專利名稱：制備氧化鋁基陶瓷涂層的涂料及其涂覆方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械工程表面處理技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及用于鋁合金材料的表面強(qiáng)化和表面保護(hù)的一種表面涂層制備方法。
目前已知的在鋁合金基體上制備陶瓷涂層的方法有微弧氧化法，電化學(xué)法，激光處理法，熱噴涂技術(shù)等。其中一些方法需要復(fù)雜的設(shè)備，而另一些或者工藝難于控制，或者涂層形成溫度過高，其應(yīng)用都受到一定的局限。
原位熱化學(xué)反應(yīng)法是近年來發(fā)展起來的一類新型表面處理技術(shù)。原位反應(yīng)類型很多，其中包括原位分解反應(yīng)、原位加和反應(yīng)及原位置換反應(yīng)。這種涂層制備技術(shù)的提出為在相對較低溫度下形成陶瓷涂層提供了發(fā)展方向。其特點(diǎn)為涂層制備技術(shù)及工藝條件相對簡單；低成本，應(yīng)用范圍廣；所需溫度較低；可獲得與基體結(jié)合良好的涂層；涂層厚度可控制，涂層性能可根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化。穆柏春等利用原位置換反應(yīng)法以Al2O3，MgO和ZrSiO4為原料制備出了ZrO2，Al6Si2O13和MgAl2O4等復(fù)相陶瓷涂層。曾愛香等采用原位反應(yīng)法制備了α-Al2O3，TiO2，F(xiàn)e3B和Al4Ti2SiO12復(fù)相陶瓷涂層。但兩者涂層的形成溫度較高，為800℃左右。Church在其專利(United State Patent No.3734767)中通過對有孔陶瓷基體材料進(jìn)行反復(fù)的化學(xué)涂覆和加熱處理，使作為溶劑的化合物就地轉(zhuǎn)化，經(jīng)多次循環(huán)后在表面形成具有一定厚度的新的高硬度陶瓷材料(莫氏硬度可達(dá)9)，處理溫度一般為316℃～538℃(600°F～1000°F)，循環(huán)次數(shù)達(dá)11次。Collis報告了針對金屬基體材料的原位熱化學(xué)涂層制備方法，涂層制備過程類似于前述Church的方法，使用水基溶液對基體進(jìn)行多次涂覆和加熱處理，處理溫度為500℃。兩者存在的共同問題仍然是后處理溫度過高和循環(huán)次數(shù)較多。過高的處理溫度必然會對鋁合金基體材料的性能造成很不利的影響。針對這個問題，本發(fā)明者在較早的發(fā)明中利用氧化鉻的價態(tài)轉(zhuǎn)化原理已經(jīng)在200℃條件下在鋁合金基體上制備出了氧化鉻基陶瓷涂層，并對涂層的形成機(jī)理、涂層結(jié)構(gòu)以及涂層在常溫及高溫(400℃)條件下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了初步研究，取得了較為滿意的結(jié)果。但由于生成氧化鉻涂層的前驅(qū)體通常是含有能對環(huán)境造成嚴(yán)重污染的六價鉻的可溶性鉻化合物，這就大大限制了這一方法的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)或者涂層形成溫度過高或者涂層物質(zhì)對環(huán)境造成污染等不足。為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明用無污染的一水硬鋁石取代六價鉻化合物作為前驅(qū)體，開發(fā)出了一種新型的涂料及其涂覆方法。利用上述涂料及其涂覆方法，可在鋁合金基體上制備氧化鋁基陶瓷涂層。本發(fā)明具有涂層處理溫度低(對基體材料的熱影響小)、工藝條件相對簡單、成本低、耐磨、耐蝕、耐熱、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出的用于在鋁合金表面制備氧化鋁基陶瓷涂層的涂料制備方法，其特征包括以下具體步驟1、配制溶液A
按照下列配方稱取氫氧化鋁，磷酸和水，混合均勻后加熱至100-120℃以上，攪拌，保溫1小時以上，得所需溶液。
磷酸(H3PO4)60-140ml/l氫氧化鋁(Al(OH)3) 20-45g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量2、配制溶液B按照下列配方稱取硅酸鈉，磷酸和水，混合均勻后靜置24小時以上，得所需溶液。
磷酸(H3PO4)5-20ml/l硅酸鈉(Na2SiO3)3-12g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量3、首先按下述配方稱取經(jīng)過預(yù)處理的一水硬鋁石粉末，再與陶瓷和其它材料的固體微粒充分混合，然后加入溶液A、B，攪拌均勻，得到所需要的涂料S。
一水硬鋁石β-AlOOH200-500g/l氧化鋁Al2O3100-400g/l氧化鈦TiO20-80g/l氧化鈰CeO20-10g/l溶液A250-450ml/l溶液B與溶液A同體積水H2O 補(bǔ)足余量所述的一水硬鋁石預(yù)處理可采用以下方法首先用鹽酸水溶液清洗去除雜質(zhì)，然后在60℃的環(huán)境溫度下烘干，再在400℃下煅燒10分鐘。
本發(fā)明采用上述涂料的涂覆方法，其特征在于，將上述涂料以刷涂或噴涂的方式涂覆于鋁合金表面上，在200-220℃環(huán)境溫度下加熱處理。循環(huán)上述涂覆和加熱處理過程，在基體表面形成涂層。具體包括以下步驟1、采用機(jī)械打磨和堿液除油清潔基體表面，然后采用酸洗法活化基體表面；2、將涂料以刷涂或噴涂的方式均勻地施于基體表面，厚度不宜太大，一般每次涂覆厚度在20-30μm左右；3、將涂有涂料的試件置于200℃左右的均勻溫度環(huán)境中(大氣壓力)，保持時間一般為2-3小時；4、試件在空氣中自然冷卻至室溫；5、重復(fù)步驟2-4，重復(fù)次數(shù)根據(jù)預(yù)先設(shè)計的涂層厚度而定，一般以3-6次為宜；6、將所形成的涂層表面加工至所需光潔度，其方法可采用拋光或用水砂紙加水打磨。
本發(fā)明的性能及效果本發(fā)明是將預(yù)先配制好的磷酸、氫氧化鋁和硅酸鈉水溶液與一水硬鋁石、陶瓷(氧化鋁、氧化鈦等)以及其它材料(氧化鈰等)的固體微粒混合制成涂料，上述固體微粒的尺寸為微米或亞微米級，將涂料以刷涂的方式反復(fù)施于鋁合金基體表面，并在一定的溫度下加熱處理，借助于在鋁合金表面和涂層內(nèi)部發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)而原位生成氧化鋁基陶瓷涂層，涂料中添加的固體微粒彌散分布在其中。涂層與基體的結(jié)合是通過化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)合強(qiáng)度取決于反應(yīng)生成物的強(qiáng)度。
用本發(fā)明所述方法制備出的涂層，涂層與基體之間的結(jié)合為化學(xué)結(jié)合，掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，在涂層與基體界面上，由于涂料中的物質(zhì)與基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而存在著一個過渡區(qū)域，其厚度大約為3-5μm，在這個過渡區(qū)內(nèi)，氧、磷和鋁等多種元素共存，涂層與基體結(jié)合良好。涂層中存在著分散的微孔，這些孔洞是在涂層形成過程中由于化學(xué)反應(yīng)塵成的氣體逸出而造成的。微孔的存在會造成涂層內(nèi)部缺陷和殘余應(yīng)力，降低涂層的強(qiáng)度。對于多次循環(huán)涂覆制備的涂層而言，前一次循環(huán)所產(chǎn)生的微孔被其后的循環(huán)處理涂料所填塞，起到“拋錨”作用，有利于涂層的結(jié)合。X射線衍射分析結(jié)果表明，涂層為多相結(jié)構(gòu)，多種成分并存，其中的主要物質(zhì)為α-Al2O3。涂層厚度可根據(jù)需要通過增加循環(huán)處理次數(shù)來調(diào)整，范圍為50-200μm，涂層微觀硬度為HV300-500，通過添加不同的固體微粒可以配制不同的涂料，從而獲得不同的涂層性能。同目前國內(nèi)外現(xiàn)有的同類技術(shù)相比，本技術(shù)具有處理溫度低(對基體材料的熱影響小)、工藝條件相對簡單、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明可操作性強(qiáng)，既可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，也可用于鋁及其合金的裝飾和保護(hù)。也可進(jìn)一步拓展應(yīng)用于其他輕金屬合金材料以及鋼鐵材料等。
實(shí)施例一涂料配方如下水溶液A01磷酸(H3PO4)120ml/l氫氧化鋁(Al(OH)3) 40g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量水溶液B01磷酸(H3PO4)12ml/l硅酸鈉(Na2SiO3)8g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量涂料S01一水硬鋁石(β-AlOOH) 400g/l氧化鋁(Al2O3) 300g/l溶液A 400ml/l溶液B 400ml/l水(H2O) 補(bǔ)足余量基體選用LY-12鋁合金。采用機(jī)械打磨和堿液除油使基體平整潔凈，并采用酸洗法活化基體表面。將涂料S01用刷涂的方法反復(fù)施于基體表面，在200℃條件下制備了涂層，經(jīng)4次循環(huán)處理后，涂層厚度約為100μm，涂層的平均維氏硬度HV約為400。涂層外觀顏色為淡赭石色。
實(shí)施例二涂料配方如下水溶液A02
磷酸(H3PO4)70ml/l氫氧化鋁(Al(OH)3) 25g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量水溶液B02磷酸(H3PO4)10ml/l硅酸鈉(Na2SiO3)5g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量涂料S02一水硬鋁石(β-AlOOH) 250g/l氧化鋁(Al2O3) 150g/l溶液A 300ml/l溶液B 300ml/l水(H2O) 補(bǔ)足余量基體選用LY-12鋁合金。采用機(jī)械打磨和堿液除油使基體平整潔凈，并采用酸洗法活化基體表面。將涂料S02用噴涂的方法反復(fù)施于基體表面，在200℃條件下制備了涂層，經(jīng)4次循環(huán)處理，涂層厚度約為80μm，涂層的平均維氏硬度HV約為350。涂層外觀顏色為淡赭石色。
實(shí)施例三涂料配方如下水溶液A01磷酸(H3PO4)120ml/l氫氧化鋁(Al(OH)3) 40g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量水溶液B01磷酸(H3PO4)12ml/l硅酸鈉(Na2SiO3)8g/l水(H2O) 補(bǔ)足余量涂料S01一水硬鋁石(β-AlOOH) 300g/l氧化鋁(Al2O3) 300g/l氧化鈦TiO230g/l氧化鈰CeO24g/l溶液A 350ml/l溶液B 350ml/l水(H2O) 補(bǔ)足余量基體選用LY-12鋁合金。采用機(jī)械打磨和堿液除油使基體平整潔凈，并采用酸洗法活化基體表面。將涂料S01用刷涂的方法反復(fù)施于基體表面，在200℃條件下制備了涂層，經(jīng)6次循環(huán)處理后，涂層厚度約為150μm，涂層的平均維氏硬度HV約為400。涂層外觀顏色為淡赭石色。
權(quán)利要求
1.一種制備氧化鋁基陶瓷涂層的涂料制備方法，其特征是a、按照下列配方稱取氫氧化鋁，磷酸和水，混合均勻后加熱至100-120℃以上，攪拌，保溫1小時以上，得溶液A。磷酸H3PO460-140ml/l氫氧化鋁Al(OH)320-45g/l水H2O 補(bǔ)足余量b、按照下列配方稱取硅酸鈉，磷酸和水，混合均勻后靜置24小時以上，得溶液B。磷酸H3PO45-20ml/l硅酸鈉Na2SiO33-12g/l水H2O 補(bǔ)足余量c、首先按下述配方稱取經(jīng)過預(yù)處理的一水硬鋁石粉末，再與陶瓷和其它材料的固體微粒充分混合，然后加入溶液A、B，攪拌均勻，得到所需要的涂料。一水硬鋁石β-AlOOH200-500g/l氧化鋁Al2O3100-400g/l氧化鈦TiO20-80g/l氧化鈰CeO20-10g/l溶液A250-450ml/l溶液B與溶液A同體積水H2O 補(bǔ)足余量
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中步驟c所述的一水硬鋁石的預(yù)處理工藝包括，首先用鹽酸水溶液清洗去除雜質(zhì)，然后在60℃的環(huán)境溫度下烘干，再在400℃下煅燒10分鐘。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1制備的涂料的涂覆方法，其特征在于，將上述涂料以刷涂或噴涂的方式涂覆于鋁合金表面上，在200-220℃環(huán)境溫度下加熱處理。循環(huán)上述涂覆和加熱處理過程，在基體表面形成氧化鋁基陶瓷涂層。具體包括以下步驟a、采用機(jī)械打磨和堿液除油清潔基體表面，然后采用酸洗法活化基體表面；b、將涂料以刷涂或噴涂的方式均勻地施于基體表面，厚度不宜太大，一般每次涂覆厚度在20-30μm左右；c、將涂有涂料的試件置于200℃的均勻溫度環(huán)境中(大氣壓力)，保持時間一般為2-3小時；d、試件在空氣中自然冷卻至室溫；e、重復(fù)步驟2-4，重復(fù)次數(shù)根據(jù)預(yù)先設(shè)計的涂層厚度而定，一般以3-6次為宜；f、將所形成的涂層表面加工至所需光潔度。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)械工程表面處理技術(shù)領(lǐng)域。本方法包括首先配制磷酸和氫氧化鋁水溶液,再配制磷酸和硅酸鈉水溶液,最后將處理過的一水硬鋁石、陶瓷以及其它材料的固體微粒與上兩種溶液按比例混合而制成涂料;將上述涂料以刷涂或噴涂的方式涂覆于鋁合金表面上,在200℃環(huán)境溫度下加熱處理。循環(huán)上述涂覆和加熱處理過程,在基體表面形成涂層。本發(fā)明具有處理溫度低、工藝條件相對簡單、成本低、無污染、耐磨、耐蝕、耐熱、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C09D1/00GK1259547SQ00100150
公開日2000年7月12日 申請日期2000年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月14日
發(fā)明者李浩群, 邵天敏, 楊政, 陳大融 申請人:清華大學(xué)