CN105908238A

CN105908238A - 一种金属纳米陶瓷涂层制备方法

Info

Publication number: CN105908238A
Application number: CN201610260549.3A
Authority: CN
Inventors: 张宇
Original assignee: Zhejiang Industry Polytechnic College
Current assignee: Zhejiang Industry Polytechnic College
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2016-08-31

Abstract

本发明公开了一种金属纳米陶瓷涂层制备方法，属于金属材料表面处理技术领域，解决现有技术中金属涂层加工繁琐，成品性能不足，且会对环境造成污染的技术问题，本发明提供的金属纳米陶瓷涂层制备方法，采用的电解液包括硅酸钠、钼酸钠、氟化钠和氢氧化钾，还加入了高锰酸钾和纳米添加剂，通过直流脉冲微弧氧化设备对金属进行微弧氧化陶瓷涂层处理，并控制电流密度和氧化时间，获得更优质的涂层。

Description

一种金属纳米陶瓷涂层制备方法

【技术领域】

本发明涉及材料表面处理技术领域，尤其涉及一种金属涂层制备方法。

【背景技术】

目前，铁路运输是重要的运输方式。高速铁路接触网是与高速电气化铁路运营最为直接相关的架空设备，其工作环境恶劣，沿线架设且无备用，是整个牵引供电系统最为薄弱的环节。接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力，要求接触网在机械结构上具有足够的稳定性和弹性，且具有足够的抗腐蚀能力和耐磨性以尽量延长设备的使用年限。

现有技术中，接触网采用到的铸造铝合金表面耐腐蚀和耐磨损性能改善主要是通过阳极氧化、电沉积、多弧离子镀、化学复合镀和化学转化膜等电化学方法来实现。但是这些方式存在工艺过程复杂、具有毒性或是酸性废物，会对环境产生负面影响。

【发明内容】

本发明解决的问题是针对现有工艺制备的涂层膜层薄，耐磨性和耐蚀性差，且对环境有负面影响的问题，提供一种金属纳米陶瓷涂层制备方法，提高金属的性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种金属纳米陶瓷涂层制备方法，采用直流脉冲微弧氧化设备对金属表面进行微弧氧化处理，所述直流脉冲微弧氧化设备包括电源、控制系统和电解液槽，所述制备方法包括以下步骤：

S01)配置电解液，在水中加入硅酸钠、钼酸钠、氟化钠和氢氧化钾，电解液按质量百分比包括8％-11％的硅酸钠、4％-6％的钼酸钠、3％-4％的氟化钠、4％-7％的氢氧化钾、其余为水；

S02)将电解液放入电解液槽中，向电解液中加入高锰酸钾和纳米添加剂，高锰酸钾占电解液总质量百分比的2％-7％，纳米添加剂占电解液总质量百分比的5％-9％；

S03)电源的正极连接金属，电源的负极与电解液槽中的电解液导通，将金属放入电解液中，并控制电解液中的电流密度为30A/dm²-40A/dm²；

S04)经过20min-30min后将电解液中的金属取出。

进一步的，所述直流脉冲微弧氧化设备还包括冷却装置，所述冷却系统将所述电解液的温度控制在15℃-40℃。

进一步的，所述直流脉冲微弧氧化设备还包括搅拌装置，所述搅拌装置对电解液槽中的电解液进行搅拌。

进一步的，在S03)前所述金属依次进行打磨、除油和超声波清洗处理。

进一步的，在S04)后对金属依次进行清洗和干燥。

进一步的，所述纳米添加剂为二氧化钛，纳米添加剂的粒径直径≤30nm。

本发明的有益效果：

本发明的金属纳米陶瓷涂层制备方法，依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以金属氧化物为主的陶瓷膜层，工艺简单，在不改变零件结构及使用性能的前提下，能很好地提高铸件表面性能，使耐磨性和防腐性能显著提高，延长使用寿命。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。此外，在电解液中引入纳米添加剂二氧化钛，可以实现纳米陶瓷涂层的制备，这样可以更进一步提高涂层的综合性能。并且采用的电解液配方，不造成环境污染，是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式中详细的揭露。

【具体实施方式】

本发明提供的一种金属纳米陶瓷涂层制备方法，在大量试验基础上，采用人工神经网络建立制备工艺、微观结构与性能之间的关系模型，然后再利用该模型和粒子群算法相结合来进行制备工艺的优化。本方法采用20kw的直流脉冲微弧氧化设备对金属进行微弧氧化陶瓷涂层处理，微弧氧化系统包括电源、控制系统和电解液槽，控制系统控制电源的开闭，具体包括以下步骤：

第一步，配置电解液，在水中加入硅酸钠、钼酸钠、氟化钠和氢氧化钾，电解液按质量百分比包括8％-11％的硅酸钠、4％-6％的钼酸钠、3％-4％的氟化钠、4％-7％的氢氧化钾、其余为水。该电解液非酸性，而且无毒，减少对人体和对环境的危险。且硅酸钠是微弧氧化过程中吸附能力很强的离子，因而在金属表面成膜能力强，组分中的钼酸钠、氟化钠、氢氧化钾可以提高陶瓷层的生长速率、调节溶液PH值以及调节电解液中的电流密度。从而使得膜厚生长较快，形成陶瓷层较为平整，提高了加工的效率和质量。

第二步，将电解液放入电解液槽中，然后向电解液中加入高锰酸钾和纳米添加剂；优选采用的纳米添加剂为二氧化钛，纳米添加剂粒径直径≤30nm。电解液中引入纳米添加剂，从而实现微弧氧化制备纳米陶瓷涂层。

其中高锰酸钾占电解液总质量百分比的2％-7％，随着高锰酸钾浓度的增加，金属表面陶瓷层厚度、硬度也在不断增加，腐蚀电流密度不断下降，表面质量不断提高，高锰酸钾的加入能改变膜层的质量，但是过量的高锰酸钾并不能不断的提升陶瓷层质量。

在添加高锰酸钾基础上，纳米级二氧化钛作为纳米添加剂占电解液总质量百分比的5％-9％，纳米添加剂的加入提高了陶瓷层的表面形貌，能使表面的孔隙率降低，提高膜层致密度，改善膜层各项性能。随着纳米添加剂加入，陶瓷层厚度在不断增加，耐蚀性、耐磨性得到了增强，但是过量的纳米添加剂也并不能不断的提升陶瓷层质量。

因此适量加入高锰酸钾和纳米级的二氧化钛，在提高产品性能的前提下，有效控制制造成本。

第三步，将电源的正极连接金属，电源的负极与电解液槽中的电解液导通，金属经过打磨、除油和超声波清洗处理后放入电解液中，电源通电，通过高压放电击穿氧化膜，从而产生了微弧放电，同时产生等离子体，并在微弧放电区域进行基体的氧化，使得在其表面原位生长出一层结合性能良好的陶瓷膜。

并在该步骤中控制电解液中的电流密度为30A/dm²-40A/dm²。电流密度过小，陶瓷层致密性差，耐腐蚀性与耐磨损性能均较差；电流密度过大，虽然陶瓷层厚度也有所增加，但是陶瓷层变得疏松，表面粗糙，会使得陶瓷层崩裂或烧蚀，使得腐蚀介质更容易接触基体，从而腐蚀性变得更差，会严重影响陶瓷层性能。电流密度在30A/dm²-40A/dm²范围内，陶瓷层厚度增加，尤其是致密层厚度的增加，能提高耐蚀性。

第四步，金属经过电解20min-30min后从电解液取出，之后对金属进行清洗和干燥。微弧氧化的4个阶段都是随着时间推移而进行的，且不同的阶段膜层的厚度与质量都是不同的。随着时间的延长，膜层厚度在不断增加。但是时间过长会对膜层产生破坏作用，从而引起膜层的质量下降，因此控制电解时间尤为重要。

本发明中，由于微弧氧化过程中金属表面的微弧产生大量的热量，温度过高会使电解液失效，故需通过冷却系统将电解液进行冷却，以便把微弧氧化过程中所产生的热量带走，使电解液温度保持在一定范围内，冷却系统将电解液的温度控制在15℃-40℃。

直流脉冲微弧氧化设备还包括搅拌装置，搅拌装置自动对电解液槽中的电解液进行搅拌均匀。

现有微弧氧化的工艺优化基本上是采用单因素试验改进，如改进电解液组分、电流密度、添加剂等其中的一种，再试验再改进方式，盲目性很大，同时也大大地浪费了人力、物力和财力。本发明在大量试验基础上，获取在不同影响因素(电解液组分、电流密度、添加剂等)下，铸铝合金微弧氧化涂层硬度、厚度、防腐等性能的数据。再采用近年来发展起来的人工智能技术——人工神经网络，通过自学习、自组织、自适应训练，从冗长复杂的实验数据中训练出隐秘的规则，从而建立制备工艺、微观结构与性能之间的关系模型，然后再利用该模型和粒子群算法相结合来进行工艺优化。

具体的，可将金属纳米陶瓷涂层制备方法应用于高铁接触网零部件表面处理，高速铁路接触网多为铝合金，浸没在电解液中的铝合金表面会出现破坏基体氧化层的电火花，利用这样的弧光放电现象可以在铝合金的表面制成氧化膜；由于陶瓷层是在铝合金表面原位生长出来的，所以结合力优异，是合金表面喷涂的陶瓷层所不能比的。用该技术在高速铁路接触网铝合金零部件表面制备出符合要求的纳米陶瓷涂层，不仅可以有效提高了高铁接触网的使用寿命，而且还可以改善接触网的使用性能，从而提高了高铁运行的可靠性和安全性。

下面结合基体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一：

一种金属纳米陶瓷涂层制备方法，包括以下步骤：

S01)配置电解液，在水中加入硅酸钠、钼酸钠、氟化钠和氢氧化钾，电解液按质量百分比包括8％的硅酸钠、5％的钼酸钠、4％的氟化钠、6％的氢氧化钾、其余为水；

S02)将电解液放入电解液槽中，向电解液中加入高锰酸钾和纳米级的氧化铝，高锰酸钾占电解液总质量百分比的3％，纳米级的二氧化钛占电解液总质量百分比的6％，同时搅拌装置进行搅拌；

S03)电源的正极连接铝合金，电源的负极与电解液槽中的电解液导通，将金属放入电解液中，打开电源，并控制电解液中的电流密度为30A/dm²，冷却系统将电解液的温度控制在30℃。

S04)经过20min后将电解液中的铝合金取出。

本实施例，加工后铝合金的耐盐雾腐蚀达到960小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，涂层硬度达到1150HV，涂层厚度达到29um。而未经任何处理的铝合金耐盐雾腐蚀为220小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，表面硬度为104HV。常规处理方式(如阳极氧化)下的铝合金的耐盐雾腐蚀为550小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，涂层硬度为400HV，涂层厚度为12um。

实施例二：

一种金属纳米陶瓷涂层加工方法，包括以下步骤：

S01)配置电解液，在水中加入硅酸钠、钼酸钠、氟化钠和氢氧化钾，电解液按质量百分比包括11％的硅酸钠、6％的钼酸钠、4％的氟化钠、6％的氢氧化钾、其余为水；

S02)将电解液放入电解液槽中，向电解液中加入高锰酸钾和纳米级的氧化铝，高锰酸钾占电解液总质量百分比的7％，纳米级的二氧化钛占电解液总质量百分比的9％，同时搅拌装置进行搅拌；

S03)电源的正极连接铝合金，电源的负极与电解液槽中的电解液导通，将金属放入电解液中，打开电源，并控制电解液中的电流密度为35A/dm²，冷却系统将电解液的温度控制在30℃。

S04)经过30min后将电解液中的铝合金取出。

本实施例，加工后铝合金耐盐雾腐蚀达到1000小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，涂层硬度达到1220HV，涂层厚度达到32um。而未经任何处理的铝合金耐盐雾腐蚀为220小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，表面硬度为104HV。常规处理方式(如阳极氧化)下的铝合金的耐盐雾腐蚀为550小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，涂层硬度为400HV，涂层厚度为12um。

实施例三：

一种金属纳米陶瓷涂层加工方法，包括以下步骤：

S01)配置电解液，在水中加入硅酸钠、钼酸钠、氟化钠和氢氧化钾，电解液按质量百分比包括9％的硅酸钠、4％的钼酸钠、3％的氟化钠、4％的氢氧化钾、其余为水；

S02)将电解液放入电解液槽中，向电解液中加入高锰酸钾和纳米级的氧化铝，高锰酸钾占电解液总质量百分比的6％，纳米级的二氧化钛占电解液总质量百分比的4％，同时搅拌装置进行搅拌；

S03)电源的正极连接铝合金，电源的负极与电解液槽中的电解液导通，将金属放入电解液中，打开电源，并控制电解液中的电流密度为40A/dm²，冷却系统将电解液的温度控制在30℃。

S04)经过25min后将电解液中的铝合金取出。

本实施例，加工后铝合金耐盐雾腐蚀达到860小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，涂层硬度达到1470HV，涂层厚度达到35um。而未经任何处理的铝合金耐盐雾腐蚀为220小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，表面硬度为104HV。常规处理方式(如阳极氧化)下的铝合金的耐盐雾腐蚀为550小时(3.5％NaCl盐雾环境下)，涂层硬度为400HV，涂层厚度为12um。

通过上述实施例，本发明的目的已经被完全有效的达到了。熟悉该项技术的人士应该明白本发明包括但不限上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims

1.一种金属纳米陶瓷涂层制备方法，采用直流脉冲微弧氧化设备对金属表面进行微弧氧化处理，所述直流脉冲微弧氧化设备包括电源、控制系统和电解液槽，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：

S04)经过20min-30min后将电解液中的金属取出。

2.如权利要求1所述的金属纳米陶瓷涂层制备方法，其特征在于：所述直流脉冲微弧氧化设备还包括冷却装置，所述冷却系统将所述电解液的温度控制在15℃-40℃。

3.如权利要求1所述的金属纳米陶瓷涂层制备方法，其特征在于：所述直流脉冲微弧氧化设备还包括搅拌装置，所述搅拌装置对电解液槽中的电解液进行搅拌。

4.如权利要求1或2或3所述的金属纳米陶瓷涂层制备方法，其特征在于：在S03)前所述金属依次进行打磨、除油和超声波清洗处理。

5.如权利要求1或2或3所述的金属纳米陶瓷涂层制备方法，其特征在于：在S04)后对金属依次进行清洗和干燥。

6.如权利要求1或2或3所述的金属纳米陶瓷涂层制备方法，其特征在于：所述纳米添加剂为二氧化钛，纳米添加剂的粒径直径≤30nm。