CN106660319A - 制作用于轻金属工件的增强表面涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有增强的表面防护的轻金属工件。该工件包含具有暴露表面的金属或合金基体。利用微弧氧化技术在暴露表面的至少一部分上形成耐腐蚀氧化物层。利用电涂技术将第一涂层涂覆到氧化物层的至少一部分上，该第一涂层用于将氧化物层密封。将第二涂层涂覆到第一涂层的至少一部分上，该第二涂层包含粉末涂料。任选地可将外观涂层涂覆到第二涂层的至少一部分上，其中该外观涂层包括底涂层、彩色涂层和透明涂层中的至少一种。

Description

制作用于轻金属工件的增强表面涂层的方法

技术领域

本公开涉及实施表面处理以便增加对腐蚀敏感的金属和合金的耐腐蚀性的涂层和方法。

背景技术

此文所提供的背景技术说明是以对本公开的内容作一般性说明为目的。发明人的某些工作（即在此背景技术部分中所描述的工作）以及说明书中关于某些尚未成为申请日之前的现有技术的内容，无论是以明确或隐含的方式均不被视为针对于本公开的现有技术。

具有高镁或铝含量的合金负重轮在特种车辆和赛车中是不常见的。然而，车轮在便宜乘用车中的使用被局限于少量跑车的生产。通过举例，当被配合到钢或铸铁轮毂及制动器部件时，电偶腐蚀是高镁含量合金车轮中的一个设计考虑。在潮湿或湿润的条件下这些部件常常会消耗许多它们的使用寿命，遗憾地经常是被加速电偶腐蚀反应的路盐所消耗。各种涂层已被涂覆到轻金属工件和基体上（例如合金车轮）用以增强腐蚀防护，但它们具有许多缺点。例如，仅具有形成于其上的厚氧化物层的工件已被使用，但常常是易碎的并且易于开裂。具有被直接地涂覆到氧化物层上的粉末涂料的工件显示低附着力。经过化学钝化处理并且具有氧化物层的工件已被使用，但具有低的耐崩裂性。此外，仅具有被设置在氧化物层上的电涂层的工件已被使用，但会获得具有低耐划痕腐蚀性和低耐热冲击性的产品。在其它的替代中，车轮可具体化为具有内部和外部的两部件组件，其中内部将外部与钢或铸铁轮毂及制动器部件电位隔离。然而，这种两部件组件并非总是理想的。

因此，对于用于增强对腐蚀为敏感的轻金属和合金的耐腐蚀性的改进的表面处理仍然存在着需要。

发明内容

本段落提供本公开的总体概述，并且不是对其全部范围或其所有特征的全面揭示。

在各种方面，本发明提供一种具有增强的表面防护的轻金属工件。该工件包括具有暴露表面的金属或合金基体。利用微弧氧化技术在该暴露表面中形成耐腐蚀氧化物层。利用电涂技术将第一涂层涂覆到该氧化物层上，该第一涂层用于将氧化物层密封。将第二涂层涂覆到第一涂层上，该第二涂层包含粉末涂料。

在其它方面，本发明提供一种包括具有暴露表面的镁金属基体的镁金属车轮。至少在一部分的暴露表面上形成氧化镁陶瓷层。静电涂层被涂覆到该氧化镁陶瓷层上。粉末涂料被涂覆在该静电涂层上。在某些方面，氧化镁陶瓷层所形成为具有从约5 μm至约20 μm的厚度，并且具有约0.1 μm至约5 μm的平均孔径。静电涂层可包含环氧树脂，并且可具有从约15 μm至约35 μm的厚度。粉末涂料可包含聚氨酯，并且可具有从约50 μm至约150 μm的厚度。

在其它方面，本发明包括一种提供在金属或合金基体上的增强的表面涂层的方法。该方法包括提供具有暴露表面的金属或合金基体。利用微弧氧化工艺在基体的暴露表面上形成氧化物层。该方法包括：利用电涂技术将第一涂层涂覆到氧化物层上，及将粉末涂料层涂覆于第一涂层上。在各种方面中，所提供的氧化物层具有约1 μm至约3 μm的孔隙。该方法可包括：在形成氧化物层之后的小于约24小时内将第一涂层涂覆于氧化物层上，及在形成氧化物层之后和涂覆第一涂层之前将基体维持在具有小于约60%相对湿度的湿度条件的环境中。

基于本文中所供的描述，增强轻金属工件和氧化物膜形成金属的腐蚀防护的进一步的应用范围和各种方法将变得显而易见。在本发明内容中的描述和具体例子意图只是为了说明的目的，而并非意图限制本公开的范围。

附图说明

基于详细说明和附图，将更全面地理解本发明，在附图中：

图1是根据本公开各种方面的示例性车轮组件的前平面示图；

图2是沿图1的直线2-2所截取的车轮组件的剖视图；

图3是图解说明根据本公开各种方面的可以被涂覆到金属基体上的各种涂层的简化图示。

应当指出的是，本文中所陈述附图的意图是举例说明本发明的材料、方法和装置等的一般特性，从而实现描述某些方面的目的。这些附图可以不精确地反映任何所给出方面的特性，并且未必意图将具体实施例限定或限制在本发明的范围内。此外，某些方面可包括来自各附图的组合的特征。

具体实施方式

下面的描述在本质上只是示例性的而并非意图限制本公开、其应用或使用。本文中所使用的短语“A、B和C中的至少一个”应被理解成利用非排他性逻辑“或”来表示逻辑（A或B或C）。应当理解的是，在不改变本公开原理的前提下，方法中的步骤可按不同的顺序执行。范围的揭示包括在整个范围内的所有范围和细分范围的揭示。

本文中所使用的标题（例如“背景技术”和“发明内容”）及副标题意图只是用于本公开中主题的一般组织，而并非意图限制本发明的公开内容或者其任何方面。具有所陈述特征的多个实施例的叙述并非意图排除具有另外特征的其它实施例、或者包括所陈述特征的不同组合的其它实施例。

本文中所使用的词语“包括”及其变体意图是非限制性的，因而在一个列表中的各物品的叙述不应排除也可用于本发明的材料、组合物、装置、和方法的其它类似物品。类似地，用语“可以”和“可”及它们的变体意图是非限制性的，因而一个实施例可以或可包括某些元件或特征的叙述不排除不包含这些元件或特征的本发明的其它实施例。

本文中空间相关术语，例如“内”、“外”、“在下面”、“在下方”、“下”、“在上方”、“上”、“在---上”等可用于便于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间相关术语可包括在使用或操作中的装置的不同的方位。本文中所使用的，当把一个涂层、层、或材料“涂覆到基体或物品上”、“涂覆在基体或物品上方”、“形成于基体或物品”、“沉积于基体或物品上”等时，可将该涂层、层、或材料涂覆、形成、沉积于该基体或物品的整体上，或者该基体或物品的至少一部分上。

本公开的广泛教示可以具体化为多种形态。因此，虽然本公开包括具体实例，但本公开的真实范围不应局限于此，因为本领域技术人员在研究本说明书和所附权利要求时，其它修改将变得显而易见。

本发明总体上涉及用于轻金属工件和氧化物膜形成金属的增强的表面涂层。本文中所使用的术语“氧化物膜形成金属”是用于指代可以自我生长而形成纳米多孔氧化物膜的金属或金属合金。形成于氧化物膜形成金属上的所形成的氧化物层可很好地提供一定程度的腐蚀防护，因为该氧化物层构成了在金属与腐蚀性环境之间的物理屏障。然而，该氧化物层会不是审美上令人愉悦的，并且会不为轻金属工件（例如车轮）提供适当的耐腐蚀性。

可用于本发明的示例性氧化物膜形成金属包括铝、镁、钛、锆、铪、铬、钴、钼、钒、钽、及其合金和混合物。正如本领域中已知的，氧化物膜形成金属可电解槽中显示电整流特性，并且在给定的施加电流下在阳极充电时将维持比阴极充电更高的电位。

在各种方面，本发明提供一种具有增强的表面防护的轻金属工件，例如氧化物膜形成金属或金属合金。参照图1，在本公开的一个方面，轻金属工件可以是车轮10，例如铝、镁、或合金车轮。应当理解的是，本公开的技术可以一般性地适用于任何车轮设计、或者可具有经受腐蚀性环境的暴露表面的设想由氧化物膜形成金属所制成的任何其它工件或部件。为了示例的目的，车轮10通常可以是整体构件，或者任选地具有外车轮部14联接的中央部12，如图所示。外车轮部14可包括轮辋16，并且还可包括一个或多个辐条18，这些辐条18大体上在朝向中央部12的径向方向上从轮辋16中延伸出。车轮部12可包括适合于车轮盖（未图示）的中央开口20，并且可限定可用于将车轮10附接到车辆的一个或多个凸耳孔22。

参照图2，该附图是沿直线2-2所截取的图1的剖视图，车轮10可具有车内侧10a和车外侧10b。车内侧10a通常表示面对车辆的车轮10的一侧，车外侧10b通常表示背对车辆且当把车轮10附接到车辆时可看见的车轮10的一侧。

在各种方面，车轮10或其它轻金属工件包括具有暴露表面的金属或合金基体。图3是图解说明根据本公开各种方面的可以被涂覆到金属基体的一部分或整个暴露表面上的各种涂层的简化图示。本文中所描述的涂层和处理可被涂覆到整个工件上或者其一部分上。例如，涂覆强化腐蚀防护涂层的本发明方法可应用于车轮的车内侧10a和车外侧10b两者，但可取的是只将外观层（下面更详细地描述）涂覆于可见的车外侧10b。

图3的附图标记30通常表示最初具有暴露表面30a的金属基体。具有暴露金属基体表面30a的轻金属工件可经历本领域中已知的各种预处理过程，包括脱脂、除鳞、中和、和类似的清洗过程。然后，可利用微弧氧化技术在暴露表面30a中形成耐腐蚀氧化物层32。如图3中所示，可利用电涂技术将第一涂层34涂覆到氧化物层32上，该第一涂层34可用于将氧化物层32密封。然后，可将第二涂层36涂覆到第一涂层34上，其中第二涂层36包含粉状涂料。任选地，可将面漆涂层或外观涂层40涂覆在第二涂层36的至少一部分（例如，车外侧10b）上。正如本领域中已知的，外观涂层40可包括将期望的颜色、光亮和/或光泽赋予工件的一个或多个涂层。通过举例，外观涂层40可包括底涂层42、彩色涂层44、透明涂层46中的一个或多个、及其混合物或组合。应当理解的是，虽然图3示出了在外观涂层40的底涂层42与第二涂层36之间的距离或空间间隙，但外观涂层40确实地被涂覆到第二涂层36上并且空间间隙只是用来说明外观涂层40的可选性质。

正如本领域中已知的，微弧氧化技术（“MAO”），有时也被称为等离子体电解氧化、火花阳极氧化、放电阳极氧化、或者这些术语的其它组合，可包括将各种电解质用于在电解槽中的工作，这有助于在金属基体的暴露表面形成多孔的氧化物层、或者多孔的氧化物陶瓷层。通过举例，在工件包括铝的情况下，可利用MAO技术形成氧化物层或氧化物陶瓷层从而获得氧化铝或氧化铝陶瓷的层，该层的组成可基于电解质和存在于其中的其它材料而变化。在工件包含镁的情况下，可利用MAO技术形成氧化物层或陶瓷氧化物层从而获得氧化镁或氧化镁陶瓷的层。存在MAO工艺的许多获得专利的和商业变体，包括美国专利3,293,158、5,792,335、6,365,028、6,896,785；和以美国公开专利申请第2012/0031765号公布美国专利申请序列号13/262,779中所描述的，各专利文献的全部内容以参考的方式并入本文。在一个实例中，可使用基于硅酸盐的电解质（可包括硅酸钠）、氢氧化钾、和氟化钾而实施MAO工艺。

正如在本领域中众所周知的，微孔和/或裂纹在MAO涂层的表面上的存在可以被认为是“机会”和“潜在弱点”。由于“机会”，因而多孔外层在MAO涂层中的存在可以显著地改善机械联锁效果、粘结面积、和应力分布，从而导致较高的粘结强度。较高孔密度的在MAO涂层表面中的存在增大有效表面积，因此增加腐蚀性介质被吸收和集聚入这些孔中的倾向。因此，孔密度、孔的分布及孔与基体的其余部分的贯通性可以是重要的因素。在本公开的各种方面，所产生或形成的氧化物层32或陶瓷层可具有约0.1 μm至约5 μm、约1 m至约3 μm、或者约0.1 μm至约1 μm的受控制且大体上均匀的孔隙。所产生或形成的氧化物层32可具有约2 μm至约30 μm、约4 μm至约25 μm、或者约5 μm至约20 μm的大体上均匀的厚度。

就上述的“潜在弱点”而言，由于MAO工艺所造成的多孔氧化物或陶瓷层的存在通常要求密封涂层的涂覆。因此，本公开利用电涂技术（“电涂装”或者电涂）将第一涂层或静电层涂覆到氧化物层上，该第一涂层是用于将氧化物层密封并且提供涂覆于其上面的可选另外层的增加的附着力。在电涂之前，任选地可将工件在离子水中清洗或浸泡。可使用于MAO工艺的典型的密封剂系统可包括种类广泛的聚合物和树脂，包括但不限于：含氟聚合物、丙烯酸类、环氧树脂、聚酯、聚硅氧烷类、和聚偏氟乙烯（PVDF）。这些材料可采用静电喷涂涂层的形式利用电泳沉积，或者利用已知的浸涂工艺或湿喷工艺而进行涂覆。在可以适用于镁工件（例如镁或镁合金车轮）的本发明的一个优选方面，可使用环氧树脂，例如从Unires公司或者其子公司中国天津的天津友谊化学有限公司购得的环氧树脂电泳涂料（EED-060M）。通常，第一涂层将不在其中含有的大量的任何化学活性剂。该电涂装处理工艺可利用在约160 V至约220 V之间的电压下进行0至约3分钟，并且在约160℃至约180℃的温度下固化达约20至约30分钟的固化时间。

本发明中所采用的方法包括在产生或形成氧化物或陶瓷氧化物层之后的小于约30小时、优选地小于约24小时、小于约20小时、或者小于约16小时内，将第一涂层涂覆于氧化物层上。除了定时考虑外，本发明还包括在产生氧化物层之后和在涂覆第一涂层之前，将基体或工件维持在具有小于约70%、小于约65%、优选地小于约60%相对湿度的湿度条件的周围温度环境中。可以设想，本文中所公开的定时和环境条件可提供电涂层与氧化物或陶瓷层之间的增强的耐腐蚀性。在各种方面，所涂覆的第一涂层具有约10 μm至约50 μm、或者约15 μm至约40 μm、或者约15 μm至约35 μm、或者约30 μm的大体上均匀的厚度。

正如在本领域中为已知的，大范围的用于包覆的材料和方法是可从市场上够得的，这提供了导致某种程度的耐久性和耐腐蚀性的多种方案。本发明所采用的方法包括将第二涂层涂覆到包含粉末涂料的第一涂层上。本文中可使用的粉末涂料可包括通常在室温下为固体的在本领域中所常用的热塑性或反应性聚合物。大部分的粉末是反应性的单组分系统，该系统由于热处理而液化、流动然后交联。可用作粉末涂料的常用聚合物包括聚酯、聚氨酯、聚酯-环氧树脂（被称为混合树脂）、直环氧树脂（熔结环氧树脂）、和丙烯酸类。

在各种方面中，本发明的方法包括在涂覆第二涂层或粉末涂料层之前，将具有第一涂层的工件或基体加热到约80℃至约100℃的温度。通过举例，在一个方面，将粉末涂层涂覆到第一涂层上的方法可以包括将湿润的黑色树脂粉末静电喷涂到加热基体的氧化物层上，该树脂粉末是在约40 kV至约50 kV、或约45 kV的电压，和约0.4A至约0.6A、或约0.5A的电流下传输。在可以适用于具有环氧树脂第一涂层的镁工件的本发明的一个优选方面，第二涂层可包括主要包含聚氨酯的粉末涂层。该涂层可包括例如具有高光泽度的TIGERDRYLAC^®粉末涂料“湿黑”049/80036，该涂料是从奥地利的TIGER涂料GmbH& Co购得。

本发明的方法还包括通过将工件或基体置于在约180℃至约200℃、或者约190℃温度下的加热环境中达约15分钟至约25分钟、或者约20分钟的时间段，而使粉末涂层固化和冷凝。

在各种方面，所涂覆的第二涂层具有约25 μm至约150 μm、或者约50 μm至约150 μm、或者约70 μm至约130 μm、或者约80 μm至约120 μm、或者约100 μm的大体上均匀的厚度。在某些方面，可以将第一涂层涂覆到具有第一厚度的氧化物层上，并且可以将第二涂层涂覆到具有第二厚度的第一层上。有利的是具有远大于电涂层的厚度的粉末材料涂层，从而提供增强的腐蚀防护。因此，本发明中所采用的方法可包括涂覆具有比第一涂层的第一厚度大出约1.5至约10倍的第二厚度的第二层。因此，通过举例，在某些方面，具有约15 μm厚度的第一涂层可适用于具有约25 μm至约150 μm厚度的第二涂层。

应当理解的是，本发明不依赖于或者局限于任何特定类型的材料或生产方法，并且当需要时可基于预期的结果改变这些材料和方法。具备本文中所公开的增强的表面防护涂层的轻金属和合金已证明具有优越的粘合性能、耐崩裂性、耐热冲击性、和极小的划痕腐蚀。

前面所提供的对各实施例的描述是用于说明和描述的目的。它并非意图是详尽无遗的或者限制本公开。一个具体实施例的单独的元件或特征通常并不局限于该具体实施例，但在适用的情况下这些元件或特征是可互换的并且可以用于所选择的实施例，即使未具体地示出或描述。这些元件或特征也可已许多方式改变。这种变化不应被认为是背离本公开，并且所有的这种修改意图是包括在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种具有增强的表面防护的轻金属工件，包括：

具有暴露表面的金属或合金基体；

耐腐蚀性氧化物层，所述氧化物层利用微弧氧化技术而形成于所述暴露表面的至少一部分中；

第一涂层，所述第一涂层利用电涂技术涂覆到所述氧化物层的至少一部分上并且被构造用于密封所述氧化物层；和

被涂覆到所述第一涂层的至少一部分上的第二涂层，所述第二涂层包含粉末涂料。

2.如权利要求1所述的轻金属工件，其中，所述第一涂层被涂覆为具有第一厚度并且所述第二涂层被涂覆为具有第二厚度，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大出约2至约10倍。

3. 如权利要求1所述的轻金属工件，其中，所述氧化物层被形成为具有约5 μm至约20μm的厚度，第一涂层被涂覆为具有约15 μm至约35 μm的厚度，并且所述第二涂层被涂覆为具有约50 μm至约150 μm的厚度。

4. 如权利要求1所述的轻金属工件，其中，所述氧化物层包括约1 μm至约3 μm的平均孔径。

5.如权利要求1所述的轻金属工件，其中，所述金属或合金基体包含选自铝、镁、钛、及其混合物的至少一种氧化物膜形成金属。

6.如权利要求1所述的轻金属工件，其中，所述金属基体包含镁，所述氧化物层包含氧化镁陶瓷，所述第一涂层包含环氧树脂，并且所述第二涂层包含聚氨酯。

7.如权利要求1所述的轻金属工件，还包括被涂覆到所述第二涂层的至少一部分上的外观涂层，其中所述外观涂层包括底涂层，彩色涂层、和透明涂层中的至少一种。

8.一种镁金属车轮，包括：

具有暴露表面的镁金属基体；

形成于所述暴露表面的至少一部分上的氧化镁陶瓷层；

被涂覆到所述氧化镁陶瓷层的至少一部分上的静电涂层；和

被涂覆到所述静电涂层的至少一部分上的粉末材料涂层。

9. 如权利要求8所述的车轮，其中，所述氧化镁陶瓷层被形成为具有达约5 μm至约20m的厚度和约0.1 μm至约5 μm的平均孔径，所述静电涂层包含环氧树脂并且被具有约15 μm至约35 μm的厚度，所述粉末材料涂层包含聚氨酯并且具有约50 μm至约150 μm的厚度。

10.如权利要求8所述的车轮，还包括被涂覆于所述静电涂层上的外观涂层，其中所述外观涂层包括底涂层、彩色涂层和透明涂层中的至少一种。

11.一种在金属或合金基体上提供增强的表面涂层的方法，所述方法包括：

提供具有暴露表面的金属或合金基体；

利用微弧氧化工艺在所述基体的所述暴露表面上形成氧化物层；

利用电涂技术将第一涂层涂覆到所述氧化物层上；和

将第二涂层涂覆到所述第一涂层上，所述第二涂层包括粉末材料涂层。

12.如权利要求11所述的方法，还包括在涂覆所述第二涂层之前，将所述基体加热到约80至约100℃的温度。

13. 如权利要求12所述的方法，其中，将所述第二涂层涂覆到所述第一涂层上包括将湿的黑色树脂粉末静电喷涂到所述氧化物层上，并且在约40 kV至约50 kV的电压和约0.4A至约0.6A的电流下传输。

14.如权利要求11所述的方法，还包括通过将所述基体置于在约180℃至约200℃温度下的加热环境中达约15分钟至约25分钟的时间段，而使所述粉末材料涂层固化和冷凝。

15.如权利要求11所述的方法，还包括在形成所述氧化物层之后的小于约24小时内将所述第一涂层涂覆于所述氧化物层上，并且在形成所述氧化物层之前和在涂覆所述第一涂层之前将所述基体维持在具有小于约60%相对湿度的湿度条件的环境中。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述基体包含选自铝、镁、钛及其混合物、金属或合金。

17. 如权利要求11所述的方法，其中，产生所述氧化物层包括将所述氧化物层中的平均孔径维持在约1 μm至约3 μm的范围内。

18.如权利要求11所述的方法，还包括将外观涂层涂覆到所述粉末涂层上，其中所述外观涂层包括底涂层、彩色涂层、和透明涂层中的至少一种。

19. 如权利要求11所述的方法，其中，所产生的所述氧化物层具有约5 μm至约20 μm的厚度，所提供的所述第一涂层具有约15 μm至约35 μm的厚度，并且所提供的所述第二涂层具有约50 μm至约150 μm的厚度。

20.如权利要求11所述的方法，其中，所述基体包含镁，所述氧化物层包含氧化镁陶瓷，所述第一涂层包含环氧树脂，并且所述第二涂层包含聚氨酯。