[发明专利]铝合金制件上产生硬质防护涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金制件镀防护氧化涂层的方法。更准确地说，是一种在铝合金制件表面上采用等离子电解氧化涂层方法。本发明可应用于工程、设备制造和其它的工业领域。

由于铝合金的物理和机械性能及用于制造形状复杂制件的工艺，铝合金(锻造的、铸造的)在制造机器中重要的和快速磨损部件中的使用正在增长。因此，急需在其表面上使用防护涂层，当其遭受磨损颗粒和局部高温时来抵抗磨损并且不受腐蚀环境的侵害。解决此问题的一个方法是用等离子电解氧化涂层法对铝合金镀上氧化陶瓷刚玉涂层。对于具有这种涂层的制件长期运转时，至关重要的是涂层的厚度、显微硬度和粘结到基底上的强度。当此方法被应用于实践时需要具有高产性和可靠性、设备应简单，运转过程中对环境无毒害。

现有技术

已知的氧化铝合金方法(DE，Al，4209733)是用阳极-阴极方式，电流密度为2-20A/dm²，阳极终端电压振幅为300-750V，阴极终端电压振幅为15-350V。其脉冲频率为10-150赫兹不等，阳极电流脉冲持续时间为10-15毫秒，而阴极电流脉冲持续时间为5毫秒。该方法使用碱性硅酸盐或碱性铝酸盐电解质，可使固体氧化涂层厚度致密50-250μ。

该方法具有下述的缺点：低产量、高能耗和需要复杂的设备。此外，使用传统的碱性硅酸盐电解质，不能确保铝合金制件表面上产生坚固均匀的涂层。长期使用电解质可导致已镀涂层性能的变化，由此引起涂层质量的退化和厚度减少。电解质稳定性在30-90Ah/l之内，在运转过程中是不可调节的。

获得铝合金上低孔隙度、对基底粘结性良好、厚度为100μ或以上的固态陶瓷氧化涂层的方法是已知的(US，A，5616229)。在阳极-阴极方式中涂层的形成按次序在几个含有碱性硅酸盐电解质的镀槽中进行。在这些镀槽中，第一个只含有0.5g/l KOH水溶液；第二个含有0.5g/lKOH水溶液和4g/l四硅酸钠；第三个含有0.5g/l KOH水溶液和11g/l四硅酸钠。此已知方法的主要缺点是使用传统的不稳定电解质伴随以复杂的设备设计和设备布置。

另外一种已知的方法(US，A，5385662)，可将耐磨的陶瓷氧化涂层镀到铝合金上，厚度为50-150μ，用等离子化学阳极氧化涂层法，所用的电流密度在5A/dm²以上，电解质的温度达到15℃。允许的温度变化范围很窄只有±2℃。此电解质含有磷酸钠水溶液和硼酸盐，还含有氟化铵；溶液中总的盐浓度不超过2M/l。使用这种电解质，不能在铝合金上形成高显微硬度预定值的涂层(不超过7.5GPa)，这也由低的终端阳极电压(只有250V)显示出来。此电解质还含有害的氟化物，处理这类氟化物必需一定的费用。为获得高硬度的涂层(高达20GPa)，建议将前述的电解质用水稀释100倍，再添加0.1M的铝酸钠和0.1M的硅酸钠(此溶液的pH值为10-12)。同样，此方法的主要缺点是硅酸钠电解质的稳定性差。铝酸钠在水中的可溶性也低，这就造成氧化涂层的厚度不均匀，并且在不锈钢镀槽壁上形成难以除去的沉积物。

已知(US，A，5275713)公开的方法是，将固态抗腐蚀涂层应用于铝及其合金制件上，在含有碱金属硅酸盐、过氧化氢和少量氟化氢、碱金属氢氧化物及金属氧化物(例如氧化钼)的电解质溶液中。此溶液的pH值为11.2-11.8。正电位由直流或脉冲电源送达至制件。第一个1-60秒中，电压被升至240-260V，超过接下来的1-20分钟后(取决于所需要的涂层厚度)电压就平稳地增至380-420V。引入过氧化氢作为氧的储存器储存到电解质中有助提高氧化涂层增长的速率，通过强化在火花放电区域中金属的氧化涂层来提高其硬度。

然而，此方法的缺点是电解质中含有氟化物和重金属盐。此重金属盐对电解质的耐用性和稳定性也有不良的影响，因为重金属离子是催化剂，从而大大地加速溶液中过氧化氢的分解。加之在本方法的第一个几秒钟内实现了“电压起伏”，从而使预火花氧化涂层的周期略有些被缩短，因为是在相对较低的电流密度下完成的(不超过15A/dm²)，因此实际上对涂层的性能没有影响。此方法用于镀薄的氧化膜(接近30μ)，这种薄的氧化膜始终对基底具有良好的粘结性。