專利名稱：鋼鐵表面微弧氧化處理方法

　　技術領域：

　　本發明涉及一種對鋼鐵表面進行耐磨防腐處理的新技術。

　　背景技術：

　　普通鋼在世界上被廣泛的使用，然而由于其易被腐蝕，耐磨性能一般，使許多應用不得不采用特種鋼或對其表面進行復雜的二次處理，如等離子噴涂、化學處理、表面電鍍等，這些特殊處理大大地提高了其應用成本，并且還可能會對環境產生嚴重污染。微弧氧化技術是近年來發展起來的一種針對Al、Mg、Ti等金屬和它們的合金的表面處理工藝，尤其是從二十世紀九十年代開始，該工藝已成為國內學術界的研究熱點，并逐步得到產業界的認可。但到目前為止，微弧氧化技術研究只限于Al、Mg、Ti等金屬及它們合金的表面處理上，雖然目前在這些金屬表面進行微弧氧化研究取得了很好的進展，但由于應用對象范圍的限制，特別是認為不能直接在鋼鐵表面上應用此技術，嚴重的限制了此項技術的應用前景和鋼鐵的應用范圍。目前，也有人通過在鋼表面鍍鋁，再進行微弧氧化處理，這種工藝方法不僅大大增添了加工成本，而且加大了工藝難度和復雜度。

　　發明內容

　　為了克服微弧氧化技術不能在鋼鐵表面處理上直接應用的不足，本發明提出一種在鋼鐵表面采用微弧氧化技術原位生長絕緣、防腐、耐磨膜層的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，它按照下述步驟進行處理a、對鋼鐵工件進行預處理，然后將鋼鐵工件放入裝有堿性工作溶液的微弧氧化工作槽中，工作溶液為磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽體系；b、采用微弧氧化處理方法對鋼鐵工件進行處理，在金屬表面產生微弧氧化反應并在原位生成防腐膜層或硬質膜層，其中電流密度為1～300A/dm2、正電壓為200～1000V、負電壓為20～400V、電源頻率為1～2000Hz、處理時間為1～120min。

　　本發明的處理工藝利用微弧氧化技術的原理，能有效地在鋼表面上原位生長一層均勻膜，這層生成膜具有兩種類型一種類型特點是膜層薄，一般在20微米以下，但它具有很好的防腐效果；另一種類型的特點是膜層厚，可達上百微米，且生成膜為硬質膜，是一種陶瓷硬質膜或類似陶瓷硬質膜，它具有良好的耐磨、耐腐蝕和絕緣性。利用本方法生成的膜層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、絕緣性和抗高溫沖擊性，生成薄膜的耐腐蝕性在鹽霧中能達400小時以上，絕緣性可達50MΩ，硬質膜具有比基體更高的硬度，最高可達HV1000～1800，電絕緣性可達100MΩ，干摩擦系數小于0.08，在鹽霧中的耐腐蝕能力在1000小時以上。本發明克服了通過鍍鋁在微弧氧化處理的缺點，能大大降低工藝難度和復雜度，提高加工效率，減少加工成本，具有工藝處理簡單、生產效率高、加工成本低、對環境無污染、綠色環保的優點。

　　具體實施例方式具體實施方式

　　一本實施方式按照下述步驟進行處理a、對鋼鐵工件進行預處理，然后將鋼鐵工件作為一個電極放入微弧氧化工作槽中，槽內裝有堿性工作溶液，所述工作溶液為磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽體系；b、鋼鐵工件和氧化槽分別為一對電極，采用微弧氧化處理方法對鋼鐵工件進行處理，在金屬表面產生微弧氧化反應并在原位生成防腐膜或硬質膜層，其中電流密度為1～300A/dm2、正電壓為200～1000V、負電壓為20～400V、電源頻率為1～2000Hz、處理時間為1～120min。本實施方式中施加的電壓為脈沖電壓，所述脈沖電壓可以由任何能夠完成正負雙脈沖電源供給的電源提供，例如由一個采用電網經變壓器隔離的三相平衡供電組成的正負雙脈沖電源供給(申請號200410044005.0)。在完成微弧氧化操作后，工件可進行清洗、烘干和封孔處理，還可進行噴涂和染色的其他后處理。本實施方式所述預處理過程為去油和清洗過程；防腐膜或硬質膜層的膜層厚度為10～400μm；工作溶液的pH值為8～12，其中所述硅酸鹽體系工作溶液由5～46g/L硅酸鈉、1～10g/L硼酸鈉、1～40g/L鋁酸鈉、5～10g/L氫氧化鉀、0～18g/L氫氧化鐵和1～15g/L二氧化錳組成；硫酸鹽體系工作溶液由4～30g/L硫酸鈉、2～18g/L鋁酸鈉、0～10g/L硼酸鈉、6～28g/L氫氧化鈉、0～20g/L氧化鐵、0～23g/L錳酸鉀和3～16ml/L雙氧水組成；碳酸鹽體系工作溶液由10～40g/L碳酸鈉、8～40g/L硅酸鈉、0～5g/L硼酸鈉、1～10g/L乙酸銨、10～30g/L鋁酸鈉、8～30g/L氫氧化鉀、2～9g/L硫酸鎂和4～9g/L二氧化錳組成；磷酸鹽工作溶液由10～40g/L磷酸鈉、2～30g/L硅酸鈉、10～35g/L鋁酸鈉、6～17g/L氫氧化鉀、0～20g/L氧化亞鐵、0～15g/L尿素和10～20g/L高錳酸鉀組成。

　　工作機理本發明的工作機理同鋁表面微弧氧化處理技術類似，就是將鋼鐵件置于微弧氧化工作弱堿性工作液中，工件作陽極，槽體作陰極，利用正負雙極性電源所提供的電能量，在復雜的電化學的作用下，先使工件表面產生鈍化膜，繼而在工件表面產生微弧放電火花，繼續加工一定時間就能使鋼鐵工件表面原位生成一層均勻致密膜。用本方法生成的防腐膜均勻致密、孔隙率可調，既能極大的提高鋼的耐腐蝕能力，又能很方便的對工件進行噴漆、著色等再次處理。本方法生成的硬質膜具有三層結構，分別為過渡層、硬質層、表面疏松層。過渡層為鐵的氧化物、鋁的氧化物、鎂的氧化物等金屬氧化物及其絡合物組成的非晶相層；硬質層為陶瓷相，一般為以鐵、鋁、鎂氧化物為主相的陶瓷向結構；表面疏松層為金屬氧化物未轉化成陶瓷相的非晶相組織，這一層可利用工藝方法進行控制其厚度，可以達到近似認為沒有的很小厚度。由于過渡層的存在使得生成膜與工件基體具有良好的結合性能，而陶瓷層的性能可根據應用需要通過調整工作液進行調整，并且生成膜的特點是沿著基體表面同時向里和向外生長，這樣就保證了處理后的工件尺寸變化很小，且可利用膜的厚度來控制。

　　具體實施例方式

　　二本實施方式與具體實施方式

　　一不同的是，利用微弧氧化技術處理鋼鐵表面，生成防腐膜時，電流密度范圍可以在2～300A/dm2之間，處理時間控制在1～5min，工作溶液采用以磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽為主料的工作液體系，溶液的pH控制在8～12之間，電源采用正負雙極性脈沖電源，正電壓為200～1000V左右，負電壓為20～400V左右，并且溫度控制在30℃以內。在本實施方式中，鈦酸鹽體系、鋇鹽體系、鋁酸鹽、氫氧化鈉和氫氧化鉀體系作為工作液體系也可適用。

　　具體實施例方式

　　三本實施方式以生成防腐膜為例，試件材料Q235，尺寸Φ30×5mm圓片，工作液配比為硅酸鈉(5～35g/L)、硼酸鈉(2～8g/L)、鋁酸鈉(1～10g/L)、氫氧化鉀(5～10g/L)和二氧化錳(1～5g/L)，正電壓設置為550V，負電壓設置為90V，電流密度設置為30A/dm2，頻率為500Hz，溫度控制在30℃以內，加工3min停止，試件表面生成一層8～15μm的防腐膜。該膜層在鹽霧中的防腐能力可達500小時，電絕緣性達50MΩ。碳素結構鋼、優質碳素結構鋼均可采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　四本實施方式以生成防腐膜為例，試件材料T10，尺寸30×5mm鋼片，工作液配比為硫酸鈉(4～30g/L)、鋁酸鈉(2～18g/L)、氫氧化鈉(6～28g/L)和雙氧水(3～16ml/L)，正電壓設置為450V，負電壓設置為85V，電流密度設置為35A/dm2，頻率為200Hz，溫度控制在30℃以內，加工6min停止，試件表面生成一層8～15μm的防腐膜。該膜層在鹽霧中的防腐能力可達500多小時，電絕緣性能達50MΩ以上。碳素工具鋼和易切削鋼都能采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　五本實施方式以生成防腐膜為例，試件材料60Si2Mn，尺寸Φ30×5mm圓片，工作液配比為碳酸鈉(10～40g/L)、硅酸鈉(8～30g/L)、乙酸銨(1～5g/L)、鋁酸鈉(10～30g/L)、氫氧化鉀(8～30g/L)、硫酸鎂(2～9g/L)和二氧化錳(4～9g/L)，正電壓設置為540V，負電壓設置為95V，電流密度設置為18A/dm2，頻率為100Hz，溫度控制在30℃以內，加工5min停止，試件表面生成一層8～15μm的防腐膜。該膜層在鹽霧中的防腐能力可達550小時，電絕緣性能達60MΩ。合金結構鋼、合金彈簧鋼、合金工具鋼、高速工具鋼以及軸承鋼都能采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　六本實施方式以生成防腐膜為例，試件材料ZG45，尺寸20×20mm鋼片，工作液配比為磷酸鈉(10～40g/L)、硅酸鈉(2～8g/L)、鋁酸鈉(10～35g/L)、氫氧化鉀(6～17g/L)和高錳酸鉀(10～20g/L)，正電壓設置為600V，負電壓設置為95V，電流密度設置為30A/dm2，頻率為800Hz，溫度控制在30℃以內，加工5min停止，試件表面生成一層2～10μm的防腐膜。該膜層在鹽霧中的防腐能力可達400小時，電絕緣性可達50MΩ以上。鑄鋼、鑄造合金鋼、耐蝕合金和高溫合金均能采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　七本實施方式以生成防腐膜為例，試件材料45號鋼，尺寸Φ30×5mm圓片，工作液配比為硅酸鈉(10g/L)、硼酸鈉(8g/L)、氫氧化鉀(5g/L)和二氧化錳(5g/L)，正電壓設置為550V，負電壓設置為90V，電流密度設置為30A/dm2，頻率為500Hz，加工3min停止，試件表面生成一層8～15μm的防腐膜。

　　具體實施例方式

　　八本實施方式與具體實施方式

　　一不同的是，利用微弧氧化技術處理鋼鐵表面，生成硬質膜時，電流密度范圍可以在10～300A/dm2之間，處理時間控制在30～120min，工作溶液采用以磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽為主料的工作液體系，溶液的pH控制在8～12之間，電源采用正負雙極性脈沖電源，正電壓為400～1000V，負電壓為50～400V，溫度控制在10～30℃。在本實施方式中，鈦酸鹽體系、鋇鹽體系、鋁酸鹽、氫氧化鈉和氫氧化鉀體系作為工作液體系也可適用。

　　具體實施例方式

　　九本實施方式以生成硬質膜為例，試件材料45號鋼，尺寸15×15mm鋼片，工作液配比為硅酸鈉(9～46g/L)、硼酸鈉(1～10g/L)、鋁酸鈉(10～40g/L)、氫氧化鉀(5～10g/L)、氫氧化鐵(2～18g/L)和二氧化錳(2～15g/L)，正電壓設置為680V，負電壓設置為100V，電流密度設置為130A/dm2，頻率為600HZ，溫度控制在10～30℃之間，加工120min停止，試件表面生成一層70～110μm的硬質膜。該膜層硬度可達HV1600～1800，電絕緣性能達100MΩ，在鹽霧中的耐腐蝕能力在1000小時以上，干摩擦系數小于0.08。碳素結構鋼、優質碳素結構鋼和易切削鋼都能采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　十本實施方式以生成硬質膜為例，試件材料T8，尺寸5×15mm鋼片，工作液配比為硫酸鈉(4～30g/L)、鋁酸鈉(2～18g/L)、硼酸鈉(1～10g/L)、氧化鐵(10～20g/L)、氫氧化鈉(6～28g/L)、高錳酸鉀(5～23g/L)，正電壓設置為700V，負電壓設置為110V，電流密度設置為150A/dm2，頻率為500Hz，溫度控制在10～30℃之間，加工50min停止，試件表面生成一層20～50μm的硬質膜。該膜層硬度可達HV 1200～1600，電絕緣性能達100MΩ，在鹽霧中的耐腐蝕能力在1000小時以上，干摩擦系數小于0.08。碳素工具鋼和易切削鋼都能采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　十一本實施方式以生成硬質膜為例，試件材料GCr9，尺寸Φ30×5mm圓片，工作液配比為碳酸鈉(10～40g/L)、硅酸鈉(10～20g/L)、硼酸鈉(1～5g/L)、乙酸銨(2～10g/L)、鋁酸鈉(10～30g/L)、氫氧化鈉(8～30g/L)、硫酸鎂(2～5g/L)和二氧化錳(4～9g/L)，正電壓設置為700V，負電壓設置為110V，電流密度設置為80A/dm2，頻率為500Hz，溫度控制在10～30℃之間，加工60min停止，試件表面生成一層20～45μm的防腐膜。該膜層硬度可達HV1000～1560，在鹽霧中的耐腐蝕能力在1000小時以上，電絕緣性能達100MΩ，干摩擦系數小于0.08。合金結構鋼、合金彈簧鋼、合金工具鋼、高速工具鋼以及軸承鋼都能采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　十二本實施方式以生成硬質膜為例，試件材料K13，尺寸10×10mm鋼片，工作液配比為磷酸鈉(10～40g/L)、硅酸鈉(15～30g/L)、鋁酸鈉(10～35g/L)、氫氧化鉀(6～17g/L)、氧化亞鐵(5～20g/L)、尿素(10～15g/L)和高錳酸鉀(10～20g/L)，正電壓設置為680V，負電壓設置為95V，電流密度設置為100A/dm2，頻率為500Hz，溫度控制在10～30℃之間，加工65min停止，試件表面生成一層20～50μm的防腐膜。該膜層硬度可達HV1400～1800，電絕緣性能達100MΩ，在鹽霧中的耐腐蝕能力在1000小時以上，干摩擦系數小于0.075。鑄鋼、鑄造合金鋼、耐蝕合金和高溫合金均能采用這種工藝參數加工。

　　具體實施例方式

　　十三本實施方式以生成硬質膜為例，試件材料Q235，尺寸Φ30×5mm圓片，工作液配比為硅酸鈉(30g/L)、硼酸鈉(8g/L)、鋁酸鈉(15g/L)、氫氧化鉀(5g/L)和雙氧水(20ml/L)，正電壓設置為650V，負電壓設置為90V，電流密度設置為90A/dm2，頻率為300Hz，加工45min停止，試件表面生成一層40～60μm的硬質陶瓷膜。

　　權利要求

　　1.鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于它按照下述步驟進行處理a、對鋼鐵工件進行預處理，然后將鋼鐵工件放入裝有堿性工作溶液的微弧氧化工作槽中，工作溶液為磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽體系；b、采用微弧氧化處理方法對鋼鐵工件進行處理，在金屬表面產生微弧氧化反應并在原位生成防腐膜層或硬質膜層，其中電流密度為1～300A/dm2、正電壓為200～1000V、負電壓為20～400V、電源頻率為1～2000Hz、處理時間為1～120min。

　　2.根據權利要求1所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于所述預處理過程為去油和清洗過程。

　　3.根據權利要求1所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于微弧氧化處理生成防腐膜時，電流密度為2～300A/dm2、正電壓為200～1000V、負電壓為20～200V、處理時間為1～5min、工作溶液為磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽體系。

　　4.根據權利要求1所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于微弧氧化處理生成硬質膜時，電流密度為10～300A/dm2、正電壓為400～1000V、負電壓為50～400V、處理時間為30～120min、工作溶液為磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽體系。

　　5.根據權利要求1所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于所述堿性工作溶液的pH值為8～12。

　　6.根據權利要求1所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于所述生成膜層的厚度為10～400μm。

　　7.根據權利要求1、3或4所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于所述硅酸鹽體系工作溶液由5～46g/L硅酸鈉、1～10g/L硼酸鈉、1～40g/L鋁酸鈉、5～10g/L氫氧化鉀、0～18g/L氫氧化鐵和1～15g/L二氧化錳組成。

　　8.根據權利要求1、3或4所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于所述硫酸鹽體系工作溶液由4～30g/L硫酸鈉、2～18g/L鋁酸鈉、0～10g/L硼酸鈉、6～28g/L氫氧化鈉、0～20g/L氧化鐵、0～23g/L錳酸鉀和3～16ml/L雙氧水組成。

　　9.根據權利要求1、3或4所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于所述碳酸鹽體系工作溶液由10～40g/L碳酸鈉、8～40g/L硅酸鈉、0～5g/L硼酸鈉、1～10g/L乙酸銨、10～30g/L鋁酸鈉、8～30g/L氫氧化鉀、2～9g/L硫酸鎂和4～9g/L二氧化錳組成。

　　10.根據權利要求1、3或4所述的鋼鐵表面微弧氧化處理方法，其特征在于所述磷酸鹽工作溶液由10～40g/L磷酸鈉、2～30g/L硅酸鈉、10～35g/L鋁酸鈉、6～17g/L氫氧化鉀、0～20g/L氧化亞鐵、0～15g/L尿素和10～20g/L高錳酸鉀組成。

　　全文摘要

　　鋼鐵表面微弧氧化處理方法，它涉及一種對鋼鐵表面進行耐磨防腐處理的新技術。為了克服微弧氧化技術在鋼鐵表面處理上不能直接應用的不足，它是這樣實現的a.對鋼鐵工件進行預處理，然后將鋼鐵工件放入裝有堿性工作溶液的微弧氧化工作槽中，工作溶液為磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽或硅酸鹽；b.采用微弧氧化處理方法對鋼鐵工件處理1～120min，在金屬表面產生微弧氧化反應并在原位生成防腐膜層或硬質膜層，電流密度為1～300A/dm

　　文檔編號C25D11/02GK1721578SQ20051001001

　　公開日2006年1月18日 申請日期2005年5月23日 優先權日2005年5月23日

　　發明者狄士春, 潘明強 申請人:狄士春