專利名稱:鎂合金零件的無鉻表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金及金屬材料加工行業(yè)中的加工工藝及表面處理方法，具體涉及一種鎂合金零件的無鉻表面處理方法。
技術(shù)背景鎂合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、散熱性佳、吸震性好、電磁屏蔽性好、回收性好等特性，主要用作3C產(chǎn)業(yè)(計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)性電子)的產(chǎn)品零件，以及在汽車、航空航天、兵器、火車、自行車等交通工具領(lǐng)域，鎂合金也是極佳的零件材料選擇對(duì)象，可減輕重量降低油耗等。此外，休閑娛樂用品，家庭和旅行辦公用品，手工工具，亦開始大量使用鎂合金制造。我國的鎂資源十分豐富，而鎂合金的加工技術(shù)卻十分缺乏，特別是鎂合金的無鉻表面處理技術(shù)更是很不成熟。發(fā)展鎂合金的加工技術(shù)以及表面處理技術(shù)，成為擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的當(dāng)務(wù)之急。
鎂是極活潑的金屬，標(biāo)準(zhǔn)電極電位較低，導(dǎo)致鎂合金的耐腐蝕性很差。對(duì)鎂合金表面進(jìn)行處理得到防蝕膜層可以有效提高其防腐蝕性能?，F(xiàn)有的鎂合金表面處理技術(shù)通常采用鉻系元素溶液對(duì)鎂合金進(jìn)行處理，以形成一層致密膜來防止鎂合金被腐蝕。這種工藝在第二次世界大戰(zhàn)期間廣泛用于軍事工業(yè)。由于這種方法簡單、經(jīng)濟(jì)、有效，至今仍廣泛應(yīng)用。應(yīng)用最普遍的是美國的Dow 1處理方法，但是由于形成的轉(zhuǎn)化膜中含有高污染性化學(xué)物質(zhì)鉻離子，處理槽中所揮發(fā)出含鉻離子的有毒氣體，威脅作業(yè)員健康；另一方面，鉻離子不容易沉降，其排放需要進(jìn)行廢水處理，導(dǎo)致廢水處理成本的提高。由于鉻鹽對(duì)環(huán)境危害大，排放受到環(huán)保法規(guī)的限制，出現(xiàn)了減少鉻酸鹽用量的化學(xué)氧化處理工藝。
近些年來，由于環(huán)境保護(hù)的需要，無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化膜工藝的開發(fā)受到重視。如三井金屬礦業(yè)株式會(huì)社的松島英明(發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?0133152.3，公開號(hào)CN1294203A)等提供了一種鎂合金表面處理方法。訪發(fā)明的無鉻轉(zhuǎn)化處理液成份為磷酸鹽、醋酸鹽及高錳酸鉀，采用磷酸鈉，醋酸鈉以及醋酸作為處理液的PH調(diào)節(jié)劑，其抗腐蝕能力有待提高。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種能克服上述缺陷的鎂合金零件的無鉻表面處理方法；本發(fā)明既能增強(qiáng)鎂合金的防腐蝕性能，又能降低環(huán)境污染且改善生產(chǎn)工作環(huán)境。
本發(fā)明提供的鎂合金零件的無鉻表面處理方法，依次包括以下步驟①有機(jī)溶劑清洗采用脫脂有機(jī)溶劑對(duì)鎂合金零件表面進(jìn)行清洗，對(duì)于非切削加工零件，先進(jìn)行拋光處理；有機(jī)溶劑清冼和拋光處理后均用水對(duì)零件加以清洗。
②堿性溶液清洗采用堿洗液對(duì)零件進(jìn)行進(jìn)一步脫脂處理，堿洗溫度為80℃～90℃，堿洗時(shí)間為5分鐘～10分鐘，再用水對(duì)零件加以清洗；其中，堿性溶液的組分為氫氧化鈉15g/L～40g/L，磷酸鈉40g/L～80g/L，硅酸鈉15ml/L～40ml/L，余量為水；③焦磷酸鹽浸漬用清水洗滌后，將鎂合金零件放入焦磷酸鹽表面激活溶液中浸漬0.5分鐘～5分鐘，進(jìn)行表面激活，再用水對(duì)零件加以清洗；其中，焦磷酸鹽為焦磷酸鈉、焦磷酸鉀或焦磷酸鈣；④高錳酸鹽轉(zhuǎn)化處理將零件放入化學(xué)處理溶液中進(jìn)行表面轉(zhuǎn)化處理，化學(xué)處理液的成分與配比為高錳酸鉀，10g/L～100g/L，磷酸氫二鈉或磷酸氫二鉀，10g/L～120g/L，余量為水，再加入磷酸使處理液的PH值為1～6；處理溫度為20℃～60℃，處理時(shí)間為1分鐘～20分鐘；然后用水對(duì)零件加以清洗；⑤烘干對(duì)轉(zhuǎn)化處理完成后的鎂合金零件進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃～80℃。
本發(fā)明對(duì)鎂合金零件進(jìn)行高錳酸鉀-磷酸氫二鹽無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，使其形成保護(hù)膜，并達(dá)到美化鎂合金產(chǎn)品的目的。本發(fā)明克服了現(xiàn)有鉻系處理液技術(shù)的缺陷，它既能增強(qiáng)鎂合金的防腐蝕性能，又能降低環(huán)境污染且改善生產(chǎn)工作環(huán)境。下面分別對(duì)本發(fā)明所得膜的厚度，附著力和耐蝕性能加以說明。
轉(zhuǎn)化膜厚度測量采用日本產(chǎn)LH-900J型渦電流式非磁性金屬膜厚計(jì)。結(jié)果表明，采用本發(fā)明的方法進(jìn)行鎂合金零件的表面化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，所得的轉(zhuǎn)化膜致密，膜厚在6μm～10μm左右，膜厚均勻。
轉(zhuǎn)化膜附著力的測量采用劃格法。利用劃格法的百格試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化膜與基體的附著性好，無脫附現(xiàn)象發(fā)生。
鹽霧試驗(yàn)采用FQY015型鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱。耐蝕性的試驗(yàn)根據(jù)國標(biāo)GB2432.17-81及ASTM B117-97進(jìn)行。對(duì)鎂合金試件鹽霧試驗(yàn)后的評(píng)定采用銹蝕面積率的評(píng)級(jí)方法。耐腐蝕試驗(yàn)結(jié)果鹽霧試驗(yàn)溫度為40℃，鹽霧沉積率為1.1mL/80cm2.h，試驗(yàn)時(shí)間為24h，噴霧方式為連續(xù)噴霧。以Dow 1工藝處理的試樣作為對(duì)比試樣。結(jié)果表明，本發(fā)明的無鉻處理液所得轉(zhuǎn)化膜的表面腐蝕率為8％，而Dow 1工藝處理工件的表面腐蝕率為21％。也就是說，本發(fā)明的無鉻處理液所得轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性優(yōu)于Dow 1工藝處理的試樣的耐蝕性。
本發(fā)明及三井法的處理液都采用KMnO4作為氧化加速劑。但是三井法采用磷酸鈉，醋酸鈉以及醋酸作為處理液的PH調(diào)節(jié)劑。而本發(fā)明用磷酸作為調(diào)節(jié)劑，既可以調(diào)節(jié)處理液的游離酸度、總酸度，又可以調(diào)節(jié)酸度比。采用鹽霧試驗(yàn)法研究本發(fā)明所得膜的耐蝕性能，本發(fā)明所得膜比三井法所得的膜更厚。采用百格試驗(yàn)測定膜的附著力，這兩種方法所得膜附著力相當(dāng)。以兩種轉(zhuǎn)化膜作為漆膜基層，在其上噴涂醇酸樹脂漆并作24小時(shí)連續(xù)鹽霧試驗(yàn)(鹽霧試驗(yàn)溫度為30℃，鹽霧沉積率為1.1mL/80cm2.h)，本發(fā)明所得膜上加漆層的表面面積腐蝕率為7％，而三井法所得膜加漆層的表面面積腐蝕率為12％。由此可知，本發(fā)明所得膜厚比三井法所得膜更厚，而附著力與三井法相當(dāng)，其作為基層上涂加漆層的抗腐蝕能力高于三井法作為基層涂加漆層的防蝕性能。



圖1為鎂合金表面處理流程圖；圖2為采用本發(fā)明處理后的鎂合金零件的無鉻表面轉(zhuǎn)化膜的橫截面圖，圖中1-鑲樣樹脂 2-1#處理液轉(zhuǎn)化膜 3-β相Mg17Al124-AZ91D鎂合金基體。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明方法的工藝流程如圖1所示，下面結(jié)合實(shí)施例加以具體說明。
①有機(jī)溶劑清冼本發(fā)明所處理的鎂合金零件可以是壓鑄件、砂型鑄造零件或塑性成形零件，也可以是切削加工后的零件。對(duì)于非切削加工零件，先進(jìn)行機(jī)械打磨或拋光。
待處理零件表面可能存在模具涂覆劑或切削油等臟污物，采用有機(jī)溶劑清洗，以防止表面清洗不充分而化學(xué)轉(zhuǎn)化處理完成不充分。有機(jī)溶劑可以是丙酮或其它脫脂有機(jī)溶劑。
②堿性溶液清洗采用堿性溶液作進(jìn)一步脫脂處理。堿性溶液的組分列舉如下氫氧化鈉(NaOH)15g/L～40g/L，磷酸鈉(Na3PO4)40g/L～80g/L，硅酸鈉(Na2SiO3)15ml/L～40ml/L，余量為水。加入硅酸鈉主要是使清洗液能夠與鎂合金表面充分接觸及附著，從而達(dá)到提高清洗的效果。而加入磷酸鈉是為了增加堿洗液的洗滌效力。堿洗溫度為80℃～90℃，堿洗時(shí)間為5分鐘～10分鐘。
③焦磷酸鹽浸漬用清水洗滌后，將鎂合金零件放入焦磷酸鹽溶液中浸漬0.5分鐘～5分鐘，進(jìn)行表面激活。表面激活溶液為焦磷酸鹽溶液，焦磷酸鹽可以是焦磷酸鈉、焦磷酸鉀或焦磷酸鈣。
④高錳酸鹽轉(zhuǎn)化處理對(duì)浸漬后的零件進(jìn)行表面轉(zhuǎn)化處理?；瘜W(xué)處理液的組分為高錳酸鉀10g/L～100g/L，磷酸氫二鹽10g/L～120g/L，余量為水。磷酸氫二鹽可以是磷酸氫二鈉或磷酸氫二鉀?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化處理的溫度為20℃～60℃，處理時(shí)間為1分鐘～20分鐘，處理時(shí)間可根據(jù)溫度高低及溶液濃度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。
由于磷酸氫二鹽水溶液呈堿性，應(yīng)使用酸作為處理液的PH值調(diào)節(jié)劑。由于磷酸根離子的濃度大，本發(fā)明選用磷酸調(diào)節(jié)溶液的酸堿度。在處理液中加入磷酸，使其PH值在1～6范圍內(nèi)，這樣既可以保持較快的轉(zhuǎn)化速度又可得到較高質(zhì)量的膜。
酸度比是處理液的一項(xiàng)很重要的性質(zhì)，酸度比過小時(shí)，游離酸度高，則在金屬表面上發(fā)生毫不需要的酸蝕作用，延長了成膜反應(yīng)時(shí)間，最后導(dǎo)致生成粗糙雜亂的結(jié)晶膜層。酸度比過大，則游離酸度低，造成反應(yīng)膜反應(yīng)的活性降低，生成粉狀膜層。而采用磷酸作為調(diào)節(jié)劑，既可以調(diào)節(jié)處理液的游離酸度、總酸度，又可以調(diào)節(jié)酸度比。經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處理液的PH過小時(shí)，所得膜由于致密性嚴(yán)重下降而失去實(shí)用意義；而PH過大時(shí)，其轉(zhuǎn)化速度過于緩慢，且膜增長速度過于緩慢。
⑤烘干將轉(zhuǎn)化處理完成后的鎂合金零件進(jìn)行烘干，烘干溫度為60℃～80℃。
圖2所示為高錳酸鹽-磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的橫截面金相組織圖。從圖上可以看到，膜的厚度比較均一而且連續(xù)，與基體(白色部分)的結(jié)合較好。
實(shí)施例1將AZ91D鎂合金試樣用拋光機(jī)打磨，或用300#，800#，1500#砂紙進(jìn)行機(jī)械打磨，再用水對(duì)零件加以清冼。然后將試樣在室溫下用丙酮清洗。用自來水清洗0.5分鐘，干燥后，用堿性溶液(NaOH 30g/L Na2SiO320ml/LNa3PO480g/L)進(jìn)行堿洗脫脂。堿洗溫度為80℃，而堿洗時(shí)間為8分鐘。自來水清洗0.5分鐘后，將試樣浸入焦磷酸鈉溶液中進(jìn)行3分鐘浸漬。用自來水0.5分鐘清洗后，把經(jīng)過以上處理的試樣放入如表1所示的實(shí)施例1的化學(xué)處理液中，并且處理溫度和處理時(shí)間如表1中所示。之后用自來水清洗，再用在60℃下進(jìn)行烘干處理。轉(zhuǎn)化膜的性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
實(shí)施例2將AM50鎂合金零件試樣用拋光機(jī)打磨，或用300#，800#，1500#砂紙進(jìn)行機(jī)械打磨，再用水對(duì)零件加以清冼。然后將試樣在室溫下用有機(jī)溶劑清洗。用自來水清洗0.5分鐘，干燥后，用堿性溶液(NaOH 20g/L Na2SiO340ml/L Na3PO460g/L)進(jìn)行堿洗脫脂。堿洗溫度為90℃，而堿洗時(shí)間為6分鐘。自來水清洗0.5分鐘后，將試樣浸入焦磷酸鉀溶液中進(jìn)行5分鐘浸漬。用自來水0.5分鐘清洗后，把經(jīng)過以上處理的試樣放入如表1所示的實(shí)施例2的化學(xué)處理液中，并且處理溫度和處理時(shí)間如表1中所示。之后用自來水清洗，再在70℃下進(jìn)行烘干處理。轉(zhuǎn)化膜的性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
實(shí)施例3將AZ91D鎂合金零件的試樣用拋光機(jī)拋光，然后將試樣在室溫下用丙酮清洗，再用水對(duì)零件加以清冼。用自來水清洗0.5分鐘，干燥后，用堿性溶液(NaOH 40g/L Na2SiO315ml/L Na3PO440g/L)進(jìn)行堿洗脫脂。堿洗溫度為85℃，而堿洗時(shí)間為6分鐘。自來水清洗0.5分鐘后，將試樣浸入焦磷酸鈣溶液中進(jìn)行0.5分鐘浸漬。用自來水0.5分鐘清洗后，把經(jīng)過以上處理的試樣放入如表1所示的實(shí)施例3的化學(xué)處理液中，并且處理溫度和處理時(shí)間如表1中所示。之后用自來水清洗，再用在80℃下進(jìn)行烘干處理。轉(zhuǎn)化膜的性能試驗(yàn)結(jié)果如表2中實(shí)施例3的結(jié)果所示。
表1 實(shí)施例與比較例的處理液組成


表2實(shí)施例與比較例的轉(zhuǎn)化膜的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果


權(quán)利要求
1.一種鎂合金零件的無鉻表面處理方法，依次包括以下步驟①有機(jī)溶劑清冼采用脫脂有機(jī)溶劑對(duì)鎂合金零件表面進(jìn)行清洗，對(duì)于非切削加工零件，先進(jìn)行拋光處理；有機(jī)溶劑清冼和拋光處理后均用水對(duì)零件加以清洗，②堿性溶液清洗采用堿性溶液對(duì)零件進(jìn)行進(jìn)一步脫脂處理，堿洗溫度為80℃～90℃，堿洗時(shí)間為5分鐘～10分鐘，再用水對(duì)零件加以清洗；其中，堿性溶液的組分為氫氧化鈉15g/L～40g/L，磷酸鈉40g/L～80g/L，硅酸鈉15ml/L～40ml/L，余量為水；③焦磷酸鹽浸漬用清水洗滌后，將鎂合金零件放入焦磷酸鹽表面激活溶液中浸漬0.5分鐘～5分鐘，進(jìn)行表面激活，再用水對(duì)零件加以清洗；其中，焦磷酸鹽為焦磷酸鈉、焦磷酸鉀或焦磷酸鈣；④高錳酸鹽轉(zhuǎn)化處理將零件放入化學(xué)處理溶液中進(jìn)行表面轉(zhuǎn)化處理，化學(xué)處理液的成分與配比為高錳酸鉀，10g/L～100g/L，磷酸氫二鈉或磷酸氫二鉀，10g/L～120g/L，余量為水，再加入磷酸使處理液的PH值為1～6；處理溫度為20℃～60℃，處理時(shí)間為1分鐘～20分鐘；然后用水對(duì)零件加以清洗；⑤烘干對(duì)轉(zhuǎn)化處理完成后的鎂合金零件進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃～80℃。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種鎂合金零件的無鉻表面處理方法，通過對(duì)鎂合金零件運(yùn)用非鉻元素進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，以形成保護(hù)膜，從而達(dá)到提高鎂合金的防腐蝕能力，以及作為涂層的基層的目的。本方法包括脫脂工序，表面激活工序，表面非鉻系轉(zhuǎn)化處理工序，烘干工序。本方法的主要特征在于采用表面激活工序，以及表面無鉻處理溶液的組成及處理工藝。表面激活工序采用焦磷酸鹽對(duì)零件進(jìn)行浸漬處理。轉(zhuǎn)化處理液組成有高錳酸鉀(10g/L～100g/L)，磷酸氫二鹽(10g/L～120g/L)，磷酸等。控制溶液的pH值在1～6范圍內(nèi)，處理溫度為20℃～60℃。此處理法獲得的轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性優(yōu)于鉻酸鹽處理法，而且沒有鉻酸鹽對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體健康的危害。
文檔編號(hào)C23C22/07GKCN1228468SQ03125391
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2003年9月5日
發(fā)明者吳樹森, 羅吉榮, 毛有武, 趙明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan