CN107974703A - 一种耐海洋环境铝合金表面防护层的制备方法 - Google Patents

一种耐海洋环境铝合金表面防护层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐海洋环境铝合金表面防护层的制备方法，包括：S01，预处理：将铝合金置于脱脂液中进行脱脂处理；S02，电解活化消光：首先将预处理后的铝合金浸于消光液中进行处理，电解完毕后不需清洗直接浸入二次处理液中；S03，阳极氧化：将清洗完毕后的铝合金立即置入阳极氧化液中进行阳极氧化；S04，底漆喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂环氧富锌涂料；S05，防腐涂料喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂氟碳防腐涂料。本发明中的制备方法利用对铝合金材料表面进行完全性的清洁、活化、阳极氧化、两次喷涂的工艺，在铝合金材料表面形成了牢固耐磨且热传导性能好的耐久性佳的防护层。

Description

一种耐海洋环境铝合金表面防护层的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种耐海洋环境铝合金表面防护层的制备方法。
背景技术
铝及铝合金具有比强度高、导热和导电性好、反光性强、色泽美观、无磁性、耐腐蚀性好以及塑性和成型性好、无低温脆性等优点，是一种具有优良综合性能的有色金属材料。铝及铝合金被广泛应用于国民经济的各个部门，在产量和用途方面已成为仅次于钢铁的第二大金属材料。铝及铝合金表面氧化膜是铝合金耐受大气腐蚀和液体环境腐蚀的主要原因，一旦存在于含有较大量氯离子和氧等侵蚀性阴离子环境的腐蚀介质中，侵蚀性阴离子能够通过氧化膜达到铝及铝合金基体表面从而引起铝合金的的小孔腐蚀或者其他类型的腐蚀。随着铝合金材料应用的发展，其表面处理技术也迅速发展起来。表面处理可以改善铝及铝合金的载重能力和耐磨耐蚀性，一般包括铝阳极氧化、化学转化、有机涂料涂覆、电镀、电泳等处理工艺。在上述表面处理方法中，如阳极氧化法，利用电解液中将铝合金制品作为阳极、铝板作为阴极，通电后在铝合金制品表面生成氧化膜，该氧化膜厚度高、具有非常好的耐蚀性，且绝缘不导电、耐久性佳。又如阳极氧化法，在铝合金制品的表面采用无铬化的化学转化处理方法，利用锰酸盐、钼酸盐、稀土金属盐等在铝及铝合金表面形成连续稳定、结合牢固和具有保护性能的氧化膜层。还有一些新的方法，如激光熔覆法、溶胶凝胶法、等离子烧蚀法等。
铝合金材料由于具有轻质耐蚀的性质，常作为热量传导部件进行使用，如海水淡化过程中所使用的传热管，利用铝合金取代铜合金作为蒸发系统传热管可明显降低海水淡化设备造价和制水成本。在取代铜合金的过程中，铝合金传热管如何在长期与传热介质——水相接触过程中避免腐蚀的问题是最重要的课题之一。在海水淡化蒸发装置中，工况复杂，铝合金材料要经受住多种不同状态下的腐蚀情况，同时还要保证使用性能，目前国内外普遍使用的方法使在铝合金传热管表面涂覆有机高分子防护涂料，使其表面获得一定的防护，但是防护涂层在使用过程中往往需要一定的厚度才能达到防护的效果，而一旦表面涂覆的涂料厚度过高则会大大降低铝合金管的传热性能。面对上述问题，如何平衡铝合金抗蚀性能和铝合金热传导性能是研究中的重中之重。
当应用于海洋环境中往往面对以下挑战：1、铝合金材料所处之处往往为湿热环境，收到具有一定温度的盐雾和蒸汽的腐蚀；2、不可避免的收到海水的腐蚀；3、由于与水长期接触，增加了耐磨性的要求。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种能够长期耐受海洋环境的铝合金表面防护层的制备方法，该方法利用铝合金的阳极氧化法与喷涂法相结合，使铝合金表面兼具强耐蚀能力和热传导性能的多重防护层。本发明中的制备方法利用对铝合金材料表面进行完全性的清洁、活化、阳极氧化、两次喷涂的工艺，在铝合金材料表面形成了牢固耐磨且热传导性能好的耐久性佳的防护层。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中提供的铝合金表面防护层的制备方法，包括如下步骤：
S01，预处理：将铝合金置于脱脂液中进行脱脂处理，所述脱脂液组分含量为碳酸钠15-25g/L、磷酸钠10-18 g/L、肥皂20-25 g/L、表面活性剂3-5g/L、余量为水，脱脂温度为35-40℃，浸泡铝合金3-5min，然后利用脱脂液循环冲洗3-5次，脱脂完毕后利用喷淋水清洗铝合金表面至无残留；
S02，电解活化消光：首先将预处理后的铝合金浸于消光液中进行处理，所述消光液组分含量为：磷酸30-35g/L、硝酸8-10mL/L、醋酸5-8mL/L、氯化铜0.05-0.08g/L、余量为水，处理温度为80-82℃，处理的电流密度为0.3-0.4 A/dm3，处理时长为0.5-1min；电解完毕后不需清洗直接浸入二次处理液中，所述二次处理液组分含量为氟化铵4-8 g/L、明矾15-18 g/L、葡萄糖酸钠0.1-0.5 g/L、阿拉伯树胶3-4 g/L、余量为水，二次处理液温度为30-35℃，处理时长为1-3min，处理完毕后利用喷淋水清洗铝合金表面至无残留；
S03，阳极氧化：将清洗完毕后的铝合金立即置入阳极氧化液中进行阳极氧化，所述阳极氧化液的配方及工艺条件为：溶剂为水，硫酸195-200g/L、草酸6-8 g/L、氨基磺酸2-3 g/L、乙二醇2-3mL/L、白藜芦醇0.6-0.8mL/L、酒石酸铵0.6-0.8g/L、三乙醇胺2-3mL/L，电流密度为1.0-1.05A/dm3，温度为30-35℃，阳极氧化的时间为12-15min；
S04，底漆喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂环氧富锌涂料，喷枪压力为0.95-1.0MPa，喷漆厚度为5-6μm；
S05，防腐涂料喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂氟碳防腐涂料，喷枪压力为0.80-0.82MPa，喷漆厚度为5-8μm。
本发明中，首先将铝合金材料表面进行净化脱脂处理。脱脂处理的目的是彻底去除铝合金材料表面的油污和脏污，保证铝合金材料表面的均匀性，提升后续处理步骤中产出的产品的质量。与现有技术中常用的有机脱脂、酸性、碱性脱脂不同，本发明中采用的是表面活性剂脱脂的方法。有机脱脂法会产生大量的有机废物，不仅增加了处理的难度，而且脱脂处理后要使用碱液进行二次清洗，不仅增加了工艺步骤，而且在增加了工艺废水处理的难度。使用酸性或者碱性脱脂则会造成铝合金表面可能形成二次腐蚀的隐患，在后续的阳极氧化步骤中扩大腐蚀隐患点，铝合金长期使用过程中在涂层底部易形成点蚀坑，从而造成不可预料的腐蚀失效，影响安全使用。本发明中采用碳酸盐、磷酸盐与肥皂和表面活性剂配合使用，清洗效果好而且对铝合金表面无残留，也不会像有机清洗剂一样留下流痕。
本发明中第二步采用的是电解活化消光步骤，其目的是便于后续的阳极氧化过程顺利进行。若不设置活化消光步骤，铝合金表面在阳极氧化过程中反应慢，且由于表面过于平滑难以形成顺利的阳极氧化反应进程。本发明中首先利用三种混合酸液的电解活化消光在铝合金表面形成活化点，然后立即进行表面二次处理，二次处理的目的是利用氟化铵在铝合金表面形成缎状表面，使后续处理更加均匀，由于添加了明矾、葡萄糖酸钠和阿拉伯树胶，所以表面不会产生过量的二次腐蚀。
阳极氧化的过程即利用电能在铝合金表面生成氧化膜层。铝的阳极氧化实质上就是水的电解，电解液通电后在电流的作用下发生水解，阴极上释放出氢气，带电荷的阴离子则向阳极移动，在阳极释放电子，一部分新生原子氧与作为阳极的铝合金发生反应生成氧化铝膜层。本发明中采用的是硫酸阳极氧化液，该氧化液中采用草酸和氨基磺酸作为混合酸体系，同时添加乙二醇和白藜芦醇作为辅助添加剂加快反应速率，提升阳极氧化膜孔隙率。同时，酒石酸铵和三乙醇胺的添加一方面有助于使阳极氧化过程更加平稳，另一方面使铝合金表面阳极氧化膜孔隙率更高，更利于后续的喷涂工艺。
本发明中制备出的阳极氧化膜孔径大、孔隙率高，对后续的涂料喷涂具有非常好的吸收作用，使最终形成的涂层非常牢固。本发明中采用的是底漆喷涂与防腐涂料喷涂共同构成防腐层的防护层，在本发明中，控制底漆和防腐涂层氟碳防腐涂料的厚度，使两者的涂层厚度仅为现有技术中涂层厚度的30%左右，大大减小了涂层的厚度，在实际使用过程中，由于本发明中配合阳极氧化层进行使用，在相同的导热能力的前提下，其防腐蚀能力比现有技术中的喷涂氟碳涂料的铝合金产品（现有技术中一般喷涂厚度为30μm以上）更优良。
进一步地，S01中，优选表面活性剂为二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠、椰油基葡糖苷、月桂基葡糖苷、合成洗涤剂中的一种。
进一步地，S03中，所述阳极氧化膜层的厚度为32-35μm，膜层孔隙率为22-24%。
进一步地，S04中，所述环氧富锌涂料中锌含量为88-92wt%。
进一步地，S04中，所述环氧富锌涂料中包含0.2-0.5wt%锆粉。
进一步地，所述锆粉颗粒为20-100nm。
本发明中控制环氧富锌涂料中的锌含量，一方面降低了涂料成膜厚度，而且金属成分多，溶胀率低，使喷涂后的铝合金产品在水体环境中使用时更耐久。另一方面，锌含量增加液提升了涂料整体的导热性。为增加导热性，本发明中在环氧富锌涂料中还增加了少量的纳米锆金属粉体，纳米锆粉不仅能够进一步提升涂层导热性，而且由于锆本身性质稳定、与锌粉结合能够在铝合金表面形成稳定均匀的阴极保护面，大幅提升铝合金使用寿命。
进一步地，S04中，底漆喷涂后在120-125℃烘箱中烘烤5-6min然后趁热进行防腐涂料的喷涂。
进一步地，S05中，所述氟碳防腐涂料为大金Zeffle GK570氟树脂涂料。
进一步地，S05中，防腐涂料喷涂后在255-260℃烘箱中烘烤20-25分钟。
本发明具有以下优点：
本发明提供了一种能够长期耐受海洋环境的铝合金表面防护层的制备方法，该方法利用铝合金的阳极氧化法与喷涂法相结合，使铝合金表面兼具强耐蚀能力和热传导性能的多重防护层。本发明中的制备方法利用对铝合金材料表面进行完全性的清洁、活化、阳极氧化、两次喷涂的工艺，在铝合金材料表面形成了牢固耐磨且热传导性能好的耐久性佳的防护层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明。
本发明实施例中将6063变形铝合金制成内径为5.5cm、外径为7.2cm的管材作为样例进行下述实施例中的处理，每一实施例中处理同样的试样铝合金管100PCS。
实施例1
S01，预处理：将铝合金置于脱脂液中进行脱脂处理，所述脱脂液组分含量为碳酸钠25g/L、磷酸钠18 g/L、肥皂25 g/L、二辛基琥珀酸磺酸钠4g/L、余量为水，脱脂温度为40℃，浸泡铝合金3min，然后利用脱脂液循环冲洗5次，脱脂完毕后利用喷淋水清洗铝合金表面至无残留。
S02，电解活化消光：首先将预处理后的铝合金浸于消光液中进行处理，所述消光液组分含量为：磷酸35g/L、硝酸8mL/L、醋酸8mL/L、氯化铜0.06g/L、余量为水，处理温度为80℃，处理的电流密度为0.35 A/dm3，处理时长为0.5min。电解完毕后不需清洗直接浸入二次处理液中，二次处理液组分含量为氟化铵8g/L、明矾15g/L、葡萄糖酸钠0.2g/L、阿拉伯树胶3 g/L、余量为水，二次处理液温度为35℃，处理时长为1.5min，处理完毕后利用喷淋水清洗铝合金表面至无残留。
S03，阳极氧化：将清洗完毕后的铝合金立即置入阳极氧化液中进行阳极氧化，所述阳极氧化液的配方及工艺条件为：溶剂为水，硫酸198g/L，草酸8 g/L，氨基磺酸3 g/L，乙二醇3mL/L，白藜芦醇0.8mL/L，酒石酸铵0.8g/L，三乙醇胺3mL/L，电流密度为1.05A/dm3，温度为35℃，阳极氧化的时间为15min。
阳极氧化膜层的平均厚度为35μm，膜层孔隙率为22%。
S04，底漆喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂环氧富锌涂料，喷枪压力为0.95MPa，喷漆厚度为5μm。环氧富锌涂料中锌含量为92wt%，底漆喷涂后在120℃烘箱中烘烤5min然后趁热进行防腐涂料的喷涂。
S05，防腐涂料喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂氟碳防腐涂料，喷枪压力为0.82MPa，喷漆厚度为6μm。氟碳防腐涂料为大金Zeffle GK570氟树脂涂料。防腐涂料喷涂后在260℃烘箱中烘烤20-分钟，自然冷却后得到涂覆保护层的铝合金管。
实施例2
本实施例所有条件与实施例1相同，只有在S04中，环氧富锌涂料中多添加了0.3wt%的平均粒径为50nm的锆粉。
实施例3
本实施例所有条件与实施例1相同，只有在S01中，表面活性剂为市售工业中性合成洗涤剂。
对比例1
相同的试样铝合金管，碱液清洗后采用大金Zeffle GK570氟树脂涂料在表面喷涂40μm的涂层。
对比例2
相同的试样铝合金管，本实施例所有条件与实施例1相同，将预处理步骤改为现有技术中的碱洗（15wt%氢氧化钠清洗）脱脂。
对比例3
相同的试样铝合金管，本实施例所有条件与实施例1相同，减少S02活化消光步骤。
对比例4
相同的试样铝合金管，本实施例所有条件与实施例1相同，减少S02活化消光与S03阳极氧化步骤。
对比例5
与试样铝合金管相同尺寸的黄铜管。
测试：
对上述实施例和对比例分别进行耐盐雾测试和导热性能测试。
耐盐雾测试采用的是ISO7253《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》方法，进行加速腐蚀试验，测试温度设定为45℃。导热性能测试则是进行传热系数的测定。具体测试结果如下：
由上述实施例可以看出，本发明中制备得到的铝合金防护层耐蚀性好，传热性能佳，尽管在传热方面无法超过黄铜管，但是传热效果已达到可使用的程度，从造价上来讲，本发明中的铝合金管单价仅为黄铜管的30%左右，性价比高。本发明中的制备方法利用对铝合金材料表面进行完全性的清洁、活化、阳极氧化、两次喷涂的工艺，在铝合金材料表面形成了牢固耐磨且热传导性能好的耐久性佳的防护层。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种耐海洋环境铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S01，预处理：将铝合金置于脱脂液中进行脱脂处理，所述脱脂液组分含量为碳酸钠15-25g/L、磷酸钠10-18 g/L、肥皂20-25 g/L、表面活性剂3-5g/L、余量为水，脱脂温度为35-40℃，浸泡铝合金3-5min，然后利用脱脂液循环冲洗3-5次，脱脂完毕后利用喷淋水清洗铝合金表面至无残留；
S02，电解活化消光：首先将预处理后的铝合金浸于消光液中进行处理，所述消光液组分含量为：磷酸30-35g/L、硝酸8-10mL/L、醋酸5-8mL/L、氯化铜0.05-0.08g/L、余量为水，处理温度为80-82℃，处理的电流密度为0.3-0.4 A/dm3，处理时长为0.5-1min；电解完毕后不需清洗直接浸入二次处理液中，所述二次处理液组分含量为氟化铵4-8 g/L、明矾15-18 g/L、葡萄糖酸钠0.1-0.5 g/L、阿拉伯树胶3-4 g/L、余量为水，二次处理液温度为30-35℃，处理时长为1-3min，处理完毕后利用喷淋水清洗铝合金表面至无残留；
S03，阳极氧化：将清洗完毕后的铝合金立即置入阳极氧化液中进行阳极氧化，所述阳极氧化液的配方及工艺条件为：溶剂为水，硫酸195-200g/L、草酸6-8 g/L、氨基磺酸2-3 g/L、乙二醇2-3mL/L、白藜芦醇0.6-0.8mL/L、酒石酸铵0.6-0.8g/L、三乙醇胺2-3mL/L，电流密度为1.0-1.05A/dm3，温度为30-35℃，阳极氧化的时间为12-15min；
S04，底漆喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂环氧富锌涂料，喷枪压力为0.95-1.0MPa，喷漆厚度为5-6μm；
S05，防腐涂料喷涂：采用高压静电气喷枪进行喷涂氟碳防腐涂料，喷枪压力为0.80-0.82MPa，喷漆厚度为5-8μm。
2.如权利要求1所述铝合防护层的制备方法，其特征在于：S01中，所述表面活性剂为二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠、椰油基葡糖苷、月桂基葡糖苷、合成洗涤剂中的一种。
3.如权利要求1所述铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于：S03中，所述阳极氧化膜层的厚度为32-35μm，膜层孔隙率为22-24%。
4.如权利要求1所述铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于：S04中，所述环氧富锌涂料中锌含量为88-92wt%。
5.如权利要求1所述铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于：S04中，所述环氧富锌涂料中包含0.2-0.5wt%锆粉。
6.如权利要求5所述铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于：所述锆粉颗粒为20-100nm。
7.如权利要求1所述铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于：S04中，底漆喷涂后在120-125℃烘箱中烘烤5-6min然后趁热进行防腐涂料的喷涂。
8.如权利要求1所述铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于：S05中，所述氟碳防腐涂料为大金Zeffle GK570氟树脂涂料。
9.如权利要求1所述铝合金表面防护层的制备方法，其特征在于：S05中，防腐涂料喷涂后在255-260℃烘箱中烘烤20-25分钟。
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