CN108034917A - 以金属陶瓷纳米涂层对镁合金汽车轮毂表面改性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面改性涂层制备技术，旨在提供一种以金属陶瓷纳米涂层对镁合金汽车轮毂表面改性的方法。包括：采用等离子刻蚀工艺对镁合金汽车轮毂的基体表面进行粗化处理；取铝‑氧化铝、铍‑氧化铍、钼‑二硫化钼或镍‑氧化钍中的一种，与去离子水配置成金属陶瓷粉体水溶液，然后加入无水乙醇作为稀释剂；以金属陶瓷粉体水溶液作为喷涂液，采用辅以惰性气体为保护反应气氛的真空等离子喷涂工艺在镁合金轮毂表面进行喷涂，在镁合金轮毂表面获得金属陶瓷涂层。本发明提出以金属陶瓷粉体为改性涂层，在惰性气体环境下采用等离子喷涂技术可有效地提升AM60B镁合金汽车轮毂表面的耐腐蚀和耐磨损性能。

Description

以金属陶瓷纳米涂层对镁合金汽车轮毂表面改性的方法
技术领域
本发明属于表面改性涂层制备技术，具体是一种采用真空等离子喷涂法制取应用于AM60B镁合金汽车轮毂的耐磨涂层材料的制备方法。
背景技术
汽车轮毂是汽车中不容忽视的一个重要组成零部件，它的质量好坏直接影响到整车的安全性和长期使用可靠性。镁合金因其低密度、高比强度、良好的减震降噪性等优势而有望成为汽车轮毂的新一代主流材料，但是由于目前镁合金轮毂的耐磨损、抗腐蚀性能依然不够理想，严重影响了镁合金在汽车轮毂领域的广泛应用。
已有文献报道采用电镀、化学镀或真空镀膜技术对汽车轮毂表面进行涂层改性处理，但是传统的这些改性技术要求使用大量的镀液，引起环境化学污染，因而存在一定的局限性；伴随着物质第四种形态—等离子体态的出现和深入研究，等离子态是由等量的带负电的电子和带正电的离子组成。处于等离子体状态下的物质微粒通过相互作用可以很快的获得高温、高焓、高活性，这些微粒将具有很高的化学活性和反应性，在一定条件下获得比较完全的反应产物。用等离子体技术处理对象分子材料，既改变材料的表面性质，又能保留原材料的优异性能，而且无污染。
等离子体喷涂技术是现有技术，相比于传统热源的热喷涂技术具备更佳的技术优势，但若涂层的工艺参数诸如等离子气体、气体流量、电弧的功率、供粉速度等调控不到位的话，就会造成产品缺陷。之前已有将金属陶瓷作为涂层原料用于金属表面耐磨改性，而且在汽车轮毂领域采用等离子体喷涂耐磨的金属陶瓷涂层的报道甚少，现有的汽车轮毂表面喷涂耐磨涂层在长期服役过程中仍然出现表面剥蚀、刻痕等缺陷。尤其是以镁合金为轻量材质的汽车轮毂在制件加工表面如果表面没有处理完全，如钝化效果较差时，由于高活性的镁合金容易在涂层界面处的氧分子很容易结合形成疏松的轻质氧化镁，进而导致较弱的涂层结合力，影响汽车轮毂的服役寿命。
为此，本发明在现有等离子喷涂技术的基础上附以真空处理技术，提出以具备高硬度高韧性的金属陶瓷为涂层原料，采用真空等离子体喷涂技术于AM60B镁合金基体表面改性制备金属陶瓷纳米涂层。通过进一步优化喷涂主要工艺参数进而改性现有镁合金轮毂涂层存在的易磨损、腐蚀性差、涂层结合力弱等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种以金属陶瓷纳米涂层对镁合金汽车轮毂表面改性的方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种以金属陶瓷纳米涂层对镁合金汽车轮毂表面改性的方法，包括下述步骤：
(1)采用等离子刻蚀工艺对镁合金汽车轮毂的基体表面进行粗化处理；
(2)取铝-氧化铝、铍-氧化铍、钼-二硫化钼或镍-氧化钍中的一种，与去离子水配置成浓度为0.1～0.5mol/L的金属陶瓷粉体水溶液；然后向该溶液中加入无水乙醇作为稀释剂，无水乙醇与去离子水的体积比为1∶1～5；
(3)以金属陶瓷粉体水溶液作为喷涂液，采用辅以惰性气体为保护反应气氛的真空等离子喷涂工艺在镁合金轮毂表面进行喷涂，在镁合金轮毂表面获得金属陶瓷涂层。
本发明中，所述等离子刻蚀工艺参数为：反应气氛为惰性气体N2，刻蚀速率为2～14μm/min，刻蚀时间5～12min。
本发明中，所述等离子喷涂工艺中，设定参数如下：真空度为2×10-1～3×10-3Pa，工作气氛为惰性保护气体N2、Ar或He气，保持反应气氛压强为0.2～0.8MPa；雾化气体为氧气，相应的压强为0.02～1MPa；液料流量为1.2～2.5μm/min，电流为500A，功率为30kW。
本发明中，所述镁合金汽车轮毂的基材是AM60B镁合金。
发明原理描述：
本发明提出以具备高硬度高韧性的金属陶瓷为涂层原料，采用真空等离子体喷涂技术于AM60B镁合金基体表面改性制备金属陶瓷纳米涂层。进而改性现有镁合金轮毂涂层存在的易磨损、腐蚀性差等缺陷。
本发明的创新点在于采用真空等离子体喷涂技术解决汽车轮毂基体与涂层之间的存在的界面结合弱、耐侵蚀能力差、涂层易剥离等关键性能，采用真空环境下等离子喷涂加工技术可以保证基体和涂层保持更为清洁的反应界面，消除其间残留的氧化膜，容易获得高质量的接头性能，有助于提升汽车轮毂的耐磨使用寿命。
而且，相比于传统的真空等离子喷涂技术，本发明提出的等离子喷涂技术在一定真空度的基础上辅以惰性气体为保护反应气氛，可以更好地获得高质量的涂层性能，解决传统工艺加工的低耐磨性能的汽车轮毂表面膜层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出以金属陶瓷粉体为改性涂层，在惰性气体环境下采用等离子喷涂技术可有效地提升AM60B镁合金汽车轮毂表面的耐腐蚀和耐磨损性能。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
实施例1：
(1)基体表面刻蚀预处理
选用表面平整的镁合金轮毂基体，为保证涂层与基体层之间的界面结合力，首先采用等离子刻蚀工艺进行基体表面的粗化处理，其中等离子刻蚀工艺参数为：反应气氛为惰性气体N2，刻蚀速率为2μm/min，刻蚀时间12min.
(2)喷涂液料的配置
选用金属陶瓷铝-氧化铝粉体作为喷涂原料；配置一定浓度(0.1mol/L)的金属陶瓷粉体水溶液，然后往水溶液中加入一定体积比的无水乙醇稀释剂,其中无水乙醇与去离子水的体积比为1:1。
(3)喷涂参数的设定
等离子喷涂工艺参数为：首先在真空泵作用下抽真空度为2×10-1Pa，然后导入工作气氛为惰性保护气体N2，其中惰性气体的压强范围为0.2MPa；雾化气体为氧气，相应的压强为0.2MPa；液料流量为1.2μm/min，电流为500A，功率为30kW。
(4)金属陶瓷涂层的制取
根据上述的工艺设定，采用等离子喷涂工艺获得镁合金轮毂表面金属陶瓷涂层的制备，并对涂层的耐磨损性、耐腐蚀性进行相应的测试。
(5)金属陶瓷涂层的中性盐雾腐蚀试验
未经表面处理的镁合金汽车轮毂试样及经过表面涂层改性处理后的试样进行中性盐雾腐蚀试验。根据GB/T10125-1997在盐雾腐蚀试验箱中进行。具体盐雾试验参数为：1)不同浓度的氯化钠水溶液(30g/L)、试验温度30℃，试验时间240h。试验完成后用无水乙醇清洗表面并快速吹干，并及时称重试样，记录相应的质量损失，以表征金属陶瓷涂层的耐腐蚀性。
(6)金属陶瓷涂层的摩擦磨损性能试验
未经表面处理的镁合金汽车轮毂试样及经过表面涂层改性处理后的试样进行摩擦磨损性能试验。试验参数为：磨损载荷200N，磨轮转速200r/min，0.1重铬酸钾水溶液为摩擦过程中的冷却液。并记录试验的磨损体积，以表征金属陶瓷涂层的耐磨损性能。
实施例2：
(1)基体表面刻蚀预处理
选用表面平整的镁合金轮毂基体，为保证涂层与基体层之间的界面结合力，首先采用等离子刻蚀工艺进行基体表面的粗化处理，其中等离子刻蚀工艺参数为：反应气氛为惰性气体N2，刻蚀速率为14μm/min，刻蚀时间5min.
(2)喷涂液料的配置
选用金属陶瓷铍-氧化铍粉体作为喷涂原料；配置一定浓度(0.5mol/L)的金属陶瓷粉体水溶液，然后往水溶液中加入一定体积比的无水乙醇稀释剂,其中无水乙醇与去离子水的体积比为1:5。
(3)喷涂参数的设定
等离子喷涂工艺参数为：首先在真空泵作用下抽真空度为2×10-2Pa，工作气氛为惰性保护气体Ar气，其中惰性气体的压强范围为0.5MPa；雾化气体为氧气，相应的压强为1MPa；液料流量为2.5μm/min，电流为500A，功率为30kW。
(4)金属陶瓷涂层的制取
根据上述的工艺设定，采用等离子喷涂工艺获得镁合金轮毂表面金属陶瓷涂层的制备，并对涂层的耐磨损性、耐腐蚀性进行相应的测试。
(5)金属陶瓷涂层的中性盐雾腐蚀试验
未经表面处理的镁合金汽车轮毂试样及经过表面涂层改性处理后的试样进行中性盐雾腐蚀试验。根据GB/T10125-1997在盐雾腐蚀试验箱中进行。具体盐雾试验参数为：1)不同浓度的氯化钠水溶液(50g/L)、试验温度45℃，试验时间240h。试验完成后用无水乙醇清洗表面并快速吹干，并及时称重试样，记录相应的质量损失，以表征金属陶瓷涂层的耐腐蚀性。
(6)金属陶瓷涂层的摩擦磨损性能试验
未经表面处理的镁合金汽车轮毂试样及经过表面涂层改性处理后的试样进行摩擦磨损性能试验。试验参数为：磨损载荷400N，磨轮转速300r/min，0.1重铬酸钾水溶液为摩擦过程中的冷却液。并记录试验的磨损体积，以表征金属陶瓷涂层的耐磨损性能。
实施例3：
(1)基体表面刻蚀预处理
选用表面平整的镁合金轮毂基体，为保证涂层与基体层之间的界面结合力，首先采用等离子刻蚀工艺进行基体表面的粗化处理，其中等离子刻蚀工艺参数为：反应气氛为惰性气体N2，刻蚀速率为8μm/min，刻蚀时间7min.
(2)喷涂液料的配置
选用金属陶瓷镍-氧化钍粉体作为喷涂原料；配置一定浓度(0.3mol/L)的金属陶瓷粉体水溶液，然后往水溶液中加入一定体积比的无水乙醇稀释剂,其中无水乙醇与去离子水的体积比为1:3。
(3)喷涂参数的设定
等离子喷涂工艺参数为：首先在真空泵作用下抽真空度为2×10-3Pa，工作气氛为惰性保护气体He气，其中惰性气体的压强范围为0.8MPa；雾化气体为氧气，相应的压强为0.05MPa；液料流量为1.8μm/min，电流为500A，功率为30kW。
(4)金属陶瓷涂层的制取
根据上述的工艺设定，采用等离子喷涂工艺获得镁合金轮毂表面金属陶瓷涂层的制备，并对涂层的耐磨损性、耐腐蚀性进行相应的测试。
(5)金属陶瓷涂层的中性盐雾腐蚀试验
未经表面处理的镁合金汽车轮毂试样及经过表面涂层改性处理后的试样进行中性盐雾腐蚀试验。根据GB/T10125-1997在盐雾腐蚀试验箱中进行。具体盐雾试验参数为：1)不同浓度的氯化钠水溶液(40g/L)、试验温度40℃，试验时间240h。试验完成后用无水乙醇清洗表面并快速吹干，并及时称重试样，记录相应的质量损失，以表征金属陶瓷涂层的耐腐蚀性。
(6)金属陶瓷涂层的摩擦磨损性能试验
未经表面处理的镁合金汽车轮毂试样及经过表面涂层改性处理后的试样进行摩擦磨损性能试验。试验参数为：磨损载荷300N，磨轮转速250r/min，0.1重铬酸钾水溶液为摩擦过程中的冷却液。并记录试验的磨损体积，以表征金属陶瓷涂层的耐磨损性能。
表1试验样品的质量损失率及磨损体积测试结果
与现有技术相比，本发明提出的以金属陶瓷粉体为改性涂层，在惰性气体环境下采用等离子喷涂技术可有效地提升AM60B镁合金汽车轮毂表面的耐腐蚀和耐磨损性能(见表1)。

Claims (4)

1.以金属陶瓷纳米涂层对镁合金汽车轮毂表面改性的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)采用等离子刻蚀工艺对镁合金汽车轮毂的基体表面进行粗化处理；
(2)取铝-氧化铝、铍-氧化铍、钼-二硫化钼或镍-氧化钍中的一种，与去离子水配置成浓度为0.1～0.5mol/L的金属陶瓷粉体水溶液；然后向该溶液中加入无水乙醇作为稀释剂，无水乙醇与去离子水的体积比为1∶1～5；
(3)以金属陶瓷粉体水溶液作为喷涂液，采用辅以惰性气体为保护反应气氛的真空等离子喷涂工艺在镁合金轮毂表面进行喷涂，在镁合金轮毂表面获得金属陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子刻蚀工艺参数为：反应气氛为惰性气体N2，刻蚀速率为2～14μm/min，刻蚀时间5～12min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子喷涂工艺中，设定参数为：真空度为2×10-1～3×10-3Pa，工作气氛为惰性保护气体N2、Ar或He气，保持反应气氛压强为0.2～0.8MPa；雾化气体为氧气，相应的压强为0.02～1MPa；液料流量为1.2～2.5μm/min，电流为500A，功率为30kW。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镁合金汽车轮毂的基材是AM60B镁合金。
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