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(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)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(shù):
金屬材料是當(dāng)今應(yīng)用得最為廣泛的工程材料,特別是鐵基、銅基材料在生 產(chǎn)建設(shè)和日常生活中占有極其重要的地位。但是由于鐵基、銅基材料本身的原 因及其服役時(shí)的環(huán)境介質(zhì)的影響,難免會(huì)在其表面發(fā)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(shí),也給人類造成了巨 大的經(jīng)濟(jì)損失。在眾多金屬材料的服役過程中,大多數(shù)的損壞均發(fā)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(shù)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(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用得較為廣泛的滲鋁技術(shù)主要有粉末法、熱浸 法和熱噴涂法。
雖然這些較為成熟的粉末法、熱浸法和熱噴涂法等滲鋁技術(shù)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(yōu)點(diǎn)和得到成 功應(yīng)用的領(lǐng)域,但它們的主要缺點(diǎn)均表現(xiàn)在金屬材料經(jīng)滲鋁處理后其表面較為 粗糙、且滲鋁層的厚度和質(zhì)量不易控制等。而根據(jù)電鍍理論可以知道,金屬材 料表面經(jīng)電鍍處理后,可以在其表面獲得一層光潔度較好且鍍層質(zhì)量較容易控 制的電鍍層。因而金屬材料采用融鹽電鍍鋁技術(shù)在其表面獲得一層電鍍鋁后, 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(zhì)量較高,因而融鹽電鍍鋁技術(shù)很好地解決了粉末法、熱浸法和熱 噴涂法等滲鋁技術(shù)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,采用 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,并且其 處理理論和技術(shù)均已成熟。
雖然在鐵基、銅基材料表面獲得電鍍鋁層后,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(fā)地形成厚度為0.01 0. 10pm非晶態(tài) 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。但由于這層Auy莫的結(jié)構(gòu)較為疏松,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(tài)A1A膜還不能作為可靠的防
護(hù)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。
而采取進(jìn)一步的表面處理將其表面的電鍍鋁層全部或部分轉(zhuǎn)變成具有高硬度、
高耐蝕和高抗高溫氧化等優(yōu)良性能的Al203陶瓷是完全有必要的。
專利《種在鐵基材料表面復(fù)合陶瓷層的方法》(CN1974845)采用了熱浸 鋁技術(shù)在鐵基材料表面獲得一層浸鋁層之后,再釆用陽(yáng)極氧化的方法將其表面 浸鋁層全部或部分轉(zhuǎn)變成具有穩(wěn)定性好、致密度高等優(yōu)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。但由于所采用的熱浸鋁技術(shù) 在鐵基材料表面上獲得的浸鋁層的表面較為粗糙,雖然經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后浸鋁 層在全部或部分轉(zhuǎn)變成A1A陶瓷層的同時(shí),其較為粗糙的表面質(zhì)量會(huì)得到一定 程度的改進(jìn),但陶瓷層的表面質(zhì)量仍很難達(dá)到較高的水平,因而此方法在鐵基 材料上的應(yīng)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(yáng)極氧化方法》(申請(qǐng)?zhí)?00710012270.4)采用了融鹽電鍍鋁技 術(shù)和陽(yáng)極氧化處理方法在金屬材料表面獲得了表面質(zhì)量較高、且穩(wěn)定性好、致 密度高等優(yōu)良性能的A1A陶瓷層,但上述兩種獲得A1A陶瓷層的陽(yáng)極氧化處理 方法由于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(jìn)一步提高。除此 之外,為了獲得一定厚度的A:U03陶瓷層,若采用陽(yáng)極氧化處理方法時(shí)則所需的 處理時(shí)間也較長(zhǎng),岡而陽(yáng)極氧化處理方法的這些缺點(diǎn)嚴(yán)重地影響了上述兩種方 法在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的生產(chǎn)效率以及應(yīng)用范圍。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題,在處理方法和工藝上進(jìn)行了改 進(jìn),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(yōu)良性能、且表面質(zhì)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(shí)間大大縮短,因而大幅度地提高了生產(chǎn)效率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)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(jīng)常規(guī)的除油除銹處理后,采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(xué)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(jìn)行微 弧氧化處理使其表面的電鍍鋁層全部或部分轉(zhuǎn)變成A1203陶瓷層。
微弧氧化技術(shù)不同于陽(yáng)極氧化技術(shù),它在工作中使用較高的電壓,由于在 高的電壓下微弧瞬間高溫?zé)Y(jié)的作用而可以在具有更高生產(chǎn)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(tài)氧化物陶瓷相結(jié)構(gòu)。因此,丄 件經(jīng)微弧氧化處理后由于其表面具有更高的耐磨、耐腐蝕、耐高溫絕緣和抗高 溫沖擊等性能,而可以使其使用壽命得到大幅度的提高。
所述的在鐵基、銅基材料表面采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(jìn)行融鹽電鍍 鋁。
所述的高溫加熱處理歩驟的加熱保溫范圍為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、硅酸鹽或磷酸鹽為主鹽 及一定量添加劑所組成的鋁酸鹽、硅酸鹽或磷酸鹽堿性溶液體系中的任一種溶 液體系。
本發(fā)明通過對(duì)鐵基、銅基材料表面用融鹽電鍍鋁方法所獲得的電鍍鋁層采 用微弧氧化處理方法,使其表面的電鍍鋁層全部或部分轉(zhuǎn)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(dá)到大幅度地提高鐵基、銅基材料表 面性能的目的,從而數(shù)倍乃至數(shù)十倍地提高工件的使用壽命。并且由于本發(fā)明 還具有表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn),因而有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和 社會(huì)效益。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一Q235鋼經(jīng)常規(guī)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(yè)鹽酸溶液中的除銹與表 面活化處理后,在溫度為15(TC時(shí)的低溫KCl+NaCl+AlCl3混合融鹽中,對(duì)Q235 鋼進(jìn)行電流密度為3. 99A/dm2的電鍍處理,使其表面獲得一層光滑致密的電鍍鋁 層。表面具有電鍍鋁層的Q235鋼經(jīng)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(xué)拋光處理后,再置于由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堿性溶液 體系中進(jìn)行20min的微弧氧化處理。經(jīng)微弧氧化處理后,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(xué)方法來(lái)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(dá)到處理后的599HV。.w和-5. 40 (lgl, mA/W)。經(jīng)微 弧氧化處理后表面的硬度提高了近7倍,而維鈍電流密度降低了四個(gè)數(shù)量級(jí)。 實(shí)施例二純銅經(jīng)常規(guī)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的硫酸溶液中的除銹與表面活 化處理后,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 鍍所采用的融鹽體系為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(jìn)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(jìn)行3min的化學(xué)拋光處理。之后將表面具有電鍍鋁層的 純銅置于由2g/L氫氧化鈉、8g/L硅酸鈉和lg/L鎢酸鈉以及一定量的添加劑所組 成的硅酸鹽堿性溶液體系中進(jìn)行微弧氧化處理。處理時(shí)間為20min。經(jīng)微弧氧化 處理后由于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(xué)方法來(lái)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(dá)到 處理后的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(gè)數(shù)量級(jí)。
實(shí)例三HT200灰鑄鐵經(jīng)常規(guī)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(yè)鹽酸溶液中的除銹 與表面活化處理后,通過高溫融鹽電鍍的方法在HT200灰鑄鐵表面獲得一層光滑
致密的電鍍鋁層。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(jìn)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(jìn)行3min的化學(xué)拋光 處理。之后將表面具有電鍍鋁層的HT200灰鑄鐵置于由2g/L氫氧化鈉和以硅酸鹽 為主鹽(8g/L硅酸鈉和lg/L水鎢酸鈉)及一定量添加劑所組成的堿性溶液體系 中進(jìn)行30min的微弧氧化處理。經(jīng)微弧氧化處理后,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(fā)明技術(shù)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(shí)還具有表面質(zhì)量 好、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn),從而進(jìn)一歩擴(kuò)大了鐵基、銅基材料的應(yīng)用范 圍。
權(quán)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(jīng)常規(guī)的除油除銹處理后,采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(xué)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(jìn)行微弧氧化處理使其表面的電鍍鋁層全部或部分轉(zhuǎn)變成Al2O3陶瓷層。
2、 根據(jù)權(quán)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, 其特征在于所述的在鐵基、銅基材料表面采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(jìn)行融 鹽電鍍鋁。
3、 根據(jù)權(quán)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, 其特征在于所述的高溫加熱處理步驟的加熱保溫范圍為300 70(TC。
4、 根據(jù)權(quán)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, 其特征在于所述的鐵基、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(jù)權(quán)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, 其特征在于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、硅酸鹽或磷酸鹽為主鹽及一定量添加劑所組成的鋁酸鹽、硅酸鹽或 磷酸鹽堿性溶液體系中的任一種溶液體系。
全文摘要
本發(fā)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(duì)鐵基、銅基材料進(jìn)行常規(guī)的除油去銹處理,以及采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后,再經(jīng)過對(duì)表面具有電鍍鋁層的鐵基、銅基材料進(jìn)行高溫加熱和化學(xué)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(zhuǎn)變成Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>,而最終在鐵基、銅基材料表面獲得一定厚度的Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>陶瓷層。通過本發(fā)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(yīng)用范圍;并且由于本發(fā)明具有表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因而必將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)C23C28/02GK101195915SQ200710159160
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者丁志敏, 沈長(zhǎng)斌, 穎 閻, 陳凱敏, 宏 高 申請(qǐng)人:大連交通大學(xué)