專利名稱：一種鋁及鋁合金表面的涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種表面涂層制備方法，用于鋁及鋁合金材料的表面強(qiáng)化和表面保護(hù)，屬機(jī)械工程表面強(qiáng)化處理技術(shù)領(lǐng)域。
漿液涂層作為涂層制備技術(shù)的一種，主要內(nèi)容就是通過對基體材料進(jìn)行反復(fù)的化學(xué)涂覆和加熱處理，使做為溶劑的化合物就地轉(zhuǎn)化，經(jīng)多次循環(huán)后在表面形成具有一定厚度的涂層。美國的Church在1973年發(fā)表的專利[1]中以及在1974年發(fā)表的對其1973年的專利進(jìn)行改進(jìn)的另一項(xiàng)專利[2]中，詳細(xì)描述了一種陶瓷涂層技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的主要內(nèi)容就是通過對有孔高溫陶瓷的基體材料進(jìn)行反復(fù)的化學(xué)涂覆和加熱處理，使做為溶劑的化合物就地轉(zhuǎn)化，經(jīng)多次循環(huán)后在表面形成具有一定厚度的涂層。Church在1976年發(fā)表的另一專利[3]中對其1974年的專利進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，將可處理的基體材料的范圍擴(kuò)大到表面具有或能形成氧化層的其它材料的基體。在其專利[3]中所介紹的對鋁基體的表面處理，最高溫度為537℃(900°F)，如此高的處理溫度必然會造成鋁基體材料的性能改變以及在基體中產(chǎn)生較大的熱變形。總的說來，這種方法的缺點(diǎn)是處理溫度較高，而且所需的循環(huán)處理次數(shù)多達(dá)9次。
本發(fā)明的目的是用比較低的處理溫度和較少的循環(huán)次數(shù)，在鋁及鋁合金基體表面上制備出具有一定的耐磨、耐蝕、耐熱等性能特點(diǎn)的涂層。
本發(fā)明的主要內(nèi)容就是將預(yù)先配制好的含有可溶性鉻化物(三氧化鉻、重鉻酸銨等)、磷酸、氫氟酸的水溶液與金屬(鎳等)、陶瓷(氧化鉻、氧化鋯、氧化鈦等)、碳化物(碳化硅、碳化鎢等)、硼化物(硼化鉻等)以及其它材料(氧化鈷等)的固體微?；旌现瞥蓾{液，上述固體微粒的尺寸為微米或亞微米級，將漿液以刷、涂或噴涂等方式反復(fù)施加于鋁及鋁合金基體表面，并在一定的溫度下加熱處理，通過在一定溫度下所發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)，在鋁及鋁合金基體表面生成所需的涂層物質(zhì)，漿液中添加的固體微粒彌散分布在其中，從而形成所需要的表面涂層。所形成的涂層與基體之間的結(jié)合通過化學(xué)反應(yīng)所形成的新物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)，因而屬于化學(xué)鍵結(jié)合。漿液循環(huán)涂層是一項(xiàng)系列技術(shù)，在漿液中加入不同的固體微?？梢垣@得不同的涂層性能。
漿液循環(huán)涂層制備的具體方法和步驟如下一.配制漿液漿液配制分為兩步，首先配制三氧化鉻、重鉻酸銨、磷酸、氫氟酸的水溶液，然后將金屬、陶瓷、碳化物、硼化物以及其它材料的固體微粒與所配制的水溶液混合而制成漿液，具體配制過程如下1.配制溶液R按照下列配方先稱取三氧化鉻，再加入磷酸和適量的水，通過攪拌使三氧化鉻完全溶解，然后加入氫氟酸并攪拌均勻，最后加入水補(bǔ)足余量;
三氧化鉻(CrO3) 20－40 g／1重鉻酸銨(NH4)2Cr207) 10－25 g／1磷酸(H3PO4) 60－80 ml/1氫氟酸(HF)6－12ml/1水(H2O) 補(bǔ)足余量2.配制漿液S首先按一定的比例稱取金屬、陶瓷、碳化物、硼化物以及其它材料的固體微粒并充分混勻，然后加入前述第一步中所配制的溶液R，攪拌均勻，得到所需要的漿液。上述固體微粒的加入比例為
氧化鉻(Cr2O3) 100－200 g／1氧化鋯(ZrO2) 50－300 g／1氧化鈷(Co2O3) 10－50 g／1氧化鈦(TiO2) 50－80 g／1碳化硅(SiC)0－150g／1碳化鎢(WC)0－120g／1硼化鉻(CrB)0－110g／1鎳粉(Ni)0－40g／1溶液R補(bǔ)足余量二.涂層制備(工藝流程)1.用常規(guī)方法將鋁或鋁合金基體表面清洗干凈，去除油污(可采用丙酮、無水乙醇等有機(jī)溶劑);
2.將漿液以刷、涂或噴涂等方式均勻地施于基體表面，厚度不宜太大，一般每次噴涂漿液的厚度在15μm～25μm左右;
3.將涂有漿液的鋁或鋁合金試件置于200℃的均勻溫度環(huán)境中(大氣壓力)，保持時間視試件大小不同而異，試件較大者保持時間也較長，一般為20～30分鐘;
4.試件在空氣中自然冷卻至室溫;
5.重復(fù)步驟2～4，重復(fù)次數(shù)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的涂層厚度而定，一般以3～5次為宜;
6.將所形成的涂層表面加工至所需光潔度，建議采用拋光或用水砂紙加水打磨。
用上述方法制備出的涂層，涂層與基體之間的結(jié)合為化學(xué)鍵結(jié)合，涂層厚度范圍為10～100μm，涂層微觀硬度為HV300～HV600，所制備出的涂層具備一定的耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能。通過添加不同的固體微粒可以配制不同的漿液，從而獲得不同的涂層性能。
同目前國際上現(xiàn)有的同類技術(shù)相比，本技術(shù)具有處理溫度低(最低處理溫度僅為200℃，這使得處理過程中基體材料由于溫度變化而引起的變形量較小)，循環(huán)處理次數(shù)少(最低循環(huán)處理次數(shù)為3次)的優(yōu)點(diǎn)。本技術(shù)工藝簡單，實(shí)施本技術(shù)不需復(fù)雜設(shè)備，可操作性強(qiáng)。
本項(xiàng)技術(shù)既可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，也可用于鋁及其合金的裝飾和保護(hù)。
實(shí)施例一一種適合于鋁合金基體的漿液S-01的配方如下水溶液R01三氧化鉻(CrO3) 28 g／1重鉻酸銨(NH4)2Cr207) 15 g／1磷酸(H3PO4) 60 ml/1氫氟酸(HF)8ml/1水(H2O) 補(bǔ)足余量漿液S-01氧化鉻(Cr2O3) 180 g／1氧化鋯(ZrO2) 120 g／1氧化鈷(Co2O3) 38 g／1氧化鈦(TiO2) 50 g／1鎳粉(Ni)34g／1水溶液R01補(bǔ)足余量涂層摩擦學(xué)性能測試結(jié)果第一組試驗(yàn)
試件LY-12鋁合金基體上以漿液S-01經(jīng)三次循環(huán)處理制備出的涂層;
涂層厚度45μm;
涂層微觀硬度HV400～HV420;
對磨件材料Mo+NiCrBSi;
對磨件材料微觀硬度HV350;
試驗(yàn)機(jī)SRV高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī);
試件為面接觸，接觸面積為1cm＾2;
平均載荷4.0MPa;
滑動速度0.04m/s;
室溫?zé)o潤滑時的摩擦系數(shù)0.1～0.12，經(jīng)20分鐘試驗(yàn)后，表面可見輕微磨痕，經(jīng)稱重法測量，磨損量在5/10000克以內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)涂層表面有裂紋或剝離產(chǎn)生。
第二組試驗(yàn)試件LY-12鋁合金基體上以漿液S-01經(jīng)三次循環(huán)處理制備出的涂層;
涂層厚度45μm;
涂層微觀硬度HV400～HV420;
對磨件材料Mo+NiCrBSi;
對磨件材料微觀硬度HV350;
試驗(yàn)機(jī)SRV高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī);
試件為面接觸，接觸面積為1cm＾2;
平均載荷3.3MPa;
滑動速度0.12m/s;
在油潤滑狀態(tài)下，在不同的環(huán)境溫度下連續(xù)試驗(yàn)16分鐘(50℃2分鐘，100℃2分鐘，200℃2分鐘，300℃2分鐘，400℃8分鐘)，表面僅有輕微磨痕，經(jīng)稱重法測量，磨損量在3/10000克以內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)涂層表面有裂紋或剝離產(chǎn)生。
涂層耐腐蝕性能測試結(jié)果試件LY-12鋁合金基體上以漿液S-01經(jīng)三次循環(huán)處理制備出的涂層;
涂層厚度45μm;
將表面制備有漿液涂層的試樣分別置于5%硫酸、20%硫酸、5%硝酸、20%硝酸、5%氫氧化鈉和20%氫氧化鈉溶液中放置24小時，然后取出并用水沖洗干凈。將試樣放在顯微鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)涂層表面有明顯的腐蝕現(xiàn)象。
涂層耐熱震性能測試結(jié)果試件LY-12鋁合金基體上以漿液S-01經(jīng)三次循環(huán)處理制備出的涂層;
涂層厚度45μm;
將表面制備有漿液涂層的試樣加熱至300℃，然后快速放進(jìn)25℃的水中，反復(fù)上述過程10次，未發(fā)現(xiàn)涂層表面有裂紋或剝離產(chǎn)生。
實(shí)施例二一種適合于鋁合金基體的漿液S-02的配方如下漿液S-02氧化鉻(Cr2O3) 120 g／1氧化鋯(ZrO2) 70 g／1
氧化鈷(Co2O3) 25 g／1氧化鈦(TiO2) 50 g／1碳化鎢(WC)40g／1硼化鉻(CrB)16g／1鎳粉(Ni)36g／1水溶液R01補(bǔ)足余量涂層性能測試結(jié)果試樣LY-12鋁合金基體上以漿液S-02經(jīng)三次循環(huán)處理制備出的涂層;
涂層厚度60μm;
涂層微觀硬度HV470～HV500;
將試樣分別置于5%硫酸、20%硫酸、5%硝酸、20%硝酸、5%氫氧化鈉和20%氫氧化鈉溶液中放置24小時，然后取出并用水沖洗干凈。將試樣放在顯微鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)涂層表面有明顯的腐蝕現(xiàn)象。
實(shí)施例三一種適合于鋁合金基體裝飾和保護(hù)涂層的漿液S-03的配方如下漿液S-03氧化鉻(Cr2O3) 150 g／1氧化鋯(ZrO2) 100 g／1
氧化鈦(TiO2) 55 g／1氧化鈷(Co2O3) 20 g／1水溶液R01補(bǔ)足余量涂層性能測試結(jié)果試樣LY-12鋁合金基體上以漿液S-03經(jīng)三次循環(huán)處理制備出的涂層;
涂層厚度50μm;
涂層外觀為淡綠色;
涂層微觀硬度HV320～HV340;
將試樣分別置于5%硫酸、30%硫酸、5%硝酸、30%硝酸、5%氫氧化鈉和30%氫氧化鈉溶液中放置48小時，然后取出并用水沖洗干凈。將試樣放在顯微鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)涂層表面有明顯的腐蝕現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)1.Peter K.Church，Oliver J.Knutson，United States Patent No.3734767，1973.5.
2.Peter K.Church，Oliver J.Knutson，United States Patent No.3789096，1974.1.
3.Peter K.Church，Oliver J.Knutson，United States Patent No.3734767，1976.5.
權(quán)利要求
1.一種鋁及鋁合金表面的涂層制備方法，其特征是a.配制含有可溶性鉻化物三氧化鉻、重鉻酸銨和磷酸、氫氟酸的水溶液；b.將金屬(鎳)、陶瓷(氧化鉻、氧化鋯、氧化鈦等)、碳化物(碳化鎢、碳化硅等)、硼化物(硼化鉻等)以及其它材料(氧化鈷等)的固體微粒與上述水溶液均勻混合配制成漿液；c.將上述漿液以刷、涂或噴涂等方式涂覆于鋁或鋁合金表面上，在200℃環(huán)境溫度下加熱處理，循環(huán)上述涂覆和加熱處理過程，在基體表面形成涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，將可溶性鉻化物三氧化鉻、重鉻酸銨與磷酸、氫氟酸和水以下述比例混合所配制的溶液三氧化鉻(CrO3) 20－40 g／1重鉻酸銨(NH4)2Cr207) 10－25 g／1磷酸(H3PO4) 60－80 ml/1氫氟酸(HF)6－12ml/1水(H2O) 補(bǔ)足余量
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，將金屬(鎳)、陶瓷(氧化鉻、氧化鋯、氧化鈦等)、碳化物(碳化鎢、碳化硅等)、硼化物(硼化鉻等)以及其它材料(氧化鈷等)的固體微粒與根據(jù)權(quán)利要求2所配制的溶液以下述比例混合所配制的漿液氧化鉻(Cr2O3) 100－200 g／1氧化鋯(ZrO2) 50－300 g／1氧化鈷(Co2O3) 10－50 g／1氧化鈦(TiO2) 50－80 g／1碳化硅(SiC)0－150g／1碳化鎢(WC)0－120g／1硼化鉻(CrB)0－110g／1鎳粉(Ni)0－40g／1溶液R補(bǔ)足余量
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，將根據(jù)權(quán)利要求3所配制的漿液以刷、涂或噴涂等方式涂覆于鋁或鋁合金表面上，在200℃環(huán)境溫度下加熱處理，循環(huán)上述涂覆和加熱處理過程3-5次，在基體表面制備出漿液涂層。
全文摘要
本發(fā)明是一種表面涂層制備方法，用于鋁及鋁合金材料的表面強(qiáng)化和表面保護(hù)，其內(nèi)容是將含有可溶性鉻化物、金屬、陶瓷、碳化物、硼化物以及其它材料固體微粒的漿液以刷、涂或噴涂等方式反復(fù)施加于鋁及鋁合金基體表面，然后在一定溫度下加熱處理，在基體表面上制備出具有一定的耐磨、耐蝕、耐熱等性能特點(diǎn)的涂層。涂層與基體之間的結(jié)合為化學(xué)鍵結(jié)合。
文檔編號C23C22/74GK1109515SQ9411340
公開日1995年10月4日 申請日期1994年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月30日
發(fā)明者邵天敏, 金元生, 溫詩鑄 申請人:邵天敏, 金元生, 溫詩鑄