專利名稱：一種提高鎂合金陰極電泳涂層耐磨性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金有機(jī)涂層耐磨性能的方法，通過添加硅烷改性的納米 硬質(zhì)粉粒到陰極電泳漆中，使無機(jī)的陶瓷硬顆粒和軟的電泳涂層均勻的沉積到鎂合金基體 的表面，形成軟硬配合優(yōu)異、與基體不形成電偶對(duì)、制備工藝環(huán)保的耐磨耐蝕涂層體系。
背景技術(shù)：
鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)工程材料，具有比重輕、比強(qiáng)度高，電磁屏蔽能力強(qiáng)、易回 收等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，航空航天、武器裝備、3C電子產(chǎn)品。但鎂合金化學(xué) 活性高，易腐蝕，原因是其電極電位極低，是所有結(jié)構(gòu)金屬中最低的材料，有時(shí)還用鎂合金 作犧牲陽(yáng)極。因此絕大部分的鎂合金部件使用前都要進(jìn)行相應(yīng)的表面處理，主要增強(qiáng)其耐 蝕性能。通常采用有機(jī)涂層作為最終的防護(hù)層。申請(qǐng)人之前曾通過在鎂合金表面硅烷預(yù)處 理增強(qiáng)陰極電泳復(fù)合涂層與基體的結(jié)合力，從而使鎂合金耐腐蝕性能大大提高，詳細(xì)情況 見專利[張津，孫智富.一種提高鎂合金耐蝕性的表面處理方法[P]. CN200510057166. 8， 2006-2-22.],[張津，吳超云，黃福祥，等.硅烷增強(qiáng)鎂合金陰極電泳耐蝕涂層的方法[P]. CN200610095111. 0,2007-3-28.].但即使如此，作為結(jié)構(gòu)件的鎂合金在運(yùn)輸過程中或在使用過程中也難免會(huì)和相對(duì) 硬的物質(zhì)碰撞或接觸，如筆記本電腦外殼或手機(jī)外殼，常常會(huì)受到長(zhǎng)期間的微動(dòng)摩擦磨損， 在一些外部作業(yè)的環(huán)境中，常常因?yàn)轱w砂走石、灰塵摩擦等問題易造成涂層的損壞，不但影 響外觀，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致涂層剝落喪失對(duì)鎂合金的保護(hù)。因此對(duì)于這類似的部件急需耐蝕 耐磨涂層加以保護(hù)。以往的涂層保護(hù)主要在解決其耐蝕的問題上，實(shí)用的主要是化學(xué)轉(zhuǎn)化 膜處理后進(jìn)行噴漆涂裝表面處理。就耐蝕耐磨的涂層主要是通過鎂合金微弧氧化后再進(jìn) 行封孔處理。微弧氧化后鎂合金的表面生成氧化鎂，具有極高的硬度，雖然可以在一定程 度提高其耐磨性和耐腐蝕性，但微弧氧化涂層脆性較大，不抗沖擊；也有進(jìn)行熱噴涂的方式 對(duì)鎂合金表面噴涂氧化鋁或其他陶瓷涂層，還有通過熱化學(xué)反應(yīng)法制備氧化鋁或氧化硅涂 層，但這兩種方法制備的陶瓷涂層始終存在一定的孔隙，因此其耐蝕性能又會(huì)受到一定的 影響。目前，提高有機(jī)涂層耐磨性能的方法主要是添加助劑或光穩(wěn)定劑來減少光對(duì) 涂層的破壞，這種方法主要解決涂層的失光粉化而導(dǎo)致的耐磨性能差的問題，如專利 CN101445696A通過向聚氨酯清漆添加2% 10%的抗刮助劑，從而提高涂層的光穩(wěn)定性能 和耐磨性，這種方法缺點(diǎn)在于對(duì)機(jī)械摩擦造成的涂層破壞防護(hù)效果較差。針對(duì)改善鎂合金有機(jī)涂層的抗機(jī)械摩擦性能的相關(guān)專利鮮見報(bào)導(dǎo)，日本專利 JP2004329050提出采用添加陶瓷顆粒提高鎂合金丙烯酸涂層的抗腐蝕性能，且涂層呈無色 透明狀，然而其中并未提及耐磨性能的研究。專利CN 1554704A中則提出陶瓷SiO2顆粒 溶膠可以改善革用聚氨酯材料的力學(xué)性能。之后有文獻(xiàn)報(bào)道通過添加陶瓷硅酸鹽粉體提 高了碳鋼表面硅烷膜層的耐摩擦性能[SUEGAMAP H，RECCO AAC, TSCHIPTSCHIN A P，et al.Influence of silica nanoparticles added to an organosilane film on carbonsteel electrochemical and tribological behaviour[J]. Prog Org Coat,2007,60(2) 90-98.]。將添加陶瓷粉體顆粒的思路引入鎂合金有機(jī)涂層的耐磨性能研究，通過添加硬度 較大的Al2O3，SiO2或SiC等陶瓷粉體提高鎂合金陰極電泳涂層的耐磨性能。眾所周知，微 小的陶瓷顆粒極易發(fā)生團(tuán)聚，因此如何使得陶瓷粉體均勻地分散于陰極電泳漆并能電沉積 到鎂合金表面是本發(fā)明的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)鎂合金陰極電泳涂層耐蝕性能優(yōu)異，而抗摩擦性能較差的問 題，通過添加陶瓷粉體顆粒改善陰極電泳涂層的耐磨性能。本發(fā)明一種提高鎂合金陰極電泳涂層耐磨性能的方法，包括如下步驟(1)鎂合金試樣預(yù)處理，步驟如下堿洗除油；去離子水沖洗；超聲波酸洗除表面氧化皮；去離子水沖洗；其中，堿洗主要采用NaOH和Na3PO4混合溶液；酸洗則采用CH3COOH和NaNO3混合 溶液；(2)硅烷改性陶瓷粉體制備將陶瓷粉體在95%乙醇中，超聲分散；將硅烷偶聯(lián)劑 加入到上述溶液中，之后室溫下強(qiáng)力攪拌，至攪拌均勻；(3)改性后陶瓷粉體顆粒在電泳漆中的分散將反應(yīng)結(jié)束后的硅烷改性陶瓷粉體 溶液，放入循環(huán)水式真空泵抽出多余溶液，制得改性后陶瓷粉體；將改性后陶瓷粉體放入陰 極電泳漆溶液中進(jìn)行進(jìn)行處理，最后制得陶瓷粉體改性陰極電泳漆；(4)鎂合金陶瓷改性陰極電泳涂層的制備將經(jīng)預(yù)處理后的鎂合金，放入有陶瓷 粉體改性陰極電泳漆的電泳槽中，電泳電壓為80 200V，槽液溫度為25 32°C，電泳時(shí)間 為2 3min ；電泳完畢之后取出，沖去試樣表面多余漆液，放入烘箱150-180°C烘烤30 40min后取出。上述技術(shù)方案中，所述陶瓷粉體包括Al2O3或SiO2或SiC或MgO或AlN等單一氧 化物、氮化物或碳化物，或其中的兩種或三種陶瓷混合體。上述技術(shù)方案中，所述硅烷偶聯(lián)劑為環(huán)氧基硅烷，如KH450 ；或乙烯基硅烷，如 KHl51 ；或氨基硅烷，如KH550。上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中，將改性后陶瓷粉體放入陰極電泳漆溶液中進(jìn) 行球磨，或采用直接超聲攪拌的方式只要獲得均勻的電泳漆漿料即可。本發(fā)明制備出耐磨性能良好的鎂合金陰極電泳涂層，具有以下特色(1)采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)陶瓷粉體進(jìn)行改性，由于硅烷偶聯(lián)劑具有連接有機(jī)和無機(jī) 材料的橋梁功能，使得陶瓷粉體在陰極電泳漆中更易分散，從而解決常見的陶瓷顆粒團(tuán)聚 的問題。硅烷和電泳漆共混之后，由于硅烷與金屬有氫鍵的結(jié)合附著，硅烷與金屬的結(jié)合較 陰極電泳漆對(duì)金屬的附著較大，此外硅烷固化交聯(lián)溫度為100-120°C，而陰極電泳漆固化溫 度大于150°C，所以包裹著陶瓷顆粒的硅烷較電泳漆先交聯(lián)，形成了分層電沉積，得到分層 多相涂層結(jié)構(gòu)。
(2)由于陶瓷粉體均勻分散于電泳漆中，且陶瓷顆粒材料硬度相對(duì)鎂合金及電泳 涂層較高，最終所得改性電泳涂層硬度有所增加，耐磨性能良好。因此，陶瓷改性陰極電泳 涂層可以同時(shí)改善鎂合金的耐腐蝕性能和耐磨性能。(3)本發(fā)明的鎂合金陶瓷改性陰極電泳涂層可用于汽車、摩托車覆蓋件以及需要 耐磨耐蝕的各種零部件中，可以減少外部飛砂走石，灰塵等對(duì)覆蓋件的磨損，保護(hù)其外觀， 提高其使用壽命。


圖1實(shí)施例1中未添加Al2O3的鎂合金陰極電泳涂層磨痕形貌2是實(shí)施例1中添加Al2O3鎂合金陰極電泳涂層磨痕形貌圖。圖3實(shí)施例2中未添加Al2O3的鎂合金陰極電泳涂層48小時(shí)Machu試驗(yàn)后表面形 貌圖。圖4是實(shí)施例2中添加Al2O3的鎂合金陰極電泳涂層48小時(shí)Machu試驗(yàn)后表面形 貌圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1選擇大小為70_X 35_X Imm的變形AZ31鎂合金。具體操作步驟為1、試樣預(yù)處理堿洗除油一去離子水沖洗一超聲波酸洗除表面氧化皮一去離子水 沖洗。堿洗主要采用NaOH和Na3PO4混合溶液；酸洗則采用CH3COOH和NaNO3混合溶液。2、硅烷改性陶瓷粉體顆粒制備將粒度約為50nm的A1203粉體放入95%乙醇中， 超聲分散10分鐘；將KH550硅烷偶聯(lián)劑加入到95%乙醇中，攪拌均勻，之后室溫下強(qiáng)力攪 拌6小時(shí)以上，結(jié)束反應(yīng)。最終溶液中Al2O3粉體含量為25g/L，KH550濃度為10%。3、陶瓷改性電泳漆的制備硅烷改性陶瓷粉體溶液，放入循環(huán)水式真空泵抽出多 余溶液，制得改性陶瓷粉體。將該粉體放入陰極電泳漆溶液中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為6小 時(shí)。最后獲得陶瓷粉體改性陰極電泳漆，其中改性Al2O3粉體含量為25g/L。4、鎂合金陶瓷改性陰極電泳涂層制備將經(jīng)預(yù)處理后的鎂合金，放入電泳槽中，設(shè) 置電泳電壓為80V，槽液溫度為25°C，電泳時(shí)間為2min。電泳完畢之后取出，沖去試樣表面 多余漆液，放入烘箱150°C烘烤30min后取出。分別對(duì)未添加和添加陶瓷Al2O3粉體的鎂合金陰極電泳涂層進(jìn)行鉛筆硬度測(cè)試， 結(jié)果表明添加粉體涂層硬度為3H，而未添加粉體涂層硬度為2H。此外，利用UMT摩擦儀測(cè)試涂層耐磨性能，轉(zhuǎn)動(dòng)速度200r/min (相對(duì)線速度0. 52m/ s)，載荷為10N，干摩擦?xí)r間為6min。其磨痕形貌如圖1及圖2所示，圖中磨損表面均出現(xiàn)明 顯條痕、溝槽，其磨損類型主要為磨料磨損。圖中還可以看出，添加陶瓷Al2O3粉體陰極電泳 涂層磨痕相對(duì)較窄，且深度較淺，底部仍存在部分電泳涂層。而未添加陶瓷Al2O3粉體陰極 電泳涂層磨痕寬且深，磨痕已達(dá)基體，甚至鎂合金基體也部分被磨損?？梢?，添加陶瓷Al2O3 粉體可以大大改善鎂合金陰極電泳涂層的耐磨性能。實(shí)施例2
選擇大小為70_X 35_X Imm的變形AZ31鎂合金。具體操作步驟為1、試樣預(yù)處理堿洗除油一去離子水沖洗一超聲波酸洗除表面氧化皮一去離子水 沖洗。堿洗主要采用NaOH和Na3PO4混合溶液；酸洗則采用CH3COOH和NaNO3混合溶液。2、硅烷改性陶瓷粉體顆粒制備將粒度約為50nm的Al2O3粉體放入95%乙醇中， 超聲分散10分鐘；將KH151硅烷偶聯(lián)劑加入到95%乙醇中，攪拌均勻，之后室溫下強(qiáng)力攪 拌6小時(shí)以上，結(jié)束反應(yīng)。最終溶液中Al2O3粉體含量為25g/L，KHl51濃度為10%。3、陶瓷改性電泳漆的制備硅烷改性陶瓷粉體溶液，放入循環(huán)水式真空泵抽出多 余溶液，制得改性陶瓷粉體。將該粉體放入陰極電泳漆溶液中進(jìn)行超聲攪拌，時(shí)間為6小 時(shí)。最后獲得陶瓷粉體改性陰極電泳漆，其中改性Al2O3粉體含量為25g/L。4、鎂合金陶瓷改性陰極電泳涂層制備將經(jīng)預(yù)處理后的鎂合金，放入電泳槽中，設(shè) 置電泳電壓為120V，槽液溫度為30°C，電泳時(shí)間為2. 5min。電泳完畢之后取出，沖去試樣表 面多余漆液，放入烘箱170°C烘烤36min后取出。分別對(duì)未添加和添加陶瓷Al2O3粉體的鎂合金陰極電泳涂層進(jìn)行鉛筆硬度測(cè)試， 結(jié)果表明添加粉體涂層硬度為3H，而未添加粉體涂層硬度為2H。為了考察陶瓷Al2O3粉體添加前后鎂合金陰極電泳涂層耐腐蝕性能的變化，對(duì)添 加粉體前后的兩試樣進(jìn)行48小時(shí)Machu腐蝕試驗(yàn)。圖3、圖4為試驗(yàn)后腐蝕形貌圖對(duì)比圖， 圖中可以看出，未添加陶瓷Al2O3粉體涂層交叉處上半部分兩劃痕周圍出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，而添 加KH151硅烷改性陶瓷Al2O3粉體涂層只有一條劃痕出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕，可見添加粉體后耐 腐蝕性能未出現(xiàn)下降，甚至略有提升。實(shí)施例3選擇大小為70_X 35_X Imm的變形AZ31鎂合金。具體操作步驟為1、試樣預(yù)處理堿洗除油一去離子水沖洗一超聲波酸洗除表面氧化皮一去離子水 沖洗。堿洗主要采用NaOH和Na3PO4混合溶液；酸洗則采用CH3C00H和NaNO3混合溶液。2、硅烷改性陶瓷粉體顆粒制備將粒度約為50nm的SiO2粉體放入95%乙醇中，超 聲分散10分鐘；將KH550硅烷偶聯(lián)劑加入到95 %乙醇中，攪拌均勻，之后室溫下強(qiáng)力攪拌6 小時(shí)以上，結(jié)束反應(yīng)。最終溶液中SiO2粉體含量為25g/L，KH550濃度為10%。3、陶瓷改性電泳漆的制備硅烷改性陶瓷粉體溶液，放入循環(huán)水式真空泵抽出多 余溶液，制得改性陶瓷粉體。將該粉體放入陰極電泳漆溶液中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為6小 時(shí)。最后獲得陶瓷粉體改性陰極電泳漆，其中改性SiO2粉體含量為25g/L。4、鎂合金陶瓷改性陰極電泳涂層制備將經(jīng)預(yù)處理后的鎂合金，放入電泳槽中，設(shè) 置電泳電壓為150V，槽液溫度為32°C，電泳時(shí)間為3min。電泳完畢之后取出，沖去試樣表面 多余漆液，放入烘箱180°C烘烤40min后取出。所得陰極電泳涂層經(jīng)48小時(shí)Machu試驗(yàn)后，劃痕周圍基本無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，可見 涂層經(jīng)SiO2改性后，可以大大改善其耐腐蝕性能。實(shí)施例4選擇大小為70_X 35_X Imm的變形AZ31鎂合金。本實(shí)施例中，選擇陶瓷粉體為SiC，硅烷偶聯(lián)劑為環(huán)氧基硅烷KH450，其他工藝條件如實(shí)施例1，制得的鎂合金陰極電泳涂層耐磨經(jīng)測(cè)試與實(shí)施例1效果相同。實(shí)施例5選擇大小為70_X 35_X Imm的變形AZ31鎂合金。本實(shí)施例中，選擇陶瓷粉體為MgO，硅烷偶聯(lián)劑為乙烯基硅烷KH151，其他工藝條 件如實(shí)施例2，制得的鎂合金陰極電泳涂層耐磨經(jīng)測(cè)試與實(shí)施例2效果相同。實(shí)施例6選擇大小為70_X35_X Imm的變形AZ31鎂合金。本實(shí)施例中，選擇陶瓷粉體為A1N，硅烷偶聯(lián)劑為乙烯基硅烷KH151，其他工藝條 件如實(shí)施例3，制得的鎂合金陰極電泳涂層耐磨經(jīng)測(cè)試與實(shí)施例3效果相同。上面所舉的陶瓷粉體都是一些強(qiáng)化粒子，有較高的硬度和高的化學(xué)穩(wěn)定性，有相 似的特性，這些粉體加入到電泳漆之后，可以起到一種硬質(zhì)支撐骨架，軟的有機(jī)涂層在骨架 的支撐作用下可以得到強(qiáng)化，因此可以提高涂層的硬度和耐磨性，而陶瓷粉體的化學(xué)穩(wěn)定 性不會(huì)破壞電泳漆的耐蝕特性，所以添加陶瓷粉體之后在保持電泳涂層優(yōu)良的耐蝕性的同 時(shí)提高其耐磨性。專利使用人可以根據(jù)陶瓷粉體的價(jià)格以及自身獲得粉體的渠道等選取不同的陶 瓷粉體。只要按照實(shí)施例的步驟進(jìn)行操作，可以得到相同的效果。
權(quán)利要求
一種提高鎂合金陰極電泳涂層耐磨性能的方法，包括如下步驟1.1鎂合金試樣預(yù)處理，步驟如下堿洗除油；去離子水沖洗；超聲波酸洗除表面氧化皮；去離子水沖洗；其中，堿洗主要采用NaOH和Na3PO4混合溶液；酸洗則采用CH3COOH和NaNO3混合溶液；1.2硅烷改性陶瓷粉體制備將陶瓷粉體在95％乙醇中，超聲分散；將硅烷偶聯(lián)劑加入到上述溶液中，之后室溫下強(qiáng)力攪拌，至攪拌均勻；1.3改性后陶瓷粉體顆粒在電泳漆中的分散將反應(yīng)結(jié)束后的硅烷改性陶瓷粉體溶液，放入循環(huán)水式真空泵抽出多余溶液，制得改性后陶瓷粉體；將改性后陶瓷粉體放入陰極電泳漆溶液中進(jìn)行進(jìn)行處理，最后制得陶瓷粉體改性陰極電泳漆；1.4鎂合金陶瓷改性陰極電泳涂層的制備將經(jīng)預(yù)處理后的鎂合金，放入有陶瓷粉體改性陰極電泳漆的電泳槽中，電泳電壓為80～200V，槽液溫度為25～32℃，電泳時(shí)間為2～3min；電泳完畢之后取出，沖去試樣表面多余漆液，放入烘箱150 180℃烘烤30～40min后取出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高鎂合金陰極電泳涂層耐磨性能的方法，其特征在 于所述陶瓷粉體包括Al2O3或SiO2或SiC或MgO或AlN等單一氧化物、氮化物或碳化物， 或其中的兩種或三種陶瓷混合體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高鎂合金陰極電泳涂層耐磨性能的方法，其特征在 于所述硅烷偶聯(lián)劑為環(huán)氧基硅烷，如KH450 ；或乙烯基硅烷，如KH151 ；或氨基硅烷，如 KH550。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高鎂合金陰極電泳涂層耐磨性能的方法，其特征在 于所述步驟1. 3中，將改性后陶瓷粉體放入陰極電泳漆溶液中進(jìn)行球磨，或采用直接超聲 攪拌的方式只要獲得均勻的電泳漆漿料即可。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金陰極電泳涂層耐磨性能的方法。本發(fā)明采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)陶瓷粉體顆粒進(jìn)行改性，使得陶瓷粉體能夠充分的分散于電泳漆中，將改性后陶瓷粉體加入陰極電泳漆中，充分?jǐn)嚢韬螳@得陶瓷改性陰極電泳漆。最后將經(jīng)過預(yù)處理后的鎂合金放入該漆液中進(jìn)行電泳沉積，所得涂層150-180℃烘干，即得耐磨性能良好的鎂合金陰極電泳涂層。該發(fā)明的特點(diǎn)是制備工藝環(huán)保，無機(jī)的陶瓷硬顆粒和軟的有機(jī)電泳涂層均勻的沉積到鎂合金基體的表面，形成軟硬配合優(yōu)異、與基體不會(huì)產(chǎn)生電偶對(duì)的耐磨耐蝕涂層體系。
文檔編號(hào)C25D13/10GK101985770SQ20101054148
公開日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者吳超云, 張津 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)