CN105331941B - 一种在铜、铜合金、锌和锌合金表面微弧氧化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在铜、铜合金、锌和锌合金表面微弧氧化方法，该方法先用磁控溅射法在铜、铜合金、锌或锌合金表面制备铝膜，再用微弧氧化法对所述铝膜进行处理，得到氧化铝陶瓷膜。经过磁控溅射处理后的非阀金属再进行微弧氧化得到的氧化铝陶瓷膜，耐磨性提高了10倍以上，抗腐蚀性也大大地增强了；解决了非阀金属不能使用微弧氧化法制备陶瓷膜或制备的陶瓷膜性能很差的技术问题。

Description

一种在铜、铜合金、锌和锌合金表面微弧氧化方法
技术领域
本发明涉及一种在铜、铜合金、锌和锌合金表面微弧氧化方法，属于电化学领域。
背景技术
众所周知，只有阀金属（铝、镁、锆、钛等）才能直接在表面进行微弧氧化处理，而铜、铁、锌等非阀金属不能直接在表面进行微弧氧化，需要进行二次处理，但大部分二次处理后再进行的微弧氧化膜层都会出现于基体附着不牢，膜层耐磨性差等特点。
由于铜基复合材料具有很高的导电、导热性能，可望被应用在要求兼备高传导性与耐磨性领域，在实际应用中铜基复合材料作为导电元件往往要与各种材料进行滑动接触，材料的磨损包括复合材料自身和配对偶件的磨损是值得关注的重要问题，它直接影响到整个滑动电接触***的正常工作，所以这些部件往往要求材料在具有较高导电性、导热性的同时，还要具备优良的耐磨性，因此，对该类复合材料的摩擦磨损行为进行深入研究具有重要的理论和现实意义。同样，对于锌和锌合金材料，其耐磨和耐腐蚀性能也需要进一步提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是，通过微弧氧化的方法在铜、铜合金、锌和锌合金表面制备氧化铝陶瓷膜，提高这些金属的耐磨性和耐腐蚀性。
本发明的技术方案是，提供一种在铜、铜合金、锌和锌合金表面微弧氧化方法，先用磁控溅射法在铜、铜合金、锌或锌合金表面制备铝膜，再用微弧氧化法对所述铝膜进行处理，得到氧化铝陶瓷膜。
进一步地，所述铝膜的厚度为6-200微米。
进一步地，所述铝膜的厚度为40-60微米。
进一步地，所述微弧氧化法的具体参数为：以制备有铝膜后的铜、铜合金、锌或锌合金作阳极，钢板作阴极；电解液的浓度为10-70g/L，温度20-30℃；电源参数设置为：正电流为2-10A/dm2，负电流为1-9A/dm2，正负占空比为10%-30%，频率为1000-3000Hz。
进一步地，所述电解液为12-60g/L的铝酸盐、磷酸盐或硅酸盐与1-5g/L的氢氧化钾组成。
进一步地，所述铝酸盐、磷酸盐和硅酸盐均为钠盐。
微弧氧化技术作为一门在基体表面原位生长的附着力非常强的近年来兴起的表面处理技术，在提高铝合金及其锆合金的耐磨与耐腐性方面效果非常显著，但铜、锌及其合金不能进行常规的微弧氧化处理。
在微弧氧化之前在铜、锌及其合金表面镀一层铝膜，镀膜方法很多，有喷涂、热浸渡等，但这些方法镀的薄膜与基体附着力不牢靠，即使微弧氧化后对铜、锌或其合金的耐磨性、耐腐蚀性的提高也不明显。
本发明所采用的磁控溅射作为一种溅射镀膜的方法，溅射的薄膜与基体附着力牢靠，并且可以控制溅射薄膜厚度的优点，经过微弧氧化处理后能够得到一层附着力很强的氧化铝陶瓷膜，可极大的增强膜层的耐磨性。
我们采用的先用的磁控溅射的方法先在基体表面溅射一层纯铝膜后再微弧氧化的方法能极大的增强非阀金属的耐磨性能，可以在很大程度上延长材料的使用寿命，节约材料。
为了提高膜层性能，我们设计了如下的技术方案，具体步骤如下：
1、把铜、铜合金、锌或锌合金样品分别用60#至5000#的SiC砂纸打磨，再用抛光布抛光，并用酒精，去离子水冲洗。
2、把抛光后的铜、铜合金、锌或锌合金样品进行磁控溅射，可以根据要求溅射一层6至200微米的纯铝薄膜，根据用途具体使用哪种厚度的膜层。
3、把磁控溅射后的样品用环氧树脂密封，露出镀有铝膜的面积。
4、配制电解液：铝酸盐（12-60g/L）和氢氧化钾（1-5g/L)的混合液。把电解液放置在循环冷却槽中保持电解液温度在（20-30）℃。
5、设置微弧氧化电源参数，正电流为（2-10）A/dm2，负电流设置为（1-9）A/dm2，正负占空比设置为10%-30%，频率维持在（1000-3000）Hz。
6、把铜、铜合金、锌或锌合金样品做阳极，钢板做阴极，打开电源反应（4-10）min。
7、取出样品，用清水冲洗，再用去离子水冲洗，烘干即可。此时便在铜、铁、锌及其合金表面形成了一层高耐磨的氧化铝陶瓷膜。
本发明的有益效果是，经过磁控溅射处理后的铜、铜合金、锌或锌合金再进行微弧氧化得到的氧化铝陶瓷膜，耐磨性提高了10倍以上，抗腐蚀性也大大地增强了；解决了铜、铜合金、锌和锌合金不能使用微弧氧化法制备陶瓷膜或制备的陶瓷膜性能很差的技术问题。
附图说明
图1表示实施例1得到的黄铜样品与对比例1的黄铜基体分别在50N和10N的载荷下摩擦30min后形成的磨痕深度对比图。
图2表示实施例1得到的黄铜样品与对比例1的黄铜基体分别在3.5%的NaCl电解液中的极化曲线对比图。
具体实施方式
下面分别以铜、铜合金、锌和锌合金为例，进行微弧氧化处理，对本发明的技术效果作进一步说明。
实施例1：把黄铜抛光后经过磁控溅射形成一层40微米左右的纯铝薄膜，经过环氧树脂密封后，把黄铜放在浓度为32g/L铝酸钠加1g氢氧化钾中，设置电解参数为正电流0.6A/cm2 负电流为0.5A/cm2，正负占空比为20%，频率为1000Hz。以溅射纯铝薄膜后黄铜做阳极，钢板做阴极，反应5min，就可以在黄铜表面形成一层致密的耐磨性氧化铝陶瓷膜，得黄铜样品。
将实施例1得到的黄铜样品进行耐磨性和耐腐蚀性测试，其主要测试仪器如下：
TT260 履层测厚仪：北京时代之峰科技有限公司。可用来测量膜层的厚度；
MIS800型离子束磁控溅射复合镀膜设备：沈阳市科友真空技术研究所；
X 射线衍射仪：（产地日本，型号为 Rigaku D/MAX 2500）。检测膜层相的组成；
CETR UMT-3 摩擦仪：采用球-膜快式摩擦试验，检测样品耐磨性；
光学轮廓仪（Wyko NT 9100, VEECO Instruments Inc.）：检测磨痕深度；
CHI660电化学工作站（上海辰华仪器公司）：检测膜的耐腐蚀性。
对比例1：在相同的条件下，以黄铜基体（即不进行处理的黄铜）作为对比进行测试。实验结果如图1和图2所示，图1表示的实施例1得到的黄铜样品在50N下摩擦30min所得到的磨痕图和对比例1的黄铜基体在10N下摩擦30min所得到的磨痕图对比图。
从图中可以看出，在此种参数设置下，实施例1在50N下的磨痕深度为15.6微米，而仅在以10N下摩擦30min的对比例1的磨痕深度为34.5微米，经简单的换算认为其耐磨性提高了11倍。
图2表示实施例1得到的黄铜样品与对比例1的黄铜基体在3.5%的NaCl电解液中的极化曲线对比图。实施例1的耐腐蚀性电流与对比例1的黄铜基体的耐腐蚀性电流相比减少了2个数量级，曲线越往左移，表示耐腐蚀性越好，电流密度也就越小。
实施例2：按实施例1的条件对铜进行本发明的微弧氧化处理，其中先经磁控溅射制备的铝膜厚度为60微米。与相应未经处理的铜对比耐磨性约提高17倍，耐腐蚀性电流相比减少了约3个数量级。
实施例3：按实施例1的条件对锌进行本发明的微弧氧化处理，其中先经磁控溅射制备的铝膜厚度为45微米。与相应未经处理的锌对比耐磨性约提高12倍，耐腐蚀性电流相比减少了约2个数量级。
实施例4：按实施例1的条件对锌合金进行本发明的微弧氧化处理，其中先经磁控溅射制备的铝膜厚度为50微米。与相应未经处理的锌合金对比耐磨性约提高15倍，耐腐蚀性电流相比减少了约2.5个数量级。
虽然磁控溅射制备的铝膜达到6微米即可进行微弧氧化，本发明发现铝膜的达到40-60微米时，耐磨和耐腐蚀性能既可达到较佳水平，虽可继续增大铝膜的厚度，但会增加工艺成本。

Claims (4)

1.一种在铜、铜合金、锌、锌合金表面微弧氧化方法，其特征在于，先用磁控溅射法在铜、铜合金、锌或锌合金表面制备铝膜，再用微弧氧化法对所述铝膜进行处理，得到氧化铝陶瓷膜；所述微弧氧化法的具体参数为：以制备有铝膜后的铜、铜合金、锌或锌合金作阳极，钢板作阴极；温度20-30℃；电源参数设置为：正电流为2-10A/dm2，负电流为1-9A/dm2，正负占空比为10%-30%，频率为1000-3000Hz；电解液为32-60g/L的铝酸盐与1-5g/L的氢氧化钾组成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝膜的厚度为6-200微米。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝膜的厚度为40-60微米。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝酸盐为钠盐。
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