專利名稱：一種鎂合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種鎂合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，密度只有1.74g/cm3，比強(qiáng)度和比剛度 都較高，且還具有切削加工性和電磁屏蔽性好、回收率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用 于汽車工業(yè)、航空航天以及電子產(chǎn)品等許多領(lǐng)域。特別是近十年來，3C
(Computer、 Communication、 Customer electronics products)產(chǎn):品發(fā)展迅速， 這類產(chǎn)品往往要求便攜性，故需要輕質(zhì)量的材料。北美以及臺灣地區(qū)己將鎂 合金廣泛的使用在3C產(chǎn)品上，但是鎂及鎂合金的耐蝕性差、表面難著色等問 題限制了其作為3 C產(chǎn)品材料的使用。
目前，鎂合金表面裝飾的方法主要有電鍍及陽極氧化兩種方法。采用電 鍍法制備彩色裝飾膜得到的色彩比較單一，顏色種類少；而采用陽極氧化得 到的裝飾膜往往耐蝕性差，而且很不耐磨。為了同時解決色彩單一并提高耐 蝕性，有人提出在難著色金屬上先PVD純Ti層，然后再著色的方法，但是鎂 的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡诳諝庵泻芸炀湍茉诒砻嫦虬l(fā)生成一層疏松多孔的氧 化膜，所以即使是剛剛拋光好的鎂合金樣品，表面馬上就會由于氧化膜的生 成而變得暗淡無光。在這樣的表面上進(jìn)行PVD吋，很難獲得令人滿意的裝飾 效果，隨后的著色工藝也自然沒法保證能夠得到光亮的彩色膜，而且直接在 鎂合金上PVD涂層的耐蝕性差，很難滿足實際需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的l l的是為了克服現(xiàn)冇技術(shù)屮的鎂合金材料耐蝕性差、農(nóng)面外觀效果較差的缺點，提供一種耐蝕性好、表面外觀效果較好的鎂合金材料及其 制備方法。
本發(fā)明提供的鎂合金材料包括鎂合金基材和位于鎂合金基材上的賦色 層，其中，該鎂合金材料還包括過渡金屬層，所述過渡金屬層位于鎂合金基 材與賦色層之間，所述過渡金屬層為由在空氣中呈惰性的一種或幾種金屬形 成的薄層。
本發(fā)明提供的鎂合金材料的制備方法包括在鎂合金基材上形成賦色層， 其中，該方法還包括在鎂合金基材上形成賦色層之前先在鎂合金基材上形成 過渡金屬層，所述過渡金屬層為由在空氣中呈惰性的一種或幾種金屬形成的薄層。
本發(fā)明提供的鎂合金材料由于不僅包括賦色層，還包括位于鎂合金基材 與賦色層之間的過渡金屬層，從而有效提高了賦色層在鎂合金基材上的附著 力，從而保證了鎂合金材料表面的光亮色彩。另外，由于本發(fā)明的鎂合金材 料具有過渡金屬層，因而能夠大大提高賦色層的厚度，從而當(dāng)賦色層為鈦和 /或不銹鋼的氧化膜時，本發(fā)明的鎂合金材料可以具有各種不同的色彩。
本發(fā)明提供的鎂合金材料的制備方法由于先在鎂合金基材上負(fù)載過渡 金屬層，然后再形成賦色層，從而保證了賦色層在鎂合金基材上的附著力， 進(jìn)而保證能夠得到具有光亮彩色膜的鎂合金材料。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明提供的鎂合金材料，所述過渡金屬層可以是由在空氣中呈惰
性的-種或兒種金屬形成的薄層，例如，可以是由Ni、 Cu、 Cr屮的,中和 兒種形成的薄層，優(yōu)選為由Ni、 Cu和Cr的-種或幾種形成的薄層。盡管各 種厚皮的過渡金屬層均可實現(xiàn)本發(fā)明的l二l的，但優(yōu)選情況下，所述過渡金屬 層的厚度為5-40微米，優(yōu)選為10-20微米。所述賦色層可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的各種賦色層，例如可以是常規(guī) 使用的鈦和/或不銹鋼的氧化膜層。所述賦色層的厚度可以為本領(lǐng)域常規(guī)的各
種厚度，例如可以為0.1-5微米，優(yōu)選為0.1-3微米。由于本發(fā)明提供的鎂合 金材料的耐蝕層還包括過渡金屬層，大大提高了賦色層對鎂合金基材的附著 力，因此賦色層的厚度可以比現(xiàn)有技術(shù)的更大，從而能夠為鎂合金基材的色 彩提供更大的選擇范圍。特別的是本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的是，鈦和/或不銹鋼 的氧化膜的厚度不同，則顯示的外觀顏色也不同，因此，當(dāng)鈦和/或不銹鋼的 氧化膜層為本發(fā)明的賦色層時，本發(fā)明提供的鎂合金材料可以具有各種豐富 的色彩，例如，可以為茶色、藍(lán)色、青色、綠色、黃色或橙色。
所述鎂合金基材可以是現(xiàn)有技術(shù)中的各種鎂合金，其中鎂和其中的形成 合金的元素的含量比例可以在本領(lǐng)域公知的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。例如，所述鎂 合金基材可以是Mg-Al合金、Mg-Al-Zn合金、Mg-Al-Mn合金、Mg-Zn-Zr 合金、Mg-稀土元素以及Mg-Zn-稀土元素。具體的可以為商品型號為AZ91、 AZ31、 AZ61、 AM60或AM120的鎂合金基材。
根據(jù)本發(fā)明提供的鎂合金材料的制備方法，在鎂合金基材上負(fù)載過渡金 屬層的方法可以是化學(xué)鍍或電鍍的方法?；瘜W(xué)鍍或電鍍的條件和鍍液的組成 由具體的鍍層決定，當(dāng)所需的過渡金屬鍍層確定后，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本 發(fā)明的教導(dǎo)很容易選擇合適的鍍覆方法、條件和具體的鍍液。例如，當(dāng)所需 的過渡金屬鍍層為Ni層時，可以釆用化學(xué)鍍的方法，化學(xué)鍍鎳的條件包括 鍍液為濃度為10-50克/升的硫酸鎳和濃度為25-35克/升的次亞磷酸鈉溶液的 混合溶液，化學(xué)鍍鎳的溫度可以為80-90°C，化學(xué)鍍鎳的時間可以為30分鐘 至1個小時。當(dāng)所需的過渡金屬鍍層為Cu層時，可以釆用化學(xué)鍍的方法， 化學(xué)鍍銅的條件包括鍍液為濃度為120-180克/升的硫酸銅和濃度為50-70克 /升的硫酸溶液的混合溶液，化學(xué)鍍銅的溫度可以為10-45分鐘，電流密度可 以為l-3安/平方分米，化學(xué)鍍銅的時間為30分鐘至2小吋。當(dāng)所需的過渡金屬鍍層為Cr層時，可以采用電鍍的方法，電鍍鉻的條件包括鍍液可以為 濃度為150-180克/升的鉻酐、濃度為1.5-1.8克/升的硫酸、濃度為0.6-0.9克
/升的氟硅酸鉀，溫度可以為55-60°C，電流密度可以為30-50安/平方分米， 時間可以為10-60分鐘。
根據(jù)本發(fā)明提供的方法，所述在鎂合金基材上形成賦色層的方法可以是 本領(lǐng)域公知的各種方法。例如，當(dāng)所述賦色層為鈦和域不銹鋼的氧化膜層時， 所述在鎂合金基材上形成賦色層的方法可以是在鎂合金基材上形成純鈦和/ 或不銹鋼層，然后將純鈦和/或不銹鋼層全部或者部分氧化成鈦和/或不銹鋼 的氧化膜層。因此，需要特別說明的是，當(dāng)純鈦和/或不銹鋼層部分被氧化成 相應(yīng)的鈦和/或不銹鋼的氧化膜層時，本發(fā)明提供的鎂合金材料還包括純鈦和 /或不銹鋼層。在鎂合金基材上形成純鈦和/或不銹鋼層的方法可以是已為本 領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的物理沉積法(PVD)。沉積的厚度使得能夠得到所需 厚度的賦色層，例如可以為100納米至5微米。物理氣相沉積的條件和具體 操作已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如，物理氣相沉積參數(shù)包括工作氣體 可以為氬氣，流量可以為40-80毫升/分鐘，偏壓可以為大于0伏至200伏特， 占空比可以為30-70%，沉積時間可以為0.5-2小時。
將純鈦和/或不銹鋼層轉(zhuǎn)化為賦色層即鈦和/或不銹鋼的氧化膜層的方法 可以是電化學(xué)著色法，即將獲得的純鈦和/或不銹鋼層放入堿性介質(zhì)中進(jìn)行著 色。所述堿性介質(zhì)可以是濃度為0.1-2摩爾/升的NaOH、 KOH中的一種或幾 種。著色的條件由賦色層的厚度或所需的顏色確定。優(yōu)選情況下，著色的條 件包括電壓可以為0-200伏特，優(yōu)選為5-40伏特，溫度可以為20-60°C，著 色時間可以為1分鐘至2小時。當(dāng)賦色層為鈦和/或不銹鋼的氧化膜層時，通 過控制不同的電壓，得到彩色裝飾膜的顏色不同；提高電壓，nf以依次得到 茶色、藍(lán)色、青色、綠色、黃色和橙色的賦色層。
根據(jù)本發(fā)明提供的方法，優(yōu)選情況下，該方法還包括在形成過渡金屬層之前，先將鎂合金基材進(jìn)行機(jī)械拋光、表面除油等前處理。表面除油可以通 過將鎂合金基材放入丙酮中進(jìn)行超聲清洗來進(jìn)行。所述機(jī)械拋光和表面除油 的方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，在此不再贅述。
根據(jù)本發(fā)明提供的方法，優(yōu)選情況下，該方法還包括在進(jìn)行電化學(xué)著色 前先進(jìn)行電化學(xué)著色前處理。所述電化學(xué)著色前處理優(yōu)選包括化學(xué)除油和浸
蝕酸洗。所述化學(xué)除油的除油劑可以是含有20-40克/升NaOH、 20-30克/升 碳酸鈉、50-70克/升十二水合磷酸鈉的混合溶液，除油的溫度可以為40-50 °C。所述浸蝕酸洗的浸蝕液可以是含有20-50毫升/升HF、 30-70毫升/升乙 二醇的混合溶液。
根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，本發(fā)明提供的鎂合金材料的制備方法包括 如下步驟(O制備過渡金屬層利用電鍍或化學(xué)鍍的方法在鎂合金上沉積 一層金屬層；(2)利用物理沉積技術(shù)在過渡金屬層上沉積一層純鈦或不銹鋼 層；(3)電化學(xué)著色在20-5(TC溫度下，通過提高電壓，可以實現(xiàn)不同顏 色。
本發(fā)明的基本原理如下由于鎂合金化學(xué)性質(zhì)非常活潑，直接在鎂合金 上進(jìn)行物理氣相沉積是很難得到光亮PVD純鈦層和/或不銹鋼層的，如果在 PVD之前，能夠通過其他方法預(yù)先沉積一層金屬層，然后再進(jìn)行PVD，則 效果會有明顯改善。而鈦是經(jīng)常用作著色處理的理想材料，因此在這些難著 色的金屬上先用物理沉積的方法先沉積一層純鈦，然后再進(jìn)行著色處理，應(yīng) 該是解決這 - 問題的好辦法。
根據(jù)鈦或不銹鋼著色的原理，禾擁氧化過程屮生成氧化膜厚皮的不同， 而顏色不同的現(xiàn)象對其進(jìn)行著色，可以得到不同的顏色。
本發(fā)明提供的方法的優(yōu)點是工藝成熟、成本低、對工件形狀的要求很低 且可以實現(xiàn)多種不同的顏色，因此應(yīng)用范l韋l很廣。通過控制電Jk，可以獲得 不同顏色的裝飾膜，它1,整、光滑、均勻，與基體的粘附性強(qiáng)，裝飾性及耐蝕性都得到極大提高。本發(fā)明工藝簡單、成熟，易于推廣，具有很廣闊的應(yīng) 用前景。
下面以AZ91為鎂合金基材的實施例將對本發(fā)明做進(jìn)一歩的說明。
本實施例用于說明本發(fā)明提供的鎂合金材料及其制備方法。
將AZ91鎂合金進(jìn)行機(jī)械拋光，然后在丙酮中進(jìn)行表面超聲清洗，除去 表面的油漬并烘干后依次進(jìn)行化學(xué)鍍鎳、化學(xué)鍍銅和離子鍍鈦?；瘜W(xué)鍍鎳的 條件包括鍍液為40克/升的NiS04和30克/升的次亞磷酸鈉溶液，溫度為85 "C條件，鍍鎳的時間為40分鐘，得到鎳層的厚度為15微米；化學(xué)鍍銅的條 件包括鍍液為140克/升的CuSO4、 60克/升的H2SO4，溫度為35"C、電流密 度為2安/平方分米，化學(xué)鍍銅的時間為40分鐘，得到銅層的厚度為10微米； 離子鍍鈦的條件包括氬氣為工作氣體，氬氣的流量為60毫升/分鐘，偏壓為 200伏特，占空比為40%，沉積時間為l小時，得到鈦層的厚度為l微米。 然后將表面鍍有鎳層、銅層和鈦層的上述AZ91鎂合金依次在含有30克/升 氫氧化鈉、25克/升碳酸鈉和60克/升Na3P(V12H20的除油劑中在45"C下進(jìn) 行化學(xué)除油和在含有40毫升/升HF、 50毫升/升乙二醇的浸蝕液中進(jìn)行浸蝕 酸洗以除掉表面氧化膜。然后再將鎂合金放入作為電解液的1摩爾/升的 NaOH溶液中在室溫下進(jìn)行電化學(xué)著色，著色的條件包括電源為直流電，電 壓為5伏特，時間為20秒，得到茶色膜。之后再在含有250克/升Cr03、 270 克/升H2S04的堅膜液中在室溫卜_浸漬20分鐘進(jìn)行堅膜處理。將經(jīng)過堅膜處 理的上述鎂合金在9(TC去離于水屮浸漬15分鐘進(jìn)行封閉處理，得到本發(fā)明 提供的鎂合金材料。
9對比例1
該對比例用于說明現(xiàn)有技術(shù)的鎂合金材料及其制備方法。
按照實施例1的方法制備鎂合金材料，不同的是不對AZ91鎂合金進(jìn)行 化學(xué)鍍鎳和化學(xué)鍍銅，而是在進(jìn)行機(jī)械拋光，然后在丙酮中進(jìn)行表面超聲清 洗，除去表面的油漬并烘干后直接在上述條件下進(jìn)行離子鍍鈦。
實施例2
本實施例用于說明本發(fā)明提供的鎂合金材料及其制備方法。 按照實施例1的方法制備鎂合金材料，不同的是在化學(xué)鍍銅后和離子鍍
鈦前先電鍍白鉻，得到的白鉻層的厚度為2微米，以及電化學(xué)著色的電壓為
12伏特，得到黃色膜。
實施例3
本實施例用于說明本發(fā)明提供的鎂合金材料及其制備方法。 按照實施例1的方法制備鎂合金材料，不同的是在化學(xué)鍍銅后和離子鍍 鈦前先電鍍白鉻，得到的白鉻層的厚度為2微米，以及電化學(xué)著色所用電解 液為濃度為0.2摩爾/升NaOH溶液和濃度為0.6摩爾/升的偏鋁酸鈉溶液，直 流電源的電壓為15伏特，電化學(xué)著色的時間為15秒，得到黃紅色膜。
實施例4
本實施例用于說明本發(fā)明提供的鎂合金材料及其制備方法。 按照實施例1的方法制備鎂合金材料，不同的是在化學(xué)鍍銅后和離子鍍 鈦前先電鍍白鉻，得到的白鉻層的厚度為2微米，以及電化學(xué)著色所用電解 液為濃度為0.2摩爾/升NaOH溶液和濃設(shè)為0.6摩爾/升的偏鋁酸鈉溶液，直 流電源的電壓為40伏特，電化學(xué)著色的時間為20秒，得到藍(lán)色膜。實施例5-8
下述實施例用于說明本發(fā)明提供的鎂合金材料的耐蝕性。 按照以下方法對由上述實施例1-4獲得的鎂合金材料的耐蝕性進(jìn)行測 試用濃度為5重量％的NaCl溶液在35"C條件下對鎂合金材料連續(xù)噴霧8 小時，移出，放置4(TC烘箱中16小時進(jìn)行干燥，然后觀察鎂合金材料的表 面，結(jié)果如表1所示。
對比例2
該對比例用于說明現(xiàn)有技術(shù)的鎂合金材料的耐蝕性。 按照上述實施例5-8的方法對由對比例1獲得的鎂合金材料進(jìn)行耐蝕性 測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎂合金材料的表面不完整，有大面積的脫落及點蝕現(xiàn)象發(fā)生，
結(jié)果如表1所示。 表1
實施例編號鎂合金材料來源表而狀態(tài)
實施例5實施例1表面完整，無脫落及點蝕現(xiàn)象
實施例6實施例2表面完整，無脫落及點蝕現(xiàn)象
實施例7實施例3表而完整，無脫落及點蝕現(xiàn)象
實施例8實施例4表面完整，無脫落及點蝕現(xiàn)象
對比例2對比例1表面不完整，人人而積無脫落及點蝕現(xiàn)象
從上表l可以看出，本發(fā)明提供的鎂合金材料具有非常好的耐蝕性，而 現(xiàn)有技術(shù)的鎂合金材料的耐蝕性則相對較差。
權(quán)利要求
1、一種鎂合金材料，該材料包括鎂合金基材和位于鎂合金基材上的賦色層，其特征在于，該鎂合金材料還包括過渡金屬層，所述過渡金屬層位于鎂合金基材與賦色層之間，所述過渡金屬層為由在空氣中呈惰性的一種或幾種金屬形成的薄層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金材料，其中，所述過渡金屬層為由鎳、 銅和鉻中的一種或幾種形成的薄層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金材料，其中，所述過渡金屬層的厚度 為5-40微米，所述賦色層的厚度為0.1-5微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的鎂合金材料，其中，所述賦色層為鈦和/ 或不銹鋼的氧化膜層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金材料，其中，該材料還包括鈦和/或不 銹鋼層，所述鈦和/或不銹鋼層位于賦色層和過渡金屬層之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的鎂合金材料，其中，所述鈦和/或不銹鋼層的 總厚度為0.1-3微米。
7、 一種鎂合金材料的制備方法，該方法包括在鎂合金基材上形成賦色 層，其特征在于，該方法還包括在鎂合金基材上形成賦色層之前先在鎂合金 基材上形成過渡金屬層，所述過渡金屬層為山在空氣中呈惰性的,中或兒種 金屬形成的薄層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述過渡金屬層為由鎳、銅和 鉻中的一種或幾種形成的薄層，所述在鎂合金基材上形成過渡金屬層的方法 為電鍍和/或化學(xué)鍍。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述賦色層為鈦和/或不銹鋼的氧化膜層，所述在鎂合金基材上形成賦色層的方法包括在鎂合金基材的具有 過渡金屬層的表面沉積鈦和/或不銹鋼，然后進(jìn)行電化學(xué)著色。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述沉積的方法為磁控濺射或 多弧離子鍍法。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述電化學(xué)著色的條件包括著 色液為堿性介質(zhì)，電壓為大于0伏至200伏，溫度為20—50°C，時間為1秒 至2小時。
全文摘要
一種鎂合金材料，該材料包括鎂合金基材和位于鎂合金基材上的賦色層，其中，該鎂合金材料還包括過渡金屬層，所述過渡金屬層位于鎂合金基材與賦色層之間，所述過渡金屬層為由在空氣中呈惰性的一種或幾種金屬形成的薄層。本發(fā)明還提供的鎂合金材料的制備方法。本發(fā)明提供的鎂合金材料由于不僅包括賦色層，還包括位于鎂合金基材與賦色層之間的過渡金屬層，從而有效提高了賦色層在鎂合金基材上的附著力，從而保證了鎂合金材料表面的光亮色彩。另外，由于本發(fā)明的鎂合金材料具有過渡金屬層，因而能夠大大提高賦色層的厚度，從而當(dāng)賦色層為鈦和/或不銹鋼的氧化膜時，本發(fā)明的鎂合金材料可以具有各種不同的色彩。
文檔編號C23C30/00GK101422976SQ20071018208
公開日2009年5月6日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者趙惠玲, 趙敬棋, 梁 陳 申請人:比亞迪股份有限公司