本發(fā)明涉及一種鑄造鋁合金型內(nèi)氧化處理用涂料及利用其制備表面氧化層的方法，屬于鋁合金鑄造技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
鋁是地殼中含量最多的金屬元素，占地殼總重量的7.45％。鋁及其合金是目前使用量最多的有色金屬材料之一，與廣泛使用的鋼鐵材料相比，鋁的密度較小，只有鑄鐵的1/3，比強度高，導電、導熱性優(yōu)良，無低溫脆性，易加工，塑性和成型性好。目前，鋁及鋁合金材料已廣泛被應用于建筑、航空航天、機械、汽車、航海、醫(yī)療等生活中各個領域中。
鋁在自然條件下，表面會生成一層致密的氧化物薄膜，保護基體不被腐蝕。鋁合金與純鋁相同，在自然條件下表面也會生成一層厚度為0.01μm～0.05μm的al2o3·nh2o薄膜，它能夠阻礙鋁表面的活性分子和周圍介質(zhì)的接觸，起到保護金屬的作用，使鋁及其合金材料在中性和無電解質(zhì)的環(huán)境中具有較好的耐蝕性。因此，長期以來，絕大多數(shù)鋁合金工件都是不經(jīng)任何表面處理而直接使用的。
但是，由于鋁合金表面的天然氧化膜厚度較薄，防護能力十分有限，且鋁的電極電位較負，日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中大量排放的碳的氧化物、氮的氧化物和硫的氧化物等氣體，使大氣的ph值偏離中性；冬天大雪之后，為了更快的恢復交通，公路上經(jīng)常會撒一些融雪鹽，增加了空氣塵埃中的cl-離子。這些物質(zhì)一旦與鋁合金接觸，就會使其表面的天然氧化膜遭到不同程度的破壞，從而失去對基體的保護作用，發(fā)生腐蝕。因此，生活中所見到的一些鋁合金產(chǎn)品會做一定的表面處理，如鋁合金型材、結(jié)構(gòu)件等，以此來提高其使用壽命。
現(xiàn)有的鋁合金防腐表面處理工藝如陽極氧化、微弧氧化、激光熔覆等在工業(yè)上具有較為廣泛的應用，它們都可以改善零件的表面性能并延長其使用壽命，但存在周期長、成本高等問題，并且大多是針對塑性成型的鋁合金型材，有關鑄造鋁合金表面處理的研究和方法都較少。
發(fā)明專利zl2015104712048和zl2015104711806，和申請?zhí)枮?015104722285、2015104709717、2015104710377和2015104720275的公開專利分別介紹了一種鋁合金鑄滲用涂料及利用其制備鑄滲涂層的方法。這些涂料及方法的不足在于，涂料中的氧化劑cro3分解溫度過低，澆注過程中反應過于劇烈，導致所形成的涂層質(zhì)量難以控制，另一方面，cro3的氧化性強，對樹脂的粘結(jié)性能有一定的損害，易引起砂型或型芯表面掉砂。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種鑄造鋁合金型內(nèi)氧化處理用涂料及利用其制備表面氧化層的方法。
技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種鑄造鋁合金型內(nèi)氧化處理用涂料，其主要由以下重量份比例的組分所組成：
60～80份骨料，7.4～32.4份na2cr2o7·2h2o，6～9份熔鹽，1.6～3.6份粘結(jié)劑，0.1～0.2份懸浮劑。
優(yōu)選，所述的鑄造鋁合金型內(nèi)氧化處理用涂料主要由以下重量份比例的組分所組成：
80骨料，10.7～13.8份na2cr2o7·2h2o，9份熔鹽、3.3～3.4份粘結(jié)劑，0.1～0.2份懸浮劑。
優(yōu)選，所述的鑄造鋁合金型內(nèi)氧化處理用涂料主要由以下重量份比例的組分所組成：
60份骨料，10.7～13.8份na2cr2o7·2h2o，6份熔鹽3.3～3.4份粘結(jié)劑，0.1～0.2份懸浮劑。
優(yōu)選，所述骨料為fe2o3、sio2、cr2o3、al2o3、tio2和sic中的一種，骨料顆粒尺寸≥320目。
優(yōu)選，所述熔鹽由nacl、kcl和mgcl2按摩爾量比為18：47：35組成。
優(yōu)選，所述粘結(jié)劑為鈉基膨潤土。
優(yōu)選，所述懸浮劑為羧甲基纖維素鈉。
本發(fā)明還提供了利用所述鑄造鋁合金型內(nèi)氧化處理用涂料制備表面氧化層的方法，包括以下步驟：
(1)按比例取骨料、na2cr2o7·2h2o、熔鹽、懸浮劑和粘結(jié)劑混合均勻，加入純水球磨1h后制成涂料；
(2)將上述涂料涂覆在鑄型型腔或砂芯表面，在溫度為120～140℃條件下烘干；
(3)將熔煉好的鋁液澆注入上述鑄型或砂芯，鋁液和型腔表面或砂芯表面的涂料發(fā)生相互作用，在鑄件表面即得所述氧化層。
優(yōu)選，所述鑄型為水玻璃砂型或樹脂砂型。
優(yōu)選，所述澆注溫度為720～750℃。
為克服現(xiàn)有工藝的缺點，提高鑄造鋁合金的抗腐蝕性能，本發(fā)明提出型內(nèi)氧化的方法。即采用含氧化劑的涂料涂敷在型壁或型芯表面，在鋁液澆注過程中與鋁合金發(fā)生發(fā)應，增加鋁合金表面氧化層的厚度。相較于現(xiàn)有的表面處理技術(shù)，型內(nèi)氧化技術(shù)不需要專門的設備，不受鑄件形狀的限制，不僅可以提高鋁合金鑄件的耐腐蝕性能，而且充分利用金屬液的余熱及金屬液凝固時的潛熱，制造工序少，制造周期短，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。相較于發(fā)明專利zl2015104712048和zl2015104711806，和申請?zhí)枮?015104722285、2015104709717、2015104710377和2015104720275的公開專利，本發(fā)明采用na2cr2o7·2h2o作為氧化劑來代替cro3，其分解溫度更高，與鑄件表面的反應更加平緩，反應過程易于控制，避免了由于氧化劑和鑄件表面劇烈反應而導致的涂層質(zhì)量的缺陷。
技術(shù)效果：相較于現(xiàn)有的表面處理技術(shù)，型內(nèi)氧化技術(shù)不需要專門的設備，不受鑄件形狀的限制，不僅可以提高鋁合金鑄件的耐腐蝕性能，而且充分利用金屬液的余熱及金屬液凝固時的潛熱，制造工序少，制造周期短，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。
具體實施方式
根據(jù)下述實施例，可以更好地理解本發(fā)明。而本領域的技術(shù)人員容易理解，實施例所描述的具體試驗結(jié)果僅用于說明本發(fā)明，而不應當也不會限制權(quán)利要求書中所描述的本發(fā)明。
以下實施例所述熔鹽均是由nacl、kcl和mgcl2按摩爾量比為18：47：35組成。
實施例1：
組分及配比：
74.7份骨料、13.8份na2cr2o7·2h2o、8份熔鹽、3.3份鈉基膨潤土、0.2份羧甲基纖維素鈉。
所述骨料為cr2o3，骨料的顆粒尺寸≥320目；
制備方法：
(1)取骨料、na2cr2o7·2h2o、熔鹽、懸浮劑和粘結(jié)劑混合均勻，加入純水球磨后制成涂料；
(2)將上述涂料涂覆在水玻璃砂型型腔，在溫度為120℃條件下烘干；
(3)將熔煉好的鋁液澆注入上述型腔，澆注溫度為720℃，鋁液和型腔表面的涂料發(fā)生相互作用，在鑄件表面即得所述氧化層。
實施例2：
組分及配比：
77.5份骨料、10.7份na2cr2o7·2h2o、8份熔鹽、3.6份鈉基膨潤土、0.2份羧甲基纖維素鈉。
所述骨料為sio2，所述骨料的顆粒尺寸≥320目；
制備方法：
(1)取骨料、na2cr2o7·2h2o、熔鹽、懸浮劑和粘結(jié)劑混合均勻，加入純水球磨后制成涂料；
(2)將上述涂料涂覆在樹脂砂型型腔，在溫度為130℃條件下烘干；
(3)將熔煉好的鋁液澆注入上述型腔，澆注溫度為730℃，鋁液和型腔表面的涂料發(fā)生相互作用，在鑄件表面即得所述氧化層。
實施例3：
組分及配比：
75份骨料、16.1份na2cr2o7·2h2o、5.8份熔鹽、2.9份鈉基膨潤土、0.2份羧甲基纖維素鈉。
所述骨料為fe2o3，所述骨料的顆粒尺寸≥320目；
制備方法：
(1)取骨料、na2cr2o7·2h2o、熔鹽、懸浮劑和粘結(jié)劑混合均勻，加入純水球磨后制成涂料；
(2)將上述涂料涂覆在水玻璃砂型型腔，在溫度為125℃條件下烘干；
(3)將熔煉好的鋁液澆注入上述型腔，澆注溫度為750℃，鋁液和型腔表面的涂料發(fā)生相互作用，在鑄件表面即得所述氧化層。
實施例4
組分及配比：
80份骨料、7.4份na2cr2o7·2h2o、9份熔鹽、3.5份鈉基膨潤土、0.1份羧甲基纖維素鈉。
所述骨料為al2o3，所述骨料的顆粒尺寸≥320目；
制備方法：
(1)取骨料、na2cr2o7·2h2o、熔鹽、懸浮劑和粘結(jié)劑混合均勻，加入純水球磨后制成涂料；
(2)將上述涂料涂覆在水玻璃砂型型腔，在溫度為140℃條件下烘干；
(3)將熔煉好的鋁液澆注入上述型腔，澆注溫度為750℃，鋁液和型腔表面的涂料發(fā)生相互作用，在鑄件表面即得所述氧化層。
實施例5
組分及配比：
67份骨料、25.4份na2cr2o7·2h2o、6份熔鹽、1.6份鈉基膨潤土、0.1份羧甲基纖維素鈉。
所述骨料為tio2，所述骨料的顆粒尺寸≥320目；
制備方法：
(1)取骨料、na2cr2o7·2h2o、熔鹽、懸浮劑和粘結(jié)劑混合均勻，加入純水球磨后制成涂料；
(2)將上述涂料涂覆在水玻璃砂型型腔，在溫度為130℃條件下烘干；
(3)將熔煉好的鋁液澆注入上述型腔，澆注溫度為750℃，鋁液和型腔表面的涂料發(fā)生相互作用，在鑄件表面即得所述氧化層。
實施例6
組分及配比：
60份骨料、32.4份na2cr2o7·2h2o、6.3份熔鹽、2.2份鈉基膨潤土、0.1份羧甲基纖維素鈉。
所述骨料為sic，所述骨料的顆粒尺寸≥320目；
制備方法：
(1)取骨料、na2cr2o7·2h2o、熔鹽、懸浮劑和粘結(jié)劑混合均勻，加入純水球磨后制成涂料；
(2)將上述涂料涂覆在樹脂砂芯表面，在溫度為120℃條件下烘干；
(3)將熔煉好的鋁液澆注入上述砂芯，澆注溫度為750℃，鋁液和砂芯表面的涂料發(fā)生相互作用，在鑄件表面即得所述氧化層。
實驗例：本發(fā)明所得涂層的耐腐蝕性檢測
(1)試樣制備。制備邊長8mm，長20mm的棱柱形試樣，用水清洗后烘干。將柱體頂端無涂層面涂覆一層環(huán)氧樹脂，凝固后測量試樣的原始重量，計算其表面積。
(2)腐蝕介質(zhì)配制。用質(zhì)量分數(shù)為98％的分析純硫酸與一定體積的去離子水混合，配制ph＝3的腐蝕液。
(3)腐蝕試驗。取容積為500ml的燒杯，用蒸餾水洗凈后烘干，加入配好的h2so4溶液，放入樣品。將燒杯放入25℃的恒溫箱，每隔一天換一次腐蝕液，分別在24、48、96、240和360小時后取出樣品，清洗樣品表面并稱量其重量。
(4)結(jié)果分析。采用失重法分析涂層的耐腐蝕性，用下式計算平均腐蝕速率：
式中，v為腐蝕速率(g/m2·h)，m0為試樣腐蝕前的重量(g)，m1為試樣清除腐蝕產(chǎn)物后的重量(g)，s為試樣表面積(m2)，t為腐蝕時間(h)。
采用上述方法對本發(fā)明實施例3、4和5所得涂層進行耐腐蝕性檢測，以未加涂層的原始樣品作為對照品，檢測結(jié)果見表1。
表1各樣品不同時間點的腐蝕速率(g/m2·h)
由表1結(jié)果可得，本發(fā)明所得涂層樣品在浸泡在360小時，腐蝕速率是原始樣品的約22.7％～37.2％，耐腐性能顯著提高。