一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法

2023-06-12 04:19:01 1

專利名稱：一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料表面改性工藝，尤其涉及一種在鐵基、銅基材料表面 獲得陶瓷層的方法。
背景技術：
金屬材料是當今應用得最為廣泛的工程材料，特別是鐵基、銅基材料在生 產建設和日常生活中佔有極其重要的地位。但是由於鐵基、銅基材料本身的原 因及其服役時的環境介質的影響，難免會在其表面發生腐蝕、高溫氧化等形式 的損壞，因而在鐵基、銅基材料的使用壽命受到損害的同時，也給人類造成了巨 大的經濟損失。在眾多金屬材料的服役過程中，大多數的損壞均發生在材料的 表面。因此，改善材料的表面性能成為提高其使用壽命的一種行之有效的方法。
滲鋁技術是提高金屬材料耐蝕性和抗高溫氧化等性能最有效的表面改性手 段之一。目前，在生產實際中應用得較為廣泛的滲鋁技術主要有粉末法、熱浸 法和熱噴塗法。
雖然這些較為成熟的粉末法、熱浸法和熱噴塗法等滲鋁技術可以大幅度地 提高金屬材料的耐蝕性和抗高溫氧化等性能，而且都具有各自的優點和得到成 功應用的領域，但它們的主要缺點均表現在金屬材料經滲鋁處理後其表面較為 粗糙、且滲鋁層的厚度和質量不易控制等。而根據電鍍理論可以知道，金屬材 料表面經電鍍處理後，可以在其表面獲得一層光潔度較好且鍍層質量較容易控 制的電鍍層。因而金屬材料採用融鹽電鍍鋁技術在其表面獲得一層電鍍鋁後， 不僅可以大幅度地提高材料的耐蝕性和抗高溫氧化等性能，而且所獲得的電鍍 鋁層的表面質量較高，因而融鹽電鍍鋁技術很好地解決了粉末法、熱浸法和熱 噴塗法等滲鋁技術在金屬材料表面得不到表面較為光滑的滲鋁層的難題。目前
在KCl和NaCl的高溫混合融鹽中或在KCl， NaCl和AlCl3的低溫混合融鹽中，採用 電鍍的方法均可以在一些金屬材料的表面上獲得一定厚度的電鍍鋁層，並且其 處理理論和技術均已成熟。
雖然在鐵基、銅基材料表面獲得電鍍鋁層後，其電鍍鋁層可以像鋁(合金) 一樣，在自然條件下可以在其表面能夠自發地形成厚度為0.01 0. 10pm非晶態 的Al20j莫，而可以較大幅度地提高鐵基、銅基材料的耐蝕性和抗高溫氧化等性
能。但由於這層Auy莫的結構較為疏鬆，且硬度、耐蝕性和抗高溫氧化等性能
還不夠高，而使得這層在自然條件下形成的非晶態A1A膜還不能作為可靠的防
護性薄膜。因此，為了使鐵基、銅基材料表面的硬度、耐蝕性和抗高溫氧化等
性能能夠得到更大程度的提高，必須在其表面上獲得一層厚度較深的Al203薄膜。
而採取進一步的表面處理將其表面的電鍍鋁層全部或部分轉變成具有高硬度、
高耐蝕和高抗高溫氧化等優良性能的Al203陶瓷是完全有必要的。
專利《種在鐵基材料表面複合陶瓷層的方法》(CN1974845)採用了熱浸 鋁技術在鐵基材料表面獲得一層浸鋁層之後，再釆用陽極氧化的方法將其表面 浸鋁層全部或部分轉變成具有穩定性好、緻密度高等優良性能的A1A陶瓷層， 提高了材料的硬度、耐蝕性和抗高溫氧化等性能。但由於所採用的熱浸鋁技術 在鐵基材料表面上獲得的浸鋁層的表面較為粗糙，雖然經陽極氧化處理後浸鋁 層在全部或部分轉變成A1A陶瓷層的同時，其較為粗糙的表面質量會得到一定 程度的改進，但陶瓷層的表面質量仍很難達到較高的水平，因而此方法在鐵基 材料上的應用受到了一定程度的限制。雖然專利《提高金屬基表面電鍍鋁層硬 度和耐蝕性的陽極氧化方法》(申請號200710012270.4)採用了融鹽電鍍鋁技 術和陽極氧化處理方法在金屬材料表面獲得了表面質量較高、且穩定性好、致 密度高等優良性能的A1A陶瓷層，但上述兩種獲得A1A陶瓷層的陽極氧化處理 方法由於其自身處理方法的原理的問題，而使得在金屬材料表面上，即使在其 表面具有較深厚度滲鋁層的條件下，也很難獲得厚度較深的A1A陶瓷層，因而 影響了金屬材料表面的硬度、耐蝕性和抗高溫氧化等性能的進一步提高。除此 之外，為了獲得一定厚度的A:U03陶瓷層，若採用陽極氧化處理方法時則所需的 處理時間也較長，岡而陽極氧化處理方法的這些缺點嚴重地影響了上述兩種方 法在生產實際應用時的生產效率以及應用範圍。

發明內容
本發明旨在針對現有技術中所存在的問題，在處理方法和工藝上進行了改 進，不但可以在鐵基、銅基材料表面上獲得了具有高硬度、高耐蝕性和抗高溫
氧化等優良性能、且表面質量較高的Al203陶瓷層，而且在獲得相同深度Al203陶 瓷層的條件下所需的處理時間大大縮短，因而大幅度地提高了生產效率。
本發明的技術解決方案是這樣實現的
一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法，包括如下歩驟
(1) 鐵基、銅基材料經常規的除油除鏽處理後，採用高溫融鹽電鍍鋁或低 溫融鹽電鍍鋁的方法在其表面獲得電鍍鋁層；
(2) 高溫加熱處理；
(3) 化學拋光處理；
(4) 將表面具有電鍍鋁層的鐵基、銅基材料放入微弧氧化處理液屮進行微 弧氧化處理使其表面的電鍍鋁層全部或部分轉變成A1203陶瓷層。
微弧氧化技術不同於陽極氧化技術，它在工作中使用較高的電壓，由於在 高的電壓下微弧瞬間高溫燒結的作用而可以在具有更高生產效益的前提下獲得 更厚的微弧氧化物層，且微弧氧化物層具有晶態氧化物陶瓷相結構。因此，丄 件經微弧氧化處理後由於其表面具有更高的耐磨、耐腐蝕、耐高溫絕緣和抗高 溫衝擊等性能，而可以使其使用壽命得到大幅度的提高。
所述的在鐵基、銅基材料表面採用高溫融鹽電鍍鋁或低溫融鹽電鍍鋁方法
獲得電鍍鋁層的歩驟是在溫度為700。C 110(TC的KCl和NaCl的高溫混合融鹽中 或在溫度為100。C 24(TC的KC1、 NaCl和AlCl:,的低溫混合融鹽巾進行融鹽電鍍 鋁。
所述的高溫加熱處理歩驟的加熱保溫範圍為300 70(TC 。 所述的鐵基、銅基材料可以是鋼鐵材料或銅及其合金中的任一成分配比的 金屬材料。
所述的微弧氧化處理液是由氫氧化鈉和以鋁酸鹽、矽酸鹽或磷酸鹽為主鹽 及一定量添加劑所組成的鋁酸鹽、矽酸鹽或磷酸鹽鹼性溶液體系中的任一種溶 液體系。
本發明通過對鐵基、銅基材料表面用融鹽電鍍鋁方法所獲得的電鍍鋁層採 用微弧氧化處理方法，使其表面的電鍍鋁層全部或部分轉變成高硬度、高耐蝕 性和抗高溫氧化性的Al203陶瓷層，而可以達到大幅度地提高鐵基、銅基材料表 面性能的目的，從而數倍乃至數十倍地提高工件的使用壽命。並且由於本發明 還具有表面質量好、生產效率高、成本低等優點，因而有著顯著的經濟效益和 社會效益。
具體實施例方式
實施例一Q235鋼經常規的50 60g/L氫氧化鈉(NaOH)、 20 30g/L碳酸鈉(Na2C03)、 30 40g/L磷酸三鈉(Na3P04*12H20)和5 10g/L水玻璃(Na2Si03)混合 溶液中9(TC溫度下的除油處理以及200 300g/L的工業鹽酸溶液中的除鏽與表 面活化處理後，在溫度為15(TC時的低溫KCl+NaCl+AlCl3混合融鹽中，對Q235 鋼進行電流密度為3. 99A/dm2的電鍍處理，使其表面獲得一層光滑緻密的電鍍鋁 層。表面具有電鍍鋁層的Q235鋼經50(TC的高溫加熱處理以及3inin的硝酸、磷酸 和硫酸混合溶液中的化學拋光處理後，再置於由2g/L氫氧化鈉和以磷酸鹽
(10g/L的六偏磷酸鈉，8g/L水玻璃)為主鹽及一定量添加劑所組成的鹼性溶液 體系中進行20min的微弧氧化處理。經微弧氧化處理後，在Q235鋼表面獲得了厚 度為7. 5微米的Y —AL03陶瓷層。所獲得的陶瓷層的硬度和在3. 5y。NaCl溶液中用 電化學方法來表示耐蝕性的維鈍電流密度由Q235鋼表面電鍍鋁層的72HV,和 -1.40 (lgl， mA/cm"分別達到處理後的599HV。.w和-5. 40 (lgl， mA/W)。經微 弧氧化處理後表面的硬度提高了近7倍，而維鈍電流密度降低了四個數量級。 實施例二純銅經常規的10 15g/L氫氧化鈉(NaOH)、 20 30g/L碳酸鈉
(Na2C03)、 50 60g/L磷酸三鈉(Na3P04*12H20)和5 10g/L水玻璃(Na2Si03)混合 溶液中7(TC溫度下的除油處理以及150 200g/L的硫酸溶液中的除鏽與表面活 化處理後，首先通過融鹽電鍍的方法在純銅表面獲得一定厚度的電鍍鋁層。電 鍍所採用的融鹽體系為KCl+NaCl+AlCl3，溫度為150。C，電流密度為3. 99A/dm2 。 將所獲得的電鍍鋁層依次進行30(TC的高溫加熱處理以及在由硝酸、磷酸和硫 酸組成的混合拋光液中進行3min的化學拋光處理。之後將表面具有電鍍鋁層的 純銅置於由2g/L氫氧化鈉、8g/L矽酸鈉和lg/L鎢酸鈉以及一定量的添加劑所組 成的矽酸鹽鹼性溶液體系中進行微弧氧化處理。處理時間為20min。經微弧氧化 處理後由於在純銅表面獲得了厚度為7微米的AL0:,陶瓷層，使得純銅表面的硬度 和耐蝕性能得到了明顯的提高。其硬度和在3. 5。/。NaCl溶液中用電化學方法來表 示耐蝕性的維鈍電流密度分別由電鍍鋁層的62HV。,u和-0.98 (lgl， mA/cm2)達到 處理後的405HV。w和-3, 13 (lgl， mA/cm2)，其硬度值提高了5倍多，而維鈍電流 密度降低了近三個數量級。
實例三HT200灰鑄鐵經常規的50 60g/L氫氧化鈉(NaOH)、 20 30g/L碳 酸鈉(Na2C03)、 30 40g/L磷酸三鈉(Na3P04* 12H20)禾口5 10g/L水玻璃(Na2Si03) 混合溶液中90。C溫度下的除油處理以及200 300g/L的工業鹽酸溶液中的除鏽 與表面活化處理後，通過高溫融鹽電鍍的方法在HT200灰鑄鐵表面獲得一層光滑
緻密的電鍍鋁層。所用的融鹽體系為KCl+NaCl混合融鹽，處理溫度800。C，電 流密度為2. 66A/dm2 。將表面具有電鍍鋁層的HT200-40鑄鐵依次進行70(TC的高 溫加熱處理、在由硝酸、磷酸和硫酸組成的混合拋光液中進行3min的化學拋光 處理。之後將表面具有電鍍鋁層的HT200灰鑄鐵置於由2g/L氫氧化鈉和以矽酸鹽 為主鹽(8g/L矽酸鈉和lg/L水鎢酸鈉)及一定量添加劑所組成的鹼性溶液體系 中進行30min的微弧氧化處理。經微弧氧化處理後，在HT200-40鑄鐵表面獲得了 厚度為15微米的y —AW)3陶瓷層。表面硬度由原始電鍍鋁層的69HV。.M提高到 413HV。, ，提高了近5倍。
利用本發明技術不但可以使鐵基、銅基材料表面獲得Al203陶瓷層，從而大 幅度地提高材料表面的硬度、耐蝕性和抗高溫氧化等性能，同時還具有表面質量 好、生產效率高、成本低等優點，從而進一歩擴大了鐵基、銅基材料的應用範 圍。
權利要求
1、一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法，包括如下步驟(1)鐵基、銅基材料經常規的除油除鏽處理後，採用高溫融鹽電鍍鋁或低溫融鹽電鍍鋁的方法在其表面獲得電鍍鋁層；(2)高溫加熱處理；(3)化學拋光處理；(4)將表面具有電鍍鋁層的鐵基、銅基材料放入微弧氧化處理液中進行微弧氧化處理使其表面的電鍍鋁層全部或部分轉變成Al2O3陶瓷層。
2、 根據權利要求l所述的一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法， 其特徵在於所述的在鐵基、銅基材料表面採用高溫融鹽電鍍鋁或低溫融鹽電鍍鋁的方法獲得電鍍鋁層的步驟是在溫度為700。C 110(TC的KCl和NaCl的高溫混 合融鹽中或在溫度為100。C 24(TC的KCl、NaCl和AlCl3的低溫混合融鹽中進行融 鹽電鍍鋁。
3、 根據權利要求1或2所述的一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法， 其特徵在於所述的高溫加熱處理步驟的加熱保溫範圍為300 70(TC。
4、 根據權利要求3所述的一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法， 其特徵在於所述的鐵基、銅基材料可以是鋼鐵材料或銅及其合金中的任一成分 配比的金屬材料。
5、 根據權利要求4所述的一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法， 其特徵在於所述的微弧氧化處理步驟中所用的微弧氧化處理液是由氫氧化鈉和 以鋁酸鹽、矽酸鹽或磷酸鹽為主鹽及一定量添加劑所組成的鋁酸鹽、矽酸鹽或 磷酸鹽鹼性溶液體系中的任一種溶液體系。
全文摘要
本發明涉及一種在鐵基、銅基材料表面獲得陶瓷層的方法，包括如下步驟在對鐵基、銅基材料進行常規的除油去鏽處理，以及採用高溫融鹽電鍍鋁或低溫融鹽電鍍鋁的方法在其表面獲得一層光滑平整的電鍍鋁層後，再經過對表面具有電鍍鋁層的鐵基、銅基材料進行高溫加熱和化學拋光處理，以及微弧氧化處理，使其表面的電鍍鋁層全部或部分轉變成Al2O3，而最終在鐵基、銅基材料表面獲得一定厚度的Al2O3陶瓷層。通過本發明所述的工藝可以大幅度地提高鐵基、銅基材料表面的硬度、耐蝕性和抗高溫氧化等性能，從而開拓了鐵基、銅基材料的應用範圍；並且由於本發明具有表面質量好、生產效率高、工藝簡單等優點，因而必將產生顯著的經濟效益和社會效益。
文檔編號C23C28/02GK101195915SQ200710159160
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月20日 優先權日2007年12月20日
發明者丁志敏, 沈長斌, 穎 閻, 陳凱敏, 宏 高 申請人:大連交通大學