CN106757276A - 一种镁合金表面兼具防护和装饰黄色陶瓷层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金表面兼具防护和装饰黄色陶瓷层及其制备方法，该陶瓷层由着色剂中金属元素掺杂MgO组成；通过调控微弧氧化电解液中着色剂含量以及电参量(主要是电压、氧化时间)，可实现微弧氧化陶瓷层中掺杂金属元素含量的调控，进而形成掺杂量可调控的MgO黄色微弧氧化陶瓷层，其金属元素掺杂含量为0.5‑10at.％，陶瓷层厚度为5～30μm，黄颜色随掺杂量的增加而加深。相比于已有的镁合金表面黄色微弧氧化陶瓷层，克服了溶液稳定性差和存在安全性隐患的工艺问题，尤其是深黄色微弧氧化陶瓷层较传统的白色微弧氧化陶瓷层具有更优异的防护性能，因此更适用于产业化推广，可在3C、装饰等领域获得应用。

Description

一种镁合金表面兼具防护和装饰黄色陶瓷层及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及金属表面兼具防护及功能涂层的技术领域，具体涉及一种镁合金表面兼具防护和装饰黄色陶瓷层及其制备方法。

二、背景技术：

金属镁比重轻、延展性好、环保性能强等优势使其在传统工业领域上得到了广泛的关注，使其逐渐成为结构和功能材料中的新宠，并且正在越来越多地走进普通人的生活，如3C产品上的广泛应用。但是，镁合金在产品中的应用受到限制，其主要原因是由于镁的化学性质非常活泼，镁标准电极电位为-2.37V，低于大多数常用金属的电极电位。当其与这些金属相接触时就会形成腐蚀原电池，镁在原电池当中充当有效阳极而发生电偶腐蚀，从而使构件产生膨胀和脱层，引起构件疲劳强度的下降，最终导致构件的过早失效。

表面改性技术是改善镁及其合金性能的一个有效手段，目前最有发展潜力的是微弧氧化技术。但镁合金微弧氧化陶瓷层最为成熟的工艺是制备白色涂层，其电解液主要由硅酸钠盐组成，难以满足3C产品的应用要求。虽然，研究学者已开展了镁合金表面不同颜色微弧氧化层的制备方法研究，如高引慧等在Na₂SiO₃为主盐的溶液中加入KMnO₄进行微弧氧化着色反应，得到了颜色均匀、致密性较好的黄色氧化膜陶瓷层。陈同环等研究结果表明，在KMnO₄为着色盐的硅酸盐体系电解液中进行微弧氧化反应，随着溶液浓度的变化，膜层颜色按照淡黄色深黄色咖啡色变化。但KMnO₄在电解液中易分解而导致其稳定性变差，难以满足工业化大规模生产，且KMnO4作为氧化剂在微弧放电过程中存在安全隐患。

三、发明内容

本发明的技术目的是针对现有镁合金表面微弧氧化涂层颜色单调，已开发的黄色微弧氧化陶瓷层制备工艺不稳定且存在安全隐患的技术难题，提供一种镁合金表面兼具防护和装饰黄色陶瓷层及其制备方法，该陶瓷层具有较为优异的防护性能，同时又具有陶瓷层的黄色可调，可促进以镁合金作为基体，在3C及装饰领域的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种镁合金表面兼具防护与装饰的黄色微弧氧化陶瓷层，其特征在于：该陶瓷层由SnO₂掺杂MgO组成；利用微弧氧化技术，在锡酸钠电解液体系中，通过调控电解液中锡酸钠含量以及微弧氧化电参量，实现微弧氧化陶瓷层中Sn元素含量的调控，并在微弧氧化放电的高温高压作用下，形成SnO₂掺杂MgO的黄色微弧氧化陶瓷层。

所述锡酸钠的浓度为2-30g/L，并添加5g/L硅酸钠、10g/L氢氧化钾和8g/L氟化钾。

制备黄色微弧氧化陶瓷层的电参量为单脉冲输出电压为280～400V，频率为400Hz，占空比为10％，氧化时间为5～30min。

一种镁合金表面兼具防护与装饰的黄色微弧氧化陶瓷层的制备方法包括如下步骤：

步骤1：对线切割的镁合金试样先经过除油除脂工艺后，然后经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理；

步骤2：依据镁合金微弧氧化电解液的选配原则选用化学试剂，配制锡酸盐系微弧氧化电解液；

步骤3：采用直流脉冲微弧氧化电源，通过调整单脉冲输出能量及氧化时间，使镁合金表面形成厚度为5～30μm，Sn含量为0.5-10at.％的氧化镁层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

本发明以镁合金材料为基体，在锡酸钠电解液体系中，通过调控微弧氧化电参量，制备出SnO₂掺杂MgO的陶瓷层，其Sn含量为0.5-10at.％，厚度为5～30μm，具有优异的防护性能，其优异性能表现如下：

(1)通过调控电解液中锡酸钠的浓度，可在镁合金表面简易、稳定制备出黄色微弧氧化陶瓷层，颜色可由淡黄色到深黄色变化；

(2)深黄色微弧氧化陶瓷层的腐蚀电流密度可显著低于镁基表面白色微弧氧化陶瓷层，增强了涂层对镁基体的防护性能。

本发明镁合金表面兼具防护和装饰黄色陶瓷层的L值和b值可分别达到54.18和26.28，相对于白色微弧氧化陶瓷层的L值为81.90和b值为0.49，呈现出明显的黄色，且制备黄色陶瓷层的稳定性好；其中深黄色微弧氧化陶瓷层的腐蚀电流密度低于镁基表面白色微弧氧化陶瓷层。

黄色微弧氧化陶瓷层具有微弧氧化多孔特征，深黄色微弧氧化陶瓷层的腐蚀电流密度较传统的白色微弧氧化陶瓷层低一个数量级，腐蚀后陶瓷层表面与腐蚀前并未有任何差异。

四、附图说明：

图1是镁合金经不同工艺所制备的黄色微弧氧化陶瓷层宏观形貌照片；其中a为锡酸钠的浓度为0g/L的黄色微弧氧化陶瓷层宏观形貌照片；b为锡酸钠的浓度为2g/L的黄色微弧氧化陶瓷层宏观形貌照片、c为锡酸钠的浓度为5g/L的黄色微弧氧化陶瓷层宏观形貌照片、d为锡酸钠的浓度为10g/L的黄色微弧氧化陶瓷层宏观形貌照片、e为锡酸钠的浓度为15g/L的黄色微弧氧化陶瓷层宏观形貌照片；

图2是镁表面制备陶瓷层中Sn元素的XPS高分辨图；

图3是镁合金经不同工艺所制备的微弧氧化陶瓷层的电化学腐蚀曲线；

图4是微弧氧化陶瓷层经电化学腐蚀后的表面SEM形貌照片；

五、具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种镁合金表面兼具防护与装饰的黄色微弧氧化陶瓷层，该陶瓷层由SnO₂掺杂MgO组成；利用微弧氧化技术，在锡酸钠电解液体系中，通过调控电解液中锡酸钠含量以及微弧氧化电参量，实现微弧氧化陶瓷层中Sn元素含量的调控，并在微弧氧化放电的高温高压作用下，形成SnO₂掺杂MgO的黄色微弧氧化陶瓷层，

所制备溶液为锡酸盐电解液体系，锡酸钠的浓度为2-30g/L，并添加5g/L硅酸钠、10g/L氢氧化钾和8g/L氟化钾。

制备黄色微弧氧化陶瓷层的电参量为单脉冲输出电压为280～400V，频率为400Hz，占空比为10％，氧化时间为5～30min。

实施例1：

本实施例中，镁合金表面为淡黄色微弧氧化陶瓷层，即在添加少量的锡酸钠电解液中制备微弧氧化陶瓷层，使镁合金基体表层原位形成掺杂有少量Sn元素的氧化镁多孔膜，该陶瓷层的厚度为10μm。

上述镁合金表面黄色微弧氧化陶瓷层的制备方法包括如下步骤：

步骤1：对线切割的镁合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据镁合金微弧氧化电解液的选配原则选用化学试剂，配制锡酸盐系微弧氧化电解液，其中锡酸钠的浓度为2g/L，并添加5g/L硅酸钠、10g/L氢氧化钾和8g/L氟化钾。

步骤3：采用直流脉冲微弧氧化电源，设置单脉冲输出电压为300V，频率为400Hz，占空比为10％，氧化时间为8min。使镁合金表面形成厚度为10μm，Sn含量为1.70at.％的氧化镁层。

上述得到的微弧氧化陶瓷层的宏观形貌如图1中b所示，颜色呈淡黄色，且颜色分布均匀；其腐蚀电流密度(1.44×10^-7A/cm²)较传统的白色微弧氧化陶瓷层腐蚀电流密度(1.03×10^-8A/cm²)高一个数量级(如图3)，表面呈现出较为明显的腐蚀形貌，局部出现腐蚀坑(如图4b所示)。

实施例2：

本实施例中，镁合金表面为黄色微弧氧化陶瓷层，即在添加较多量的锡酸钠电解液中制备微弧氧化陶瓷层，使镁合金基体表层原位形成掺杂有较大量Sn元素的氧化镁多孔膜，该陶瓷层的厚度为15μm。

上述镁合金表面黄色微弧氧化陶瓷层的制备方法包括如下步骤：

步骤1：对线切割的镁合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据镁合金微弧氧化电解液的选配原则选用化学试剂，配制锡酸盐系微弧氧化电解液，其中锡酸钠的浓度为5g/L，并添加5g/L硅酸钠、10g/L氢氧化钾和8g/L氟化钾。

步骤3：采用直流脉冲微弧氧化电源，设置单脉冲输出电压为350V，频率为400Hz，占空比为10％，氧化时间为12min。使镁合金表面形成厚度为15μm，Sn含量为2.23at.％的氧化镁层。

上述得到的微弧氧化陶瓷层的宏观形貌如图1中c所示，颜色呈黄色，且颜色分布均匀；其腐蚀电流密度(2.24×10^-7A/cm²)较传统的白色微弧氧化陶瓷层腐蚀电流密度(1.03×10^-8A/cm²)高一个数量级(如图3)，表面呈现出较为明显的腐蚀形貌，腐蚀区域疏松，腐蚀坑形貌突出(如图4中c所示)。

实施例3：

本实施例中，镁合金表面为深黄色微弧氧化陶瓷层，即在添加更多量的锡酸钠电解液中制备微弧氧化陶瓷层，使镁合金基体表层原位形成掺杂有更多Sn元素的氧化镁多孔膜，该陶瓷层的厚度为20μm。

上述镁合金表面黄色微弧氧化陶瓷层的制备方法包括如下步骤：

步骤1：对线切割的镁合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据镁合金微弧氧化电解液的选配原则选用化学试剂，配制锡酸盐系微弧氧化电解液，其中锡酸钠的浓度为15g/L，并添加5g/L硅酸钠、10g/L氢氧化钾和8g/L氟化钾。

步骤3：采用直流脉冲微弧氧化电源，设置单脉冲输出电压为400V，频率为400Hz，占空比为10％，氧化时间为18min。使镁合金表面形成厚度为20μm，Sn含量为4.63at.％的氧化镁层。

上述得到的微弧氧化陶瓷层的宏观形貌如图1中d所示，颜色呈深黄色，且颜色分布均匀，进一步分析发现陶瓷层中掺杂的Sn元素形成了黄色的SnO₂金属氧化物(图2所示)，其腐蚀电流密度(3.24×10^-9A/cm²)较传统的白色微弧氧化陶瓷层腐蚀电流密度(1.03×10^-8A/cm²)低一个数量级(如图3)，腐蚀后陶瓷层表面与腐蚀前并未有任何差异(如图4中d所示)。

Claims (4)

1.一种镁合金表面兼具防护与装饰的黄色微弧氧化陶瓷层，其特征在于：该陶瓷层由SnO₂掺杂MgO组成；利用微弧氧化技术，在锡酸钠电解液体系中，通过调控电解液中锡酸钠含量以及微弧氧化电参量，实现微弧氧化陶瓷层中Sn元素含量的调控，并在微弧氧化放电的高温高压作用下，形成SnO₂掺杂MgO的黄色微弧氧化陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的一种镁合金表面兼具防护与装饰的黄色微弧氧化陶瓷层，其特征在于：所述锡酸钠的浓度为2-30g/L，并添加5g/L硅酸钠、10g/L氢氧化钾和8g/L氟化钾。

3.根据权利要求1所述的一种镁合金表面兼具防护与装饰的黄色微弧氧化陶瓷层，其特征在于：制备黄色微弧氧化陶瓷层的电参量为单脉冲输出电压为280～400V，频率为400Hz，占空比为10％，氧化时间为5～30min。

4.根据权利要求1所述的一种镁合金表面兼具防护与装饰的黄色微弧氧化陶瓷层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：对线切割的镁合金试样先经过除油除脂工艺后，然后经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理；

步骤2：依据镁合金微弧氧化电解液的选配原则选用化学试剂，配制锡酸盐系微弧氧化电解液；

步骤3：采用直流脉冲微弧氧化电源，通过调整单脉冲输出能量及氧化时间，使镁合金表面形成厚度为5～30μm，Sn含量为0.5-10at.％的氧化镁层。