CN111621777A - 一种金属材料、表面处理剂及表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种金属材料、表面处理剂及表面处理方法，包括金属基材和至少一层通过表面处理剂涂覆在所述金属基材表面形成的金属表面处理膜，所述金属表面处理膜包括硅，还包括锆、铌、碳、氮、氧、硼、锂中的至少两种，其中所述金属表面处理膜中硅的重量百分比含量为2‑15％。具有亲水易清洁特性和耐高温的特性。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面化学处理技术领域，具体涉及一种金属材料、表面处理剂及表面处理方法。
背景技术
不锈钢因其优异的耐腐蚀性能和良好外观在各行业领域有着广泛的应用，在厨电和小家电行业则更受青睐。一直以来，不锈钢的使用痛点主要集中在高温容易变色以及长时间使用油渍难以清洁两方面。尤其在加热场景下，不锈钢制品还受到多种介质的影响，如氧气、水蒸气、各种调味品，使得不锈钢的使用寿命大大降低，给用户和消费者带来很大的困扰。尽管，针对不锈钢的表面处理也很多，如电镀、电刷镀、化学镀、气相沉积、微弧氧化等，但在实际应用中会面临工艺流程复杂、成本昂贵等问题。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决现有相关技术中存在的问题之一，为此，本发明的一个目的在于提出一种金属材料，具有亲水易清洁、耐高温特性。
上述目的是通过如下技术方案来实现的：
一种金属材料，包括金属基材和至少一层在所述金属基材表面的金属表面处理膜，所述金属处理膜包括硅，还包括锆、铌、碳、氮、氧、硼、锂中的至少两种，其中所述金属表面处理膜中硅的重量百分比含量为2-15％。
作为本发明的进一步改进，所述每层金属表面处理膜的膜厚度小于3微米，呈透明外观。
作为本发明的进一步改进，所述金属材料表面的电阻大于所述金属基材的电阻。
作为本发明的进一步改进，所述金属材料表面与水的接触角小于10度。
本发明的另一个目的在于提出一种表面处理剂，
上述目的是通过如下方法实现的：
一种表面处理剂，应用于上述提到的一种金属材料上，所述表面处理剂涂覆在所述金属基材表面以形成所述金属表面处理膜，所述表面处理剂包括转化液，所述转化液包括改性纳米硅溶胶和水，所述转化液还包括脂肪化合物、氯化物、金属烷基化合物、有机金属络合物中的至少一种，其中所述水的重量百分比含量为8-20％。
作为本发明的进一步改进，所述金属表面处理剂的PH值为10-12。
本发明的再一个目的在于提出一种金属材料的表面处理方法，
上述目的是通过如下方法实现的：
一种金属材料的表面处理方法，应用于上述提到的一种金属材料上，所述处理方法包括如下步骤：
S1,金属基材进行预处理；
S2,金属基材进行表面处理以在其表面形成金属表面处理膜；
S3,常温下进行自然表干；
S4,高温固化；
S5,判断金属基材的表面处理是否合格；
S6,若金属基材的表面处理合格，则判断是否要在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜；
S7,若不要在已经进行了表面处理的金属材料表面再次进行表面处理，则表面处理完成。
作为本发明的进一步改进，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：高温除油；电解除油；水洗；电解酸；水洗；预镀镍；纯水洗。
作为本发明的进一步改进，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：金属基材脱脂除油；超声波水洗；纯水洗，烘干。
作为本发明的进一步改进，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：金属基材酸性除油；水洗；氧化处理；纯水洗。
作为本发明的进一步改进，判断金属材料的表面处理是否合格的步骤具体为：若金属材料的表面处理不合格，则进行去膜，去膜后返回至步骤S1；若金属材料的表面处理合格，则判断是否要在已经进行了表面处理的金属材料表面再次进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜。
作为本发明的进一步改进，判断是否要在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜的步骤具体为：若要在已经进行了表面处理的金属材料表面再次进行表面处理，则在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜；若不要在已经进行了表面处理的金属基材表面再次进行表面处理，则表面处理完成。
作为本发明的进一步改进，金属基材进行表面处理以在其表面形成金属表面处理膜，或在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜的方法具体为：将表面处理剂通过空气压力喷枪喷涂、或静电喷枪喷涂、或浸涂在金属基材表面。
与现有技术相比，本发明的至少包括以下有益效果：
1.本发明提出一种金属材料，其表面有金属表面处理膜，提高金属材料的耐腐蚀、耐高温性能，并具有亲水易清洁特性。
2.本发明提出一种表面处理剂，其涂覆在金属材料表面，使得金属材料具备耐腐蚀、耐高温性能，并具有亲水易清洁特性。
3.本发明提出一种金属材料的表面处理方法，操作工艺简单、能耗低，使金属材料具有亲水易清洁特性。
附图说明
图1为实施例中涂覆有一层金属表面处理膜的金属材料的结构图；
图2为实施例中涂覆有两层层金属表面处理膜的金属材料的结构图；
图3为金属表面处理膜原理示意图；
图4为涂覆有金属表面处理膜的不锈钢截面SEM照片；
图5为金属材料应用于蒸烤箱腔体内表面的示意图；
图6为金属材料应用于灶具的示意图；
图7为实施例中一种金属材料的表面处理方法的流程图。
具体实施方式
以下实施例对本发明进行说明，但本发明并不受这些实施例所限制。对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
实施例一：
参见附图1、2、4示出本发明的一种金属材料3，包括金属基材1和至少一层在所述金属基材1表面的金属表面处理膜2，所述金属表面处理膜2包括硅，还包括锆、铌、碳、氮、氧、硼、锂中的至少两种，其中所述金属表面处理膜2中硅的重量百分比含量为2-15％。如覆有金属表面处理膜2的不锈钢表面组分重量百分比为：Fe 66.8％；Cr 11.9％；Si 7.5％；C7.8％；N2.9％；Nb 2.1％；Zr 1.0％。
在金属基材1上有金属表面处理膜2，由于金属表面处理膜2致密的类陶瓷相(氮化物、碳化物等)，有效的阻止了高温下氧气对金属基材1的氧化腐蚀，同时由于其晶格中离散分布有离子，如图3中的类空穴单元，在水蒸气进行渗透时使其结合为大分子团，从而避免了水蒸气的离解作用，另一方面由于其电荷的平衡作用，使得在电化学方面可以起到稳定表面电位的作用，从而获得优异的耐蚀性，满足了在中性盐雾环境下满足300小时以上的测试要求。
当金属基材1表面涂覆有一层金属表面处理膜2，则金属材料3可耐高于300°但低于500°的高温；当金属基材1表面设有两层金属表面处理膜2，则金属材料3可耐500°以上的高温。可根据不同的温度场景(100-800℃)给金属基材1上不同层数的金属表面处理膜2，当使用温度大于500℃,至少需要制备两层以上的金属表面处理膜2。
所述每层金属表面处理膜2的膜厚度小于3微米，呈透明外观。进一步优选为0.5-2微米。
所述金属材料3表面与水的接触角小于10度。金属基材1表面涂覆了金属表面处理膜2，金属材料3表面能发生变化，使得金属材料3具有亲水易清洁特性。
所述金属材料3表面的电阻大于所述金属基材1的电阻。具有一层金属表面处理膜2的金属材料3为金属基材1表面电阻阻值的102-108倍。在基材为不锈钢上分别涂覆一层金属表面处理膜2、两层金属表面处理膜2和多层金属表面处理膜2，并各取长度5cm的试样，测试表面电阻值。表面电阻值测试结果为：基材不锈钢表面的表面电阻测试值为0.15-1.17Ω，基材不锈钢涂覆一层金属表面处理膜2的表面电阻测试值为20-40Ω，基材不锈钢涂覆两层金属表面处理膜2的表面电阻测试值为200-300MΩ，基材不锈钢涂覆三层或三层以上的金属表面处理膜2的表面电阻测试结果为绝缘，测试表面电阻仪器显示为“OL”。
不锈钢基材与涂覆有一层或两层或多层金属表面处理膜2的不锈钢的各项性能如硬度、易清洁性、耐温性、耐蒸汽性能等性能都有较大差别，并做了如下测试：
(1)硬度测试，按GB/T 6739-2006规定对不锈钢基材和涂覆一层金属表面处理膜2的不锈钢进行测试，不锈钢基材测试结果为3H；涂覆一层金属表面处理膜2的不锈钢的测试结果为8H。
(2)易清洁性测试，测试方法为通过用斑马牌(ZEBRA)油性记号笔轻轻画在测试样品表面上并静置1-2min，然后在笔迹位置喷水，静置5-10秒后，采用湿润的抹布、在表面施加2kg以下的垂直作用力进行擦拭，测试结果无覆金属表面处理膜2的不锈钢基材表面无法擦除，即不具备易清洁性；涂覆一层金属表面处理膜2的不锈钢表面无残留。
(3)耐温性测试，测试方法为将部件放入恒温箱中在设定保持2h后，取出在室温环境放置冷却1h，此为一个循环，循环试验5次后，按GB/T 6461评级综合等级≥7级，易清洁性测试合格面积≥95％，其恒温箱的温度根据不同产品设定，将不锈钢基材放进250℃的恒温箱中，其测试结果为不锈钢基材因氧化而发黄，判定为不合格；将涂覆了一层金属表面处理膜2的不锈钢应用于灶具面板并放进250℃的恒温箱中做测试、将涂覆了一层金属表面处理膜2的不锈钢应用于盛液盘并放进400℃的恒温箱中做测试、涂覆了一层金属表面处理膜2的不锈钢应用于锅支架并放进500℃的恒温箱中做测试、将涂覆了两层金属表面处理膜2的不锈钢应用于燃烧体并放进800℃的恒温箱中做测试，灶具面板、盛液盘、锅支架、燃烧体均测试合格。即涂覆了金属表面处理膜2的不锈钢(应用到灶具面板、盛液盘、锅支架、燃烧体)不会因高温氧化而变色且保持其易清洁性。
(4)耐冷热冲击性测试，测试方法为将部件放入恒温箱中，从常温升温到设定温度后保持10min,用20℃的冷水迅速倒在表面上，按GB/T 6461评级综合等级≥7级，易清洁性测试合格面积≥95％，其恒温箱的温度根据不同产品设定，将不锈钢基材放进250℃的恒温箱中做测试，将涂覆了一层金属表面处理膜2的不锈钢应用于灶具面板并放进250℃的恒温箱中做测试、将涂覆了一层金属表面处理膜2的不锈钢应用于盛液盘并放进400℃的恒温箱中做测试、涂覆了一层金属表面处理膜2的不锈钢应用于锅支架并放进500℃的恒温箱中做测试、将涂覆了两层金属表面处理膜2的不锈钢应用于燃烧体并放进800℃的恒温箱中做测试，灶具面板、盛液盘、锅支架、燃烧体均按GB/T 6461评级综合等级≥7级，易清洁性测试合格面积≥95％，判定合格。
(5)耐燃烧性测试，测试方法为将灶具组件安装后经最大火力燃烧累计时间不少于16h,结果应符合易清洁性。没有涂覆金属表面处理膜2的不锈钢基材测试前后均不具备符合易清洁性且测试后氧化变色严重，覆了金属表面处理膜2的不锈钢测试前后无明显变化且易清洁性测试合格。
如图5、6，涂覆了金属表面处理膜2的金属材料3应用于蒸烤箱腔体内表面，耐长期350℃和蒸汽老化，或应用于灶具燃烧器外表面，满足使用温度大于500℃的需求，有效提高了蒸烤箱或燃烧器的可靠性和使用寿命。
实施例二：
一种表面处理剂，应用于实施例一中提到的一种金属材料上，所述表面处理剂涂覆在所述金属基材表面以形成所述金属表面处理膜，所述表面处理剂包括转化液，所述转化液包括改性纳米硅溶胶和水，所述转化液还包括脂肪化合物、氯化物、金属烷基化合物、有机金属络合物中的至少一种，其中所述水的重量百分比含量为8-20％。
作为本发明的进一步改进，所述金属表面处理剂的PH值为10-12。
实施例三：
参见附图7示出本发明的一种金属材料的表面处理方法，应用于实施例一中提到的一种金属材料上，所述处理方法包括如下步骤：
S1,金属基材进行预处理；S2,金属基材进行表面处理以在其表面形成金属表面处理膜；S3,常温下进行自然表干；S4,高温固化；S5,判断金属基材的表面处理是否合格；S6,若金属基材的表面处理合格，则判断是否要在已经进行了表面处理的金属基材表面进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜；S7,若不要在已经进行了表面处理的金属基材表面再次进行表面处理，则表面处理完成。
S1,金属基材进行预处理，要根据不同的基材采用不同的预处理方法。当所述金属基材为不锈钢，其表面需经除油后达到亲水的状态，表面可优选为局域一定粗糙度的表面，拉丝面或磨砂面，不锈钢优选为304、201、430、409等，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：金属基材脱脂除油；超声波水洗；纯水洗，烘干。当所述金属基材为铜合金或铝合金，由于其表面生成了氧化膜，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：金属基材酸性除油；水洗；氧化处理；纯水洗。当对工件除油要求高，且需要去除氧化皮或钝化膜后进一步增加附着力，可采用预镀镍预处理方法，具体为：高温除油(PH>10)；电解除油(PH<10)；水洗；电解酸；水洗；预镀镍(厚度小于1μm)；纯水洗。
S2,金属基材进行表面处理以在其表面形成金属表面处理膜，或在已经进行了表面处理的金属基材表面再次进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜的方法具体为：将表面处理剂通过空气压力喷枪喷涂、或静电喷枪喷涂、或浸涂在金属基材表面。
S5,判断金属材料的表面处理是否合格的步骤具体为：若金属材料的表面处理不合格，则进行去膜，去膜后返回至步骤S1，去膜后的金属基材可重新涂覆金属表面处理剂以重新在其表面形成金属表面处理膜，简化了程序，节约了资源。若金属材料的表面处理合格，则判断是否要在已经进行了表面处理的金属材料表面再次进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜。S7,若不要在已经进行了表面处理的金属基材表面再次进行表面处理，则表面处理完成。若要在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，则重复步骤S1、S2、S3、S4、S5、S6，S7,在金属基材表面覆上了第一层金属表面处理膜后，可在其表面覆第二层金属表面处理膜；在其表面覆了第二层金属表面处理膜后，可在其表面覆第三层金属表面处理膜；以此类推，可根据应用场景或需要在金属基材表面覆上若干层金属表面处理膜，满足使用需求。
其中，判断金属材料表面处理合格的标准可以为外观标准，也可以为金属材料的性能，也可以两者综合判断。从外观上判断，可以看处理后金属材料表面是否有粉化、发白、起泡、杂点等情况，若有粉化和/或发白和/或起泡和/或杂点和/或其他情况，则可判断金属材料表面处理不合格。从金属材料的性能上，可以从金属材料的耐温性、耐腐蚀性、亲水性等性能进行判断，若金属材料的耐温性和/或耐腐蚀性和/或亲水性和/或其他性能不符合标准，则可判断金属材料表面处理不合格。若金属材料外观美观且没有粉化、发白、起泡、杂点等情况，在性能上，其耐温性、耐腐蚀性、亲水性等性能检测后均符合要求，则判定金属材料表面处理合格。
若金属材料的表面处理不符合标准，则进行去膜，去膜可返回步骤S1：金属基材进行预处理。重新涂覆金属表面处理剂以重新在其表面形成金属表面处理膜。
若基材为不锈钢，且需要在其上涂覆一层金属表面处理膜，处理方法如下:碱性脱脂除油，由NaOH溶液和非离子表面活性剂组成；超声波水洗，纯水洗、烘干；通过空气压力喷枪或静电喷枪喷涂在经预处理后的金属基材表面，喷涂压力0.4-0.7Mpa；常温下进行自然表干；将自然表干后的基材经高温180℃固化，时间30min；判断金属材料的表面处理是否合格；若金属材料的表面处理合格，则表面处理完成，覆有金属表面处理膜的不锈钢表面组分重量百分比为：Fe 66.8％；Cr 11.9％；Si 7.5％；C 7.8％；N2.9％；Nb 2.1％；Zr 1.0％。
若基材为为铜合金或铝合金，且需要在其上涂覆一层金属表面处理膜，处理方法如下:酸性除油，由10％硫酸溶液、缓蚀剂、表面活性剂组成；水洗；氧化处理，8％的双氧水溶液；纯水洗；通过空气压力喷枪或静电喷枪喷涂在经预处理后的金属基材表面；常温下进行自然表干；将自然表干后的基材在120℃固化，时间30min；判断金属材料的表面处理是否合格；若金属材料的表面处理合格，则表面处理完成。
上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。
Claims (13)
1.一种金属材料，其特征在于，包括金属基材和至少一层在所述金属基材表面的金属表面处理膜，所述金属处理膜包括硅，还包括锆、铌、碳、氮、氧、硼、锂中的至少两种，其中所述金属表面处理膜中硅的重量百分比含量为2-15％。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料，其特征在于，所述每层金属表面处理膜的膜厚度小于3微米，呈透明外观。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料，其特征在于，所述金属材料表面的电阻大于所述金属基材的电阻。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料，其特征在于，所述金属材料表面与水的接触角小于10度。
5.一种表面处理剂，其特征在于，应用于如权利要求1-4任一所述的一种金属材料上，所述表面处理剂涂覆在所述金属基材表面以形成所述金属表面处理膜，所述表面处理剂包括转化液，所述转化液包括改性纳米硅溶胶和水，所述转化液还包括脂肪化合物、氯化物、金属烷基化合物、有机金属络合物中的至少一种，其中所述水的重量百分比含量为8-20％。
6.根据权利要求5所述的一种表面处理剂，其特征在于，所述金属表面处理剂的PH值为10-12。
7.一种金属材料的表面处理方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4任一所述的一种金属材料上，所述处理方法包括如下步骤：
S1,金属基材进行预处理；
S2,金属基材进行表面处理以在其表面形成金属表面处理膜；
S3,常温下进行自然表干；
S4,高温固化；
S5,判断金属基材的表面处理是否合格；
S6,若金属基材的表面处理合格，则判断是否要在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜；
S7,若不要在已经进行了表面处理的金属材料表面再次进行表面处理，则表面处理完成。
8.根据权利要求7所述的一种金属材料的表面处理方法，其特征在于，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：高温除油；电解除油；水洗；电解酸；水洗；预镀镍；纯水洗。
9.根据权利要求7所述的一种金属材料的表面处理方法，其特征在于，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：金属基材脱脂除油；超声波水洗；纯水洗，烘干。
10.根据权利要求7所述的一种金属材料的表面处理方法，其特征在于，所述金属基材进行预处理的步骤具体为：金属基材酸性除油；水洗；氧化处理；纯水洗。
11.根据权利要求7所述的一种金属材料的表面处理方法，其特征在于，判断金属材料的表面处理是否合格的步骤具体为：
若金属材料的表面处理不合格，则进行去膜，去膜后返回至步骤S1；
若金属材料的表面处理合格，则判断是否要在已经进行了表面处理的金属材料表面再次进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜。
12.根据权利要求7所述的一种金属材料的表面处理方法，其特征在于，判断是否要在已经进行了表面处理的金属材料表面再次进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜的步骤具体为：
若要在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，则在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜；
若不要在已经进行了表面处理的金属材料表面进行表面处理，则表面处理完成。
13.根据权利要求7或12任一所述的一种金属材料的表面处理方法，其特征在于，金属基材进行表面处理以在其表面形成金属表面处理膜，或在已经进行了表面处理的金属基材表面再次进行表面处理，以在金属基材表面形成多层金属表面处理膜的方法具体为：将表面处理剂通过空气压力喷枪喷涂、或静电喷枪喷涂、或浸涂在金属基材表面。
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