离子水清洗1min。
5.化学镀镍磷：
化学镀液组成：碱式碳酸镍15g/L，次亚磷酸钠20g/L，柠檬酸钠5g/L，氟化氢铵10g/L，乙酸钠15g/L，硫脲4mg/L，苹果酸6mg/L，氨水15mL/L。化学镀镍工艺参数为：操作温度为85℃，化学镀时间为30min，获得的化学镀层厚度为8μm。
由本实施例获得的复合涂层的结合强度＞30MPa，表面维氏硬度最大可达800HV，耐中性盐雾试验达1500h以上。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
1.材料准备：ZM6镁合金切割打磨、抛光后，在丙酮溶液中用超声波清洗除油，然后在去离子水中超声清洗去除有机物及杂质。
2.等离子氧化：电解液中，氢氧化钠3g/L，硅酸钠20g/L，磷酸钠10g/L，其余为水，温度为50℃；采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为1000Hz，电流密度为4A/dm2，氧化时间为90分钟，氧化膜厚度为20μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为30％，孔径为3～8μm。
3.封闭：封闭处理液为铬酐400g/L，其余为水，温度：50℃，时间：40min。取出后，立即用自来水清洗2min，再用去离子水清洗2min。
4.ABS树脂喷涂：对等离子氧化后的试样表面进行ABS树脂喷涂，喷涂液组成：ABS树脂200g/L，溶剂为二甲基亚砜。喷涂工艺参数为：粉末粒度为400目，喷涂压力为2.0MPa，喷涂距离为30mm，ABS树脂涂层的厚度在2mm。
5.化学镀镍磷：
化学镀液组成：碱式碳酸镍10g/L，次亚磷酸钠20g/L，柠檬酸钠4g/L，氟化氢铵15g/L，乙酸钠10g/L，硫脲2mg/L，苹果酸6mg/L，氨水20mL/L。化学镀镍工艺参数为：操作温度为85℃，化学镀时间为50min，获得的化学镀层厚度为8μm。
由本实施例获得的复合涂层的结合强度＞50MPa，表面维氏硬度最大可达700HV，在3.5％NaCl溶液中涂层浸泡1000h后无起皮与鼓泡现象。
实施例5
与实施例2不同之处在于：
1.材料准备：Mg-Gd-Y镁合金切割打磨、抛光后，在丙酮溶液中用超声波清洗除油，然后在去离子水中超声清洗去除有机物及杂质。
2.等离子氧化：电解液中，氢氧化钠3g/L，硅酸钠10g/L，磷酸钠10g/L，其余为水，温度为50℃；采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为800Hz，电流密度为8A/dm2，氧化时间为100分钟，氧化膜厚度为15μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为50％，孔径为6～10μm。
3.清漆喷涂：对等离子氧化后的试样表面进行清漆喷涂，喷涂液组成：清漆150g/L，溶剂为***。喷涂工艺参数为：粉末粒度为300目，喷涂温度定为200℃，压力为2.0MPa，喷涂距离为20mm，清漆的厚度在3mm。
4.浸蚀：在盐酸1％(重量浓度)的室温下浸蚀3s。取出后，立即用自来水清洗1min，再用去离子水清洗1min。
5.化学镀镍磷：
化学镀液组成：碱式碳酸镍12g/L，次亚磷酸钠25g/L，柠檬酸钠3g/L，氟化氢铵12g/L，乙酸钠15g/L，硫脲2mg/L，苹果酸5mg/L，氨水10mL/L。化学镀镍工艺参数为：操作温度为90℃，化学镀时间为50min，获得的化学镀层厚度为10μm。
由本实施例获得的复合涂层的结合强度＞35MPa，表面维氏硬度最大可达950HV，耐中性盐雾试验达1500h以上。
实施例6
与实施例1不同之处在于：
1.材料准备：MB8镁合金切割打磨、抛光后，在丙酮溶液中用超声波清洗除油，然后在去离子水中超声清洗去除有机物及杂质。
2.等离子氧化：电解液中，氢氧化钠3g/L，硅酸钠20g/L，磷酸钠10g/L，其余为水，温度为50℃；采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为2000Hz，电流密度为5A/dm2，氧化时间为100分钟，氧化膜厚度为30μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为60％，孔径为5～10μm。
3.封闭：封闭处理液为铬酐400g/L，其余为水，温度：60℃，时间：50min。取出后，立即用自来水清洗3min，再用去离子水清洗3min。
4.ABS树脂喷涂：对等离子氧化后的试样表面进行ABS树脂喷涂，喷涂液组成：ABS树脂200g/L，溶剂为二甲基亚砜。喷涂工艺参数为：粉末粒度为200目，喷涂压力为2.5MPa，喷涂距离为30mm，ABS树脂涂层的厚度在5mm。
5.化学镀镍磷：
化学镀液组成：碱式碳酸镍15g/L，次亚磷酸钠30g/L，柠檬酸钠3g/L，氟化氢铵15g/L，乙酸钠10g/L，硫脲2mg/L，苹果酸6mg/L，氨水20mL/L。化学镀镍工艺参数为：操作温度为90℃，化学镀时间为50min，获得的化学镀层厚度为8μm。
由本实施例获得的复合涂层的结合强度＞25MPa，表面维氏硬度最大可达800HV，耐中性盐雾试验达1000h以上。
Claims (1)
1.一种镁合金等离子氧化陶瓷膜表面复合涂层制备方法，其特征在于，首先对镁合金表面进行等离子阳极氧化，在镁合金表面形成多孔陶瓷膜，再进行有机涂层涂覆，然后进行化学镀镍-磷处理；
将镁合金试样经过打磨、抛光、除油预处理后，然后将镁合金试样作为阳极放入电解液中采用高电压脉冲方式对试样进行等离子火花放电氧化；
所述等离子阳极氧化的电解液为：氢氧化钠1～3g/L，硅酸钠5～20g/L，磷酸钠5～10g/L，其余为水，温度为0～50℃；采用脉冲方式进行氧化，脉冲频率为100～2000Hz，电流密度为1～10A/dm2，氧化时间为30～120分钟，氧化膜厚度为5～40μm，该氧化膜为多孔陶瓷膜，孔隙率为30％～60％，孔径为3～10μm；
所述有机涂层涂覆采用ABS树脂涂覆或清漆涂覆；
所述ABS树脂涂覆，喷涂液组成：ABS树脂150～250g/L，溶剂为二甲基亚砜；喷涂工艺参数为：粉末粒度为200～400目，喷涂压力为1.5～2.5MPa，喷涂距离为20～40mm，ABS树脂涂层的厚度在1～5mm；
按重量百分比计，ABS树脂的组成为：丙烯腈占15％～35％，丁二烯占5％～30％，苯乙烯占40％～60％；
所述清漆涂覆，喷涂液组成：清漆100～200g/L，溶剂为***；喷涂工艺参数为：粉末粒度为200～400目，喷涂温度定为150～300℃，压力为1.5～2.5MPa，喷涂距离为10～40mm，清漆的厚度在1～3mm；
所述清漆是指丙烯酸清漆，其重量组成为：甲基丙烯酸甲酯30～50％；甲基丙烯酸丁酯10％～30％；甲基丙烯酸共聚树脂10％～30％；硝化棉5％～10％；
所述化学镀液组成：碱式碳酸镍10～15g/L，次亚磷酸钠20～30g/L，柠檬酸钠3～5g/L，氟化氢铵10～15g/L，乙酸钠10～15g/L，硫脲2～4mg/L，苹果酸2～6mg/L，氨水10～20mL/L；化学镀镍工艺参数为：操作温度为85～90℃，化学镀时间为30～60min，获得的化学镀层厚度为8～10μm。
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