CN101195915A - 一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法，包括如下步骤：在对铁基、铜基材料进行常规的除油去锈处理，以及采用高温融盐电镀铝或低温融盐电镀铝的方法在其表面获得一层光滑平整的电镀铝层后，再经过对表面具有电镀铝层的铁基、铜基材料进行高温加热和化学抛光处理，以及微弧氧化处理，使其表面的电镀铝层全部或部分转变成Al₂O₃，而最终在铁基、铜基材料表面获得一定厚度的Al₂O₃陶瓷层。通过本发明所述的工艺可以大幅度地提高铁基、铜基材料表面的硬度、耐蚀性和抗高温氧化等性能，从而开拓了铁基、铜基材料的应用范围；并且由于本发明具有表面质量好、生产效率高、工艺简单等优点，因而必将产生显著的经济效益和社会效益。

Description

一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性工艺，尤其涉及一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法。

背景技术

金属材料是当今应用得最为广泛的工程材料，特别是铁基、铜基材料在生产建设和日常生活中占有极其重要的地位。但是由于铁基、铜基材料本身的原因及其服役时的环境介质的影响，难免会在其表面发生腐蚀、高温氧化等形式的损坏，因而在铁基、铜基材料的使用寿命受到损害的同时，也给人类造成了巨大的经济损失。在众多金属材料的服役过程中，大多数的损坏均发生在材料的表面。因此，改善材料的表面性能成为提高其使用寿命的一种行之有效的方法。

渗铝技术是提高金属材料耐蚀性和抗高温氧化等性能最有效的表面改性手段之一。目前，在生产实际中应用得较为广泛的渗铝技术主要有粉末法、热浸法和热喷涂法。

虽然这些较为成熟的粉末法、热浸法和热喷涂法等渗铝技术可以大幅度地提高金属材料的耐蚀性和抗高温氧化等性能，而且都具有各自的优点和得到成功应用的领域，但它们的主要缺点均表现在金属材料经渗铝处理后其表面较为粗糙、且渗铝层的厚度和质量不易控制等。而根据电镀理论可以知道，金属材料表面经电镀处理后，可以在其表面获得一层光洁度较好且镀层质量较容易控制的电镀层。因而金属材料采用融盐电镀铝技术在其表面获得一层电镀铝后，不仅可以大幅度地提高材料的耐蚀性和抗高温氧化等性能，而且所获得的电镀铝层的表面质量较高，因而融盐电镀铝技术很好地解决了粉末法、热浸法和热喷涂法等渗铝技术在金属材料表面得不到表面较为光滑的渗铝层的难题。目前在KCl和NaCl的高温混合融盐中或在KCl，NaCl和AlCl₃的低温混合融盐中，采用电镀的方法均可以在一些金属材料的表面上获得一定厚度的电镀铝层，并且其处理理论和技术均已成熟。

虽然在铁基、铜基材料表面获得电镀铝层后，其电镀铝层可以像铝(合金)一样，在自然条件下可以在其表面能够自发地形成厚度为0.01～0.10μm非晶态的Al₂O₃膜，而可以较大幅度地提高铁基、铜基材料的耐蚀性和抗高温氧化等性能。但由于这层Al₂O₃膜的结构较为疏松，且硬度、耐蚀性和抗高温氧化等性能还不够高，而使得这层在自然条件下形成的非晶态Al₂O₃膜还不能作为可靠的防护性薄膜。因此，为了使铁基、铜基材料表面的硬度、耐蚀性和抗高温氧化等性能能够得到更大程度的提高，必须在其表面上获得一层厚度较深的Al₂O₃薄膜。而采取进一步的表面处理将其表面的电镀铝层全部或部分转变成具有高硬度、高耐蚀和高抗高温氧化等优良性能的Al₂O₃陶瓷是完全有必要的。

专利《一种在铁基材料表面复合陶瓷层的方法》(CN1974845)采用了热浸铝技术在铁基材料表面获得一层浸铝层之后，再采用阳极氧化的方法将其表面浸铝层全部或部分转变成具有稳定性好、致密度高等优良性能的Al₂O₃陶瓷层，提高了材料的硬度、耐蚀性和抗高温氧化等性能。但由于所采用的热浸铝技术在铁基材料表面上获得的浸铝层的表面较为粗糙，虽然经阳极氧化处理后浸铝层在全部或部分转变成Al₂O₃陶瓷层的同时，其较为粗糙的表面质量会得到一定程度的改进，但陶瓷层的表面质量仍很难达到较高的水平，因而此方法在铁基材料上的应用受到了一定程度的限制。虽然专利《提高金属基表面电镀铝层硬度和耐蚀性的阳极氧化方法》(申请号：200710012270.4)采用了融盐电镀铝技术和阳极氧化处理方法在金属材料表面获得了表面质量较高、且稳定性好、致密度高等优良性能的Al₂O₃陶瓷层，但上述两种获得Al₂O₃陶瓷层的阳极氧化处理方法由于其自身处理方法的原理的问题，而使得在金属材料表面上，即使在其表面具有较深厚度渗铝层的条件下，也很难获得厚度较深的Al₂O₃陶瓷层，因而影响了金属材料表面的硬度、耐蚀性和抗高温氧化等性能的进一步提高。除此之外，为了获得一定厚度的Al₂O₃陶瓷层，若采用阳极氧化处理方法时则所需的处理时间也较长，因而阳极氧化处理方法的这些缺点严重地影响了上述两种方法在生产实际应用时的生产效率以及应用范围。

发明内容

本发明旨在针对现有技术中所存在的问题，在处理方法和工艺上进行了改进，不但可以在铁基、铜基材料表面上获得了具有高硬度、高耐蚀性和抗高温氧化等优良性能、且表面质量较高的Al₂O₃陶瓷层，而且在获得相同深度Al₂O₃陶瓷层的条件下所需的处理时间大大缩短，因而大幅度地提高了生产效率。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法，包括如下步骤：

(1)铁基、铜基材料经常规的除油除锈处理后，采用高温融盐电镀铝或低温融盐电镀铝的方法在其表面获得电镀铝层；

(2)高温加热处理；

(3)化学抛光处理；

(4)将表面具有电镀铝层的铁基、铜基材料放入微弧氧化处理液中进行微弧氧化处理使其表面的电镀铝层全部或部分转变成Al₂O₃陶瓷层。

微弧氧化技术不同于阳极氧化技术，它在工作中使用较高的电压，由于在高的电压下微弧瞬间高温烧结的作用而可以在具有更高生产效益的前提下获得更厚的微弧氧化物层，且微弧氧化物层具有晶态氧化物陶瓷相结构。因此，工件经微弧氧化处理后由于其表面具有更高的耐磨、耐腐蚀、耐高温绝缘和抗高温冲击等性能，而可以使其使用寿命得到大幅度的提高。

所述的在铁基、铜基材料表面采用高温融盐电镀铝或低温融盐电镀铝方法获得电镀铝层的步骤是在温度为700℃～1100℃的KCl和NaCl的高温混合融盐中或在温度为100℃～240℃的KCl、NaCl和AlCl₃的低温混合融盐中进行融盐电镀铝。

所述的高温加热处理步骤的加热保温范围为300～700℃。

所述的铁基、铜基材料可以是钢铁材料或铜及其合金中的任一成分配比的金属材料。

所述的微弧氧化处理液是由氢氧化钠和以铝酸盐、硅酸盐或磷酸盐为主盐及一定量添加剂所组成的铝酸盐、硅酸盐或磷酸盐碱性溶液体系中的任一种溶液体系。

本发明通过对铁基、铜基材料表面用融盐电镀铝方法所获得的电镀铝层采用微弧氧化处理方法，使其表面的电镀铝层全部或部分转变成高硬度、高耐蚀性和抗高温氧化性的Al₂O₃陶瓷层，而可以达到大幅度地提高铁基、铜基材料表面性能的目的，从而数倍乃至数十倍地提高工件的使用寿命。并且由于本发明还具有表面质量好、生产效率高、成本低等优点，因而有着显著的经济效益和社会效益。

具体实施方式

实施例一：Q235钢经常规的50～60g/L氢氧化钠(NaOH)、20～30g/L碳酸钠(Na₂CO₃)、30～40g/L磷酸三钠(Na₃PO₄·12H₂O)和5～10g/L水玻璃(Na₂SiO₃)混合溶液中90℃温度下的除油处理以及200～300g/L的工业盐酸溶液中的除锈与表面活化处理后，在温度为150℃时的低温KCl+NaCl+AlCl₃混合融盐中，对Q235钢进行电流密度为3.99A/dm²的电镀处理，使其表面获得一层光滑致密的电镀铝层。表面具有电镀铝层的Q235钢经500℃的高温加热处理以及3min的硝酸、磷酸和硫酸混合溶液中的化学抛光处理后，再置于由2g/L氢氧化钠和以磷酸盐(10g/L的六偏磷酸钠，8g/L水玻璃)为主盐及一定量添加剂所组成的碱性溶液体系中进行20min的微弧氧化处理。经微弧氧化处理后，在Q235钢表面获得了厚度为7.5微米的γ-Al₂O₃陶瓷层。所获得的陶瓷层的硬度和在3.5％NaCl溶液中用电化学方法来表示耐蚀性的维钝电流密度由Q235钢表面电镀铝层的72HV_0.01和-1.40(lgI，mA/cm²)分别达到处理后的599HV_0.01和-5.40(lgI，mA/cm²)。经微弧氧化处理后表面的硬度提高了近7倍，而维钝电流密度降低了四个数量级。

实施例二：纯铜经常规的10～15g/L氢氧化钠(NaOH)、20～30g/L碳酸钠(Na₂CO₃)、50～60g/L磷酸三钠(Na₃PO₄·12H₂O)和5～10g/L水玻璃(Na₂SiO₃)混合溶液中70℃温度下的除油处理以及150～200g/L的硫酸溶液中的除锈与表面活化处理后，首先通过融盐电镀的方法在纯铜表面获得一定厚度的电镀铝层。电镀所采用的融盐体系为KCl+NaCl+AlCl₃，温度为150℃，电流密度为3.99A/dm²。将所获得的电镀铝层依次进行300℃的高温加热处理以及在由硝酸、磷酸和硫酸组成的混合抛光液中进行3min的化学抛光处理。之后将表面具有电镀铝层的纯铜置于由2g/L氢氧化钠、8g/L硅酸钠和1g/L钨酸钠以及一定量的添加剂所组成的硅酸盐碱性溶液体系中进行微弧氧化处理。处理时间为20min。经微弧氧化处理后由于在纯铜表面获得了厚度为7微米的Al₂O₃陶瓷层，使得纯铜表面的硬度和耐蚀性能得到了明显的提高。其硬度和在3.5％NaCl溶液中用电化学方法来表示耐蚀性的维钝电流密度分别由电镀铝层的62HV_0.01和-0.98(lgI，mA/cm²)达到处理后的405HV_0.01和-3.13(lgI，mA/cm²)，其硬度值提高了5倍多，而维钝电流密度降低了近三个数量级。

实例三：HT200灰铸铁经常规的50～60g/L氢氧化钠(NaOH)、20～30g/L碳酸钠(Na₂CO₃)、30～40g/L磷酸三钠(Na₃PO₄·12H₂O)和5～10g/L水玻璃(Na₂SiO₃)混合溶液中90℃温度下的除油处理以及200～300g/L的工业盐酸溶液中的除锈与表面活化处理后，通过高温融盐电镀的方法在HT200灰铸铁表面获得一层光滑致密的电镀铝层。所用的融盐体系为KCl+NaCl混合融盐，处理温度800℃，电流密度为2.66A/dm²。将表面具有电镀铝层的HT200-40铸铁依次进行700℃的高温加热处理、在由硝酸、磷酸和硫酸组成的混合抛光液中进行3min的化学抛光处理。之后将表面具有电镀铝层的HT200灰铸铁置于由2g/L氢氧化钠和以硅酸盐为主盐(8g/L硅酸钠和1g/L水钨酸钠)及一定量添加剂所组成的碱性溶液体系中进行30min的微弧氧化处理。经微弧氧化处理后，在HT200-40铸铁表面获得了厚度为15微米的γ-Al₂O₃陶瓷层。表面硬度由原始电镀铝层的69HV_0.01提高到413HV_0.01，提高了近5倍。

利用本发明技术不但可以使铁基、铜基材料表面获得Al₂O₃陶瓷层，从而大幅度地提高材料表面的硬度、耐蚀性和抗高温氧化等性能，同时还具有表面质量好、生产效率高、成本低等优点，从而进一步扩大了铁基、铜基材料的应用范围。

Claims (5)

1.一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法，包括如下步骤：

(1)铁基、铜基材料经常规的除油除锈处理后，采用高温融盐电镀铝或低温融盐电镀铝的方法在其表面获得电镀铝层；(2)高温加热处理；(3)化学抛光处理；(4)将表面具有电镀铝层的铁基、铜基材料放入微弧氧化处理液中进行微弧氧化处理使其表面的电镀铝层全部或部分转变成Al₂O₃陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法，其特征在于所述的在铁基、铜基材料表面采用高温融盐电镀铝或低温融盐电镀铝的方法获得电镀铝层的步骤是在温度为700℃～1100℃的KCl和NaCl的高温混合融盐中或在温度为100℃～240℃的KCl、NaCl和AlCl₃的低温混合融盐中进行融盐电镀铝。

3.根据权利要求1或2所述的一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法，其特征在于所述的高温加热处理步骤的加热保温范围为300～700℃。

4.根据权利要求3所述的一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法，其特征在于所述的铁基、铜基材料可以是钢铁材料或铜及其合金中的任一成分配比的金属材料。

5.根据权利要求4所述的一种在铁基、铜基材料表面获得陶瓷层的方法，其特征在于所述的微弧氧化处理步骤中所用的微弧氧化处理液是由氢氧化钠和以铝酸盐、硅酸盐或磷酸盐为主盐及一定量添加剂所组成的铝酸盐、硅酸盐或磷酸盐碱性溶液体系中的任一种溶液体系。