CN104831333B - 一种钢铁表面磁性微弧氧化膜层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微弧氧化技术，特指一种钢铁表面磁性微弧氧化膜层的制备方法。首先对钢铁制品表面进行除油去污清洗，根据需要进行打磨或抛光处理；将钢铁制品置于电解质溶液中作为阳极，进行微弧氧化处理；将表面生成了微弧氧化膜的钢铁制品进行简单清洗和干燥，其特征在于：采用的电解质溶液，为实现钢铁表面磁性微弧氧化膜层的目的，至少应该包括如下浓度的各组分：0.1‑5mol/L的铝酸盐、0.05‑5mol/L的碳酸盐和0.05‑10mol/L的硅酸盐。本发明通过调整电解液组成在钢铁表面获得了磁性组分的磁性微弧氧化薄膜。

Description

一种钢铁表面磁性微弧氧化膜层的制备方法
技术领域
本发明涉及微弧氧化技术，特指一种钢铁表面磁性微弧氧化膜层的制备方法。
背景技术
微弧氧化技术作为一项近几年发展起来的表面薄膜处理技术，该技术可以在材料表面改性尤其是金属表面制备各种薄膜，既可以提高金属基体的性能，同时也可以获得各种功能薄膜，成为材料研究领域的热点；微弧氧化技术尤其是在所谓阀金属及其合金表面处理上获得了应用，如Al、Mg、Ti及其合金，各种耐磨、耐蚀膜层以及生物、光电、铁电薄膜都有了较多的报道。
近年来，微弧氧化在钢铁表面的应用也获得了发展，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；目前微弧氧化膜层主要是关于耐磨耐蚀的报道，还未见到关于功能膜层的报道，尤其是在钢铁表面制备磁性微弧氧化薄膜的报道，微弧氧化的过程中的电参数和电解液组成（包括原始组分和基体溶解进入电解液中的组分）对膜层的结构有很大影响；本发明通过调整电解液组成在钢铁表面获得了磁性组分的磁性微弧氧化薄膜。
发明内容：
本发明的目的是提供一种在钢铁表面直接生成磁性微弧氧化薄膜的方法，是一项在钢铁表面生长磁性膜层新方法，该方法能通过改变电解的成分，在钢铁材料表面直接形成磁性微弧氧化薄膜，既是对钢铁基体性能的扩大，同时也提供了一种磁性薄膜提供了一种新附着载体及其方法，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。
本发明按照下述步骤进行：
（1）首先对钢铁制品表面进行除油去污清洗，根据需要可以进行打磨或抛光处理。
（2）将钢铁制品置于电解质溶液中作为阳极，进行微弧氧化处理；
（3）将表面生成了微弧氧化膜的钢铁制品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300-600v，电流密度在5-20A/dm2之间；反应时间15-40min。
本发明采用的电解质溶液，为实现钢铁表面磁性微弧氧化膜层的目的，至少应该包括如下浓度的各组分：0.1-5mol/L的铝酸盐、0.05-5mol/L的碳酸盐和0.05-10mol/L的硅酸盐。
进一步的，为了改善调整微弧氧化过程的稳定性和膜层的质量，还可以加入0.05-1mol/L的磷酸二氢盐、0.05-1 mol/L的焦磷酸盐和0.05-2 mol/L的硫酸盐中的一种或两种以上。
上述的各种盐类为钠盐，钾盐。
电解液各组分的机理和作用：
铝酸盐，碳酸盐和硅酸盐保证了微弧氧化在钢铁上的实现，并且有利于在微弧氧化过程中与钢铁基体作用，生成含有铁元素的磁性物相组分，磷酸二氢盐，焦磷酸盐，硫酸盐为可选组分，可以根据需要加入少量或者不加。
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、碳酸盐、碳酸盐溶解在去离子水中，加入适量磷酸二氢盐、焦磷酸盐或硫酸盐并不断搅拌，得到电解液。
本发明的独到之处和有益效果是：
（1）利用脉冲电源和适当的电解液体系，激活并增强钢铁在阳极上发生化学过程，产生等离子体反应，实现了钢铁的微弧氧化，扩大了传统微弧氧化的应用范围。
（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）本发明适用于各种碳钢、铸铁、合金钢等，基体范围广泛。
（4）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，易于掌握，电解质溶液属于环保型产品，符合环保排放要求。
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。
附图说明
图1是实施例1磁性膜层元素分析图。
图2是实施例1的磁滞回线图。
图3是实施例1的耐腐蚀性能示意图。
具体实施方式
实施例1
1．对Q235碳钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
2．配置如下重量浓度的电解液：碳酸钠0.1-1mol/L，铝酸钠0.1-1mol/L，硅酸钠0.05-2mol/L, 磷酸二氢钠0.1-0.2 mol/L。
3．将Q235碳钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600V，电流密度5-20A/dm2处理15-40分钟。
4．将表面生成了微弧氧化膜的钢铁进行清洗、干燥。
图1是磁性膜层元素分析图，从图中可以看出膜层含有Fe、O等元素。
图2是磁滞回线图，用磁滞回线表征膜层的磁性性能，表明微弧氧化膜层具有磁性，饱和磁化强度可达75A·m2/kg。
图3是耐腐蚀性能示意图，在3％NaCl溶液中，用Tafel极化曲线测量耐腐蚀性，用腐蚀电流密度密度和腐蚀电位比较耐蚀性能好坏，膜层的腐蚀电流密度比基体降低100倍（膜层9.285×10-7 A/cm2，基体6.794×10-5A/cm2），腐蚀电位增大约0.1V，（膜层-0.584V，基体-0.687V）。
实施例2
1.对T10非合金碳素工具钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
2.配置如下重量浓度的电解液：碳酸钠1-2 mol/L，铝酸钠1-2mol/L，硅酸钾2-5mol/L，磷酸二氢钠0.05-0.1 mol/L， 硫酸钠0.05-0.1mol/L。
3.将T10非合金碳素工具钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600V，电流密度5-20A/dm2处理20-40分钟。
4.将表面生成了氧化膜钢铁的制品进行清洗、干燥。
5. 磁性膜层元素分析图与图1类似，表明膜层含有Fe、O等元素；经过测试，结果表明膜层饱和磁化强度可达70A·m2/kg，膜层腐蚀电位为-0.506V比基体腐蚀电位为-1.714V显著增大, 膜层腐蚀电流密度1.008×10-6 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3
1.对30CrMnSi合金钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗；
2.配置如下重量浓度的电解液：碳酸钠2-5mol/L，铝酸钠2-5mol/L，硅酸盐5-10mol/L， 0.2-0.6 mol/L磷酸二氢钠、0.05-0.1 mol/L的焦磷酸钾 和0.05-1 mol/L的硫酸钠。
3.将30CrMnSi合金钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600V，电流密度5-20A/dm2处理20-40分钟。
4.将表面生成了氧化膜钢铁的制品进行清洗、干燥。
5．磁性膜层元素分析图与图1类似，表明膜层含有Fe、O等元素；经过测试，结果表明，膜层饱和磁化强度可达72A·m2/kg，膜层的腐蚀电流密度为9.285×10-7 A/cm2，比基体6.643×10-5 A/cm2显著降低，膜层腐蚀电位为膜层-0.512V比基体-0.645V增大，表明耐腐蚀性能增强。
实施例4
1.对Q235碳钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗。
2.配置如下重量浓度的电解液：碳酸钠0.1-1 mol/L，铝酸钠0.1-1 mol/L，硅酸钠0.05-2mol/L。
3.将Q235碳钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600V，电流密度5-20A/dm2处理15-40分钟。
4.将表面生成了微弧氧化膜的钢铁进行清洗、干燥。
磁性膜层元素分析图与图1类似，表明膜层含有Fe、O等元素。
经过测试，结果表明，膜层饱和磁化强度可达62A·m2/kg，膜层的腐蚀电流密度为2.007×10-6 A/cm2，比基体6.794×10-5A/cm2显著降低，膜层腐蚀电位为膜层-0.612V比基体-0.687V增大，表明耐腐蚀性能增强。
可以看出，与实施例1相比，不加磷酸二氢钠，同样可以生成磁性膜层，但是膜层饱和磁化强度和耐腐蚀性能低于实施例1。

Claims (1)

1.一种钢铁表面磁性微弧氧化膜层的制备方法,其特征在于，具体步骤如下：
对Q235碳钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗；
配置如下重量浓度的电解液：碳酸钠0.1-1mol/L，铝酸钠0.1-1mol/L，硅酸钠0.05-2mol/L,磷酸二氢钠0.1-0.2mol/L；
将Q235碳钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600V，电流密度5-20A/dm2处理15-40分钟；
将表面生成了微弧氧化膜的钢铁进行清洗、干燥；
微弧氧化膜层具有磁性，饱和磁化强度可达75A·m2/kg；
膜层的腐蚀电流密度比基体降低；膜层9.285×10-7A/cm2，基体6.794×10-5A/cm2，腐蚀电位增大，膜层-0.584V，基体-0.687V；
或
对T10非合金碳素工具钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗；
配置如下重量浓度的电解液：碳酸钠1-2mol/L，铝酸钠1-2mol/L，硅酸钾2-5mol/L，磷酸二氢钠0.05-0.1mol/L，硫酸钠0.05-0.1mol/L；
将T10非合金碳素工具钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600V，电流密度5-20A/dm2处理20-40分钟；
将表面生成了氧化膜钢铁的制品进行清洗、干燥；
膜层饱和磁化强度可达70A·m2/kg，膜层腐蚀电位为-0.506V比基体腐蚀电位为-1.714V显著增大,膜层腐蚀电流密度1.008×10-6A/cm2比基体2.116×10-5A/cm2减小，表明膜层耐蚀性提高；或
对30CrMnSi合金钢表面进行机械抛光，然后进行除油去污清洗；
配置如下重量浓度的电解液：碳酸钠2-5mol/L，铝酸钠2-5mol/L，硅酸盐5-10mol/L，0.2-0.6mol/L磷酸二氢钠、0.05-0.1mol/L的焦磷酸钾和0.05-1mol/L的硫酸钠；
将30CrMnSi合金钢作为阳极进行微弧氧化处理，电压400-600V，电流密度5-20A/dm2处理20-40分钟；
将表面生成了氧化膜钢铁的制品进行清洗、干燥；
膜层饱和磁化强度可达72A·m2/kg，膜层的腐蚀电流密度为9.285×10-7A/cm2，比基体6.643×10-5A/cm2显著降低，膜层腐蚀电位为膜层-0.512V比基体-0.645V增大，表明耐腐蚀性能增强。
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