CN110552043B - 一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，包括以下步骤：镁合金轮毂打磨—水洗—碱洗—水洗—氧化锆陶瓷膜微弧氧化—聚氟乙烯封孔处理。通过该方法处理后，可以使镁合金轮毂表面生成均匀的陶瓷膜，该陶瓷膜与镁合金基体结合良好，界面致密性好，镁合金轮毂的耐蚀性和耐磨性能显著提高，增加了汽车轮毂的服役寿命；且通过严格控制微弧氧化工艺过程的各个工艺参数，使陶瓷膜质量高，稳定性好，可操造性强。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理领域，具体涉及一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法。
背景技术
汽车轮毂是汽车中重要的组成零件，它的质量将直接影响汽车行驶的安全性以及长期使用的可靠性。而镁合金由于其密度小，比强度、比刚度高，阻尼减震性能良好等特点，成为了汽车零件中不可或缺的材料。镁合金具有的优异的减震性能，使得来自结构外部的弹性应力通过镁合金构件向其他结构件传递的时候，应力在镁合金结构件内部得到大幅度的衰减，使其与之相邻的结构件所受到的实际载荷降低，减缓了这些结构件设计的强度要求，增加了安全性。汽车轮毂采用镁合金材质具有以下优点：显著减轻车重、降低油耗和减少尾气排放，提高燃油的总体经济指标。汽车所用燃料的60％消耗于汽车自重，汽车每减重10％，可以将燃油效率提高5％以上。同时改善刹车和加速性能，采用镁合金构件还可以提高汽车的减震性能，降低噪声，提高安全性能。但是由于镁合金具有较高的化学反应活性，在空气中易形成氧化膜且结构疏松，容易受到腐蚀破坏，严重限制了其在汽车领域的应用。
汽车轮毂常用电镀、真空镀膜技术、等离子体喷涂技术等方法进行表面处理。然而，电镀镀液常常含有大量有毒重金属离子，易引发环境污染；真空镀膜技术、等离子喷涂技术对轮毂的前处理要求高，工艺复杂，极大的限制了其使用性，为此开发一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，通过对镁合金轮毂进行微弧氧化表面处理后，在镁合金轮毂表面生成均匀的陶瓷膜层，陶瓷膜层具有高硬度、高耐蚀性以及高耐磨性等优势，显著的提高了镁合金轮毂的耐蚀性和耐磨性能，增加了汽车轮毂的服役寿命。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1，对镁合金轮毂进行机械打磨，清水清洗，得表面光洁的镁合金轮毂；
步骤2，将表面光洁的镁合金轮毂置于碱性除油液中，浸泡，清水清洗，得除油后的镁合金轮毂；
步骤3，配制微弧氧化处理液，将所述除油后的镁合金轮毂和不锈钢板置于所述微弧氧化处理液中，对除油后的镁合金轮毂进行微弧氧化，在镁合金轮毂的表面原位生长一层均匀的陶瓷膜，得带有陶瓷膜的镁合金轮毂；其中，除油后的镁合金轮毂连接微弧氧化电源的阳极，不锈钢板连接微弧氧化电源的阴极；
步骤4，配制聚氟乙烯封孔溶液，将带有陶瓷膜的镁合金轮毂置于聚氟乙烯封孔溶液中浸渍，取出常温放置，加热固化。
优选的，步骤1中，所述清水清洗1-3min。
优选的，步骤2中，所述碱性除油液包含氢氧化钾、碳酸钾、磷酸钠、表面活性剂和水。
进一步优选的，步骤2中，所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠或/和全氟辛基磺酸四乙基胺。
优选的，步骤2中，所述碱性除油液中，氢氧化钾的浓度为20-30g/L，碳酸钾的浓度为25-45g/L，磷酸钠的浓度为5-15g/L，表面活性剂的浓度为10-80mg/L。
优选的，步骤2中，所述浸泡的温度为65-80℃，浸泡的时间为5-10min。
优选的，步骤2中，所述清水清洗1-3min。
优选的，步骤3中，所述微弧氧化处理液的配制方法为：向1L的水中加入10-15g磷酸氢二钾、2-5g柠檬酸铵和20-40g氟化氢铵，用氨水调节pH至10-12，得混合液；向所述混合液中加入1L浓度为40g/L的水合硝酸氧锆溶液，搅拌混合均匀，即得。
优选的，步骤3中，所述微弧氧化的电源为直流脉冲电源，电源的脉冲频率为500-600Hz，占空比为10-30％，电压为300-400V；除油后的镁合金轮毂和不锈钢板之间的距离为10-20cm。
优选的，步骤3中，所述微弧氧化的温度为20-50℃，微弧氧化的时间为10-30min。
优选的，步骤4中，所述聚氟乙烯封孔溶液的配制方法为：将1g聚氟乙烯粉末加入100mL乙酰胺中，在40-60℃条件下持续搅拌25-35min，加水稀释，得聚氟乙烯浓度为1-4g/L的聚氟乙烯封孔溶液。
优选的，步骤4中，所述浸渍的时间为3-12min，常温放置的时间为1-3h。
优选的，步骤4中，所述加热固化的温度为150-160℃，加热固化的时间为10-15min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的微弧氧化处理方法对镁合金轮毂的材质牌号和尺寸均没有特殊的要求，凡是浸在微弧氧化溶液的镁合金，通过微弧氧化处理后在表面获得均匀的陶瓷膜层，因此本发明的微弧氧化处理工艺具有很好的通用性。
(2)本发明的工艺过程简单环保，对轮毂的前处理要求不高，且处理过程易于控制，提高了镁合金轮毂基体的耐腐蚀性，有效的控制了其表面的腐蚀速度。
(3)本发明采用的微弧氧化溶液和制备工艺参数可以使镁合金轮毂表面生成均匀的陶瓷膜，该陶瓷膜与基体结合良好，界面致密性好，镁合金轮毂的耐蚀性和耐磨性能显著提高，且通过严格控制微弧氧化工艺过程的各个工艺参数，使其微弧氧化陶瓷膜质量高，稳定性好，可操作性强。
(4)本发明的镁合金轮毂表面陶瓷膜经封孔处理后，聚氟乙烯覆盖于陶瓷膜表面，实现对陶瓷膜微孔的封闭，由于其陶瓷膜表面自由能低，难以润湿，具有憎油憎水的特性，防污性强，灰尘难以附着，在雨水冲洗下即可清洁如新。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为采用实施例1的处理方法处理后所得的镁合金轮毂照片；
图2为封孔后陶瓷膜在5％NaCl溶液中的腐蚀速率；其中，图(a)为聚氟乙烯封孔溶液浓度对腐蚀速率的影响(封孔溶液中浸渍时间为9min)；图(b)为封孔时间对腐蚀速率的影响(聚氟乙烯封孔溶液浓度为4g/L)；
图3为镁合金微弧氧化陶瓷膜封孔过程示意图；
图4为镁合金微弧氧化陶瓷膜封孔前后的SEM微观形貌；其中，图(a)封孔前陶瓷膜表面形貌，图(b)封孔前陶瓷膜截面形貌，图(c)封孔后表面形貌，图(d)封孔后截面形貌；
图5为不同表面状态镁合金与去离子水的接触角；其中，图(a)中镁合金基体69.5°，图(b)氟碳封孔后81.5°，图(c)微弧氧化陶瓷层35.0°；
图6为镁合金封孔前后浸泡实验的宏观表面形貌图；其中，图(a)为镁合金+微弧氧化后的宏观表面形貌图；图(b)为镁合金+微弧氧化+聚氟乙烯的宏观表面形貌图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1，打磨
对镁合金轮毂进行机械打磨，去除镁合金轮毂表面氧化皮、锈蚀产物和边角毛刺，清水清洗2min，得表面光洁的镁合金轮毂。
步骤2，碱性除油
将氢氧化钾、碳酸钾、磷酸钠、十二烷基磺酸钠和去离子水混合，得碱性除油液；其中，氢氧化钾的浓度为30g/L，碳酸钾的浓度为35g/L，磷酸钠的浓度为10g/L，十二烷基磺酸钠的浓度为30mg/L，余量为水。
将表面光洁的镁合金轮毂置于碱性除油液中，在65℃条件下浸泡8min，清水清洗2min，得除油后的镁合金轮毂。
步骤3，微弧氧化
配制微弧氧化处理液：向1L的去离子水中加入13g磷酸氢二钾、3g柠檬酸铵和28g氟化氢铵，用氨水调节pH至12，得混合液。向混合液中加入1L浓度为40g/L的水合硝酸氧锆(ZrO(NO3)2·H2O)溶液，搅拌混合均匀，即得。
将除油后的镁合金轮毂和不锈钢板置于微弧氧化处理液中，对除油后的镁合金轮毂在25℃条件下进行微弧氧化处理15min，在镁合金轮毂的表面原位生长一层均匀的陶瓷膜，得带有陶瓷膜的镁合金轮毂；其中，除油后的镁合金轮毂连接微弧氧化电源的阳极，不锈钢板连接微弧氧化电源的阴极；微弧氧化电源为直流脉冲电源，微弧氧化电源的脉冲频率为520Hz，占空比为20％，电压为336V，除油后的镁合金轮毂和不锈钢板之间的距离为12cm。
步骤4，聚氟乙烯封孔
配制聚氟乙烯封孔溶液：将1g聚氟乙烯粉末加入100mL乙酰胺中，使聚氟乙烯粉末溶解在乙酰胺中，在50℃条件下持续搅拌30min直至聚氟乙烯完全溶解于乙酰胺成为聚氟乙烯溶液；向聚氟乙烯溶液中加入去离子水稀释，配制成聚氟乙烯浓度为4g/L的聚氟乙烯封孔溶液。
将带有陶瓷膜的镁合金轮毂置于聚氟乙烯封孔溶液中浸渍9min，取出常温放置2h，再将镁合金轮毂放入恒温箱中，在160℃条件下加热固化10min。
实施例2
一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1，打磨
对镁合金轮毂进行机械打磨，去除镁合金轮毂表面氧化皮、锈蚀产物和边角毛刺，清水清洗1min，得表面光洁的镁合金轮毂。
步骤2，碱性除油
将氢氧化钾、碳酸钾、磷酸钠、全氟辛基磺酸四乙基胺和去离子水混合，得碱性除油液；其中，氢氧化钾的浓度为20g/L，碳酸钾的浓度为35g/L，磷酸钠的浓度为5g/L，全氟辛基磺酸四乙基胺的浓度为90mg/L，余量为水。
将表面光洁的镁合金轮毂置于碱性除油液中，在67℃条件下浸泡8min，清水清洗2min，得除油后的镁合金轮毂。
步骤3，微弧氧化
配制微弧氧化处理液：向1L的去离子水中加入10g磷酸氢二钾、5g柠檬酸铵和20g氟化氢铵，用氨水调节pH至11，得混合液。向混合液中加入1L浓度为40g/L的水合硝酸氧锆(ZrO(NO3)2·H2O)溶液，搅拌混合均匀，即得。
将除油后的镁合金轮毂和不锈钢板置于微弧氧化处理液中，对除油后的镁合金轮毂在35℃条件下进行微弧氧化处理15min，在镁合金轮毂的表面原位生长一层均匀的陶瓷膜，得带有陶瓷膜的镁合金轮毂；其中，除油后的镁合金轮毂连接微弧氧化电源的阳极，不锈钢板连接微弧氧化电源的阴极；微弧氧化电源为直流脉冲电源，微弧氧化电源的脉冲频率为550Hz，占空比为20％，电压为350V，除油后的镁合金轮毂和不锈钢板之间的距离为15cm。
步骤4，聚氟乙烯封孔
配制聚氟乙烯封孔溶液：将1g聚氟乙烯粉末加入100mL乙酰胺中，使聚氟乙烯粉末溶解在乙酰胺中，在50℃条件下持续搅拌30min直至聚氟乙烯完全溶解于乙酰胺成为聚氟乙烯溶液；向聚氟乙烯溶液中加入去离子水稀释，配制成聚氟乙烯浓度为1g/L的聚氟乙烯封孔溶液。
将带有陶瓷膜的镁合金轮毂置于聚氟乙烯封孔溶液中浸渍8min，取出常温放置2h，再将镁合金轮毂放入恒温箱中，在155℃条件下加热固化12.5min。
实施例3
一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1，打磨
对镁合金轮毂进行机械打磨，去除镁合金轮毂表面氧化皮、锈蚀产物和边角毛刺，清水清洗3min，得表面光洁的镁合金轮毂。
步骤2，碱性除油
将氢氧化钾、碳酸钾、磷酸钠、十二烷基磺酸钠和去离子水混合，得碱性除油液；其中，氢氧化钾的浓度为30g/L，碳酸钾的浓度为45g/L，磷酸钠的浓度为15g/L，十二烷基磺酸钠的浓度为45mg/L，余量为水。
将表面光洁的镁合金轮毂置于碱性除油液中，在65℃条件下浸泡10min，清水清洗3min，得除油后的镁合金轮毂。
步骤3，微弧氧化
配制微弧氧化处理液：向1L的去离子水中加入15g磷酸氢二钾、2.5g柠檬酸铵和40g氟化氢铵，用氨水调节pH至12，得混合液。向混合液中加入1L浓度为40g/L的水合硝酸氧锆(ZrO(NO3)2·H2O)溶液，搅拌混合均匀，即得。
将除油后的镁合金轮毂和不锈钢板置于微弧氧化处理液中，对除油后的镁合金轮毂在50℃条件下进行微弧氧化处理10min，在镁合金轮毂的表面原位生长一层均匀的陶瓷膜，得带有陶瓷膜的镁合金轮毂；其中，除油后的镁合金轮毂连接微弧氧化电源的阳极，不锈钢板连接微弧氧化电源的阴极；微弧氧化电源为直流脉冲电源，微弧氧化电源的脉冲频率为600Hz，占空比为30％，电压为400V，除油后的镁合金轮毂和不锈钢板之间的距离为20cm。
步骤4，聚氟乙烯封孔
配制聚氟乙烯封孔溶液：将1g聚氟乙烯粉末加入100mL乙酰胺中，使聚氟乙烯粉末溶解在乙酰胺中，在60℃条件下持续搅拌25min直至聚氟乙烯完全溶解于乙酰胺成为聚氟乙烯溶液；向聚氟乙烯溶液中加入去离子水稀释，配制成聚氟乙烯浓度为2.5g/L的聚氟乙烯封孔溶液。
将带有陶瓷膜的镁合金轮毂置于聚氟乙烯封孔溶液中浸渍3min，取出常温放置3h，再将镁合金轮毂放入恒温箱中，在150℃条件下加热固化15min。
实施例4
一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1，打磨
对镁合金轮毂进行机械打磨，去除镁合金轮毂表面氧化皮、锈蚀产物和边角毛刺，清水清洗2min，得表面光洁的镁合金轮毂。
步骤2，碱性除油
将氢氧化钾、碳酸钾、磷酸钠、全氟辛基磺酸四乙基胺和去离子水混合，得碱性除油液；其中，氢氧化钾的浓度为25g/L，碳酸钾的浓度为25g/L，磷酸钠的浓度为10g/L，全氟辛基磺酸四乙基胺的浓度为10mg/L，余量为水。
将表面光洁的镁合金轮毂置于碱性除油液中，在80℃条件下浸泡5min，清水清洗1min，得除油后的镁合金轮毂。
步骤3，微弧氧化
配制微弧氧化处理液：向1L的去离子水中加入12.5g磷酸氢二钾、2g柠檬酸铵和30g氟化氢铵，用氨水调节pH至10，得混合液。向混合液中加入1L浓度为40g/L的水合硝酸氧锆(ZrO(NO3)2·H2O)溶液，搅拌混合均匀，即得。
将除油后的镁合金轮毂和不锈钢板置于微弧氧化处理液中，对除油后的镁合金轮毂在20℃条件下进行微弧氧化处理30min，在镁合金轮毂的表面原位生长一层均匀的陶瓷膜，得带有陶瓷膜的镁合金轮毂；其中，除油后的镁合金轮毂连接微弧氧化电源的阳极，不锈钢板连接微弧氧化电源的阴极；微弧氧化电源为直流脉冲电源，微弧氧化电源的脉冲频率为500Hz，占空比为30％，电压为300V，除油后的镁合金轮毂和不锈钢板之间的距离为10cm。
步骤4，聚氟乙烯封孔
配制聚氟乙烯封孔溶液：将1g聚氟乙烯粉末加入100mL乙酰胺中，使聚氟乙烯粉末溶解在乙酰胺中，在40℃条件下持续搅拌35min直至聚氟乙烯完全溶解于乙酰胺成为聚氟乙烯溶液；向聚氟乙烯溶液中加入去离子水稀释，配制成聚氟乙烯浓度为3g/L的聚氟乙烯封孔溶液。
将带有陶瓷膜的镁合金轮毂置于聚氟乙烯封孔溶液中浸渍12min，取出常温放置1h，再将镁合金轮毂放入恒温箱中，在160℃条件下加热固化10min。
分别考察聚氟乙烯封孔溶液浓度、封孔时间对腐蚀速率的影响，试验结果如图2所示。
从图2(a)可知，随着聚氟乙烯封孔溶液浓度的增大，陶瓷膜的腐蚀速率持续减小，即膜层的耐蚀性随着封孔溶液浓度的增大而增大；未封孔处理时，微弧氧化陶瓷膜的腐蚀速率为0.046g·h-1·m-2达到最大，其耐蚀性最差。当封孔溶液浓度为4g/L时，陶瓷膜的腐蚀速率为0.015g·h-1·m-2达到最小，其耐蚀性最佳。
由图2(b)可知，随着封孔浸渍时间的不断增长，陶瓷膜的腐蚀速率先减小后增大，即陶瓷膜的耐蚀性随着封孔时间的增长先增大后减小；当封孔浸渍时间为9min时，膜层的腐蚀速率为0.016g·h-1·m-2达到最小，此时耐蚀性最佳。
由图3可知，采用聚氟乙烯对微弧氧化陶瓷膜表面进行封孔时，由于封孔溶液流动性良好，在封孔过程中，部分封孔溶液进入到了微弧氧化陶瓷膜的孔洞中，另一部分没有进入孔洞中的封孔溶液会覆盖在陶瓷膜的表面。在后续的加热固化过程中，乙酰胺不断挥发，孔洞内的聚氟乙烯将陶瓷膜表面的孔洞填充。覆盖在陶瓷膜表面的聚氟乙烯固化后，会在陶瓷膜表面形成一层均匀平整的封孔层，这样的封孔过程决定了封孔溶液在陶瓷膜表面的润湿性会对封孔层的形成产生影响。
由图4可知，镁合金轮毂微弧氧化陶瓷膜表面为多孔结构，呈火山口状形貌，孔洞分布均匀且大小不一，其氧化陶瓷膜分为疏松层和致密层两部分，外层的疏松层分布大量的孔洞，且部分孔洞相互连通，有些孔洞甚至到达了镁合金基体表面，这些缺陷的存在为腐蚀介质提供了通道，使腐蚀液渗入后与金属基体接触反应，极大的消弱了微弧氧化陶瓷膜对镁合金基体的保护作用。与未封孔处理的微弧氧化陶瓷膜相比，封孔后陶瓷膜表面的孔洞和微裂纹己经全部被聚氟乙烯所封闭，封孔后的陶瓷膜更加平整。
由图5可知，经聚氟乙烯封孔处理后，陶瓷膜表面的微孔被封闭，表面平整光滑，粗糙度进一步降低，且聚氟乙烯为疏水性材料。因此，封孔处理后陶瓷膜的疏水性优于微弧氧化陶瓷膜。水滴在接触封孔层后不会向周围延展，形成半球状，导致表面接触角大于其微弧氧化陶瓷膜。封孔后膜层的疏水性增强，可以阻碍腐蚀介质对膜层的渗入，起到保护镁合金基体的作用。而且表面自由能低，难以润湿，故有憎油憎水、防污性强的特性。
由图6可知，经聚氟乙烯封孔处理后，陶瓷膜在5％NaCl溶液中的腐蚀速率明显减小，当浸泡144h时，未封孔处理的试样表面出现了点蚀，当浸泡进行到288h时，未封孔处理的试样发生了较明显的腐蚀，而封孔处理的试样表面依然没有明显的腐蚀迹象，表明封孔处理显著提高了微弧氧化陶瓷膜的耐蚀性能。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对镁合金轮毂进行机械打磨，清水清洗，得表面光洁的镁合金轮毂；
步骤2，将表面光洁的镁合金轮毂置于碱性除油液中，浸泡，清水清洗，得除油后的镁合金轮毂；
步骤3，配制微弧氧化处理液，将所述除油后的镁合金轮毂和不锈钢板置于所述微弧氧化处理液中，对除油后的镁合金轮毂进行微弧氧化，在镁合金轮毂的表面原位生长一层均匀的陶瓷膜，得带有陶瓷膜的镁合金轮毂；其中，除油后的镁合金轮毂连接微弧氧化电源的阳极，不锈钢板连接微弧氧化电源的阴极；所述微弧氧化处理液的配制方法为：向1L的水中加入10-15g磷酸氢二钾、2-5g柠檬酸铵和20-40g氟化氢铵，用氨水调节pH至10-12，得混合液；向所述混合液中加入1L浓度为40g/L的水合硝酸氧锆溶液，搅拌混合均匀，即得；所述微弧氧化的电源为直流脉冲电源，电源的脉冲频率为500-600Hz，占空比为10-30％，电压为300-400V；除油后的镁合金轮毂和不锈钢板之间的距离为10-20cm；
步骤4，配制聚氟乙烯封孔溶液，将带有陶瓷膜的镁合金轮毂置于聚氟乙烯封孔溶液中浸渍，取出常温放置，加热固化；所述聚氟乙烯封孔溶液的配制方法为：将1g聚氟乙烯粉末加入100mL乙酰胺中，在40-60℃条件下持续搅拌25-35min，加水稀释，得聚氟乙烯浓度为1-4g/L的聚氟乙烯封孔溶液；所述浸渍的时间为3-12min，常温放置的时间为1-3h；所述加热固化的温度为150-160℃，加热固化的时间为10-15min。
2.根据权利要求1所述的高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，其特征在于，步骤2中，所述碱性除油液包含氢氧化钾、碳酸钾、磷酸钠、表面活性剂和水。
3.根据权利要求2所述的高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，其特征在于，步骤2中，所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠或/和全氟辛基磺酸四乙基胺。
4.根据权利要求3所述的高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，其特征在于，步骤2中，所述碱性除油液中，氢氧化钾的浓度为20-30g/L，碳酸钾的浓度为25-45g/L，磷酸钠的浓度为5-15g/L，表面活性剂的浓度为10-80mg/L。
5.根据权利要求1所述的高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，其特征在于，步骤2中，所述浸泡的温度为65-80℃，浸泡的时间为5-10min。
6.根据权利要求1所述的高耐蚀镁合金轮毂表面处理方法，其特征在于，步骤3中，所述微弧氧化的温度为20-50℃，微弧氧化的时间为10-30min。
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