CN100420775C

CN100420775C - 钢铁表面微弧氧化处理方法

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Publication number: CN100420775C
Application number: CNB2005100100123A
Authority: CN
Inventors: 狄士春; 潘明强
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: CN1721578A

Abstract

钢铁表面微弧氧化处理方法，它涉及一种对钢铁表面进行耐磨防腐处理的新技术。为了克服微弧氧化技术在钢铁表面处理上不能直接应用的不足，它是这样实现的：a、对钢铁工件进行预处理，然后将钢铁工件放入装有碱性工作溶液的微弧氧化工作槽中，工作溶液为磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐或硅酸盐；b、采用微弧氧化处理方法对钢铁工件处理1～120min，在金属表面产生微弧氧化反应并在原位生成防腐膜层或硬质膜层，电流密度为1～300A/dm²、正电压为200～1000V、负电压为20～400V、电源频率为1～2000Hz。利用本方法生成的膜层具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、绝缘性和抗高温冲击性，而且本方法工艺处理简单，生产效率高，并对环境无污染，绿色环保。

Description

钢铁表面微弧氧化处理方法

技术领域：

本发明涉及一种对钢铁表面进行耐磨防腐处理的新技术。

背景技术：

普通钢在世界上被广泛的使用，然而由于其易被腐蚀，耐磨性能一般，使许多应用不得不采用特种钢或对其表面进行复杂的二次处理，如等离子喷涂、化学处理、表面电镀等，这些特殊处理大大地提高了其应用成本，并且还可能会对环境产生严重污染。微弧氧化技术是近年来发展起来的一种针对Al、Mg、Ti等金属和它们的合金的表面处理工艺，尤其是从二十世纪九十年代开始，该工艺已成为国内学术界的研究热点，并逐步得到产业界的认可。但到目前为止，微弧氧化技术研究只限于Al、Mg、Ti等金属及它们合金的表面处理上，虽然目前在这些金属表面进行微弧氧化研究取得了很好的进展，但由于应用对象范围的限制，特别是认为不能直接在钢铁表面上应用此技术，严重的限制了此项技术的应用前景和钢铁的应用范围。目前，也有人通过在钢表面镀铝，再进行微弧氧化处理，这种工艺方法不仅大大增添了加工成本，而且加大了工艺难度和复杂度。

发明内容：

为了克服微弧氧化技术不能在钢铁表面处理上直接应用的不足，本发明提出一种在钢铁表面采用微弧氧化技术原位生长绝缘、防腐、耐磨膜层的钢铁表面微弧氧化处理方法，它按照下述步骤进行处理：a、对钢铁工件进行预处理，然后将钢铁工件放入装有碱性工作溶液的微弧氧化工作槽中，工作溶液为磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐或硅酸盐体系；b、采用微弧氧化处理方法对钢铁工件进行处理，在金属表面产生微弧氧化反应并在原位生成防腐膜层或硬质膜层，其中：电流密度为1～300A/dm²、正电压为200～1000V、负电压为20～400V、电源频率为1～2000Hz、处理时间为1～120min。

本发明的处理工艺利用微弧氧化技术的原理，能有效地在钢表面上原位生长一层均匀膜，这层生成膜具有两种类型：一种类型特点是：膜层薄，一般在20微米以下，但它具有很好的防腐效果；另一种类型的特点是：膜层厚，可达上百微米，且生成膜为硬质膜，是一种陶瓷硬质膜或类似陶瓷硬质膜，它具有良好的耐磨、耐腐蚀和绝缘性。利用本方法生成的膜层具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、绝缘性和抗高温冲击性，生成薄膜的耐腐蚀性在盐雾中能达400小时以上，绝缘性可达50MΩ，硬质膜具有比基体更高的硬度，最高可达HV1000～1800，电绝缘性可达100MΩ，干摩擦系数小于0.08，在盐雾中的耐腐蚀能力在1000小时以上。本发明克服了通过镀铝在微弧氧化处理的缺点，能大大降低工艺难度和复杂度，提高加工效率，减少加工成本，具有工艺处理简单、生产效率高、加工成本低、对环境无污染、绿色环保的优点。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式按照下述步骤进行处理：a、对钢铁工件进行预处理，然后将钢铁工件作为一个电极放入微弧氧化工作槽中，槽内装有碱性工作溶液，所述工作溶液为磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐或硅酸盐体系；b、钢铁工件和氧化槽分别为一对电极，采用微弧氧化处理方法对钢铁工件进行处理，在金属表面产生微弧氧化反应并在原位生成防腐膜或硬质膜层，其中：电流密度为1～300A/dm²、正电压为200～1000V、负电压为20～400V、电源频率为1～2000Hz、处理时间为1～120min。本实施方式中施加的电压为脉冲电压，所述脉冲电压可以由任何能够完成正负双脉冲电源供给的电源提供，例如由一个采用电网经变压器隔离的三相平衡供电组成的正负双脉冲电源供给(申请号：200410044005.0)。在完成微弧氧化操作后，工件可进行清洗、烘干和封孔处理，还可进行喷涂和染色的其他后处理。本实施方式所述预处理过程为去油和清洗过程；防腐膜或硬质膜层的膜层厚度为10～400μm；工作溶液的pH值为8～12，其中所述硅酸盐体系工作溶液由5～46g/L硅酸钠、1～10g/L硼酸钠、1～40g/L铝酸钠、5～10g/L氢氧化钾、0～18g/L氢氧化铁和1～15g/L二氧化锰组成；硫酸盐体系工作溶液由4～30g/L硫酸钠、2～18g/L铝酸钠、0～10g/L硼酸钠、6～28g/L氢氧化钠、0～20g/L氧化铁、0～23g/L锰酸钾和3～16ml/L双氧水组成；碳酸盐体系工作溶液由10～40g/L碳酸钠、8～40g/L硅酸钠、0～5g/L硼酸钠、1～10g/L乙酸铵、10～30g/L铝酸钠、8～30g/L氢氧化钾、2～9g/L硫酸镁和4～9g/L二氧化锰组成；磷酸盐工作溶液由10～40g/L磷酸钠、2～30g/L硅酸钠、10～35g/L铝酸钠、6～17g/L氢氧化钾、0～20g/L氧化亚铁、0～15g/L尿素和10～20g/L高锰酸钾组成。

工作机理：本发明的工作机理同铝表面微弧氧化处理技术类似，就是将钢铁件置于微弧氧化工作弱碱性工作液中，工件作阳极，槽体作阴极，利用正负双极性电源所提供的电能量，在复杂的电化学的作用下，先使工件表面产生钝化膜，继而在工件表面产生微弧放电火花，继续加工一定时间就能使钢铁工件表面原位生成一层均匀致密膜。用本方法生成的防腐膜均匀致密、孔隙率可调，既能极大的提高钢的耐腐蚀能力，又能很方便的对工件进行喷漆、着色等再次处理。本方法生成的硬质膜具有三层结构，分别为过渡层、硬质层、表面疏松层。过渡层为铁的氧化物、铝的氧化物、镁的氧化物等金属氧化物及其络合物组成的非晶相层；硬质层为陶瓷相，一般为以铁、铝、镁氧化物为主相的陶瓷向结构；表面疏松层为金属氧化物未转化成陶瓷相的非晶相组织，这一层可利用工艺方法进行控制其厚度，可以达到近似认为没有的很小厚度。由于过渡层的存在使得生成膜与工件基体具有良好的结合性能，而陶瓷层的性能可根据应用需要通过调整工作液进行调整，并且生成膜的特点是沿着基体表面同时向里和向外生长，这样就保证了处理后的工件尺寸变化很小，且可利用膜的厚度来控制。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，利用微弧氧化技术处理钢铁表面，生成防腐膜时，电流密度范围可以在2～300A/dm²之间，处理时间控制在1～5min，工作溶液采用以磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐或硅酸盐为主料的工作液体系，溶液的pH控制在8～12之间，电源采用正负双极性脉冲电源，正电压为200～1000V左右，负电压为20～400V左右，并且温度控制在30℃以内。在本实施方式中，钛酸盐体系、钡盐体系、铝酸盐、氢氧化钠和氢氧化钾体系作为工作液体系也可适用。

具体实施方式三：本实施方式以生成防腐膜为例，试件材料：Q235，尺寸：Φ30×5mm圆片，工作液配比为：硅酸钠(5～35g/L)、硼酸钠(2～8g/L)、铝酸钠(1～10g/L)、氢氧化钾(5～10g/L)和二氧化锰(1～5g/L)，正电压设置为550V，负电压设置为90V，电流密度设置为30A/dm²，频率为500Hz，温度控制在30℃以内，加工3min停止，试件表面生成一层8～15μm的防腐膜。该膜层在盐雾中的防腐能力可达500小时，电绝缘性达50MΩ。碳素结构钢、优质碳素结构钢均可采用这种工艺参数加工。

具体实施方式四：本实施方式以生成防腐膜为例，试件材料：T10，尺寸：30×5mm钢片，工作液配比为：硫酸钠(4～30g/L)、铝酸钠(2～18g/L)、氢氧化钠(6～28g/L)和双氧水(3～16ml/L)，正电压设置为450V，负电压设置为85V，电流密度设置为35A/dm²，频率为200Hz，温度控制在30℃以内，加工6min停止，试件表面生成一层8～15μm的防腐膜。该膜层在盐雾中的防腐能力可达500多小时，电绝缘性能达50MΩ以上。碳素工具钢和易切削钢都能采用这种工艺参数加工。

具体实施方式五：本实施方式以生成防腐膜为例，试件材料：60Si2Mn，尺寸：Φ30×5mm圆片，工作液配比为：碳酸钠(10～40g/L)、硅酸钠(8～30g/L)、乙酸铵(1～5g/L)、铝酸钠(10～30g/L)、氢氧化钾(8～30g/L)、硫酸镁(2～9g/L)和二氧化锰(4～9g/L)，正电压设置为540V，负电压设置为95V，电流密度设置为18A/dm²，频率为100Hz，温度控制在30℃以内，加工5min停止，试件表面生成一层8～15μm的防腐膜。该膜层在盐雾中的防腐能力可达550小时，电绝缘性能达60MΩ。合金结构钢、合金弹簧钢、合金工具钢、高速工具钢以及轴承钢都能采用这种工艺参数加工。

具体实施方式六：本实施方式以生成防腐膜为例，试件材料：ZG45，尺寸：20×20mm钢片，工作液配比为：磷酸钠(10～40g/L)、硅酸钠(2～8g/L)、铝酸钠(10～35g/L)、氢氧化钾(6～17g/L)和高锰酸钾(10～20g/L)，正电压设置为600V，负电压设置为95V，电流密度设置为30A/dm²，频率为800Hz，温度控制在30℃以内，加工5min停止，试件表面生成一层2～10μm的防腐膜。该膜层在盐雾中的防腐能力可达400小时，电绝缘性可达50MΩ以上。铸钢、铸造合金钢、耐蚀合金和高温合金均能采用这种工艺参数加工。

具体实施方式七：本实施方式以生成防腐膜为例，试件材料：45号钢，尺寸：Φ30×5mm圆片，工作液配比为：硅酸钠(10g/L)、硼酸钠(8g/L)、氢氧化钾(5g/L)和二氧化锰(5g/L)，正电压设置为550V，负电压设置为90V，电流密度设置为30A/dm²，频率为500Hz，加工3min停止，试件表面生成一层8～15μm的防腐膜。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是，利用微弧氧化技术处理钢铁表面，生成硬质膜时，电流密度范围可以在10～300A/dm²之间，处理时间控制在30～120min，工作溶液采用以磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐或硅酸盐为主料的工作液体系，溶液的pH控制在8～12之间，电源采用正负双极性脉冲电源，正电压为400～1000V，负电压为50～400V，温度控制在10～30℃。在本实施方式中，钛酸盐体系、钡盐体系、铝酸盐、氢氧化钠和氢氧化钾体系作为工作液体系也可适用。

具体实施方式九：本实施方式以生成硬质膜为例，试件材料：45号钢，尺寸：15×15mm钢片，工作液配比为：硅酸钠(9～46g/L)、硼酸纳(1～10g/L)、铝酸钠(10～40g/L)、氢氧化钾(5～10g/L)、氢氧化铁(2～18g/L)和二氧化锰(2～15g/L)，正电压设置为680V，负电压设置为100V，电流密度设置为130A/dm²，频率为600Hz，温度控制在10～30℃之间，加工120min停止，试件表面生成一层70～110μm的硬质膜。该膜层硬度可达HV1600～1800，电绝缘性能达100MΩ，在盐雾中的耐腐蚀能力在1000小时以上，干摩擦系数小于0.08。碳素结构钢、优质碳素结构钢和易切削钢都能采用这种工艺参数加工。

具体实施方式十：本实施方式以生成硬质膜为例，试件材料：T8，尺寸：5×15mm钢片，工作液配比为：硫酸钠(4～30g/L)、铝酸钠(2～18g/L)、硼酸钠(1～10g/L)、氧化铁(10～20g/L)、氢氧化钠(6～28g/L)、高锰酸钾(5～23g/L)，正电压设置为700V，负电压设置为110V，电流密度设置为150A/dm²，频率为500Hz，温度控制在10～30℃之间，加工50min停止，试件表面生成一层20～50μm的硬质膜。该膜层硬度可达HV1200～1600，电绝缘性能达100MΩ，在盐雾中的耐腐蚀能力在1000小时以上，干摩擦系数小于0.08。碳素工具钢和易切削钢都能采用这种工艺参数加工。

具体实施方式十一：本实施方式以生成硬质膜为例，试件材料：GCr9，尺寸：Φ30×5mm圆片，工作液配比为：碳酸钠(10～40g/L)、硅酸钠(10～20g/L)、硼酸钠(1～5g/L)、乙酸铵(2～10g/L)、铝酸钠(10～30g/L)、氢氧化钠(8～30g/L)、硫酸镁(2～5g/L)和二氧化锰(4～9g/L)，正电压设置为700V，负电压设置为110V，电流密度设置为80A/dm²，频率为500Hz，温度控制在10～30℃之间，加工60min停止，试件表面生成一层20～45μm的防腐膜。该膜层硬度可达HV1000～1560，在盐雾中的耐腐蚀能力在1000小时以上，电绝缘性能达100MΩ，干摩擦系数小于0.08。合金结构钢、合金弹簧钢、合金工具钢、高速工具钢以及轴承钢都能采用这种工艺参数加工。

具体实施方式十二：本实施方式以生成硬质膜为例，试件材料：K13，尺寸：10×10mm钢片，工作液配比为：磷酸钠(10～40g/L)、硅酸钠(15～30g/L)、铝酸钠(10～35g/L)、氢氧化钾(6～17g/L)、氧化亚铁(5～20g/L)、尿素(10～15g/L)和高锰酸钾(10～20g/L)，正电压设置为680V，负电压设置为95V，电流密度设置为100A/dm²，频率为500Hz，温度控制在10～30℃之间，加工65min停止，试件表面生成一层20～50μm的防腐膜。该膜层硬度可达HV1400～1800，电绝缘性能达100MΩ，在盐雾中的耐腐蚀能力在1000小时以上，干摩擦系数小于0.075。铸钢、铸造合金钢、耐蚀合金和高温合金均能采用这种工艺参数加工。

具体实施方式十三：本实施方式以生成硬质膜为例，试件材料：Q235，尺寸：Φ30×5mm圆片，工作液配比为：硅酸钠(30g/L)、硼酸钠(8g/L)、铝酸钠(15g/L)、氢氧化钾(5g/L)和双氧水(20ml/L)，正电压设置为650V，负电压设置为90V，电流密度设置为90A/dm²，频率为300Hz，加工45min停止，试件表面生成一层40～60μm的硬质陶瓷膜。

Claims

1. 钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于它按照下述步骤进行处理：a、对钢铁工件进行预处理，然后将钢铁工件放入装有碱性工作溶液的微弧氧化工作槽中，工作溶液为磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐或硅酸盐体系；b、采用微弧氧化处理方法对钢铁工件进行处理，在金属表面产生微弧氧化反应并在原位生成防腐膜层或硬质膜层，其中：电流密度为1～300A/dm²、正电压为200～1000V、负电压为20～400V、电源频率为1～2000Hz、处理时间为1～120min。

2. 根据权利要求1所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于所述预处理过程为去油和清洗过程。

3. 根据权利要求1所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于微弧氧化处理生成防腐膜时，电流密度为2～300A/dm²、负电压为20～200V、处理时间为1～5min。

4. 根据权利要求1所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于微弧氧化处理生成硬质膜时，电流密度为10～300A/dm²、正电压为400～1000V、负电压为50～400V、处理时间为30～120min。

5. 根据权利要求1所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于所述碱性工作溶液的pH值为8～12。

6. 根据权利要求1所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于所述生成膜层的厚度为10～400μm。

7. 根据权利要求1、3或4所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于所述硅酸盐体系工作溶液由5～46g/L硅酸钠、1～10g/L硼酸钠、1～40g/L铝酸钠、5～10g/L氢氧化钾、0～18g/L氢氧化铁和1～15g/L二氧化锰组成。

8. 根据权利要求1、3或4所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于所述硫酸盐体系工作溶液由4～30g/L硫酸钠、2～18g/L铝酸钠、0～10g/L硼酸钠、6～28g/L氢氧化钠、0～20g/L氧化铁、0～23g/L锰酸钾和3～16ml/L双氧水组成。

9. 根据权利要求1、3或4所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于所述碳酸盐体系工作溶液由10～40g/L碳酸钠、8～40g/L硅酸钠、0～5g/L硼酸钠、1～10g/L乙酸铵、10～30g/L铝酸钠、8～30g/L氢氧化钾、2～9g/L硫酸镁和4～9g/L二氧化锰组成。

10. 根据权利要求1、3或4所述的钢铁表面微弧氧化处理方法，其特征在于所述磷酸盐工作溶液由10～40g/L磷酸钠、2～30g/L硅酸钠、10～35g/L铝酸钠、6～17g/L氢氧化钾、0～20g/L氧化亚铁、0～15g/L尿素和10～20g/L高锰酸钾组成。