CN104529550A - 一种氧化锆基体表面粗化的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，包括以下步骤：将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，所述粗化液包括母液和粉体；以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，粘结剂3％～5％，增塑剂2％～5％，分散剂0.3％～1％；所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体；将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤、涂铂金和烧结，得到粗化的氧化锆基体。本发明提供的氧化锆基体表面处理方法采用的粗化液中包括母液和粉体，粗化氧化锆基体后，经等离子喷涂保护层后，使得保护层和粗化的氧化锆基体的粘结性好，提高抗热震性。另外，所采用的粗化液无腐蚀性，易制备，操作简单，对人体和环境危害较小。
Description
技术领域
本发明属于汽车用氧传感器里氧化锆管制作过程中的等离子喷涂工艺技术领域，尤其涉及一种氧化锆基体表面粗化的处理方法。
背景技术
氧传感器作为电喷系统中的关键零部件，以氧化锆元件作为传感器的基础元件。它是一种固体电解质，其内外表面都覆盖有多孔铂电极，内表面与大气相通，外表面与尾气接触。尾气在与锆管的外表面接触时，尾气中的残留氧气渗入铂电极，在一定高温下锆管内外由于氧浓差而产生电势差。当在浓燃烧时，尾气中的氧浓度降低，传感元件内外氧浓差变大，氧传感器输出电压升至参考电压以上。当在稀燃烧时，尾气中的氧浓度升高，传感元件内外氧浓差变小，氧传感器输出电压降至参考电压以下。在电喷系统中，ECU参考氧传感器的输出信号调整燃料喷射等参数从而改变发动机空燃比，并结合三元催化装置，可以最大限度降低尾气中有害气体排放量，提高燃烧效率、节约能源，优化发动机性能。氧传感器安装在发动机排气管上，要求它在恶劣的环境下具有稳定的性能，由于汽车所用燃油中含有铅化合物和硅化合物，氧传感器的铂金外电极在使用过程中会发生铅中毒和硅中毒，导致传感器失效；或发动机燃烧不好，氧传感器表面形成积炭，使氧传感器输出信号失准，这就要求在氧传感器制作过程中在锆管外电极表面覆盖一层多孔的保护层，使废气既能和外电极充分接触，又可以避免电极中毒现象的发生。保护层材料大致分为两大类：一类是与锆管基体材料相同的材料，如氧化钇稳定的氧化锆；另一类是不同于基体材料的耐高温、抗腐蚀的氧化物材料，如Al2O3。
研究发现，对氧传感器的锆管外电极进行有效的保护是防止电极中毒失效的重要措施，通常需要在锆管外电极包裹一层多孔保护层，对废气中的杂质起到“过滤”作用，要求保护层既要透气又能挡住污染微粒。现有技术常采用等离子喷涂工艺喷涂保护层。在氧传感器等离子喷涂保护层时，为了助于氧化锆管表面和保护层的结合，需要对氧化锆管表面进行粗化处理。现有技术中多采用氢氟酸浸泡或喷砂对氧化锆基体表面进行粗化，但经过氢氟酸浸泡或喷砂粗化处理后的氧化锆基体与保护层结合强度仍然较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，本发明提供的处理方法使得到的粗化的氧化锆基体等离子喷涂保护层时，保护层和氧化锆基体的结合强度高。
本发明提供了一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，包括以下步骤：
将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，
所述粗化液包括母液和粉体；
以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，
粘结剂3％～5％，
增塑剂2％～5％，
分散剂0.3％～1％；
所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体；
将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤、涂铂金和烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。
优选地，所述粗化液的粘度为110Pa·s～120Pa·s。
优选地，所述母液和粉体的质量比为1:0.8～1.2。
优选地，所述有机溶剂包括松油醇、丁基卡必醇、环己酮和松节油中的一种或几种。
优选地，所述粘结剂包括乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种。
优选地，所述分散剂包括硬脂酰胺、聚苯乙烯和聚乙二醇中的一种或多种。
优选地，所述增塑剂包括乙基纤维素、癸二酸丙二醇聚酯、甘油三醋酸酯和间苯二甲酸酯中的一种或多种。
优选地，所述氧化锆粉体和氧化铝粉体的质量比为15～25:1。
优选地，所述烘烤的温度为75℃～85℃；
所述烘烤的时间为2h～6h。
优选地，所述烧结的温度为1400℃～1600℃；
所述烧结的时间为2h～6h。
本发明提供了一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，包括以下步骤：将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，所述粗化液包括母液和粉体；以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，粘结剂3％～5％，增塑剂2％～5％，分散剂0.3％～1％；所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体；将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤、涂铂金和烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。本发明提供的处理方法采用的粗化液中包括母液和粉体，粗化氧化锆基体后，经等离子喷涂保护层，能够提高保护层和粗化的氧化锆基体的结合强度，提高抗热震性，增加氧传感器的使用寿命。另外，本发明提供的处理方法所采用的粗化液无腐蚀，制作方便，涂粗化液时操作简单。实验结果表明：从本发明提供的处理方法得到的粗化的氧化锆基体经等离子喷涂保护层后的得到的氧化锆管的SEM图看出，保护层和粗化的氧化锆基体结合面密合性好，使得保护层和粗化的氧化锆基体的粘结较好，结合强度高。
附图说明
图1为氧化锆管的结构示意图；
图2为本发明实施例1得到的氧化锆管的扫描电镜图；
图3为本发明实施例2得到的氧化锆管的扫描电镜图；
图4为本发明实施例3得到的氧化锆管的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，包括以下步骤：
将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，
所述粗化液包括母液和粉体；
以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，
粘结剂3％～5％，
增塑剂2％～5％，
分散剂0.3％～1％；
所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体；
将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤、涂铂金和烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。
本发明将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，所述粗化液包括母液和粉体；以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，粘结剂3％～5％，增塑剂2％～5％，分散剂0.3％～1％；所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体。
在本发明中，所述粗化液包括母液；所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，优选为90％～94％，更优选为91％～93％。在本发明中，所述有机溶剂优选包括松油醇、丁基卡必醇、环己酮和松节油中的一种或几种，更优选包括松油醇、丁基卡必醇和松节油中的一种或几种。
在本发明中，所述母液包括粘结剂3％～5％，优选为3.3％～4.7％，更优选为3.8％～4.3％。在本发明中，所述粘接剂优选包括乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种，更优选包括乙基纤维素、聚乙烯醇和邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种。本发明对所述粘接剂的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的粘接剂即可，如可以采用其市售商品。
在本发明中，所述母液包括增塑剂2％～5％，优选为2.3％～4.5％，更优选为3.0％～4.0％。在本发明中，所述增塑剂优选包括乙基纤维素、癸二酸丙二醇聚酯、甘油三醋酸酯和间苯二甲酸酯中的一种或多种，更优选包括乙基纤维素、甘油三醋酸酯和间苯二甲酸酯中的一种或多种。本发明对所述增塑剂的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的增塑剂即可，如可以采用其市售商品。
在本发明中，所述母液包括分散剂0.3％～1％，优选为0.4％～0.9％，更优选为0.5％～0.8％。在本发明中，所述分散剂优选包括硬脂酰胺、聚苯乙烯和聚乙二醇中的一种或多种，更优选包括聚苯乙烯和/或聚乙二醇。本发明对所述分散剂的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的分散剂即可，如可以采用其市售商品。
本发明提供的粗化液包括粉体，所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体。在本发明中，所述氧化锆粉体的粒径优选为4μm～50μm，更优选为10μm～40μm；所述氧化铝粉体的粒径优选为0.5μm～40μm，更优选为1μm～20μm。在本发明中，所述氧化锆粉体和氧化铝粉体的质量比优选为15～25:1，更优选为18～23:1，最优选为21:1。
在本发明中，所述粗化液中母液和粉体的质量比优选为1:0.8～1.2，更优选为1:0.9～1.1，最优选为1:1。
本发明提供的粗化液的粘度优选为110Pa·s～120Pa·s，更优选为112Pa·s～118Pa·s，最优选为114Pa·s～116Pa·s。
在本发明中，所述粗化液的制备方法优选包括以下步骤：
a)将有机溶剂、粘接剂、增塑剂和分散剂进行混合，得到母液；
b)将所述步骤a)得到的母液与粉体混合，所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体，得到粗化液。
本发明将有机溶剂、粘接剂、增塑剂和分散剂进行混合，得到母液。在本发明中，所述有机溶剂、粘接剂、增塑剂和分散剂的种类、来源和用量与上述技术方案所述有机溶剂、粘接剂、增塑剂和分散剂的种类、来源和用量一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述有机溶剂、粘接剂、增塑剂和分散剂进行混合的温度优选为75℃～85℃，更优选为78℃～82℃，最优选为80℃；所述有机溶剂、粘接剂、增塑剂和分散剂进行混合的时间优选为10h～15h，更优选为11h～14h。本发明优选采用水浴加热的方式达到母液制备时所需的均匀温度。
得到母液后，本发明将所述母液和粉体混合，所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体，得到粗化液。在本发明中，所述粉体的种类、用量和来源与上述技术方案所述粉体的种类、用量和来源一致，在此不再赘述。
本发明优选在搅拌的条件进行母液和粉体的混合。本发明优选采用本领域技术人员熟知的玻璃棒进行搅拌。在本发明中，所述母液和粉体的混合温度优选为10℃～40℃，更优选为15℃～35℃。
本发明优选采用画笔进行涂覆。在本发明中，所述画笔是一种类似毛笔的画笔，画笔笔头上的毛要宽大一些。本发明优选将氧化锆基体通过工装固定在手电钻上；开启手电钻，氧化锆基体随之转动，将沾有粗化液的画笔靠近氧化锆基体，均匀涂刷，使粗化液粘在氧化锆基体上。在本发明中，所述粗化液涂覆在保护层区的厚度优选为0.1mm～0.5mm，更优选为0.2mm～0.3mm；氧化锆基体转动的速度优选为1000r/min～2500r/min，更优选为1500r/min～2000r/min。
得到涂覆粗化层的氧化锆基体后，本发明将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤、涂铂金和烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。本发明对所述烘烤的设备没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的烘烤设备即可，如可以采用本领域技术人员熟知的烘箱进行烘烤。在本发明中，所述烘烤的温度优选为75℃～85℃，更优选为78℃～82℃，最优选为80℃；所述烘烤的时间优选为2h～6h，更优选为3h～5h，最优选为3.5h～4.5h。本发明对完成烘烤的氧化锆基体进行涂铂金，得到铂电极涂覆的氧化锆基体。本发明对涂铂金的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的涂铂金的技术方案即可。完成氧化锆基体的涂铂金后，本发明将铂电极涂覆的氧化锆基体进行烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。本发明对烧结的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的烧结技术方案即可，在本发明中，所述烧结的温度优选为1400℃～1600℃，更优选为1450℃～1500℃；所述烧结的时间优选为2h～6h，更优选为4h。
本发明提供的处理方法可以用于汽车氧传感器使用的氧化锆管表面。
本发明对得到的待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体进行保护层的喷涂，得到氧化锆管。在本发明中，所述氧化锆管的结构示意图如图1所示，图1为氧化锆管的结构示意图；其中，为氧化锆基体，为铂电极，为粗化层，为保护层。本发明采用等离子喷涂进行保护层的喷涂。本发明对等离子喷涂的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的等离子喷涂技术方案。在本发明中，所述保护层的材料优选为氧化铝。
本发明对得到的氧化锆管采用捷克Tescan公司生产的型号为VEGA3SBH扫描电镜进行扫描电镜测试，测试结果表明：采用本发明提供的粗化液进行氧化锆基体的粗化，经等离子喷涂后，保护层与粗化的氧化锆基体的粘结较好，提高了结合强度，也提高了抗热震性。
本发明提供了一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，包括以下步骤：将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，所述粗化液包括母液和粉体；以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，粘结剂3％～5％，增塑剂2％～5％，分散剂0.3％～1％；所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体；将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤、涂铂金和烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。本发明提供的处理方法采用的粗化液中包括母液和粉体，粗化氧化锆基体后，经等离子喷涂保护层后，能够提高保护层和氧化锆基体的结合强度，提高抗热震性，增加氧传感器的使用寿命。另外，本发明提供的氧化锆基体的粗化处理方法操作简单，所用的粗化液对设备无腐蚀性和对生产设备要求低。实验结果表明：从本发明提供的处理方法得到的氧化锆管的SEM图看出，保护层和粗化的氧化锆基体的结合面密合性好，使得保护层和氧化锆基体的粘结较好，结合强度高。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种氧化锆基体表面粗化的处理方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将80g松油醇、5g松节油、4g丁基卡必醇、4g乙基纤维素、1g癸二酸丙二醇聚酯、0.5g间苯二甲酸酯和0.8g聚苯乙烯在80℃下混合13h，得到母液；
将得到的母液与76.5g氧化锆粉体、3.5g氧化铝粉体在30℃下用玻璃棒充分搅拌混合，得到粗化液。
本实施例1得到的粗化液的粘度为130Pa·s。
将氧化锆基体通过工装固定在手电钻上，开启手电钻氧化锆管随之转动，转速为2000rpm，将沾有上述制得的粗化液的画笔靠近氧化锆基体，均匀涂刷，使粗化液粘在氧化锆基体的保护层区，粗化液的厚度约为0.2mm，得到涂覆粗化层的氧化锆基体；
将所述涂覆粗化层的氧化锆管在80℃烘箱中烘烤5h，然后涂铂金，在1500℃下烧结4h，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。
本发明按照上述技术方案所述对得到的待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体进行氧化铝保护层的喷涂，得到氧化锆管。
本发明对得到的氧化锆管进行扫描电镜测试，测试结果见图2，图2为本发明实施例1得到的氧化锆管的扫描电镜图。从图2可以看出：保护层和本实施例1制备的粗化的氧化锆基体的结合面密合性好，使得保护层和氧化锆基体的粘结较好，结合强度高。
实施例2
将70g松油醇、14g松节油、11g环己酮、1.3g聚乙烯醇、3g乙基纤维素、4g间苯二甲酸酯、0.5g甘油三酸酯和0.8g聚乙二醇在85℃下混合10h，得到母液；
将得到的母液与119.5g氧化锆粉体、6g氧化铝粉体在25℃下用玻璃棒充分搅拌混合，得到粗化液。
本实施例2得到的粗化液的粘度为120Pa·s。
将氧化锆基体通过工装固定在手电钻上，开启手电钻氧化锆基体随之转动，转速为2100rpm，将沾有上述制得的粗化液的画笔靠近氧化锆基体，均匀涂刷，使粗化液粘在氧化锆基体的保护层区，粗化液的厚度约为0.3mm，得到涂覆粗化层的氧化锆基体；
将所述涂覆粗化层的氧化锆基体在85℃烘箱中烘烤2.5h，然后涂铂金，在1600℃下烧结3h，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。
本发明按照上述技术方案所述对得到的待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体进行氧化铝保护层的喷涂，得到氧化锆管。
本发明对得到的氧化锆管进行扫描电镜测试，测试结果见图3，图3为本发明实施例2得到的粗化的氧化锆管的扫描电镜图。从图3可以看出：保护层和本实施例2制备的粗化的氧化锆管的结合面密合性好，使得保护层和氧化锆管的粘结较好，结合强度高。
实施例3
将50g松油醇、30g松节油、12g丁基卡必醇、3g乙基纤维素、0.8g邻苯二甲酸二丁酯、3.3g间苯二甲酸酯和0.9g聚苯乙烯在75℃下混合15h，得到母液；
将得到的母液与84.4g氧化锆粉体、5.6g氧化铝粉体在35℃下用玻璃棒充分搅拌混合，得到粗化液。
本实施例3得到的粗化液的粘度为112Pa·s。
将氧化锆基体通过工装固定在手电钻上，开启手电钻氧化锆基体随之转动，转速为1900rpm，将沾有上述制得的粗化液的画笔靠近氧化锆基体，均匀涂刷，使粗化液粘在氧化锆基体的保护层区，粗化液的厚度约为0.25mm，得到涂覆粗化层的氧化锆基体；
将所述涂覆粗化层的氧化锆基体在75℃烘箱中烘烤6h，然后涂铂金，在1420℃下烧结6h，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。
本发明按照上述技术方案所述对得到的待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体进行氧化铝保护层的喷涂，得到氧化锆管。
本发明对得到的氧化锆管进行扫描电镜测试，测试结果见图4，图4为本发明实施例3得到的氧化锆管的扫描电镜图。从图4可以看出：保护层和本实施例3制备的粗化的氧化锆基体的结合面密合性好，使得保护层和粗化的氧化锆基体的粘结较好，结合强度高。
由以上实施例可知，本发明提供了一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，包括以下步骤：将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，所述粗化液包括母液和粉体；以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，粘结剂3％～5％，增塑剂2％～5％，分散剂0.3％～1％；所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体；将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤、涂铂金和烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。本发明提供的处理方法采用的粗化液中包括母液和粉体，粗化氧化基体后，能够提高等离子喷涂时保护层和粗化的氧化锆基体的结合强度，提高抗热震性，增加氧传感器的使用寿命。另外，本发明提供的处理方法所采用的粗化液无腐蚀，制作方便，涂粗化层时操作简单。实验结果表明：从本发明提供的处理方法得到的粗化的氧化锆基体经等离子喷涂保护层后，得到的氧化锆管的SEM图看出，保护层和粗化的氧化锆基体结合面密合性好，使得保护层和氧化锆基体的粘结较好，结合强度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氧化锆基体表面粗化的处理方法，包括以下步骤：
将粗化液涂覆在氧化锆基体保护层区，得到涂覆粗化层的氧化锆基体，
所述粗化液包括母液和粉体；
以质量分数计，所述母液包括有机溶剂89％～94.7％，
粘结剂3％～5％，
增塑剂2％～5％，
分散剂0.3％～1％；
所述粉体包括氧化锆粉体和氧化铝粉体；
将所述涂覆粗化层的氧化锆基体进行烘烤，涂铂金和烧结，得到待等离子喷涂的已粗化的氧化锆基体。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述粗化液的粘度为110Pa·s～120Pa·s。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述母液和粉体的质量比为1:0.8～1.2。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述有机溶剂包括松油醇、丁基卡必醇、环己酮和松节油中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述粘结剂包括乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述分散剂包括硬脂酰胺、聚苯乙烯和聚乙二醇中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述增塑剂包括乙基纤维素、癸二酸丙二醇聚酯、甘油三醋酸酯和间苯二甲酸酯中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述氧化锆粉体和氧化铝粉体的质量比为15～25:1。
9.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述烘烤的温度为75℃～85℃；
所述烘烤的时间为2h～6h。
10.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述烧结的温度为1400℃～1600℃；
所述烧结的时间为2h～6h。
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