CN104831332B - 一种钢铁表面直接生成黑色耐蚀微弧氧化膜层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢铁表面强化处理技术，特指一种钢铁表面直接生成黑色耐磨耐蚀微弧氧化膜层的方法。首先对钢铁表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗；将钢铁置于电解质溶液中作为阳极，进行微弧氧化处理；将表面生成了黑色氧化膜的钢铁进行简单清洗和干燥，其特征在于：电解质溶液的基本组分为铝酸钠6‑32 g/l，硅酸钠2‑96 g/l，磷酸二氢钠0.05‑10 g/l。本发明在钢铁表面直接生成黑色、氧化物陶瓷膜。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁表面强化处理技术，具体涉及一种钢铁材料表面陶瓷涂层的制备新工艺，特指一种钢铁表面直接生成黑色耐磨耐蚀微弧氧化膜层的方法。
背景技术
钢铁材料因其高强度、高韧性、容易加工、成本低等优点而成为工业用量最大的一类金属材料，但其易锈蚀和磨损；选用特种优质耐蚀、耐磨钢材可以有效解决其锈蚀和磨损问题，但往往研制周期较长；对钢铁材料进行表面强化处理，尤其是表面陶瓷化能有效提高其耐磨防腐性能。
微弧氧化技术，又称等离子体电解氧化，作为一项近几年发展起来的表面处理技术，在材料表面尤其是金属表面改性取得了很大成功，成为材料研究领域的热点，尤其是在所谓阀金属及其合金表面处理上获得了应用，尤其Al、Mg、Ti及其合金，大大提高了上述金属的性能；同时，由于应用需要，各种着色的陶瓷膜层也被开发出来，制备具有一定颜色的陶瓷膜成膜微弧氧化技术的一个热点，其中，黑色由于具有适应性广泛的特点成为焦点，如铝合金的黑色微弧氧化陶瓷膜等；但是传统的黑色陶瓷膜电解液体系中往往含有有毒元素或环境有害元素如铬等。
但是，微弧氧化技术在钢铁材料表面的应用一直效果不佳，长期以来业界一直认为不能直接在钢铁材料表面应用此技术，因此，在金属领域，长期以来研究者也一直致力于该技术在钢铁材料表面的研究，出现了如钢铁表面热浸镀铝、热喷涂铝等再进行微弧氧化的方法，但是这些间接的方法，使得工艺过程复杂化；一些研究如中国专利CN1737211A提出了一种具体的不锈钢表面微弧氧化的方法，并把该方法直接用于不锈钢不粘锅的制造（见中国专利CN1919118A），提高了不锈钢的防护性能和应用领域；中国专利CN1721578A提出了碱性条件下普通碳钢微弧氧化方法，电解液体系包括磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐或硅酸盐体系等。
目前，对于钢铁表面微弧氧化陶瓷膜颜色的研究和探讨未见专门报道，这一方面是由于钢铁表面直接微弧氧化工艺较困难，另一方面是由于环境友好型的黑色微弧氧化膜及其电解液配方、工艺的实现也较为困难，因此，直接生成黑色、耐磨耐蚀陶瓷膜的还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种在钢铁表面直接生成黑色、氧化物陶瓷膜制备方法，是一项在金属表面生长氧化物陶瓷的新技术；该方法能通过改变电解的成分，在钢铁材料表面直接形成氧化物黑色耐磨耐蚀陶瓷膜，既提高了基体金属的耐蚀性能、又实现了黑色这一广泛性和普适性颜色的制备，基体金属是应用非常广泛钢铁材料，适用于各种各种普通碳钢、铸铁、合金钢等，不包括不锈钢。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案按照下述步骤进行：
（1）首先对钢铁表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
（2）将钢铁置于电解质溶液中作为阳极，进行微弧氧化处理。
（3）将表面生成了黑色氧化膜的钢铁进行简单清洗和干燥。
本发明微弧氧化工艺可以采用双向或单向脉冲电源，电压为300-680V， 电流密度在5-20A/dm2之间，处理15-30分钟；采用的电解质溶液中含有适量浓度的下列组分：
电解液体系的基本组分为铝酸钠6-32 g/l，硅酸钠2-96 g/l，磷酸二氢钠0.05-10g/l；为调整耐蚀性能和颜色深浅，还可以适量加入焦磷酸钠（2-10 g/l）、钼酸钠（2-15 g/l）、钒酸钠（2-10 g/l）和硫酸钠(0.5 -5g/l)中的一种或两种以上。
电解液各组分的机理和作用：
在上述电解液体系实现微弧氧化在钢铁上的实现，并且生成了黑色的化合物，使膜层呈现黑色。
本发明使用钢铁范围：
本发明适用于各种普通碳钢、铸铁、合金钢等，不适用于不锈钢等；由于不锈钢表面一般具有Cr、Ni等的氧化膜，具有钝化租用，难以实现微弧氧化过程，而普通碳钢、铸铁、合金钢等，表面没有类似膜层，微弧氧化电解过程可以基体可以参与反应，并实现微弧放电，因此本发明适用于各种普通碳钢、铸铁、合金钢等。
电解液的配制方法：
在不断搅拌的情况下，依次将适量铝酸盐、硅酸盐，磷酸二氢盐溶解在适量去离子水，加入适量焦磷酸钠、钼酸钠、钒酸钠和硫酸钠中的一种或两种以上并不断搅拌，待用。
本发明的独到之处和有益效果是：
（1）实现了钢铁的微弧氧化，扩大了传统微弧氧化的应用范围，传统微弧氧化一般较多的应用于有色金属。
（2）带有陶瓷膜层的钢铁材料具有比无膜层的具有更好的耐腐蚀性能。
（3）本发明的工艺稳定可靠，采用的设备简单，反应在常温下进行，操作方便。
附图说明
图1为Q235碳钢表面微弧氧化膜层的截面图和表面图。
图2为 Q235碳钢表面微弧氧化膜层的极化曲线图。
具体实施方式
实施例1
1．对Q235碳钢制品表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
2．配置如下电解液：铝酸钠6-20g/l，磷酸二氢钠2-5 g/l，硅酸钠3-20 g/l，钒酸钠6-10 g/l，硫酸钠0.5 -2g/l。
3．将Q235碳钢置于溶液中作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600v，电流密度10-20A/dm2，处理15-30分钟。
4．将表面生成了氧化膜的制品进行清洗、干燥。
对带有膜层的钢铁试样进行表征和测试，如图1和图 2，微弧氧化膜层截面厚度约为50微米，表面呈黑色；用Tafel极化曲线测量并比较膜层和基体的耐腐蚀性，膜层的腐蚀电流比基体降低100倍（膜层9.365×10-7 A/cm2，基体6.794×10-5A/cm2），腐蚀电位增比基体提高0.11V，较大的提高了耐蚀性能。
表1 Q235碳钢表面微弧氧化膜层的腐蚀数据
| 试样 | 腐蚀电流密度i corr ( A/cm 2 ) | 腐蚀电位E corr (V) |
| 基体 | 6.794×10-5 | -0.687 |
| 带有膜层的试样 | 9.365×10-7 | -0.579 |
实施例2
1.对30C rMnSi合金钢制品表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
2. 配置如下电解液：铝酸钠8-20g/l，磷酸二氢钠1-3g/ l，硅酸钠28-60 g/l，钼酸
钠2-8 g/l。
3. 将30CrMnSi合金钢制品作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600v，电流密度
10-20A/dm2，处理15-30分钟。
4. 将表面生成了氧化膜的制品进行清洗、干燥。
5. 对带有膜层的钢铁试样进行表征和测试，微弧氧化膜层截面厚度约为45微米，表面呈黑色，与图1类似；用Tafel极化曲线测量并比较膜层和基体的耐腐蚀性，膜层的腐蚀电流密度为8.162×10-7 A/cm2比基体6.794×10-5A/cm2降低两个数量级，膜层腐蚀电位为-0.535V比基体-0.645V提高0.11V，较大的提高了耐蚀性能。
实施例3
1.对T10碳素非合金钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
2.配置如下电解液：铝酸钠15-30g/l, 磷酸二氢钠5-10 g/l, 硅酸钠56-96g/l，硫酸
钠0.5-1 g/l，钼酸钠2-8 g/l、焦磷酸钠4-8g/l。
3.将T10碳素非合金钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-650v，电流密度
10-20A/dm2，处理15-30分钟。
4.将表面生成了氧化膜钢铁进行清洗、干燥。
对带有膜层的钢铁试样进行表征和测试，微弧氧化膜层截面厚度约为40微米，表面呈黑色，与图1类似；用Tafel极化曲线测量并比较膜层和基体的耐腐蚀性，膜层腐蚀电位为-0.993V比基体腐蚀电位为-1.714 V显著增大, 膜层腐蚀电流密度5.351×10-6 A/cm2比基体2.116×10-5 A/cm2减小，表明膜层耐蚀性提高。
实施例4
1.对Q235碳钢制品表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
2.配置如下电解液：铝酸钠6-20g/l，磷酸二氢钠2-5 g/l，硅酸钠3-20 g/l。
3.将Q235碳钢置于溶液中作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600v，电流密度10-20A/dm2，处理15-30分钟。
4.将表面生成了氧化膜的制品进行清洗、干燥。
对带有膜层的钢铁试样进行表征和测试，微弧氧化膜层截面厚度约为50微米，表面呈黑色，与图1类似；用Tafel极化曲线测量并比较膜层和基体的耐腐蚀性，膜层的腐蚀电流比基体降低（膜层1.445×10-6A/cm2，基体6.794×10-5A/cm2），腐蚀电位增比基体提高0.07V，较大的提高了耐蚀性能。
可以看出，与实施例1相比，不加钒酸钠，硫酸钠，同样可以生成黑色膜层，但是膜层耐腐蚀性能低于实施例1。
Claims (5)
1.一种钢铁表面直接生成黑色耐磨耐蚀微弧氧化膜层的方法，首先对钢铁表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗；将钢铁置于电解质溶液中作为阳极，进行微弧氧化处理；将表面生成了黑色氧化膜的钢铁进行简单清洗和干燥，其特征在于：电解质溶液的基本组分为铝酸钠6-32g/l，硅酸钠2-96g/l，磷酸二氢钠0.05-10g/l；为调整耐蚀性能和颜色深浅，电解质溶液还加入焦磷酸钠2-10g/l、钼酸钠2-15g/l、钒酸钠2-10g/l和硫酸钠0.5-5g/l中的一种或两种以上。
2.如权利要求1所述的一种钢铁表面直接生成黑色耐磨耐蚀微弧氧化膜层的方法，其特征在于：微弧氧化处理采用双向或单向脉冲电源，电压为300-680V，电流密度在5-20A/dm2之间，处理15-30分钟。
3.如权利要求1所述的一种钢铁表面直接生成黑色耐磨耐蚀微弧氧化膜层的方法，其特征在于电解质溶液含有以下浓度的组分：铝酸钠8-20g/l，磷酸二氢钠1-3g/l，硅酸钠28-60g/l，钼酸钠2-8g/l。
4.如权利要求1所述的一种钢铁表面直接生成黑色耐磨耐蚀微弧氧化膜层的方法，其特征在于电解质溶液含有以下浓度的组分：铝酸钠15-30g/l,磷酸二氢钠5-10g/l,硅酸钠56-96g/l，硫酸钠0.5-1g/l，钼酸钠2-8g/l、焦磷酸钠4-8g/l。
5.如权利要求1所述的一种钢铁表面直接生成黑色耐磨耐蚀微弧氧化膜层的方法，其特征在于电解质溶液含有以下浓度的组分：铝酸钠6-20g/l，磷酸二氢钠2-5g/l，硅酸钠3-20g/l，钒酸钠6-10g/l，硫酸钠0.5-2g/l。
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