CN100447301C - 镁合金磷酸盐表面改性处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种镁合金磷酸盐表面改性处理方法，从而达到保护、美化镁合金产品的目的。它包括脱脂、酸洗活化、碱洗、化学改性以及封闭工序，其中还有水洗和烘干工序，所采用的改性溶液包括磷酸、氢氧化钡、氟化钠、磷酸锌等。本发明的优点是：1、此工艺是以磷酸盐为主体的处理溶液，不使用铬酸或氰化物，无污染；2、整套工艺的溶液可以在追加损耗的情况下重复使用，这就大大地节省资源、降低了生产成本，与阳极氧化工艺相比，在相同的条件下，可以降低约60.5%的成本；3、该技术工艺简单，易形成自动化生产线，而不需大的设备投资；4、运用此工艺形成的化学转化膜大大提高了镁合金零件的附着力、耐腐蚀性能；5、掌握了处理工艺过程中溶液配比、加热温度和处理时间的最优化控制，克服了处理过程中溶液不稳定，转化膜层不均匀、易脱落等难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金磷酸盐表面改性处理方法。
背景技术
随着各种应用器材日趋轻薄短小以及对其散热和电磁屏蔽等性能提出较高要求，镁合金以其比重小，比强度、比刚度高，具有良好的导热性、电磁屏蔽性、减振性以及绿色环保等优点，成为21世纪理想的电子产品壳体和轻型车辆的替用材料，在汽车、计算机和航空航天等工业领域具有广阔的应用前景。但是，由于镁是极活泼的金属，标准电极电位为-2.36V，其耐蚀性极差，制约了镁合金的使用。因此，镁合金作为结构材料使用时必须进行适当的表面处理，以提高其耐蚀性，这对发挥镁及镁合金的性能优势有着重要的现实意义。目前，根据成膜条件，镁合金表面处理技术可以归纳为化学成膜和阳极氧化成膜二大类，但是，阳极氧化成膜处理技术存在着工艺复杂、成本较高、很难保持处理液的有效性和处理液温度的恒定性等问题，因此还很难推广使用。化学转化工艺需用的设备简单，投资少，容易操作，成本低，它一般作为涂装的底层，以增强涂装的附着性。由于在成膜过程中不使用电源，所以不存在由于电力线分布不均而导致的膜层厚度不均匀及深孔处不能沉积膜层的弊端，只要是电解液可以到达的表面，都能够获得厚度均匀的转化膜。通常，镁合金化学表面处理都采用铬系元素试剂，如美国专利第4676842号及美国Dow化学公司的化学改性处理No.20(修正型铬酸制程)中，均采用铬酸盐溶液对金属进行化学改性，以形成一层致密的保护性皮膜来防止金属被腐蚀。但是所形成的皮膜中含有为凡赛尔公约所禁用的高污染性化学物质Cr3+，对日后镁合金的回收造成困难。另外，处理槽中含Cr3+的溶液所挥发出的有毒气体，会给作业员的健康造成威胁，并且处理槽中的溶液排放也需要进行废水处理，但是Cr3+不容易沉降，将导致废水处理的成本提高。总之，镁合金铬酸盐化学表面处理对人体和环境都有不同程度的危害。随着镁合金产品需求的日益增大，开发对环境和操作者无危害的技术及处理液、实现“绿色表面处理”将是今后的主要发展方向。至今为止国内外许多学者也在研究无铬系化学表面处理方法，如日本学者梅原博行等在高锰酸钾体系无铬转化膜方面做了很多工作；David Hawke对镁合金AM60B进行磷酸盐-高锰酸盐处理，在镁合金表面得到一层转化膜，研究发现，膜的颜色和厚度对处理时间非常敏感；M.A.Gonzalez等研究了低成本、污染轻的锡酸盐转化膜，将ZC71镁合金固溶、水淬、回火处理后经酸洗等前处理，再将试样浸入锡酸盐，可在表面形成2～5μm的化学转化膜；加入稀土元素也可以形成保护膜，A.L.Rudd等研究了镧、镨的硝酸盐在WE43镁合金上的成膜特性；A.K.Sharma研究了不经浸锌，在镁上直接化学镀镍的工艺；甘肃工业大学的尹建军研究直接在镁合金表面上镀锌；戴长松、中科院的霍宏伟等研究了镁上化学镀镍，但基体结合力差，所以在中间加入浸锌。这些无铬系处理方法生成的化学转化膜较薄，耐蚀性、附着力都较低，所以近年来人们一直在寻求一种既能满足环保要求、提高镁合金的耐蚀性能，又有一定商业价值，又能节省能源的镁及镁合金表面处理技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种镁合金磷酸盐表面改性处理方法，它既能满足环保要求，提高镁合金的耐腐蚀、附着力等性能，又能节省能源。
本发明是这样来实现的，其操作步骤为：(1)首先将镁合金打磨、上料；(2)进行预处理工艺：将产品浸入装有5％～10％氢氧化钠的脱脂槽中，加热到80～98℃通过超声波作用20～30分钟后，进入第一蒸馏水水洗槽中，在室温下用超声波作用20～50秒，取出用热风吹干；(3)然后浸入盛有氢氟酸、乙二醇溶液的酸洗槽中，在室温下用超声波作用1～2.5分钟，酸洗后进入第二蒸馏水水洗槽中，同样在室温下用超声波作用20～50秒，取出用热风吹干；(4)再浸入装有20％～30％氢氧化钠的碱洗槽中，在室温下用超声波作用25～30分钟，然后浸入第三蒸馏水水洗槽中，室温超声波清洗20～50秒，取出用热风吹干；(5)进行化学成膜工艺：把产品放入盛有磷酸、氢氧化钡、氟化钠、磷酸锌、氯酸钠改性处理溶液的槽中，加热到80～100℃，用超声波作用10～30分钟，然后放入第四蒸馏水水洗槽中超声波振荡清洗，取出热风吹干；(6)浸入50～65℃温度的硅酸钠水溶液中进行封闭处理25～35分钟，取出立刻用热风吹干并下料。
通过采用本发明的方法和配方，以AZ91D镁合金材料为例获得的化学转化膜层的主要特性如下：
化学转化膜层外观：白色均匀，细腻光滑；
化学转化膜层厚度：80～110um；
化学转化膜层附着力：40.33kg/cm2；镁合金基体附着力为17.5kg/cm2，可见磷酸盐化学转化膜层可以明显提高镁合金的附着力；
化学转化膜层抗盐雾性：33小时后，才出现腐蚀，镁合金基体，镀锌、镀镍的转化膜8小时就出现全面腐蚀，可见磷酸盐化学转化膜层大大提高了镁合金零件的抗盐雾性能；
化学转化膜层抗潮性：60h后，才出现腐蚀，镁合金基体7小时后就出现全面腐蚀，可见膜层大大提高镁合金零件的抗潮湿性。
本发明的优点是：1、此工艺是以磷酸盐为主体的处理溶液，不使用铬酸或氰化物，无污染，在实际生产中满足环保和可持续发展的要求；解决了旧的处理工艺中铬酸盐处理溶液含有的铬或重有色金属元素对环境与人体造成的不同程度的危害；2、整套工艺的溶液可以在追加损耗的情况下重复使用，这就大大地节省资源、降低了生产成本，与阳极氧化工艺相比，在相同的条件下，可以降低约60.5％的成本；3、该技术工艺简单，易形成自动化生产线，而不需大的设备投资，形成产能时间短，能够适应当今社会竞争需要，提高企业竞争力；4、运用此工艺形成的化学转化膜大大提高了镁合金零件的附着力、耐腐蚀性能，相比无铬系的其它化学成膜方法(如镀锌、镀镍、高锰酸钾以及锡酸盐等)，磷酸盐化学成膜更加可以提高镁合金的耐腐蚀性；5、掌握了处理工艺过程中溶液配比、加热温度和处理时间的最优化控制，克服了处理过程中溶液不稳定，转化膜层不均匀、易脱落等难题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明：材料为镁合金手电钻机头外壳
首先配制溶液：在室温下用电子分析天平精确氢氧化钠80克放置烧杯中，向烧杯中加入少量的蒸馏水先行搅拌使药品充分溶解，然后倒入1000毫升量瓶中，以蒸馏水正确添加至标线即配制出1升的脱脂溶液。另外同样用电子分析天平精确称取50％的氢氟酸80克、乙二醇32克置于烧杯中，向烧杯中加少量蒸馏水搅拌使药品充分溶解，后倒入1000毫升的量瓶中，加蒸馏水至标线即配制出1升的酸洗活化溶液。然后用同样的方法称取氢氧化钠100～180克配制成1升的碱洗溶液。再分别称取磷酸60～100克，氢氧化钡40～60克，氟化钠1～4克，磷酸锌2～6克，氯酸钠3～8克，配制成1升溶液，最后称取硅酸钠18克配制1升溶液。
然后工艺流程操作：
1、将手电钻机头外壳上料。
2、放入80～98℃脱脂槽中，用超声波作用20～30分钟，使油脂与碱性溶液及表面活性物质发生皂化反应和乳化反应而溶解于水中，以达到脱脂的目的，可以明显看见零件表面变得光亮。本方法中各工序所采用超声波的作用一方面在于振动使溶液微粒活跃，使之与金属表面充分发生化学反应；另一方面使溶液中的微粒与金属零件表面发生振动，微粒振动并且冲击金属表面上的杂质颗粒，使其受到剪切力而从金属表面上脱离下来，从而达到清洗金属零件表面的目的。放入第一水洗槽中，在室温下通过超声波清洗20～50秒来去除残留在镁合金表面上的碱性溶液及油脂分子，取出用热风吹干。
3、浸入盛有先前所配制的酸性活化溶液的槽中，在室温下用超声波作用1～2.5分钟，微蚀金属表面以去除产品表面生成的氧化物，另外还可以中和脱脂后残余在产品上的碱性物质。进入第二水洗槽中，在室温下通过超声波清洗20～50秒来去除残留在镁合金表面上的酸性溶液及氧化物颗粒，取出用热风吹干。
4、浸入装有氢氧化钠的碱洗槽中，在室温下用超声波作用25～30分钟，中和残留在镁合金产品表面上的酸性物质。进入第三水洗槽，作用相同的时间，热风吹干。
5、将先前配制好的改性溶液加热到80～100℃，把镁合金零件放入，通过超声波作用10～30分钟使零件表面形成一层致密的保护性化学转化膜。改性后浸入第四水洗槽中，在室温下通过超声波清洗20～50秒去除零件表面上残留的化学试剂，取出热风吹干。
6、最后浸入50～65℃硅酸钠水溶液中进行封闭处理25～35分钟，使生成的磷酸盐转化膜均匀致密，取出立刻用热风吹干并下料。
Claims (4)
1、一种镁合金磷酸盐表面改性处理方法，其特征在于操作步骤为：(1)首先将镁合金打磨、上料；(2)进行预处理工艺：将产品浸入装有5％～10％氢氧化钠的脱脂槽中，加热到温度80～98℃，通过超声波作用20～30分钟后，进入第一蒸馏水水洗槽中，在室温下用超声波作用20～50秒，取出用热风吹干；(3)浸入盛有氢氟酸、乙二醇溶液的酸洗槽中，在室温下用超声波作用1～2.5分钟，酸洗后进入第二蒸馏水水洗槽中，同样在室温下用超声波作用20～50秒，取出用热风吹干；(4)浸入装有20％～30％氢氧化钠的碱洗槽中，在室温下用超声波作用25～30分钟，然后浸入第三蒸馏水水洗槽中，室温超声波清洗20～50秒，取出用热风吹干；(5)进行化学成膜工艺：把产品放入盛有改性处理溶液的槽中，改性处理液的浓度为1升溶液中含磷酸60～100克，氢氧化钡40～60克，氟化钠1～4克，磷酸锌2～6克，氯酸钠3～8克，加热到80～100℃，用超声波作用10～30分钟，放入第四蒸馏水水洗槽中超声波振荡清洗，取出热风吹干；(6)浸入温度50～65℃的硅酸钠水溶液中进行封闭处理25～35分钟，硅酸钠溶度为1升溶液含18克硅酸钠，取出立刻用热风吹干并下料。
2、根据权利要求1所述的镁合金磷酸盐表面改性处理方法，其特征是1升脱脂溶液中氢氧化钠80克。
3、根据权利要求1所述的镁合金磷酸盐表面改性处理方法，其特征是酸洗槽中的氢氟酸、乙二醇溶液的浓度为1升溶液含50％的氢氟酸80克、乙二醇32克。
4、根据权利要求1所述的镁合金磷酸盐表面改性处理方法，其特征是将氢氧化钠100～180克配制成1升的碱洗溶液。
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