CN101994147A

CN101994147A - 一种金属基材表面处理的方法

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Publication number: CN101994147A
Application number: CN2009101093002A
Authority: CN
Inventors: 石山山; 张豫华; 陈大军
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2029-08-12
Also published as: CN101994147B

Abstract

本发明提供了一种金属基材表面处理的方法，包括步骤：a)将金属基材置于电泳漆中，通过电泳涂装在金属基材表面形成电泳沉积层；所述电泳沉积层中含有MoS₂、石墨和WS₂中的至少一种；b)将步骤a)得到的金属基材在惰性气体保护下进行激光改性，激光功率为1.5-2.5KW，扫描速率为225-1800mm/min。本发明中采用电泳涂装与激光改性结合的方式，使得金属基材在保持表面平整光滑、粗糙度低的前提下，同时表面硬度、耐磨性以及电泳沉积层与金属基材的附着力均得到显著提高。

Description

一种金属基材表面处理的方法

【技术领域】

本发明涉及一种金属基材表面处理的方法。

【背景技术】

滑盖手机的滑轨采用全钢轨结构，滑动过程中金属与金属间会产生金属粉尘，对手机通讯等性能用途造成一定影响。现有技术中常用对手机滑轨减摩和润滑的方法有：1)常温喷涂PU和UV；2)静电喷涂聚醚醚酮(PEEK)等涂料；3)热喷涂聚四氟乙烯。以上方法得到的涂层能适当提高耐磨性、润滑性，但是涂层硬度以及与基材的附着力较差，且不环保。

二硫化钼(MoS₂)具有层状结构，易于滑动，可起到减摩作用；同时，Mo原子与S原子间的离子键，赋予MoS₂润滑膜较高强度，可防止润滑膜在金属表面突出部位被穿透；S原子对金属表面有粘附作用。因此，二硫化钼涂层在在润滑领域有广泛的应用。

二硫化钼涂层的制备方法很多，主要有物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、化学镀以及真空等离子溅射技术。但是这些方法均不能满足涂层薄膜的各种性能要求。文献中公开了二硫化钼涂层的制备方法，可以选用电泳沉积法、刷涂法和水煮法在基材表面得到很好的二硫化钼固体润滑膜，其中电泳沉积法制备的涂层的结合强度最大，表面硬度最高；三种方法都主要以机械结合方式形成涂层。单一电泳沉积法制得的涂层薄膜厚度可控，能适当提高涂层的耐磨性和硬度，但是随着科技的日益发展，其已不能满足现有技术中涂层耐磨、硬度以及涂层与基材的结合力的要求。

【发明内容】

为了解决现有技术中涂层耐磨性、硬度不够的问题，本发明提供了一种金属基材表面处理的方法，包括以下步骤：

a)将金属基材置于电泳漆中，通过电泳涂装在金属基材表面形成电泳沉积层；所述电泳沉积层中含有MoS₂、石墨和WS₂中的至少一种；

b)将步骤a)得到的金属基材在惰性气体保护下进行激光改性，激光功率为1.5-2.5KW，扫描速率为225-1800mm/min。

本发明中采用电泳涂装与激光改性结合的方式，在金属基材表面形成的电泳沉积层中含有MoS₂、石墨和WS₂中的至少一种，在保持电泳沉积层厚度均匀可控、表面光滑的前提下，同时使电泳沉积层的颗粒重熔细化，增强所述金属基材的表面硬度、耐磨性，并提高电泳沉积层与金属基材附着力提高。

【具体实施方式】

本发明提供了一种金属基材表面表面处理的方法，包括以下步骤：

本发明中，所述金属基材可以为现有技术中的各种金属基材，例如可以为不锈钢板、铜板、铝合金板、锌合金板或镁合金板中的一种。

根据本发明提供的方法，将金属基材置于电泳漆中，通过电泳涂装在金属基材表面形成电泳沉积层；所述电泳沉积层中含有MoS₂、石墨和WS₂中的至少一种。

根据本发明提供的方法，电泳涂装的操作方法采用本领域技术人员公知的方法，可以采用阴极电泳涂装，也可以采用阳极电泳涂装。

当所述电泳沉积层由阴极电泳涂装形成时，以Au片为阳极，以金属基材为阴极，使阴极和阳极分布于电源的正极和负极连接。优选情况下，所述阴极电泳涂装条件包括：电泳漆的pH为5.5-6.5，温度为20-30℃，电泳时间为3-5min，电泳电压为200-250V。

当所述电泳沉积层由阳极电泳涂装形成时，以金属基材为阳极，以马口铁为阴极，使阴极和阳极分布于电源的正极和负极连接。优选情况下，所述阳极电泳涂装条件包括：电泳漆的pH为7.5-8.5，温度为20-30℃，电泳时间为1-3min，电泳电压为70-100V。

根据本发明提供的方法，所述电泳沉积层的厚度为10-30μm。

本发明中，所述电泳漆通过将涂料与水混合得到，电泳漆的固含量为15-20％。所述涂料中含有MoS₂、石墨和WS₂中的至少一种。MoS₂、石墨和WS₂均为本领域技术人员常用的润滑剂。采用本发明的电泳漆，通过电泳涂装在金属基材表面形成所述电泳沉积层后，可以有效提高金属基材表面的光滑度和耐磨性。优选情况下，所述涂料中含有MoS₂和石墨，含或不含WS₂；以涂料的质量为基准，MoS₂的含量为50-80％，石墨的含量为10-30％，WS₂的含量为0-20％。为提高电泳沉积层与金属基材的结合力，优选情况下，所述涂料中MoS₂的平均粒径为2-3μm。更优选情况下，石墨和WS₂的平均粒径均为2-3μm。

作为本发明的优选实施方式，所述涂料中可根据需要还含有各种助剂，例如分散剂、表面活性剂、防腐剂和粘接剂中的一种或几种。所述分散剂用于使涂料均匀分散于水中，形成均匀分散的电泳漆。所述分散剂可以为曲拉酮、乙醇、聚环氧琥珀酸或聚环氧琥珀酸盐(PESA)中的一种或几种。以涂料的质量为基准，分散剂的含量为0-0.5％。表面活性剂用于降低金属基材表面张力，提高电泳沉积层与金属基材的附着力；所述表面活性剂可以采用重烷基苯磺酸盐、丙二醇苯基酸、二乙醇酰胺中的一种或几种；所述防腐剂用于抑制金属表面腐蚀，可以采用植酸、特丁基对苯二酚等中的一种或几种；所述粘接剂用于提高电泳沉积层与金属基材的附着力，可以采用酚醛环氧树脂、有机硅树脂、聚乙烯醇(PVA)中的一种或几种。以涂料的质量为基准，表面活性剂的含量为0-0.2％；防腐剂的含量为0-0.3％；粘接剂的含量为0-0.2％。

当采用阴极电泳涂装形成所述电泳沉积层时，随着电泳涂装的进行，电泳漆的pH会升高，可加入乙酸、乙醇、乙二醇中的一种调节电泳漆的pH值。当采用阳极电泳涂装形成所述电泳沉积层时，随着电泳涂装的进行，电泳漆的pH会降低，可加入二甲基乙醇胺、二乙醇胺、三乙胺中的一种调节电泳的pH值。

根据本发明提供的方法，将表面有电泳沉积层的金属基材进行激光改性，通过电泳涂装在基材表面生成的电泳沉积层在激光照射下，各处温度相差不大，因此仅通过单次激光重熔，即可实现电泳沉积层与金属基材的冶金结合，可以使电泳沉积层的颗粒细化，颗粒分布更加致密，消除电泳沉积层中的空隙，从而有效提高电泳沉积层的附着力。

所述激光改性的操作方法采用本领域技术人员常用的激光改性的方法，激光功率为1.5-2.5KW，扫描速率为225-1800mm/min。采用激光对基材表面的电泳沉积层进行改性时，为防止激光功率过高使电泳沉积层从金属基材上脱落，激光功率为1.5-2.5KW；另外，本发明中无需采用高功率的激光器，即可实现金属基材表面的激光改性，还能有效降低能耗，改善工艺条件。激光改性时间为0.5-5min。

本发明中，所述激光器可以采用各种本领域技术人员公知的激光设备进行，例如固体激光设备、气体激光设备、光纤激光设备。本发明优选使用连续输出的CO₂激光设备，并且该设备所使用的功率优选为1.5-2.5KW，更优选为1.8-2.2KW。优选情况下，本发明中，所述激光器输入方形激光，所述激光光斑尺寸更优选为2mm×2mm。

作为本领域技术人员的公知常识，所述激光改性需在气氛保护下进行，所述气氛保护所采用的气体为本领域技术人员常用的各种气体，例如可以采用氮气、氩气或氦气。所述气氛保护所采用的气体的流量为10-30L/min。

根据本发明提供的方法，还包括在电泳涂装之前对金属基材进行前处理的步骤，所述前处理为本领域技术人员公知的前处理步骤，包括对金属基材进行脱脂和/或电解除油。

所述脱脂可以采用常规的各种脱脂方法，例如，镁合金的脱脂方法可以包括将镁合金放入脱脂液中浸泡；所述脱脂液可以为常用的各种镁合金脱脂液，优选含有1-10克/升的十二烷基硫酸钠、10-100克/升的平平加O-25的脱脂液；所述镁合金的脱脂的温度可以为50-60℃，时间可以为10-20分钟。锌合金的脱脂方法可以包括将锌合金制品放入在脱脂液中，并在脱脂液中施加超声波；所述脱脂液可以为常用的各种锌合金脱脂液，优选含有15-30克/升的Na₃PO₄、10-25克/升的Na₂CO₃和10-100毫升/升的市售锌合金除腊水的脱脂液；所述超声波脱脂的温度可以为50-65℃，时间可以为5-30分钟。一般脱脂后，再用两道水充分清洗合金材料，以除去表面残存的脱脂液。

所述电解除油可以采用常规的各种电解除油的方法，例如，该方法可以包括将合金材料作为阴极放入盛有除油液的槽体中，以不发生阳极溶解反应的导电材料作为阳极，所述导电材料为常规的可以作为阳极的材料，例如可以为不锈钢板或碳棒，使阴极和阳极分别与电源的正极和负极电连接，进行外加电流处理，所述除油液可以为常用的除油液，本发明实施例中使用的是深圳佳鑫研磨科技有限公司生产的WH-68合金电解除油液，温度可以为40-70℃，时间可以为5-15分钟，所述电流密度可以为3-10安培/平方分米，除油后可以用水冲洗合金材料，优选为立即用50-100℃的热水清洗，再以流动水充分清洗干净合金材料表面的除油液。

作为本领域技术人员的公知常识，本发明所提供的方法还包括在每个步骤之间的水洗和干燥工序。本发明中对每个步骤之间的水洗次数没有特别限制，只要将金属基材表面的处理液充分去除洗净即可。优选情况下，在所述脱脂和/或电解除油后进行的水洗次数为1-3次；在所述电泳涂装之后进行的水洗次数为4-6次。水洗工序所用的水为现有技术中的各种水，如市政自来水、去离子水、蒸馏水、纯净水或者它们的混合物，本发明优选为去离子水。所述干燥的方法可以采用本领域技术人员公知的方法，如真空干燥、自然干燥、鼓风干燥。本发明优选为在温度为80℃的烘箱内将工件烘干。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。实施例和对比例中所采用原料均通过商购得到。

实施例1

(1)前处理：将不锈钢工件(100mm×45mm×10mm)置于脱脂液中浸泡20min后取出，用去离子水清洗，干燥。

(2)电泳漆配制：在80mL去离子水中加入13.8g二硫化钼(平均粒径为2.5μm)，4g石墨(平均粒径为2.5μm)，2g WS₂添加剂(平均粒径为2.5μm)，然后加入0.2g曲拉酮，电磁搅拌至均匀，滴加乙醇调节pH值至6.0，得到所需的电泳漆。

(3)电泳涂装：将步骤(2)的电泳漆倒入电解槽，将步骤(1)的工件作为阴极，Au片作为阳极，电泳漆的温度为25℃，电压为220V的操作条件下，进行阴极电泳涂装，电泳时间为5min。用去离子水清洗，在烤箱中175℃烘烤工件60min。取出工件，得到厚度为20μm的电泳沉积层。

(4)激光改性：将步骤(3)的工件置于CO₂激光器(深圳大族激光科技，HANSGS系列)样品台上，将激光聚焦，电脑程序控制光束或样品台的移动，激光改性条件为：激光功率为2KW，扫描速度为1000mm/min，激光光斑尺寸为2mm×2mm，N₂气流量为20L/min；激光改性时间为1.5min。用去离子水清洗，干燥，得到本实施例的工件，记为A1。

实施例2

采用与实施例1相同的方法对工件进行表面处理，不同之处在于：步骤(4)中，激光改性条件为：激光功率为2.5KW，扫描速度为1800mm/min，激光光斑尺寸为2mm×2mm，N₂气流量为15L/min；激光改性时间为40s。

通过上述步骤，得到本实施例的工件，记为A2。

实施例3

采用与实施例1相同的方法对工件进行表面处理，不同之处在于：

步骤(2)中，在80mL去离子水中加入9g二硫化钼(平均粒径为2.5μm)，2.5g石墨(平均粒径为2.5μm)，1.3g WS₂添加剂(平均粒径为2.5μm)，然后加入0.2g曲拉酮，电磁搅拌至均匀，滴加二甲基乙醇胺调节pH值至8.0，得到本实施例的电泳漆；

步骤(3)中，以工件为阳极，马口铁为阴极，将本实施例的电泳漆倒入电解槽中，在工件表面进行阳极电泳涂装，电泳时间为2min。

然后按照实施例1步骤(4)对工件进行激光改性。

通过上述步骤，得到本实施例的工件，记为A3。

实施例4

采用与实施例1相同的方法对工件进行表面处理，不同之处在于：步骤(2)中，在80mL去离子水中加入13g二硫化钼(平均粒径为2.5μm)，6g WS₂添加剂(平均粒径为2.5μm)，然后加入0.5g曲拉酮，0.5g酚醛环氧树脂，电磁搅拌至均匀，得到本实施例的电泳漆。采用本实施例的电泳漆按照实施例1步骤(3)的方法对工件进行阴极电泳涂装，然后进行步骤(4)的激光改性。

通过上述步骤，得到本实施例的工件，记为A4。

对比例1

本对比例用于说明现有技术的金属表面的二硫化钼涂层：先按照实施例1步骤1对工件进行前处理。

(1)配制200mL电泳沉积液，在去离子水中加入二硫化钼粉末(平均粒径为2.5μm)，二硫化钼的含量为0.05wt％，然后加入0.1g曲拉酮，电磁搅拌60min。

(2)将电泳沉积液转入电解槽，以经过前处理的工件为阴极，极板间距1.5mm，开始电泳沉积，沉积电压为140V，沉积时间为2min。

(3)用去离子水清洗工件表面，放入烘箱中180℃下烘烤工件60min。取出工件，得到本对比例的工件，记为D1。

性能测试：

1、采用FM-300型显微硬度仪测试各工件样品A1-A4和D1的表面形貌、表面粗糙度和硬度，测试结果如表1所示。

2、耐磨性测试：采用ISO9352Taber公开的方法测试各工件样品的耐磨圈数，测试结果如表1所示。

3、附着力测试：在各工件样品A1-A4和D1上用锋利的刀刃划出大小均匀的间隔为1mm的小方格(个数100；划痕深度控制在薄膜下基体玻璃暴露)，统计膜脱落的小方格数N1，在膜上的划格区域贴上宽度为24mm的透明胶带，并保证胶带与有方格的膜之间结合紧密。5min后，用一垂直膜面的力将胶带揭起，并再次统计膜脱落的小方格数N2。膜结合力分数Z＝(100-N1-N2)/100×100％。测试结果如表1所示。

表1

由上表1的测试结果可以看出：采用本发明提供的方法，先在金属基材表面通过电泳涂装形成MoS₂、石墨和WS₂中的至少一种的涂层，然后通过激光改性，使得金属基材在保持表面平整光滑、粗糙度低的前提下，同时表面硬度、耐磨性以及电泳沉积层与金属基材的附着力均得到显著提高。

Claims

1.一种金属基材表面处理的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电泳涂装为阴极电泳涂装，以Au片为阳极，以金属基材为阴极，使阴极和阳极分别与电源的正极和负极电连接。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阴极电泳涂装条件包括：电泳漆的pH为5.5-6.5，温度为20-30℃，电泳时间为3-5min，电泳电压为200-250V。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电泳涂装为阳极电泳涂装，以金属基材为阳极，以马口铁为阴极，使阴极和阳极分别与电源的正极和负极电连接。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阳极电泳涂装条件包括：电泳漆的pH为7.5-8.5，温度为20-30℃，电泳时间为1.5-3min，电泳电压为70-100V。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电泳沉积层中含有MoS₂和石墨，含或不含WS₂；以电泳沉积层的质量为基准，其中MoS₂的含量为50-80％，石墨的含量为10-30％，WS₂的含量为0-20％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电泳漆通过将涂料与水按固含量为15-20％混合得到，所述涂料中含有MoS₂、石墨和WS₂中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述涂料中含有MoS₂和石墨，含或不含WS₂；以涂料的质量为基准，其中MoS₂的含量为50-80％，石墨的含量为10-30％，WS₂的含量为0-20％。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述涂料中还含有分散剂，所述分散剂为曲拉酮、乙醇、聚环氧琥珀酸或聚环氧琥珀酸盐中的一种或几种。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在电泳涂装之前对金属基材进行前处理的步骤，所述前处理包括对金属基材进行脱脂和/或电解除油。

11.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于，所述金属基材为不锈钢板、铜板、铝合金板、锌合金板或镁合金板中的一种。