專利名稱：一種在鎂合金表面陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面涂層涂覆技術(shù)，特別涉及合金表面微弧電沉積陶瓷層的方法。
背景技術(shù)：
鎂是工程材料中最輕的金屬材料(密度是1.74g/cm3)，它和鋁、鋅、鉬、鋯等元素構(gòu)成的合金由于具有優(yōu)異的物理、機(jī)械性能而被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空等領(lǐng)域。但是鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑(平衡電位是-2.34V)，它的自然氧化膜疏松多孔，對(duì)基體不能形成很好的保護(hù)作用，導(dǎo)致鎂及其合金的耐蝕性很差，嚴(yán)重制約了鎂合金在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用。
通過微弧氧化處理在金屬表面上生成的陶瓷層耐腐蝕性好、耐磨性高、絕緣、裝飾美觀以及與基體結(jié)合良好，利用微弧氧化技術(shù)對(duì)閥金屬特別是鎂合金進(jìn)行表面陶瓷化處理以提高其耐蝕性越來越受到重視，有關(guān)研究工作不斷深入開展。目前，國內(nèi)科研工作者在鎂合金的微弧氧化表面陶瓷化處理方面取得了較大的進(jìn)展。但現(xiàn)有的微弧氧化技術(shù)仍存在著許多不足，如裝置復(fù)雜、效率低、成本高、耗電量大和只能在陽極工件表面電沉積含電解液陰離子的陶瓷層。如《中國有色金屬學(xué)報(bào)》，2002，12(3)454-457“鎂合金微弧氧化陶瓷層顯微缺陷與相組成”中介紹的微弧氧化的整套裝置包含有高壓電源、不銹鋼電解槽、攪拌系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)等，而循環(huán)冷卻系統(tǒng)又由循環(huán)泵、冷卻管和冷卻槽組成，設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；《材料科學(xué)與工藝》，1997，5(2)89-92“鎂合金微等離子體氧化膜的特性”提到微弧氧化處理只能提高鎂合金在堿性溶液中的耐蝕性，其在中性及酸性溶液中的耐蝕性仍很差，微弧氧化處理后的鎂合金在0.1％的H2SO4溶液中浸泡4小時(shí)后表面便開始出現(xiàn)腐蝕坑；《金屬熱處理》，2001，11-3“有色金屬表面微弧氧化技術(shù)評(píng)述”中指出微弧氧化使用的高電壓和大電流密度消耗大量電能，并限制了單個(gè)工件的加工面積，技術(shù)成本普遍偏高，僅可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行小批量的生產(chǎn)或用于航空和軍工等行業(yè)中，大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用前景并不被看好。在微弧氧化過程中，施加在金屬電極表面的電場特性決定了表面陶瓷層的性能和生成速度，現(xiàn)有微弧氧化工藝多采用直流或單向式脈沖電壓并以不銹鋼電解槽作陰極，在電場力作用下，溶液的陰、陽離子分別向電解槽的陽、陰極定向移動(dòng)，陰極上的副反應(yīng)消耗了大量的電能，只是在陽極工件上沉積出含電解液陰離子的陶瓷層，陽離子則被滯留在溶液中，整個(gè)過程中釋放出大量的熱，造成了極大的物質(zhì)和能量的浪費(fèi)，生產(chǎn)效率也比較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述的鎂合金表面微弧氧化處理中電能消耗大和生產(chǎn)成本高的問題，提出了將陰、陽雙極都采用鎂合金工件，利用對(duì)稱交流脈沖電壓對(duì)鎂合金表面微弧電沉積陶瓷層，不僅可以獲得性能良好的涂層，而且工藝、設(shè)備簡單，工作效率高。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下1.將預(yù)處理后的陰、陽極鎂合金工件與大功率全波脈沖電源連接后放入以硅酸鈉為主的堿性電解液中，電解槽的陰、陽極均采用鎂合金工件，采用對(duì)稱交流脈沖電壓對(duì)鎂合金工件表面進(jìn)行微弧電沉積，在微弧氧化過程中，不斷升高電源的輸出電壓，維持持續(xù)微弧放電，使陰、陽極鎂合金表面同時(shí)獲得陶瓷層。
2.在進(jìn)行上述的鎂合金表面微弧電沉積過程中，采用水浴冷卻電解液。電解液是用去離子水配制的以硅酸鈉為主的堿性電解液，pH值為10～13。電解液配比包括Na2SiO3·9H2O10-25g/l、NaOH5-20g/l、H3BO31-7g/l、CeF4·H2O1-4g/l。
3.鎂合金微弧電沉積所采用的電參數(shù)為電壓180～270V、頻率20-200Hz、占空比0.1-0.7、時(shí)間15-90min。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于對(duì)稱交流脈沖電壓的幅值關(guān)于零值對(duì)稱，在每個(gè)脈沖的前半周期，與電源正極相連的電極是陽極，與負(fù)極相連的是陰極；在脈沖的后半周期情況則相反。這種電極極性的改變按照給定的頻率交替進(jìn)行，陰、陽離子在變化的電場力作用下向兩個(gè)電極交替地定向移動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)電極都采用鎂合金工件時(shí)，在熱化學(xué)、電化學(xué)、等離子化學(xué)的共同作用下，陰、陽離子的微弧表面電沉積在兩個(gè)電極上也按既定頻率交替產(chǎn)生，這就相對(duì)減少了每個(gè)電極微弧放電的時(shí)間，整個(gè)過程釋放出的熱量要比直流或單向脈沖式電壓作用時(shí)少得多，因此，本發(fā)明具有如下有優(yōu)點(diǎn)1、鎂合金表面陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法設(shè)備簡單、操作簡便、減少能耗、生產(chǎn)效率高。微弧電沉積過程中施加的對(duì)稱交流脈沖電壓低于直流式或單向脈沖式，電流密度接近或低于直流式或單向脈沖式，減少了電能的消耗。由于電極附近的電場按給定頻率不斷變化，電極表面的微弧放電則按既定頻率周期性地進(jìn)行，相同時(shí)間內(nèi)放出的熱量低于直流式或單向脈沖式，因此，裝置體系對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求并不高。
2、陰、陽極都采用鎂合金工件，使得在每個(gè)對(duì)稱交流脈沖電壓周期內(nèi)溶液中的陰、陽離子的都能夠在陽、陰極鎂合金工件表面沉積，生產(chǎn)效率提高了近一倍。
3、陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法可在鎂合金表面獲得厚度較高、膜層均勻、致密性好的陶瓷層，大大提高鎂合金的阻抗值，明顯改善其耐磨、耐蝕性能，使得其自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度降低，微弧氧化處理后采用封閉或涂裝處理可進(jìn)一步提高其耐蝕性。
4、陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法可實(shí)現(xiàn)陽離子在鎂合金電極表面的沉積，克服了一些單極微弧氧化處理中存在的陽離子沉積受到限制的問題。
5、適于鎂合金陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的電解液類型有很多種，其中以硅酸鹽為主的堿性電解液可在鎂合金表面獲得均勻、致密的灰白色陶瓷層，并且該電解液體系對(duì)環(huán)境友好，無污染。
6、陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層可大大提高鎂合金與涂層間的結(jié)合力，為鎂合金的表面涂裝提供優(yōu)良的底層。


圖1為對(duì)稱交流脈沖電壓波形示意2為陽極鎂合金陶瓷層表面形貌圖3為陰極鎂合金陶瓷層表面形貌圖4為陽極鎂合金陶瓷層的截面形貌圖5為陰極鎂合金陶瓷層的截面形貌圖6為陰、陽雙極微弧處理的鎂合金與裸的鎂合金的極化曲線
具體實(shí)施例方式使用雙向全波脈沖微弧氧化電源，將鎂合金試件分別與電源的正、負(fù)極相連。整個(gè)工藝流程是試樣打磨、清洗、除油，連接導(dǎo)線通電，微弧氧化，清洗試樣，干燥。
以AZ91D鑄造鎂合金為例，通過電解液參數(shù)和電參數(shù)的正交優(yōu)化獲得的鎂合金表面陰、陽雙極微弧電沉積的最優(yōu)方案如下Na2SiO3·9H2O 15g/LNaOH 5g/LH3BO33g/LCeF4·H2O 1g/LpH12～13頻率 50Hz占空比0.5時(shí)間 60min電壓 220V圖2和圖3分別是經(jīng)過電解液參數(shù)和電參數(shù)優(yōu)化后的工藝處理過的陰、陽極AZ91D鑄造鎂合金微弧陶瓷層的組織形貌，陶瓷層的厚度約30μm，表面有較多的由微弧放電造成的孔隙，分布有1微米到幾微米的孔洞，這些孔洞邊緣的陶瓷層在脈沖電壓作用下由于微弧放電和溶液冷卻導(dǎo)致熔融冷凝。圖4和圖5為陰、陽極鎂合金微弧陶瓷層的截面形貌，陶瓷層結(jié)構(gòu)可分為兩層，表面疏松層和內(nèi)層致密層。陶瓷層含有Mg、Si、Al、Ce等元素，相組成主要是晶態(tài)Mg2SiO4，還含有少量CeO2、α-Al2O3、α-MgF2?？拷w的內(nèi)層襯度與基體不同，外層厚度約占整個(gè)陶瓷層厚度的80％，該層組織上比較疏松，但表面的孔洞并不貫穿整個(gè)陶瓷層。圖6是陰、陽雙極微弧氧化處理的鎂合金和裸的鎂合金在3.5％NaCl溶液中的極化曲線。陰、陽極鎂合金陶瓷層的極化曲線極為相似，自腐蝕電位比裸的鎂合金均提高150～200mV，極化電流比裸的鎂合金低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，說明經(jīng)過陰、陽雙極微弧電沉積處理后，鎂合金在中性氯化物環(huán)境中的耐蝕性明顯提高。
對(duì)AZ91D鑄造鎂合金微弧陶瓷層耐蝕性的研究(包括浸泡實(shí)驗(yàn)、鹽霧實(shí)驗(yàn)、極化曲線及交流阻抗分析)表明，陰、陽雙極微弧電沉積處理過的AZ91D鑄造鎂合金相對(duì)于裸的AZ91D耐蝕性有了較大提高，表面有陰、陽雙極微弧陶瓷層加環(huán)氧底漆和聚氨酯丙烯酸面漆涂層(底漆15μm，面漆15μm)的鎂合金可承受360小時(shí)以上的中性鹽霧試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種在鎂合金表面陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法，將預(yù)處理后的陰、陽極鎂合金工件分別與大功率全波脈沖電源的正、負(fù)極連接后放入以硅酸鈉為主的堿性電解液中，其特征在于電解槽的陰、陽極均采用鎂合金工件，采用對(duì)稱交流脈沖電壓對(duì)鎂合金工件表面進(jìn)行微弧電沉積，在鎂合金表面微弧電沉積過程中，不斷升高電源的輸出電壓，維持持續(xù)微弧放電。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的在鎂合金表面陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法，其特征在于所述硅酸鈉體系的電解液配比包括Na2SiO3·9H2O10-25g/l、NaOH5-20g/l、H3BO31-7g/l、CeF4·H2O1-4g/l，溶液的pH值在10～13之間。
3.根據(jù)權(quán)利1、2所述的在鎂合金表面陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法，其特征在于對(duì)稱交流脈沖的電參數(shù)為，電壓180-270V、頻率20-200Hz、占空比0.1-0.7、時(shí)間15-90min。
全文摘要
一種在鎂合金表面陰、陽雙極微弧電沉積陶瓷層的方法，涉及表面涂層涂覆技術(shù)，特別涉及在合金表面微弧電沉積陶瓷層。本發(fā)明是將預(yù)處理后的鎂合金工件分別與大功率全波脈沖電源的正、負(fù)極連接后放入用去離子水配制的以硅酸鈉為主的堿性電解液中，電解槽的陰、陽極均采用鎂合金工件，采用對(duì)稱交流脈沖電壓對(duì)鎂合金工件表面進(jìn)行微弧電沉積，隨微弧氧化過程的進(jìn)行，不斷升高電源的輸出電壓，以維持電極表面的微弧放電，在陰、陽極鎂合金表面同時(shí)獲得耐蝕性良好、外觀均勻致密、具有一定厚度的陶瓷層。本發(fā)明可以顯著降低微弧放電過程中的熱量損失與能量消耗，大大節(jié)約電能，降低了成本；整個(gè)過程的裝置簡單，對(duì)電解液的冷卻系統(tǒng)要求不高，可操作性強(qiáng)；生產(chǎn)效率可以提高近一倍。
文檔編號(hào)C25D5/00GK1490434SQ0315717
公開日2004年4月21日 申請日期2003年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月17日
發(fā)明者張巍, 李久青, 劉元?jiǎng)? 張 巍 申請人:北京科技大學(xué)