CN1053020C - 一种铝及铝合金表面的涂层制备方法 - Google Patents

一种铝及铝合金表面的涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种表面涂层制备方法，用于铝及铝合金材料的表面强化和表面保护，其内容是将含有可溶性铬化物、金属、陶瓷、碳化物、硼化物以及其它材料固体微粒的浆液以刷涂或喷涂等方式反复施加于铝及铝合金基体表面，然后在一定温度下加热处理，在基体表面上制备出具有一定的耐磨、耐蚀、耐热等性能特点的涂层。涂层与基体之间的结合为化学键结合。

Description

一种铝及铝合金表面的涂层制备方法
本发明是一种表面涂层制备方法，用于铝及铝合金材料的表面强化和表面保护，属机械工程表面强化处理技术领域。
浆液涂层作为涂层制备技术的一种，主要内容就是通过对基体材料进行反复的化学涂覆和加热处理，使做为溶剂的化合物就地转化，经多次循环后在表面形成具有一定厚度的涂层。美国的Church在1973年发表的专利[1]中以及在1974年发表的对其1973年的专利进行改进的另一项专利[2]中，详细描述了一种陶瓷涂层技术，这项技术的主要内容就是通过对有孔高温陶瓷的基体材料进行反复的化学涂覆和加热处理，使做为溶剂的化合物就地转化，经多次循环后在表面形成具有一定厚度的涂层。Church在1976年发表的另一专利[3]中对其1974年的专利进行了进一步的改进，将可处理的基体材料的范围扩大到表面具有或能形成氧化层的其它材料的基体。在其专利[3]中所介绍的对铝基体的表面处理，最高温度为537℃(900°F)，如此高的处理温度必然会造成铝基体材料的性能改变以及在基体中产生较大的热变形。总的说来，这种方法的缺点是处理温度较高，而且所需的循环处理次数多达9次。
本发明的目的是用比较低的处理温度和较少的循环次数，在铝及铝合金基体表面上制备出具有一定的耐磨、耐蚀、耐热等性能特点的涂层。
本发明的主要内容就是将预先配制好的含有可溶性铬化物(三氧化铬、重铬酸铵等)、磷酸、氢氟酸的水溶液与金属(镍等)、陶瓷(氧化铬、氧化锆、氧化钛等)、碳化物(碳化硅、碳化钨等)、硼化物(硼化铬等)以及其它材料(氧化钴等)的固体微粒混合制成浆液，上述固体微粒的尺寸为微米或亚微米级，将浆液以刷涂或喷涂等方式反复施加于铝及铝合金基体表面，并在一定的温度下加热处理，通过在一定温度下所发生的热化学反应，在铝及铝合金基体表面生成所需的涂层物质，浆液中添加的固体微粒弥散分布在其中，从而形成所需要的表面涂层。所形成的涂层与基体之间的结合通过化学反应所形成的新物质来实现，因而属于化学键结合。浆液循环涂层是一项系列技术，在浆液中加入不同的固体微粒可以获得不同的涂层性能。
浆液循环涂层制备的具体方法和步骤如下：
一.配制浆液
浆液配制分为两步，首先配制三氧化铬、重铬酸铵、磷酸、氢氟酸的水溶液，然后将金属、陶瓷、碳化物、硼化物以及其它材料的固体微粒与所配制的水溶液混合而制成浆液，具体配制过程如下：
1.配制溶液R：
按照下列配方先称取三氧化铬，再加入磷酸和适量的水，通过搅拌使三氧化铬完全溶解，然后加入氢氟酸并搅拌均匀，最后加入水补足余量；
三氧化铬(CrO3)                 20-40g/l
重铬酸铵((NH4)2Cr2O7)          10-25g/l
磷酸(H3PO4)                    60-80ml/l
氢氟酸(HF)                     6-12ml/l
水(H2O)                        补足余量
2.配制浆液S：
首先按一定的比例称取金属、陶瓷、碳化物、硼化物以及其它材料的固体微粒并充分混匀，然后加入前述第一步中所配制的溶液R，搅拌均匀，得到所需要的浆液。上述固体微粒的加入比例为：
氧化铬(Cr2O3)           100-200g/l
氧化锆(ZrO2)            50-300g/l
氧化钴(Co2O3)           10-50g/l
氧化钛(TiO2)            50-80g/l
碳化硅(SiC)             0-150g/l
碳化钨(WC)              0-120g/l
硼化铬(CrB)             0-110g/l
镍粉(Ni)                0-40g/l
溶液R                   补足余量
二.涂层制备(工艺流程)：
1.用常规方法将铝或铝合金基体表面清洗干净，去除油污(可
  采用丙酮、无水乙醇等有机溶剂)；
2.将浆液以刷涂或喷涂等方式均匀地施于基体表面，厚度不
  宜太大，一般每次喷涂浆液的厚度在15μm～25μm左右；
3.将涂有浆液的铝或铝合金试件置于200℃的均匀温度环境中
  (大气压力)，保持时间视试件大小不同而异，试件较大者保
  持时间也较长，一般为20～30分钟；
4.试件在空气中自然冷却至室温；
5.重复步骤2～4，重复次数根据预先设计的涂层厚度而定，一
  般以3～5次为宜；
6.将所形成的涂层表面加工至所需光洁度，建议采用抛光或用
  水砂纸加水打磨。
用上述方法制备出的涂层，涂层与基体之间的结合为化学键结合，涂层厚度范围为10～100μm，涂层微观硬度为HV300～HV600，所制备出的涂层具备一定的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能。通过添加不同的固体微粒可以配制不同的浆液，从而获得不同的涂层性能。
同目前国际上现有的同类技术相比，本技术具有处理温度低(最低处理温度仅为200℃，这使得处理过程中基体材料由于温度变化而引起的变形量较小)，循环处理次数少(最低循环处理次数为3次)的优点。本技术工艺简单，实施本技术不需复杂设备，可操作性强。
本项技术既可应用于工业领域，也可用于铝及其合金的装饰和保护。
                     实施例一
一种适合于铝合金基体的浆液S-01的配方如下：水溶液R01：
三氧化铬(CrO3)                   28g/l
重铬酸铵((NH4)2Cr2O7)            15g/l
磷酸(H3PO4)                      60ml/l
氢氟酸(HF)                       8ml/l
水(H2O)                          补足余量浆液S-01：
氧化铬(Cr2O3)                    180g/l
氧化锆(ZrO2)                     120g/l
氧化钴(Co2O3)                    38g/l
氧化钛(TiO2)                     50g/l
镍粉(Ni)                         34g/l
水溶液R01                        补足余量涂层摩擦学性能测试结果：第一组试验：
试件：LY-12铝合金基体上以浆液S-01经三次循环处理制备出
      的涂层；
涂层厚度：45μm；
涂层微观硬度：HV400～HV420；
对磨件材料：Mo+NiCrBSi；
对磨件材料微观硬度：HV350；
试验机：SRV高温摩擦磨损试验机；
试件为面接触，接触面积为1cm^2；
平均载荷：4.0MPa；
滑动速度：0.04m/s；
室温无润滑时的摩擦系数：0.1～0.12，经20分钟试验后，表面可见轻微磨痕，经称重法测量，磨损量在5/10000克以内，未发现涂层表面有裂纹或剥离产生。
第二组试验：
试件：LY-12铝合金基体上以浆液S-01经三次循环处理制备出
      的涂层；
涂层厚度：45μm；
涂层微观硬度：HV400～HV420；
对磨件材料：Mo+NiCrBSi；
对磨件材料微观硬度：HV350；
试验机：SRV高温摩擦磨损试验机；
试件为面接触，接触面积为1cm^2；
平均载荷：3.3MPa；
滑动速度：0.12m/s；
在油润滑状态下，在不同的环境温度下连续试验16分钟(50℃2分钟，100℃2分钟，200℃2分钟，300℃2分钟，400℃8分钟)，表面仅有轻微磨痕，经称重法测量，磨损量在3/10000克以内，未发现涂层表面有裂纹或剥离产生。
涂层耐腐蚀性能测试结果：
试件：LY-12铝合金基体上以浆液S-01经三次循环处理制备出
      的涂层；
涂层厚度：45μm；
将表面制备有浆液涂层的试样分别置于5％硫酸、20％硫酸、5％硝酸、20％硝酸、5％氢氧化钠和20％氢氧化钠溶液中放置24小时，然后取出并用水冲洗干净。将试样放在显微镜下观察，未发现涂层表面有明显的腐蚀现象。
涂层耐热震性能测试结果：
试件：LY-12铝合金基体上以浆液S-01经三次循环处理制备出
      的涂层；
涂层厚度：45μm；
将表面制备有浆液涂层的试样加热至300，然后快速放进25℃的水中，反复上述过程10次，未发现涂层表面有裂纹或剥离产生。
                     实施例二
一种适合于铝合金基体的浆液S-02的配方如下：
浆液S-02：
       氧化铬(Cr2O3)         120g/l
       氧化锆(ZrO2)          70g/l
氧化钴(Co2O3)               25g/l
氧化钛(TiO2)                50g/l
碳化钨(WC)                  40g/l
硼化铬(CrB)                 16g/l
镍粉(Ni)                    36g/l
水溶液R01                   补足余量
涂层性能测试结果：
试样：LY-12铝合金基体上以浆液S-02经三次循环处理制备出
      的涂层；
涂层厚度：60μm；
涂层微观硬度：HV470～HV500；
将试样分别置于5％硫酸、20％硫酸、5％硝酸、20％硝酸、5％氢氧化钠和20％氢氧化钠溶液中放置24小时，然后取出并用水冲洗干净。将试样放在显微镜下观察，未发现涂层表面有明显的腐蚀现象。
                  实施例三
一种适合于铝合金基体装饰和保护涂层的浆液S-03的配方如下：
浆液S-03：
      氧化铬(Cr2O3)      150g/l
      氧化锆(ZrO2)       100g/l
氧化钛(TiO2)            55g/l
氧化钴(Co2O3)           20g/l
水溶液R01               补足余量
涂层性能测试结果：
试样：LY-12铝合金基体上以浆液S-03经三次循环处理制备出
      的涂层；
涂层厚度：50μm；
涂层外观为淡绿色；
涂层微观硬度：HV320～HV340；
将试样分别置于5％硫酸、30％硫酸、5％硝酸、30％硝酸、5％氢氧化钠和30％氢氧化钠溶液中放置48小时，然后取出并用水冲洗干净。将试样放在显微镜下观察，未发现涂层表面有明显的腐蚀现象。
参考文献1.Peter K.Church，Oliver J.Knutson，United StatesPatent No.3734767，1973.5.2.Peter K.Church，Oliver J.Knutson，United StatesPatent No.3789096，1974.1.3.Peter K.Church，Oliver J.Knutson，United StatesPatent No.3734767，1976.5.

Claims (2)

1.一种铝及铝合金表面的涂层制备方法，其特征是：a.将三氧化铬、重铬酸铵、磷酸、氢氟酸和水以下述比例混合配制溶
液R：
三氧化铬CrO3                       20-40g/l
重铬酸铵(NH4)2Cr2O7            10-25g/l
磷酸H3PO4                        60-80ml/l
氢氟酸HF                           6-12ml/l
水H2O                             补足余量；b.将镍、氧化铬、氧化锆、氧化钛、碳化钨、碳化硅、硼化铬以及氧化钴的固体微粒与根据步骤a所配制的溶液R以下述比例混合配制浆液：
氧化铬Cr2O3                100-200g/l
氧化锆ZrO2                  50-300g/l
氧化钴Co2O3                10-50g/l
氧化钛TiO2                  50-80g/l
碳化硅SiC                    0-150g/l
碳化钨WC                     0-120g/l
硼化铬CrB                    0-110g/l
镍粉Ni                       0-40g/l
溶液R                        补足余量；c.将上述浆液以刷涂或喷涂的方式涂覆于铝或铝合金表面上，在200℃环境温度下加热处理，循环上述涂覆和加热处理过程，在基体表面形成涂层。
2.根据权利要求1的方法，其中步骤c所述涂覆和加热处理过程进行3-5次。
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