一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法，属于金属表面处理技术领域。首先在不锈钢基体表面进行多弧离子镀形成具有纳米尺度的纯铝层，然后在该镀铝层表面进行单正向脉冲的微弧氧化，通过控制电解液组分和频率、氧化时间等电参数，在不锈钢表面形成主要成分为Al

【技术实现步骤摘要】
一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法
本专利技术涉及金属表面处理
，具体涉及一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法。
技术介绍
不锈钢具有独特的强度、较高的耐磨性、优越的防腐性能及不易生锈等优良的特性。因而被广泛应用于化工、食品机械、机电、环保、家用电器行业及家庭装潢等。但是，不锈钢的硬度较低(通常情况下为200～250HV)，耐磨性较差，表面出现微划痕时会形成腐蚀微电池，从而降低产品的耐腐蚀性能，导致产品过早报废。以不锈钢为基体的传动轴、啮合件或动配合件经常会因为不锈钢质软不耐磨、表面强度低、摩擦系数大等因素发生咬合或粘滞现象。为了提高不锈钢的耐磨性，许多学者在不锈钢表面进行了各种处理和强化研究。不锈钢表面提高耐磨性的主要途径包括化学镀、电镀、化学气相沉积、物理气相沉积以及等离子喷涂等，对形状复杂的不锈钢镀件，电镀铬由于存在边缘效应且覆盖能力差而得不到合格镀层)，化学镀却能在形状复杂的零件表面沉积均匀一致的镀层，并且化学镀自润滑性比电镀好，化学镀与电镀相比，有许多优点，如均镀能力和深镀能力好；空隙少；设备简单，操作容易；镀层具有特殊的机械、物理和化学性能等，其缺点是：镀液寿命短，废水排放量大，镀覆速度慢，成本高。微弧氧化工艺是指将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域，克服了硬质阳极氧化的缺陷，极大地提高了膜层的综合性能。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。所采用的脉冲电流，对基底材料热输入小，基本上不会恶化材料原有的力学性能，而膜层与基底结合强度高，其组织结构在较宽的范围内可调；使用的设备简单、操作方便，处理过程中无需气体保护或真空条件，因而，经济效益高。目前，微弧氧化只针对阀金属如：Al，Ti，Mg，Nb，Zr，Ta。在不锈钢表面进行微弧氧化很少，其中，哈尔滨工业大学报道了在铝酸盐体系中，在Q235碳钢表面制备了主要成分为Fe3O4和FeAl2O4的微弧氧化膜。然而，由于Fe3O4和FeAl2O4的耐磨性较低，对实现不锈钢表面高耐磨性需求还有很大的差距。因此，本专利技术提出一种在碳钢或不锈钢表面制备Al2O3微弧氧化陶瓷涂层的新方法，该方法首先利用多弧离子镀技术在不锈钢表面制备具有纳米晶尺度的纯镀铝层，然后，利用微弧氧化技术将纯铝镀层转变为硬质的Al2O3陶瓷层，该陶瓷层不仅与基体的具有较高的结合强度，同时，对不锈钢基体的耐磨性和硬度均有较大的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法，本专利技术的陶瓷涂层由Al2O3组成，该陶瓷涂层不仅与基体结合牢固，而且涂层能有效地提高不锈钢基体的耐蚀性，同时，不锈钢表面所形成的复合防护层(镀铝层与微弧氧化陶瓷涂层)具有较高的硬度、耐磨性和抗刮伤性，可大幅度提高不锈钢的综合防护性能。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，该方法首先在碳钢或不锈钢表面制备具有纳米尺度的纯铝镀层，然后在该纯铝镀层表面制备Al2O3陶瓷涂层。本专利技术采用多弧离子镀方法制备纳米尺度的纯镀铝层；所述多弧离子镀方法包括如下步骤：(1)制备纯铝靶材；(2)碳钢或不锈钢基体材料的喷砂预处理；(3)多弧离子镀制备纯铝镀层，主要工艺参数的控制包括基体沉积温度、反应气体压强与流量、靶源电流、基体负偏压、基体沉积时间等。上述步骤(1)中，纯铝靶材的制备过程为：将铝锭置于真空感应炉中精炼，工艺参数为：温度700～850℃，保温时间2～8分钟，真空度1～5×10-1Pa。然后浇铸成圆柱形靶锭。对靶锭进行机械加工，制成成型靶材。上述步骤(2)中，碳钢或不锈钢基体材料的喷砂预处理过程中：磨料采用SiO2，磨料粒度为50～300微米，喷砂机喷嘴压力为0.1～0.3MPa；喷射角度为45°掠射，喷嘴与不锈钢板表面距离保持在1～3cm，粗化时间20～90s。上述步骤(3)中，所述多弧离子镀制备纯铝镀层过程中：膜层沉积前，首先通入氩气，施加脉冲偏压轰击不锈钢表面以去除污物，具体参数为：电弧电流30～100A，偏压-400～-1200V，通氩气真空度0.1～0.3Pa，本底真空度3～5×10-3MPa，占空比5～30％，加热温度100～400℃，轰击时间5～20分钟；然后进行镀膜，镀膜过程工艺参数为：偏压-20～-100V，占空比10～50％，镀膜时间0.5～3小时。本专利技术采用微弧氧化方法在纯铝镀层表面制备Al2O3陶瓷涂层，具体过程为：将制备有纯铝镀层的碳钢或不锈钢放入微弧氧化电解液中，采用单正向脉冲方式进行微弧氧化；其中：所述微弧氧化电解液组成为：硅酸钠5～20g/L，铝酸钠1～5g/L，草酸钠5～10g/L，钨酸钠1～3g/L，柠檬酸1～5g/L，其余为水；微弧氧化方法工艺参数为：脉冲频率为100～5000Hz，电流密度为5～50A/dm2，电压400～700V，温度为20～50℃，占空比10～90％，氧化时间为30～150min。采用本专利技术方法制备的碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层，其微弧氧化陶瓷涂层覆盖在碳钢或不锈钢表面的纯铝镀层上，其中：所述纯铝镀层厚度为5～30μm，晶粒尺寸为10～100nm；所述微弧氧化陶瓷涂层的厚度为5～30μm，孔隙率为40％～80％，硬度为800～1200HV。所述纯铝镀层为柱状晶结构，所述微弧氧化陶瓷涂层的晶体结构为三氧化二铝。所述微弧氧化陶瓷涂层与基体的结合强度为20～40MPa，涂层表面维氏硬度最大为800～1200HV，耐中性盐雾试验达1000～3000小时，摩擦系数为0.5～1.5，磨损量为0.1～1.0g。本专利技术的优点和有益效果如下：1、不锈钢直接进行微弧氧化存在几大难点：一是，不锈钢不属于阀金属，在传统的碱性电解液中很难成膜，即使能够成膜，其厚度达不到等离子击穿放电的要求，表面不能形成有效的弧光放电，进而形成具有陶瓷性质的膜层；二是，虽然少数文献报道，通过在碱性的铝酸钠溶液中，可以通过控制电解液参数，在碳钢表面制备了微弧氧化膜层，然而，其膜层主要成分为Fe3O4和FeAl2O4，对于不锈钢表面耐磨性能提高有限。2、影响微弧氧化膜层耐磨性等指标的因素还包括涂层的微观结构，由于等离子放电以及反应离子的传输，微弧氧化膜层内不可避免存在大量的放电微孔，这些放电微孔的存在，也会极大降低膜层的耐磨性等指标。而采用本专利技术方法在不锈钢表面多弧离子镀铝后再进行微弧氧化膜层的制备，多弧离子镀层一般多为柱状晶结构，晶粒细小且为纳米级，镀层的晶粒细化有利于进一步降低所形成陶瓷涂层的孔隙率，提高涂层致密性，改善微弧氧化涂层的硬度、耐磨性等指标。3、采用本专利技术方法在碳钢或不锈钢表面多弧离子镀铝后进行微弧氧化膜层的制备，其表面主要成分为Al2O3，相比较于直接微弧氧化而形成的Fe3O4和FeAl2O4膜层，其显微硬度和耐磨性均有较大的提高。4、本专利技术中采用多弧离子镀技术在碳钢或不锈钢表面镀纯铝层，多弧离子镀过程的突出特点在于它能产生由高度离化的被蒸发材料组成的等离子体，其中离子具有很高的动能，蒸发、离化、加速都集中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：该方法首先在碳钢或不锈钢表面制备具有纳米尺度的纯铝镀层，然后在该纯铝镀层表面制备Al

【技术特征摘要】
1.一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：该方法首先在碳钢或不锈钢表面制备具有纳米尺度的纯铝镀层，然后在该纯铝镀层表面制备Al2O3陶瓷涂层。2.根据权利要求1所述的碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：采用多弧离子镀方法制备纳米尺度的纯镀铝层；所述多弧离子镀方法包括如下步骤：(1)制备纯铝靶材；(2)碳钢或不锈钢基体材料的喷砂预处理；(3)多弧离子镀制备纯铝镀层。3.根据权利要求2所述的碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，纯铝靶材的制备过程为：将铝锭置于真空感应炉中精炼，工艺参数为：温度700～850℃，保温时间2～8分钟，真空度1～5×10-1Pa；然后浇铸成圆柱形靶锭，对靶锭进行机械加工，制成成型靶材。4.根据权利要求2所述的碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，碳钢或不锈钢基体材料的喷砂预处理过程中：磨料采用SiO2，磨料粒度为50～300微米，喷砂机喷嘴压力为0.1～0.3MPa；喷射角度为45°掠射，喷嘴与基体材料表面距离保持在1～3cm，粗化时间20～90s。5.根据权利要求2所述的碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述多弧离子镀制备纯铝镀层过程中：膜层沉积前，首先通入氩气，施加脉冲偏压轰击不锈钢表面以去除污物，具体参数为：电弧电流30～100A，偏压-400～-1200V，通氩气真空度0.1～0.3Pa，本底真空度3～5×10-3MPa，占空比5～30％，加热温度100～400℃，轰...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，辛丽，朱圣龙，张涛，王福会，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21