輕合金及復(fù)合材料表面耐蝕、減磨協(xié)合涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料工程領(lǐng)域，具體涉及一種輕合金及復(fù)合材料表面耐蝕、減磨協(xié)合涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁、鎂、鈦等輕合金由于具有優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、交通、光學(xué)儀器、電子工業(yè)、汽車制造、電子通訊、筆記本電腦、軍事等工業(yè)部門，特別是隨著對汽車、摩托車等行走機(jī)械的輕量化以及節(jié)能降耗、減排環(huán)保等要求的日益提高，輕合金在汽車等交通工具上的應(yīng)用將越來越廣泛。但是，鋁、鎂、鈦的減磨性能及鎂合金突出的耐蝕性能限制了其在惡劣工況條件下的廣泛應(yīng)用。
[0003]表面處理可很大程度上改善輕合金的耐蝕、減磨性能，如常用的化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、微弧氧化、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積及有機(jī)涂層等，但單一的涂層體系很難同時改善材料的耐蝕、減磨性能，或者改善的程度有限。為此，現(xiàn)有技術(shù)給出了采用兩種及以上的表面處理工藝進(jìn)行復(fù)合來同時改善輕合金的耐蝕、減磨性能的方法，通過設(shè)計復(fù)合表面處理工藝方法及工藝參數(shù)獲得綜合性能良好的涂層體系。
[0004]多功能協(xié)合涂層技術(shù)是指在金屬表面的多孔硬質(zhì)基底層中通過物理或化學(xué)(電化學(xué))方法引入所需的功能物質(zhì)，再通過精密處理對其進(jìn)行改性，最終得到一種精密整體涂層的技術(shù)。該技術(shù)是二十世紀(jì)七十年代基于軍事目的研究，最先在鋁合金上發(fā)展起來的一種新型表面復(fù)合改性涂層技術(shù)。在改善金屬的涂覆層和表面處理性能的研究中，借助于結(jié)合兩種或多種材料及工藝過程的優(yōu)點來獲得期望的材料性能特征，具有多功能的特點和重要的軍事和民用價值。
[0005]常見的協(xié)和涂層的基底層制備工藝主要為陽極氧化、電鍍和化學(xué)鍍等，采用這些工藝作為基底層后一般需要增加擴(kuò)孔工序，進(jìn)行擴(kuò)孔處理，目的是為了增加表層功能性物質(zhì)的滲入程度，進(jìn)一步提高孔隙率，使表層的功能性物質(zhì)有效的滲入基底層，從而形成有機(jī)的整體來達(dá)到協(xié)和改性的目的。擴(kuò)孔處理不僅使協(xié)和涂層工藝變的復(fù)雜，更重要的是不適當(dāng)?shù)臄U(kuò)孔方法會造成基底層的腐蝕，進(jìn)而會影響協(xié)和涂層界面的結(jié)合強(qiáng)度。
[0006]此外，表層功能性物質(zhì)的引入常用的工藝方法為熱浸法、噴涂法、電解法、物理氣相沉積方法等，存在膜層均勻性較差、沉積速度慢、耐蝕及減磨性能有限等不足，所以改進(jìn)功能性物質(zhì)的引入方法，對于提高復(fù)合涂層的耐蝕、減磨等綜合性能具有重要的理論及現(xiàn)實意義。
[0007]協(xié)和改性是制備協(xié)和涂層的關(guān)鍵及最終步驟，是將涂層加熱，使其與硬質(zhì)基底層完全地熔合在一起，并使表面完全封閉，形成一個整體涂層，這是協(xié)合涂層有別于其他普通復(fù)合涂鍍層最重要的特征，也是實現(xiàn)我們所需要的表面功能特性的關(guān)鍵工藝步驟，該過程實際上是一個精密控制的熱處理過程，現(xiàn)有的協(xié)和改性熱處理工藝很大程度上難以實現(xiàn)表層到基底層的有效滲入，使基底層和表層無法實現(xiàn)有機(jī)熔合。所以改進(jìn)協(xié)和改性的熱處理工藝對提高復(fù)合涂層的界面結(jié)合及整體性能具有重要的工程意義。
[0008]國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀表明，現(xiàn)有的協(xié)和涂層制備方法基底層主要采用陽極氧化、電鍍、化學(xué)鍍等方法，功能性物質(zhì)的引入通常采用熱浸法、噴涂法、物理氣相沉積法、電解法等，而采用等離子體電解氧化復(fù)合電沉積技術(shù)制備協(xié)和涂層的方法還鮮有報道。特別地，現(xiàn)有的協(xié)和涂層工藝主要基于提高材料的一種性能，如耐蝕性或耐磨性，而通過本發(fā)明可同時改善基體的耐蝕、減磨等綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種輕合金及復(fù)合材料表面耐蝕、減磨協(xié)合涂層的制備方法。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種輕合金及復(fù)合材料表面耐蝕、減磨協(xié)合涂層的制備方法，包括如下步驟:
步驟一、通過等離子體電解氧化法在合金樣品表面制備多孔基底層:
步驟二、將步驟一中所述合金樣品置于聚四氟乙烯乳液，采用恒流法在合金樣品表面陰極電沉積氟聚合物涂層，所述恒流法進(jìn)行陰極電沉積的條件為:合金樣品為陰極，不銹鋼或石墨為陽極，電流密度10?120 mA/dm2，溫度20?50°C，時間為3?15min;用去離子水進(jìn)行沖洗，并且冷風(fēng)吹干，自然干燥；
步驟三、將步驟二中所述合金樣品放入真空干燥箱中保溫，保溫過程為:加熱至100?150°C，保溫時間為8?15min，繼續(xù)加熱至200?300°C，保溫時間為5?15min，然后加熱至340?360°C，保溫時間為10?20min。
[0011 ]上述步驟一之前，包括預(yù)處理步驟，先將合金樣品用砂紙進(jìn)行打磨;然后用丙酮或酒精清洗;最后用去離子水清洗;上述步驟一之后，還包括后處理步驟:用去離子水進(jìn)行沖洗，并且冷風(fēng)吹干。
[0012](I)按照娃酸鹽5?30g/L，pH調(diào)節(jié)劑I?5g/L，氟化鉀5?15 g/L，雙氧水I?15ml/L配制電解液，溶劑是去離子水；
(2)將所述的電解液導(dǎo)入作為陰極的不銹鋼槽中，所述合金樣品作為陽極，采用脈沖電源輸出方式對所述合金樣品進(jìn)行等離子體電解氧化處理制備多孔基底層。
[0013]上述(I)中，所述硅酸鹽為硅酸鈉或硅酸鉀，上述PH調(diào)節(jié)劑為氫氧化鉀或氫氧化鈉;所述步驟(2)中，進(jìn)行等離子體電解氧化處理的條件為:電流密度I?10 A/dm2，頻率500?100Hz，占空比10?50%，氧化時間為20?60min。
[0014]等離子體電解氧化技術(shù)(Plasma Electrolytic Oxidat1n，縮寫為PE0)是近年來發(fā)展迅速的一種輕合金表面陶瓷化處理技術(shù)，已引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)界的高度重視，并且由于對環(huán)境及人體的無害性被稱為有色金屬表面改性的清潔工藝。它是一種在輕合金表面原位生長氧化物陶瓷膜層的新工藝，具有較高的硬度、耐磨性、耐蝕性以及結(jié)合強(qiáng)度等。采用該技術(shù)制備協(xié)和涂層基底層可有效改善基體的硬度、耐磨性、耐蝕性，并且可根據(jù)工藝條件形成滿足一定孔隙率的陶瓷涂層。在此基礎(chǔ)上，通過電沉積的方式引入功能性物質(zhì)，可有效改善傳統(tǒng)的熱浸、噴涂、物理氣相沉積等方法存在的不足;最后通過精確控制的協(xié)和改性熱處理工藝使表層與基底層形成有機(jī)的整體來有效的提高基體的耐蝕、減磨特性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
1、無論是等離子體電解氧化，還是陰極電沉積技術(shù)，電解液中都不含對人體和環(huán)境有害的有毒性陽離子，不含易分解成分，溶液成分簡單，易于控制，工藝穩(wěn)定；
2、采用等離子體電解氧化技術(shù)制備多孔基底層，可以省去后續(xù)的擴(kuò)孔工藝，而直接進(jìn)行電沉積，并且該方法可有效提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度，所以，本發(fā)明的方法大大簡化了工藝，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，改善了膜基結(jié)合強(qiáng)度，并且操作簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)；
3、本發(fā)明采用真空可控分級熱處理的方式進(jìn)行表面改性，提高了表面功能性物質(zhì)的有效滲入，使其與基底層完全熔合在一起，并使表面完全封閉，形成一個有機(jī)整體，構(gòu)成協(xié)和涂層；
4、現(xiàn)有的協(xié)和涂層工藝主要基于提高材料的一種性能，如耐蝕性或耐磨性，采用本發(fā)明制備的協(xié)和涂層兼具良好的耐蝕性、減磨自潤滑性能，通過該方法制備的協(xié)和涂層可應(yīng)用于對耐蝕性、減磨性及綜合性能有較高要求的鋁、鎂、鈦合金及其復(fù)合材料表面；
5、適用范圍廣:本發(fā)明可適用于鋁、鎂、鈦合金等輕質(zhì)合金及其復(fù)合材料。
【附圖說明】
[0015]圖1為使用本發(fā)明在鎂合金表面采用等離子體電解氧化法制備多孔基底層的表面SEM形貌圖；
圖2為使用本發(fā)明在鎂合金表面采用等離子體電解氧化法制備多孔基底層相組成的XRD圖譜；
圖3為使用本發(fā)明在鎂合金表面采用等離子體電解氧化-陰極電方法制備的協(xié)和涂層表面SEM形貌圖；
圖4為使用本發(fā)明在鎂合金表面采用等離子體電解氧化-陰極電方法制備的協(xié)和涂層截面SEM形貌圖及線掃描元素分布EDS圖；
圖5為使用本發(fā)明在鋁合金表面采用等離子體電解氧化-陰極電方法制備的協(xié)和涂層表面SEM形貌圖；
圖6為使用本發(fā)明在鋁合金表面采用等離子體電解氧化-陰極電方法制備的協(xié)和涂層截面SEM形貌圖；
圖7為使用本發(fā)明在鎂合金表面制備的協(xié)和涂層腐蝕前及鹽霧實驗500h的數(shù)碼照片； 圖8為使用本發(fā)明在鎂合金表面制備的協(xié)和涂層的摩擦系數(shù)圖；
圖9為使用本發(fā)明在鋁合金表面制備的協(xié)和涂層的摩擦系數(shù)圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】詳細(xì)說明。
[0017]實施例1:一種鎂合金表面耐蝕、減磨協(xié)和涂層的制備方法，包括如下步驟:
預(yù)處理:將鎂合金樣品先用砂紙打磨，再用丙酮清洗，最后用去離子水沖洗干凈，待用。
然后分以下幾步完成制備:
第一步:通過等離子體電解氧化法在鎂合金樣品表面制備多孔基底層:
先按照硅酸鈉5g/L，氫氧化鈉lg/L，氟化鉀5 g/L，雙氧水3ml/L配制電解液，溶劑為去離子水;再將上述電解液導(dǎo)入作為陰極的不銹鋼槽中，鎂合金樣品作為陽極，采用直流脈沖電源輸出方式對鎂合金樣品進(jìn)行等離子體電解氧化處理制備多孔基底層。進(jìn)行等離子體電解氧化處理的條件為:電流3A/dm2，頻率500Hz，占空比10%，氧化時間為20min。
[0018]后處理:制備完成后，用去離子水進(jìn)行沖洗，并且冷風(fēng)吹干。
[0019]第二步:將第一步中的鎂合金樣品置于聚四氟乙烯乳液中，將鎂合金樣品置于陰極，陽極為不銹鋼，采用恒流法在鎂合金樣品表面制備協(xié)和涂層，具體條件為:電流密度10mA/dm2，溫度20°C，時間為3min。制備完成后，用去離子水進(jìn)行沖洗，并且冷風(fēng)吹干，自然干燥24小時。
[0020]第三步:將第二步中的鎂合金樣品放入真空干燥箱中進(jìn)行表面改性熱處理的條件為:加熱至100°c，保溫時間為lOmin，繼續(xù)加熱至200°C，保溫時間為5min，然后加熱至3400C，保溫時間為I Omin。
[0021 ]圖1，圖2為采用等離子電解氧化法在鎂合金表面制備多孔基底層的表面SEM形貌圖及XRD圖譜。由圖可知，陶瓷層表面由分布均勻的等離子體放電微孔及放點熔融沉積產(chǎn)物組成，從XRD圖譜可知，陶瓷層主要由MgO和MgAl2O4組成，所以采用該工藝無需后續(xù)擴(kuò)孔工藝就可形成滿足一定孔隙率要求的多孔硬質(zhì)陶瓷基底層。
[0022]圖3，圖4為采用等離子體電解氧化復(fù)合陰極電沉積技術(shù)在鎂合金表面制備協(xié)和涂層的表面SEM形貌圖及截面SEM形貌圖和EDS的線掃描分析結(jié)果。由圖可知，聚合物已經(jīng)有效滲入等離子體放電微孔，進(jìn)一步使微孔封閉。由截面的EDS分析結(jié)果可知，協(xié)和涂層沿厚度方向主要由Mg、0、F、C、Si等元素組成，F(xiàn)、C等元素的存在表明聚合物