[发明专利]镁合金微弧氧化黑色陶瓷膜制备方法

说明书

技术领域

本发明属于镁合金表面处理技术领域，涉及镁合金微弧氧化(MAO)黑色陶瓷膜制备方法。

技术背景

镁是结构材料中最轻的金属，它的比重是铝的2/3，钢的1/4。镁合金具有许多优异的性能，铸造镁合金比强度高于铝合金和钢，锻造镁合金比刚度与铝合金和钢相当，其机械加工性能、导电性、导热性能优良，减震性、电磁屏蔽性远优于铝合金。它具有良好的低温性能，超导性和储氢性能，可回收再利用，对环境的污染小。由于镁合金的这些优良性能，被誉为21世纪最富于开发和应用潜力的“绿色工程材料”。

然而，镁合金的电极电位极低，当在潮湿的气氛中或与其它高电位金属接触时极易产生腐蚀，因此镁合金作为材料应用时，必须采用可靠的表面防护措施。

微弧氧化(Microarc Oxidation，简称MAO)又称等离子体氧化或阳极火花沉积。该技术是将铝，镁，钛，铌等轻金属及其合金置于电解液中，在热化学，等离子化学和电化学的共同作用下，在金属表面生成陶瓷氧化膜层。

1932年，Gunterschules和‘Betz’第一次报道了铝合金阳极火花放电现象，后来研究发现火花放电现象可以在金属表面生成氧化膜。50年代，美国开始在某些兵工厂里研究阳极火花沉积。从70年代开始，美国伊利诺大学和德国卡尔马克思城工业大学等单位用直流或单向脉冲电源开始研究Al、Ti等阀金属表面火花放电沉积膜，并命名为阳极火花沉积(ASD-Anodic Spark Deposition)和火花放电阳极氧化(德文缩写ANOF)。俄罗斯科学院无机化学研究所的研究人员1977年独立地发表了一篇论文，开始了此项技术研究。他们采用交流电压模式，使用电压比火花放电阳极氧化高，并称之为微弧氧化。

随着镁合金MAO表面处理技术的日趋完善和应用领域的扩大，对镁合金MAO表面处理技术提出了装饰性需求，由于膜层颜色单调(灰色)，希望MAO技术实现色泽多元化。

在镁合金MAO着色研究方面，国外没有查到相关文献。

中国关于对镁合金MAO膜层着色的研究主要采用阴离子做着色添加剂。如兰州理工大学利用KMnO₄与一种络合剂和k₂Cr₂O₇在镁合金表面MAO着色(陈同环.金属型AZ91D镁合金MAO着色膜制备与性能的研究.兰州理工大学硕士学位论文)和(范松岩.镁合金MAO电解液配方及膜层着色研究.兰州理工大学硕士学位论文)。阎峰云采用k₂Cr₂O₇做为着色盐在镁合金表面形成绿色的陶瓷膜(阎峰云，范松岩，张文群，张玉海.[J]《材料保护》·镁合金微弧氧化绿色陶瓷膜的制备，2008(07))，西安理工大学利用钒酸盐与其它物质的不同配比得到棕色和绿色系列的陶瓷膜(王卫锋，蒋百灵，李均明，时惠英.[J]《新技术新工艺》·材料与表面处理技术，2006(3))。

发明内容：

本发明以“与阴离子相比较而言，金属阳离子色彩丰富”的思路为出发点，基于不同的电解液配方对膜层有不同的着色效果，膜层的色泽主要是由膜层中所形成的金属氧化物或其盐类与硅酸盐的结构所决定的考虑。本发明采用金属阳离子A²⁺为主要着色剂，首先用络合剂B将其与A²⁺络合生成络离子[AB₂]²⁺，加入到以硅酸钠为主盐的基础电解液中，对镁合金进行MAO的同时进行着色，在保证镁合金耐蚀、耐磨的同时又可以获得黑色陶瓷膜，满足某些特殊领域需求，拓展了其应用领域。

颜色的评定依据GB/T 14952.3-94，以RGB常用颜色表中RGB值作为参照色标，当RGB值都为0时为纯黑色，采用目视观察法。

下面介绍镁合金微弧氧化黑色陶瓷膜制备方法的步骤和条件：

I、使用的试剂为：

主成膜剂硅酸钠(Na₂SiO₃·9H₂O)，

成膜辅助剂为氟化钾(KF·2H₂O)，

pH值调节剂氢氧化钾(KOH)，

络合剂B：浓氨水，

着色剂A：五水硫酸铜，

II、使用的设备为：主要由西安理工大学研制的MAO120HD-II型微弧氧化设备；

III、稀土镁合金材料为：SJDM-1稀土镁合金，主要成分如表1：

表1  SJDM-1稀土镁合金化学成分(Wt％)