CN101210335B - 一种轻金属材料的表面处理方法 - Google Patents

Abstract

一种轻金属材料的表面处理方法，该方法包括在轻金属材料表面形成金属镀层，其中，在形成金属镀层之前，先在轻金属材料表面形成微弧氧化膜层。本发明通过先对轻金属进行微弧氧化处理，再进行金属镀膜的方法，大大提高了金属镀层与轻金属材料的表面的结合力。例如，通过本发明提供的方法制备得到的镁合金材料的金属膜层的结合力均到达4B以上，而通过现有技术的方法得到的镁合金材料的金属膜层的结合力仅为2B。此外，本方法是一种高品质的表面处理工艺，对材料的耐蚀性和外观装饰性均有很大提高。

Description

一种轻金属材料的表面处理方法

技术领域

本发明是关于一种金属表面的处理方法，尤其是关于一种轻金属材料的表面处理方法。

背景技术

轻金属，例如铝、镁、钛、铝合金、镁合金以及钛合金等，具有密度小、导电导热能力强、力学性能优异及可二次加工等优点，因此在国民经济中得到了广泛的应用。但是，轻金属材料本身是一种易腐蚀的材料，因此为了更好地利用轻金属材料，通常是通过对轻金属材料进行表面处理的方法来避免金属材料的腐蚀。例如，可以进行各种化学转化处理以及阳极氧化处理等。上述方法虽然可以在一定程度上改善轻金属材料的耐腐蚀性，但是化学转化处理膜层以及阳极氧化膜层存在膜层薄、耐磨性差、观赏性差等问题。

通过物理气象沉积法(PVD)，例如电子束蒸发镀、磁控溅射镀或离子镀法等形成金属镀层近来受到广泛使用，其能在各种基材表面上沉积各种金属镀层，使基材呈现观赏价值高的金属光泽。

例如，CN 1827839A公开了一种金属表面处理的方法，该方法包括：提供一前置加工过的工件；通过一真空金属薄膜披覆设备，真空披覆金属薄膜于该前置加工过的工件；以及涂布防护用的硬膜于该真空披覆金属薄膜后的工件上。上述发明通过该方法达到了使镁合金表面呈现出亮丽的金属光泽的目的。但是，通过PVD方法形成的金属镀层存在与基材表面结合力差的缺点，尤其是在轻金属材料上，而且轻金属材料表面尤其是通过压铸形成的轻金属材料压铸件的表面缺陷多、形状比较复杂，使得形成的金属镀层与其表面的结合力差。

上述发明提供的方法虽然还包括对金属表面进行皮膜化成处理、以及底漆喷涂处理，然后再进行PVD镀膜，但是效果仍然不是十分理想。其原因是底漆与轻金属材料表面经化学转化形成的膜层的亲和力较差，无法解决金属膜层在轻金属材料表面结合力低的问题。而若仅对轻金属材料表面进行化学转化处理，只能在其表面形成一层很薄的膜层，无法掩盖轻金属材料表面的缺陷，亦无法解决金属镀层结合力低的问题，而且其耐蚀时间较短，外观装饰效果不佳。另外，如果单独使用油漆喷涂，虽然既能改善轻金属材料的表面缺陷，也可解决漆膜亲和力低的问题，但是单独的底漆层没有使得轻金属材料表面发生化学改性，这种简单的膜层覆盖，无法保障轻金属材料高的耐腐蚀性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中金属镀层与轻金属材料结合力差的缺点，提供了一种既能提高金属镀层与轻金属材料的结合力，又能提高产品外观装饰效果和耐蚀效果的工艺方法。

本发明提供了一种轻金属材料的表面处理方法，该方法包括在轻金属材料表面形成金属镀层，其中，在形成金属镀层之前，先在轻金属材料表面形成微弧氧化膜层。

微弧氧化技术是一种新兴的表面处理技术，其通过一定条件能在各种金属表面上形成一层微弧氧化膜，该膜层具有很好的耐磨性以及耐腐蚀性，因此用于耐腐蚀性差、耐磨性差的材料的表面处理。本发明的发明人发现，先通过微弧氧化法对轻金属表面进行处理，然后再进行金属镀膜，得到的轻金属材料上的金属膜层结合力非常高，有效解决了现有技术中金属膜层结合力差的问题。

本发明通过先对轻金属进行微弧氧化处理，再进行金属镀膜的方法，大大提高了金属镀层与轻金属材料的表面的结合力。例如，通过本发明提供的方法制备得到的镁合金材料的金属膜层的结合力均到达4B以上，而通过现有技术的方法得到的镁合金材料的金属膜层的结合力仅为2B。

通过本发明提供的方法得到的轻金属材料具备金属膜层结合力强以及耐磨性和耐腐蚀性好等优点，并且其特有的金属光泽使产品的外观装饰性更强，从而大大提升了其附加价值。

具体实施方式

本发明所述的轻金属材料的表面处理方法包括在轻金属材料表面形成金属镀层，其中，在形成金属镀层之前，先在轻金属材料表面形成微弧氧化膜层。

本发明所述微弧氧化膜层通过微弧氧化的方法制得。所述微弧氧化的方法为本领域技术人员所公知。所述微弧氧化的方法包括将轻金属材料置于盛有电解质溶液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，电解槽作为阴极，进行氧化。所述氧化的条件包括：所用电解质溶液为含有碱金属氢氧化物、碱金属的硅酸盐和碱金属的磷酸盐的水溶液，其中，碱金属氢氧化物的含量为1-20克/升、碱金属的硅酸盐的含量为5-20克/升、碱金属的磷酸盐的含量为2-20克/升；电解电压为300-800伏特，温度为20-50℃，时间为5-20分钟。所述电解条件使所述微弧氧化膜层的厚度为3-10微米。在所述微弧氧化的过程中可以通过磁力搅拌使保持整个体系保持恒温以及电解液成分的均匀。微弧氧化结束后将工件水洗2-10分钟，将工件干燥即可。

本发明所述金属镀层可以由物理气象沉积法(PVD)形成。所述PVD法，例如可以是电子束蒸发镀、磁控溅射镀或离子镀法等。上述方法的具体操作和条件已为本领域技术人员所公知。例如磁控溅射镀的条件可以为本底真空度为2.0×10^-3兆帕、溅射速度为8000-10000埃/分钟、基片温度为20-230℃、靶基距离为5-30厘米、阳极电压为300-600伏特、电流为10-20安培、溅射真空度为0.13-1.3帕斯卡、溅射时间为5分钟。另外，本发明对所述金属镀层的种类没有特别的限制，可以为本领域技术人员所公知的各种金属镀层，优选为铬、铝、锡、镍中的一种或含有它们中的2种或3种的合金镀层。金属镀层的厚度优选为0.2-3.0微米，更优选为0.8-2微米。

优选情况下，本发明提供的方法还包括在金属镀层上形成面漆层。所述面漆层可以是由各种面漆涂料固化形成的面漆层。例如，可以是由热固性涂料或由紫外光固化涂料固化形成的面漆层。

由于紫外光固化涂料只需在紫外线照射下即可固化形成面漆层，因此，所述面漆层优选为由紫外光固化涂料固化形成的面漆层。通过在金属镀层表面形成面漆层，能使金属镀层能得到有效地保护，延长金属镀层的寿命，使其保持亮丽的光泽，同时也提高了轻金属材料的耐磨性和抗氧化性。所述紫外光固化涂料可以通过商购得到或通过各种方法制备得到。例如，可以使用力邦UV面漆等的涂料。

可以采用现有技术中的各种方法将紫外光固化涂料负载到金属镀层上，例如，可以采用喷涂法。负载的量使面漆层的厚度为5-15微米。可以采用各种方法将紫外光固化涂料进行固化，例如，可以采用紫外光源如高压水银灯、弧光灯、氙光灯、荧光灯对负载有紫外光固化涂料的轻金属材料进行照射的方法，紫外光的光强和照射时间以及紫外光与轻金属材料的照射距离使紫外光固化涂料固化形成面漆层。

一般地说，紫外光的光强越强，照射距离越近，面漆层的厚度越小，则使紫外光固化涂料固化所需的照射时间越短；反之照射时间就长。本发明优选使用常规使用的高压水银灯，灯光波长优选为380-420纳米；选择照射距离为1-30厘米，优选为10-20厘米；UV能量为400-1500毫焦/平方厘米，优选为800-1200毫焦/平方厘米。在上述条件下，可以使厚度为5-15微米的面漆层固化。

此外，本发明在所述金属镀层和微弧氧化膜层之间可以形成一层底漆层也可以不形成所述底漆层。在没有底漆层直接镀金属层的情况下，轻金属材料的各项性能均很好，但是金属镀层的光亮度会大大降低。本发明的发明人进一步研究发现，常规的底漆涂料对微弧氧化膜层具有很好的亲和性，在对轻金属进行微弧氧化处理之后，再进行底漆喷涂，然后再通过PVD法进行金属镀膜，能使金属镀层的结合力进一步加强。因此，优选情况下，本发明提供的方法还包括在金属镀层和微弧氧化膜层之间形成底漆层，所述底漆层的厚度为5-10微米。形成所述底漆层的涂料以及固化方法可以和面漆层的相同。

优选情况下，本发明还包括在微弧氧化处理之后，在微弧氧化膜层上进行补土处理，所述补土的方法为本领域技术人员所公知。

进一步优选情况下，本发明提供的方法还包括预先对轻金属材料进行打磨、抛光、脱脂、碱洗等预处理步骤。

本发明提供的方法适用于各种轻金属材料，例如可以是铝、镁、钛、铝合金、镁合金以及钛合金等。

按照本发明的一种优选实施方式，本发明提供的镁合金材料制的备方法依次包括：①对镁合金底材进行打磨、抛光、脱脂、碱洗；②微弧氧化处理；③填充人工补土剂、研磨；④形成底漆层；⑤形成物理气象沉积金属镀层；⑥形成面漆层。

下面的实施例将对本发明作进一步的说明。

其中，轻金属材料选用尺寸为80毫米×50毫米×2毫米的压铸镁合金。

实施例1

本实施例说明本发明提供的轻金属材料的表面处理方法。

(1)将镁合金基材进行打磨、抛光、脱脂、碱洗。

采用人打磨的方法对镁合金基材进行打磨，去掉镁合金基材多余料头和毛刺，再用砂纸进行抛光，直到用1200目的砂纸打磨平滑即可，然后用丙酮作为脱脂溶剂对经过打磨、抛光后的镁合金基材进行清洗，反复2次。脱脂完毕后采用氢氧化钠含量为30克/升、磷酸钠含量为40克/升、硅酸钠为20克/升的碱性溶液对镁合金底材进行清洗。清洗的温度为85℃，清洗的时间为10分钟。然后水洗5分钟

(2)微弧氧化处理

将NaOH含量为20克/升、Na₂SiO₃含量为20克/升、Na₃PO₄含量为20克/升的电解质溶液加入到电解槽中，使电解质溶液保持在常温下即可。以镁合金基材为阳极，电解槽为阴极，在400伏特的电压下进行微弧氧化处理，其间用磁力搅拌器对电解质溶液进行搅拌，处理时间为10分钟。处理结束后，用清水洗涤2分钟，再将镁合金基材用离子风枪吹干，得到包括微弧氧化膜的合金，用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得微弧氧化膜的厚度为5微米。

(3)修整平面

用吉同公司生产的补土剂20克修补镁合金上的微孔，在160℃的烤炉中烘烤15分钟，使其固化，然后用1000#或1500#的砂纸进行打磨。

(4)形成底漆层

将紫外光固化涂料(阿克苏UV底漆涂料)喷涂到微弧氧化膜层上，然后用紫外光波长为400纳米的高压水银灯进行照射，灯与基材的距离为15厘米，UV能量为1000毫焦/平方厘米。得到底漆层。用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得底漆层厚度为8微米。

(5)形成金属镀层

采用磁控溅射设备进行金属镀膜，磁控溅射设的工艺参数如下：本底真空度：2.0×10^-3帕以下；转速：5/分钟；基片温度：50℃；靶基距离：12厘米；阴极和阳极之间的电压：400伏特；电流：12安培；溅射真空度：0.5帕斯卡；溅射时间：5分钟/片；靶材为铝。得到铝金属层。用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得铝金属层的厚度为2.0微米。

(6)形成面漆层

将紫外光固化涂料(力邦UV面漆)喷涂到金属镀层上，然后用紫外光波长为400纳米的高压水银灯进行照射，灯距为15厘米，UV能量为1000毫焦/平方厘米。得到面漆层。用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得面漆层厚度为10微米。

通过上述步骤最终得到镁合金材料A1。

对比例1

本对比例说明现有技术提供的轻金属材料的表面处理方法。

按照实施例1的方法对镁合金基材进行表面处理，不同的是，所述步骤(2)为将JASCO公司生产的皮膜液161克PZ-610A、1克PZ-610B、3.5克PZ-610C、15克活化剂M3-410和30克调整剂MD-420混合均匀，然后将步骤(1)得到的镁合金基材在上述混合物中进行化成，化成的温度为60℃，时间为30秒，化成后用清水洗净，取出，在150℃下烘烤25分钟。最终得到镁合金材料D1。

实施例2

按照实施例1的方法对镁合金基材进行表面处理，不同的是，在进行微弧氧化处理后，直接进行磁控溅镀金属镀层。最终得到镁合金材料A2。

实施例3

按照实施例1的方法对镁合金基材进行表面处理，不同的是，在进行微弧氧化处理后，直接进行磁控溅镀金属镀层。并且不喷涂面漆层。最终得到镁合金材料A3。

实施例4

本实施例说明本发明提供的镁合金材料的性能。

按照下述方法分别对实施例1得到的镁合金材料A1进行结合力测试、RCA纸带耐磨测试、铅笔硬度测试和盐雾测试，结果如表1所示。

(1)结合力测试(ASTMD 3359-93)

仪器：百格刀L500001；

检验方法：ASTM D3359，间距：1毫米，拉起角度：90°，胶带：3M600

(2)RCA纸带耐磨测试

使用型号为F350008的RCA纸带耐磨仪，在175克力下磨擦镁合金材料表面涂层，镁合金材料表面涂层磨至露底时，记录橡胶轮转动的圈数；

(3)铅笔硬度测试(ASTMD 3363-74)

仪器：铅笔硬度计F130027

检验方法：ASTM D3363，负荷：750克，铅笔：三菱UNI

(4)盐雾测试

将镁合金材料样品置于盐雾箱内，在35℃下用5±0.5重量％的氯化钠盐水喷涂样品8小时后，取出并置于另外一个温度为22.5℃、相对湿度为47.3％RH的恒温恒湿箱中，放置8小时后，观察样品，记录样品表面的腐蚀面积占镀层总面积的百分含量(镀层总面积按金属镀层计算)。

对比例2

按照实施例4的方法对对比例1的镁合金材料D1进行性能测试。结果如表1所示。

实施例5-6

这些实施例说明本发明提供的镁合金材料的性能。

按照实施例4的方法对实施例2-3的镁合金材料A1-A2进行性能测试。结果如表1所示。

表1

镁合金材料来源	镁合金材料编号	结合力(B)	RCA纸带耐磨性(圈)	铅笔硬度(H)	盐雾腐蚀面积(面积％)
						实施例1	A1	5	450	6	1
对比例1	D1	2	430	5	1
						实施例2	A2	4	447	6	1
实施例3	A3	4	82	1	3
						允收标准	-	≥2	≥300	≥2	≤5

从表1可以看出，本发明实施例1-3制得的镁合金材料A1-A3的金属镀层与基材表面的结合力均到达4B以上，对比例1制得的镁合金材料D1的金属镀层与基材表面的结合力仅为2B，因此，本发明提供的方法能大大提高了金属镀层与轻金属材料的表面的结合力。其中，实施例2与实施例3制得的镁合金材料A2和A3相比镁合金材料A1的金属镀层结合力要差，说明底漆层能进一步提高金属镀层与基材表面的结合力。

此外，由于PVD镀膜本身耐磨性以及硬度较差，因此，实施例3中在没有面漆层的情况下，虽然金属镀层结合力较强，但是，耐磨性以及硬度不好。因此，本发明优选在面漆层上喷涂面漆层，以得到金属镀层结合力、耐磨性、硬度、耐腐蚀性都好的轻金属材料。

Claims (9)

1.一种轻金属材料的表面处理方法，该方法包括在轻金属材料表面形成金属镀层，其特征在于，在形成金属镀层之前，先在轻金属材料表面形成微弧氧化膜层和底漆层，并使底漆层位于金属镀层和微弧氧化膜层之间，所述底漆层的厚度为5-10微米。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微弧氧化膜层的的形成方法包括将轻金属材料置于盛有电解质溶液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，电解槽作为阴极，将轻金属材料氧化，所述氧化条件使得到的微弧氧化膜层的厚度为3-10微米。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所用电解质溶液为含有碱金属氢氧化物、碱金属的硅酸盐和碱金属的磷酸盐的水溶液，碱金属氢氧化物的含量为1-20克/升、碱金属的硅酸盐的含量为5-20克/升、碱金属的磷酸盐的含量为2-20克/升；电解电压为300-800伏特，温度为20-50℃，时间为5-20分钟。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括在金属镀层上形成面漆层，所述面漆层的厚度为5-15微米。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述面漆层由紫外光固化面漆涂料或热固化面漆涂料形成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述底漆层由紫外光固化底漆涂料或热固化底漆涂料形成。

7.根据权利要求1、4或6所述的方法，其中，所述金属镀层为铬、铝、锡中的一种或含有它们中的2种或3种的合金的镀层，镀层的厚度为0.2-2微米。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属镀层由物理气象沉积法形成。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轻金属材料为镁、铝、钛、镁合金、铝合金或钛合金。