CN112899754A

CN112899754A - 镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液及涂层制备方法

Info

Publication number: CN112899754A
Application number: CN202110112561.0A
Authority: CN
Inventors: 刘宝胜; 王新明; 张跃忠; 任晓霞; 卫英慧
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明属于轻合金腐蚀与防护领域，涉及镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液及涂层制备方法。在微弧氧化自封孔涂层制备过程中，电解液的组成为：硅酸盐、氟化物、锆盐、纳米颗粒、表面活性剂等。镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的方法解决了传统微弧氧化膜层疏松多孔的问题，并且完善了含磷酸盐电解液中自封孔制备工艺的不足，以及升级了单一封孔机理制备的自封孔涂层的结构及性能，大大提升了膜层的封孔程度，从而研发出了绿色节能、耐蚀性能超强的新型镁合金自封孔涂层。

Description

镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液及涂层制备方法

技术领域

本发明属于轻合金腐蚀与防护领域，涉及一种镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液及涂层制备方法。

背景技术

镁合金由于密度低，比刚度、比强度高等特点广泛的应用于航天、交通运输、电子产品等领域。然而，由于镁的化学活性强、硬度低，严重制约了镁合金的应用。

表面改性技术是提高镁合金耐蚀耐磨性能有效手段。近年来，微弧氧化技术作为一种简单高效的表面改性技术，所形成的膜层具有耐腐蚀性能高、耐磨性能好以及与基体结合良好等特点，已被用于钛、铝、镁及其合金表面上膜层的制备。然而传统微弧氧化膜层表面疏松多孔，腐蚀介质很容易通过这些孔洞渗入到基底与镁合金发生腐蚀，从而出现点蚀，诱发大面积腐蚀，从而影响镁合金产品的应用。所以，微弧氧化膜层还需要后续的封孔处理，从而增加了处理工序和成本。

发明内容

本发明目的是提供一种镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液及涂层制备方法，通过调整微弧氧化电解液配方组合，可以直接在镁合金表面制备含锆自封孔涂层，该涂层大大提高了镁基金属的耐腐蚀性能，同时提高涂层的耐磨性。

本发明公开了一种镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液，电解液的组成包括：硅酸盐、氟化物、锆盐、纳米颗粒以及表面活性剂；

其中硅酸盐浓度为10g/L~30g/L，氟化物浓度为3g/L~14g/L，锆盐浓度为5g/L~20g/L，纳米颗粒浓度为0.1~1g/L，表面活性剂浓度为0.001g/L~0.030g/L。

硅酸盐是制备膜层的主成膜剂，氟化物能够加快膜层生长速度，锆盐是主要的封孔物质，纳米颗粒促进膜层自封孔，表面活性剂能有效降低孔隙率。

进一步的，电解液成分还包括磷酸钠、尿素、磷酸氢钠中的一种或者任意两种或者三种，浓度为3~6g/L。

该组分不仅可以调节电解液pH，还有助于使膜层更平整。

进一步的，所述硅酸盐为硅酸钠，氟化物为氟化氢铵、氟化钠或氟化钾，所述锆盐为氟锆酸钾，纳米颗粒为氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化锌中的一种或任意两种或任意三种或四种的混合；表面活性剂为甘油、十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸中的一种；电解液为中性或弱碱性。

本发明公开了一种镁合金表面自封孔微弧氧化涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，样品前处理将镁合金工件打磨、脱脂、清洗、干燥后安置到电解槽中；

步骤二，电解液的配置根据电解液进行配置，并且对镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液进行超声处理，超声30min，然后置于电解槽中；

步骤三，微弧氧化将前处理后的工件浸入步骤二所述电解液中，然后进行微弧氧化。

进一步讲，步骤三中采用恒压模式进行微弧氧化，正向电压230 V~350 V，负向电压20 V~40 V，频率250 Hz~650 Hz，占空比15%~45%，氧化时间为6min~20min。

电压对膜的厚度、微孔尺寸及耐蚀性能的影响起重要作用；频率对膜层表面的微孔尺寸影响较大；占空比会影响膜层的击穿电压。

进一步讲，镁合金材料为AZ31、AZ61、AZ91、WE43或AM60。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供的一种镁合金表面制备微弧氧化自封孔涂层的电解液可以克服传统微弧氧化技术制备膜层疏松多孔需后续封孔的缺陷。本发明提供的一种镁合金表面微弧氧化自封孔涂层的制备方法制备的涂层由ZrO₂掺杂MgO组成，可以提高耐腐蚀性能的同时提高耐磨性能，完善了含磷酸盐电解液中自封孔制备工艺的不足。其技术途径为采用微弧氧化技术，硅酸盐体系电解液中，与传统的磷酸盐体系相比，所需击穿电压低、能耗低、无污染，该制备工艺符合绿色、节能的发展理念。涉及的纳米颗粒能够有效提高膜层的自封孔效率，涉及的表面活性剂能有效提高电解液体系的稳定性，促进纳米颗粒掺进涂层，从而提高自封孔涂层平整度和减少微裂纹。

附图说明

图1为实施案例2中镁合金自封孔膜层的微观形貌图；

图2为实施案例5中镁合金自封孔膜层的截面微观形貌图。

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，实施案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：

本实施案例中，在AZ31镁合金表面制备了微弧氧化自封孔涂层，其厚度为10 μm。

一种镁合金表面微弧氧化自封孔涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，样品前处理将工件打磨、脱脂、清洗、干燥后安置到电解槽中。

步骤二，电解液的配置根据镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液配方进行配置，并且对电解液进行超声处理，超声30min，然后置于电解槽中。其中电解液配方为硅酸钠15 g/L，氟化钠3 g/L，氟锆酸钾20 g/L，氧化铝纳米颗粒0.15 g/L，甘油0.03 g/L，尿素3g/L，磷酸钠 2g/L。

步骤三，微弧氧化。将前处理后的工件浸入步骤二的电解液中，然后进行微弧氧化。然后设定工作模式、电参数及氧化时间，其中选用恒压模式，正向电压300 V，负向电压40 V，频率250 Hz，占空比45%，氧化时间10min。设定完毕后进行微弧氧化处理。

实施例2

本实施案例中，在AZ31镁合金表面制备了微弧氧化自封孔涂层，其厚度为25 μm。

步骤二，电解液的配置根据镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液配方进行配置，并且对电解液进行超声处理，超声30min，然后置于电解槽中。其中电解液配方为硅酸钠20 g/L，氟化氢氨3 g/L，氟锆酸钾15 g/L，氧化锌纳米颗粒0.2 g/L，甘油0.002 g/L，磷酸氢钠3 g/L，尿素3 g/L。

步骤三，微弧氧化将前处理后的工件浸入步骤二中所述电解液中，然后进行微弧氧化。然后设定工作模式、电参数及氧化时间，其中选用恒压模式，正向电压260 V，负向电压30 V，频率650 Hz，占空比35 %，氧化时间6 min。设定完毕后进行微弧氧化处理。

实施例3

本实施案例中，在AZ31镁合金表面制备了微弧氧化自封孔涂层，其厚度为40 μm。

步骤二，电解液的配置根据镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液配方进行配置，并且对电解液进行超声处理，超声30 min，然后置于电解槽中。其中电解液配方为硅酸钠30 g/L，氟化钠10 g/L，氟锆酸钾20 g/L，氧化锆纳米颗粒0.7 g/L，硬脂酸0.005 g/L，磷酸钠1 g/L，尿素3 g/L。

步骤三，微弧氧化将前处理后的工件浸入步骤二中所述电解液中，然后进行微弧氧化。然后设定工作模式、电参数及氧化时间，其中选用恒压模式，正向电压280 V，负向电压30 V，频率450 Hz，占空比40 %，氧化时间10 min。设定完毕后进行微弧氧化处理。

实施例4

本实施案例中，在AM60镁合金表面制备了微弧氧化自封孔涂层，其厚度为16 μm。

步骤二，电解液的配置根据镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液配方进行配置，并且对电解液进行超声处理，超声30min，然后置于电解槽中。其中电解液配方为硅酸钠18 g/L，氟化钠12 g/L，氟锆酸钾5 g/L，氧化铈纳米颗粒1 g/L，甘油0.01 g/L，磷酸氢钠1.5g/L，尿素3g/L。

步骤三，微弧氧化将前处理后的工件浸入步骤二中所述电解液中，然后进行微弧氧化。然后设定工作模式、电参数及氧化时间，其中选用恒压模式，正向电压270 V，负向电压38 V，频率650 Hz，占空比38 %。氧化时间7 min。设定完毕后进行微弧氧化处理。

实施例5

本实施案例中，在WE43镁合金表面制备了微弧氧化自封孔涂层，其厚度为3 μm。

步骤二，电解液的配置根据镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液配方进行配置，并且对电解液进行超声处理，超声30min，然后置于电解槽中。其中电解液配方为硅酸钠17 g/L，氟化钠14 g/L，氟锆酸钾15g/L，氧化铝纳米颗粒0.1 g/L，硬脂酸0.03 g/L，尿素3g/L。

步骤三，微弧氧化将前处理后的工件浸入步骤二中所述电解液中，然后进行微弧氧化。然后设定工作模式、电参数及氧化时间，其中选用恒压模式，正向电压350 V，负向电压35 V，频率450 Hz，占空比15%。氧化时间6 min。设定完毕后进行微弧氧化处理。

实施例6

本实施案例中，在WE43镁合金表面制备了微弧氧化自封孔涂层，其厚度为10 μm。

步骤二，电解液的配置根据镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液配方进行配置，并且对电解液进行超声处理，超声30min，然后置于电解槽中。其中电解液配方为硅酸钠22 g/L，氟化钾6 g/L，氟锆酸钾11g/L，氧化锌纳米颗粒0.6 g/L，十二烷基苯磺酸钠0.006 g/L，尿素3g/L。

步骤三，微弧氧化将前处理后的工件浸入步骤二中所述电解液中，然后进行微弧氧化。然后设定工作模式、电参数及氧化时间，其中选用恒压模式，正正向电压290 V，负向电压20 V，频率450 Hz，占空比30 %。氧化时间20 min。设定完毕后进行微弧氧化处理。

Claims

1.一种镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液，其特征在于电解液的组成包括：硅酸盐、氟化物、锆盐、纳米颗粒以及表面活性剂；

2.如权利要求1所述的镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液，其特征在于，电解液成分还包括磷酸钠、尿素、磷酸氢钠中的一种或者任意两种或者三种，浓度为3~6g/L。

3.如权利要求1或2所述的镁合金表面制备自封孔微弧氧化涂层的电解液，其特征在于所述硅酸盐为硅酸钠，氟化物为氟化氢铵、氟化钠或氟化钾，所述锆盐为氟锆酸钾，纳米颗粒为氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化锌中的一种或任意两种或任意三种或四种的混合；表面活性剂为甘油、十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸中的一种；电解液为中性或弱碱性。

4.一种镁合金表面自封孔微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二，电解液的配置根据权利要求1~3任一项所述电解液进行配置，并且对电解液进行超声处理，超声30min，然后置于电解槽中；

5.权利要求4所述的镁合金表面自封孔微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于：步骤三采用恒压模式微弧氧化，氧化时间为6min~20min。

6.权利要求4或5所述的镁合金表面自封孔微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中电参数设定为：正向电压230 V~350 V，负向电压20 V~40 V，频率250 Hz~650 Hz，占空比15%~45%。

7.权利要求4所述的镁合金表面自封孔微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于镁合金材料为AZ31、AZ61、AZ91、WE43或AM60。

8.权利要求4所述的镁合金表面自封孔微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于涂层厚度为3 ~40 μm。