CN105887159A - 一种兼具装饰性和功能性的镁合金复合涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种兼具装饰性和功能性的镁合金复合涂层制备方法，由以下步骤组成：打磨镁合金表面，除油脱脂；微弧氧化：微弧氧化电解液，采用控制电流法或电压法，微弧氧化时间25~60min，氧化膜厚度为5~50μm；离子清洗：将构件置于真空镀膜室，调整氩气压力、脉冲偏压和占空比，放电清洗；预镀金属层：锆靶或钛靶弧源，调整偏压占空比和偏压，镀金属层；电弧离子镀膜：锆靶或钛靶弧源，在真空度3~6×10‑1Pa，通入氮气或/和乙炔，调整脉冲偏压和占空比，电弧电流为60~100A，镀膜时间10~60min。本发明是提出一种兼具高装饰性及高耐蚀性、耐磨性和散热性为一体的镁合金涂层制备方法，属于环保型表面处理技术。

Description

一种兼具装饰性和功能性的镁合金复合涂层制备方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金复合涂层的制备方法，具体涉及到微弧氧化技术和物理气相沉积技术。
背景技术
镁合金具有比强度和比刚度高、铸造性能好、电屏蔽和阻尼性能优异及可回收利用等特点，广泛地应用于航空航天、汽车摩托车、工具、电子通讯、光学仪器、计算机制造等领域。但镁合金的电极电位极负（-2.36V），且自然氧化膜与金属体积比为0.79，自然氧化膜无法完全覆盖基体，且疏松多孔，无法保护镁合金基体，耐蚀性能差。为了改善镁合金表面的耐蚀性能，许多表面处理技术相继被开发出来，如：化学转化、阳极氧化、微弧氧化、金属覆层、气相沉积以及涂装等。由于镁合金化学活性极高，至今未开发出单一能解决镁合金在苛刻条件下防腐蚀的方法。因此，国内外通常采用两种或两种以上表面处理技术，制备高耐蚀性的复合涂层。典型方法如下：
中国专利ZL201010267526.8公开了一种将化学转化和微弧氧化两种表面处理技术结合起来，通过在膜层中引入Mn2+和V5+，制备深色的微弧氧化膜，该膜具有良好的耐蚀性和装饰性，但无金属光泽。
中国专利ZL201210370483.5公开了一种将微弧氧化技术和电镀结合起来，制备镁合金微弧氧化/金属镍复合涂层。所制备复合涂层不仅具有较好的防护厚度，而且与基体结合力好，具有良好的耐蚀性能佳、硬度高和表面光亮度好，但电镀过程的“三废”污染环境。
中国专利ZL201210190789.2公开了一种将微弧氧化技术和电泳涂装技术结合起来，制备镁合金微弧氧化/有机涂层复合涂层。该复合涂层的陶瓷层厚度约为15~35µm，孔隙率15~40%，表面粗糙度2.0~4.5µm，电泳涂层20~45µm。该膜层拥有优异的综合性能，能够完全满足我国国防军工、航空航天等领域对镁合金涂层耐腐蚀、耐湿热等性能的要求，但没有金属光泽且散热性能不佳。
目前，随着镁合金在3C产业中应用领域的扩大，其表面的装饰性成为消费者考虑的重要因素，镁合金表面保护涂层的色彩多样性的显得越来越重要。
发明内容
本发明的目的是提出一种兼具高装饰性及高耐蚀性、耐磨性和散热性为一体的镁合金涂层制备方法。
本发明的技术方案由以下步骤组成：
1.预处理：用400~1000#砂纸或砂轮机打磨镁合金表面，除油脱脂；
2.微弧氧化：用微弧氧化电解液，采用控制电流法，在脉冲电源频率为500~800Hz，占空比8~20%，电流密度为1~3A/dm2，微弧氧化时间15~60分钟；或采用控制电压法，脉冲电源频率为100~800Hz，电压0~350V，微弧氧化时间40min，氧化膜厚度为5~50μm；
3.离子清洗：将微弧氧化后镁合金清洗、烘干，置于压力7~8×10-3Pa和100~150℃的真空镀膜室中，调整氩气使压力2~3Pa，脉冲偏压占空比20~25%，偏压为800~1000V，放电清洗2~5min；
4.预镀金属：氩离子清洗结束后，锆靶或钛靶弧源，抽真空至3.5×10-1Pa，偏压占空比40%，偏压调至500V，电弧电流为50~80A，镀金属锆层时间2~25min；
5.电弧离子镀膜：采用锆靶或钛靶，氩离子轰击结束，在真空度6×10-1Pa，通入氮气或/和乙炔，占空比50~80%，偏压100~200V，电弧电流为60~100A，镀膜时间10~60min。
所述微弧氧化的电解液组成为：硅酸钠5~20g/L，氢氧化钠2~5g/L，偏铝酸钠1~5g/L，丙三醇为2~8ml/L，其余为去离子水。
本方法首先在镁合金表面制备一层5~50µm的微弧氧化陶瓷膜，然后在其表面电弧离子镀或磁控溅射预镀一层0.1~0.3µm的纯钛或者纯锆金属层，最后电弧离子镀一层0.1~5µm的氮化钛、氮化锆、碳化钛或碳氮化钛的膜层。本发明的方法具有无铬、无氟、无磷、无重金属离子等有害物质，属于环保型表面处理技术。
本发明将微弧氧化和物理气相沉积结合起来制备高性能兼具外观和功能的复合涂层。其中微弧氧化是利用微弧区瞬间的高温烧结作用直接在镁合金表面上原位生成陶瓷层的过程。氧化膜层呈多孔状，与基质结合牢固，且具有陶瓷特性，质地坚硬、分布均匀，具有优异的耐蚀性和耐磨性。物理气相沉积技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体或等离子体过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术，主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、电弧离子镀、离子镀膜等方法。镁合金构件经微弧氧化处理后，首先在表面形成了一层多孔的硬质陶瓷层，然后用电弧离子镀镀一层纯锆或纯钛过渡层，最后利用电弧离子镀镀一层氮化钛、氮化锆、碳化钛或碳氮化钛膜，最终获得复合涂层。由于微弧氧化膜的微孔处的电阻较小，离化金属离子在偏压的作用下，优先在微孔底部沉积，起到封孔的作用。同时，通过调整镀膜通入气体的种类和比例，可制备金黄色到玫瑰金色一系列颜色及枪黑色等具有金属光泽、装饰性能良好的镀层。此外由于复合涂层的表层组成为氮化钛、氮化锆、碳化钛或碳氮化钛，其散热性、耐磨性和耐蚀性能俱佳。因此，本发明制备的镁合金复合涂层不仅具有良好的性能，同时兼具良好装饰效果，非常适合于3C等领域的应用。
具体实施方式
实施例1
1.预处理：用400~1000#砂纸或砂轮机打磨镁合金表面，除油脱脂；
2.微弧氧化：微弧氧化的电解液组成为：硅酸钠15g/L，氢氧化钠4g/L，偏铝酸钠3g/L，丙三醇为2ml/L，其余为去离子水，电解液温度为室温，微弧氧化采用控制电流法，电源频率为600Hz，占空比12%，电流密度为2.0A/dm2，微弧氧化时间30min；
3.离子清洗：将纯锆靶材装配真空镀膜室的靶位上，然后将微弧氧化处理后清洗、烘干的镁合金置于真空室中，先抽到8×10-3Pa，再将真空室加热至150℃，调整氩气的进气量和节流阀，使真空度达到3.0Pa，将脉冲偏压占空比调至20%，偏压调至1000V，此时真空室发生辉光放电现象，离子开始清洗工件表面，放电清洗5min；
4．预镀金属：氩离子轰击结束，停止进气关闭偏压，抽真空至3.5×10-1Pa，偏压占空比为40%，偏压调至500V，引燃锆靶弧源，电弧电流为60A，镀金属锆层时间5min；
5．电弧离子镀膜：预镀完毕后，关闭氩气和偏压，通入氮气，将真空度调整至6×10-1Pa，占空比65%，偏压至200V，引燃锆靶弧源，电弧电流为80A，镀膜时间30min。
由本实施例获得的涂层呈金黄色，涂层厚度30µm，涂层的结合强度35MPa，表面硬度600HV，耐中性盐雾时间达1000h以上。
实施例2
1.预处理：用400~1000#砂纸或砂轮机打磨镁合金表面，除油脱脂；
2.微弧氧化：微弧氧化的电解液组成为：硅酸钠5g/L，氢氧化钠5g/L，偏铝酸钠5g/L，丙三醇为8ml/L，其余为去离子水，电解液温度为室温，微弧氧化采用控制电压法，脉冲电源频率为800Hz，电压随时间逐渐增大，且随时间延长增加幅度逐步降低，10min增至350V，微弧氧化时间40min；
3.离子清洗：将纯钛靶材装配真空镀膜室的靶位上，然后将微弧氧化处理后清洗、烘干的镁合金置于真空室中，先抽到8×10-3Pa，再将真空室预加热至120℃，调整氩气的进气量和节流阀，使其真空度达到2.0Pa，将脉冲偏压占空比调至20%，偏压调至800V，此时真空室发生辉光放电现象，离子开始清洗工件表面，放电清洗5min；
4．预镀金属：氩离子轰击结束，停止进气关闭偏压，抽真空至3.5×10-1Pa，偏压占空比为40%，偏压调至500V，引燃钛靶弧源，电弧电流为60A，镀金属钛层时间25min；
5．电弧离子镀膜：预镀完毕后，关闭氩气和偏压，通入流量比1:3的氮气和乙炔，真空度调整至3×10-1Pa，占空比65%，偏压至200V，引燃钛靶弧源，电弧电流为100A，镀膜时间30min。
由本实施例获得的涂层呈枪黑色，涂层厚度30µm，涂层的结合强度35MPa，表面硬度600HV，耐中性盐雾时间达1000h以上。
实施例3
1.预处理：用400~1000#砂纸或砂轮机打磨镁合金表面，除油脱脂；
2.微弧氧化：微弧氧化的电解液组成为：硅酸钠20g/L，氢氧化钠2g/L，偏铝酸钠1g/L，丙三醇为6ml/L，其余为去离子水，电解液温度为室温，微弧氧化采用控制电流法，电源频率为600Hz，占空比12%，电流密度为3.0A/dm2，微弧氧化时间20min；
3.离子清洗：将纯钛靶材装配真空镀膜室的靶位上，然后将微弧氧化处理后清洗、烘干的镁合金置于真空室中，先抽到7×10-3Pa，再将真空室预加热至100℃，调整氩气的进气量和节流阀，使真空度达到2.5Pa，将脉冲偏压占空比调至22%，偏压调至1000V，此时真空室发生辉光放电现象，离子开始清洗工件表面，放电清洗5min；
4．预镀金属：氩离子轰击结束，停止进气关闭偏压，抽真空至3.5×10-1Pa，偏压占空比为40%，偏压调至500V，引燃钛靶弧源，电弧电流为60A，镀金属钛层时间10min；
5．电弧离子镀膜：预镀完毕后，关闭氩气和偏压，通入流量比1:3的氮气和乙炔，真空度调整至5×10-1Pa，占空比65%，偏压至200V，引燃钛靶弧源，电弧电流为60A，镀膜时间30min。
由本实施例获得的涂层呈玫瑰金色，膜层厚度40µm，涂层的结合强度35MPa，表面硬度600HV，耐中性盐雾时间达1000h以上。

Claims (2)

1.一种兼具装饰性和功能性的镁合金复合涂层制备方法，其特征是由以下步骤组成：
1)预处理：用400~1000#砂纸或砂轮机打磨镁合金表面，除油脱脂；
2)微弧氧化：用微弧氧化电解液，采用控制电流法，在脉冲电源频率为100~800Hz，占空比8~20%，电流密度为1~3A/dm2，微弧氧化时间15~60分钟；或采用控制电压法，脉冲电源频率为100~800Hz，电压0~450V，微弧氧化时间15~60min，氧化膜厚度为5~50μm；
3)离子清洗：将微弧氧化后镁合金清洗、烘干，置于压力7~8×10-3Pa和100~150℃的真空镀膜室中，调整氩气使压力2~3Pa，脉冲偏压占空比20~25%，偏压为800~1000V，放电清洗2~5min；
4)预镀金属层：氩离子清洗结束后，采用锆靶或钛靶，抽真空至3.5×10-1Pa，偏压占空比40%，偏压调至500V，电弧电流为50~80A，镀金属过渡层时间2~25min；
5)电弧离子镀膜：氩离子轰击结束，采用锆靶或钛靶，在真空度6×10-1Pa，通入氮气或/和乙炔，占空比50~80%，偏压100~200V，电弧电流为60~100A，镀膜时间10~60min。
2.根据权利要求1所述的镁合金复合涂层制备方法，其特征是所述微弧氧化的电解液组成为：硅酸钠5~20g/L，氢氧化钠2~5g/L，偏铝酸钠1~5g/L，丙三醇为2~8ml/L，其余为去离子水。
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