复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法

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1.本发明属于材料表面处理技术领域，涉及一种复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法。

背景技术：

2.铝、镁、钛等阀金属材料作为结构材料，由于其具有高比强度、高导电性、高导热性和良好的成形性，已被广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、船舶和化工等行业。但是，由于这些阀金属材料硬度低、耐磨性和耐腐蚀性差，缩短了它们在实际应用中的使用寿命。所以，提高阀金属材料表面的耐磨和耐腐蚀性对其实际使用起至关重要的作用。
3.微弧氧化技术是一种在铝、镁、钛等阀金属及其合金表面原位生成陶瓷涂层的表面处理技术，生成的保护涂层可以阻止基体与外部环境直接接触，进而增加其耐磨和耐腐蚀性。微弧氧化过程中，通过调整电源参数及电解液的种类和浓度，可以生成与金属基体具有强粘附力的涂层，大幅提高金属基体的硬度、耐磨性和绝缘性，对基体起到良好的保护作用。但是由于微弧氧化产生的涂层表面上存在大量微孔和微裂纹，导致涂层表现出高的摩擦系数和高粗糙度，从而限制了微弧氧化技术的广泛使用。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，使用本方法制备的微弧氧化涂层具有良好的摩擦性能和耐磨损性能。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1、将六偏磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钠溶于去离子水中，搅拌至全部溶解后得到电解液，将得到的电解液分为两份；将聚乙烯醇加入去离子水中，搅拌并且水浴加热至聚乙烯醇完全溶解，制得聚乙烯醇溶液；
8.步骤2、将聚乙二醇加入步骤1制得的其中一份电解液中，加热搅拌至聚乙二醇完全溶解，制得含有磷酸根、硅酸根离子的聚乙二醇溶液；
9.步骤3、将步骤1制得的聚乙烯醇溶液加入步骤2制得的聚乙二醇溶液中，混合过程中不断搅拌，直至复合凝胶形成；
10.步骤4、用步骤3制得的复合凝胶包覆阀金属材料，在室温下静置4-6小时；
11.步骤5、设置好微弧氧化电源的参数，将步骤4得到的复合凝胶包覆后的阀金属材料放置于步骤1制得的另一份电解液中进行微弧氧化，微弧氧化过程结束后得到复合凝胶包覆的微弧氧化涂层；
12.步骤6、将步骤5得到的复合凝胶包覆的微弧氧化涂层依次用去离子水、丙酮进行超声清洗。
13.本发明的特点还在于：
14.步骤1的电解液中，六偏磷酸钠的浓度为30-45g/l、硅酸钠的浓度为3-6g/l、氢氧
化钠的浓度为1-4g/l。
15.步骤1中的聚乙烯醇的分子量为50000-80000，聚乙烯醇溶液的质量分数为10wt％-20wt％。
16.步骤2中的聚乙二醇的分子量为400-4000，聚乙二醇溶液中聚乙二醇的质量分数为10wt％-20wt％。
17.步骤3中聚乙烯醇溶液和聚乙二醇溶液混合时的质量比为：1:0.8-1.2。
18.步骤4中的阀金属材料为铝、镁、钛。
19.步骤5中进行微弧氧化时电源的参数为：
20.占空比20％-25％，频率300-800hz，正向电流密度2-5a/dm2，起弧后负向电流加至正向电流的50％-100％，持续时间为18-25分钟。
21.步骤5中进行微弧氧化时电解液的温度为20℃-60℃。
22.本发明的有益效果是：
23.1、本发明使用聚乙烯醇、聚乙二醇等原材料制备得到复合凝胶，该复合凝胶含有大量的羟基官能团，使用该复合凝胶对阀金属进行包覆，可以改变微弧氧化的发生环境，增强铝、镁、钛等阀金属材料的表面活性，增加活性氧离子和金属离子的反应速度，加速涂层生长；另外，在放电产生的高温环境下，复合凝胶会熔化并附着在涂层表面，这样可以减少摩擦过程中摩擦副与涂层之间的直接接触，起到减摩的作用；附着在表面的凝胶还起到一个封闭涂层表面微孔和微裂纹的作用，减少涂层的结构缺陷，提高涂层的耐摩擦、耐腐蚀性能；
24.2、本发明所用原材料成本低、易获取且无毒，可进行大规模生产；
25.3、使用本发明方法制备的微弧氧化涂层与氮化硅陶瓷球(直径9.525mm)进行摩擦学试验，在2n载荷、滑动速度20mm/s、干摩擦条件下，制备的微弧氧化涂层的平均摩擦系数为0.76，且具有良好的耐磨损性能。
附图说明
26.图1为本发明实施例1制备的凝胶-微弧氧化铝涂层与微弧氧化铝涂层、铝基体的摩擦系数对比图；
27.图2为本发明实施例1制备的凝胶-微弧氧化铝涂层与微弧氧化铝涂层、铝基体的磨损情况对比图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.本发明复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，具体按照以下步骤实施：
30.步骤1、将六偏磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钠溶于去离子水中，搅拌至全部溶解后得到电解液，该电解液中六偏磷酸钠的浓度为30-45g/l、硅酸钠的浓度为3-6g/l、氢氧化钠的浓度为1-4g/l，将得到的电解液分为两份备用；将分子量为50000-80000的聚乙烯醇加入去离子水中，搅拌并且水浴加热至聚乙烯醇完全溶解，制得聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的质量分数为10wt％-20wt％；
31.步骤2、将分子量为400-4000的聚乙二醇加入步骤1制得的其中一份电解液中，加
热搅拌至聚乙二醇完全溶解，制得含有磷酸根、硅酸根等离子的聚乙二醇溶液，该溶液中聚乙二醇的质量分数为10wt％-20wt％；
32.步骤3、将步骤1制得的聚乙烯醇溶液加入步骤2制得的聚乙二醇溶液中，聚乙烯醇溶液和聚乙二醇溶液的质量比为1:0.8-1.2，混合过程中不断搅拌，直至复合凝胶形成；
33.步骤4、用步骤3制得的复合凝胶包覆铝、镁、钛等阀金属材料，在室温下静置4-6小时；
34.步骤5、设置好微弧氧化电源的参数，具体为：占空比20％-25％，频率300-800hz，正向电流密度2-5a/dm2，起弧后负向电流加至正向电流的50％-100％，持续时间为18-25分钟。
35.将步骤4得到的复合凝胶包覆后的阀金属材料放置于步骤1制得的另一份电解液中进行微弧氧化，微弧氧化进行过程中电解液的温度为20℃-60℃，微弧氧化过程结束后得到复合凝胶包覆的微弧氧化涂层；
36.步骤6、将步骤5得到的复合凝胶包覆的微弧氧化涂层依次用去离子水、丙酮进行超声清洗。
37.实施例1
38.配制电解液：将六偏磷酸钠35g、硅酸钠4g、氢氧化钠1g加入1l去离子水中，搅拌直至完全溶解，将得到的电解液分为两份备用。制备复合凝胶：聚乙二醇(分子量4000)溶液中聚乙二醇的质量分数20wt％，聚乙烯醇(分子量75000)溶液的质量分数10wt％，将聚乙烯醇溶液加入聚乙二醇溶液，两种溶液的质量比为1:0.8，混合过程中不断搅拌直至生成复合凝胶。用复合凝胶包覆铝盘，在室温下静置4小时，然后将复合凝胶包覆后的铝盘放置于电解液中充当阳极，不锈钢充当阴极。设置微弧氧化电源的参数，占空比20％，频率500hz，正向电流密度2a/dm2，起弧后负向电流加至1a/dm2，持续时间为20分钟得到凝胶-微弧氧化铝盘。在微弧氧化过程结束后，将样品依次用去离子水和丙酮进行超声清洗。
39.另外，在不加凝胶包覆的条件下，使用相同电解液和电源参数，采用上述工艺制得微弧氧化铝盘。
40.将实施例1制得的凝胶-微弧氧化铝盘、未使用凝胶包覆的微弧氧化铝盘、未进行微弧氧化的铝基体在往复式摩擦试验机上进行摩擦学实验，载荷为2n，速度为20mm/s，配副采用氮化硅球，实验时长为15分钟，记录数据。使用实验得到的数据绘制摩擦曲线，得到如图1所示的摩擦曲线图。
41.从图1中可以明显地看出，凝胶-微弧氧化铝盘的摩擦系数比微弧氧化铝盘的低了20％，和纯铝盘摩擦系数相近。
42.图2为三种盘在干摩擦后的磨损图片，从左至右依次是纯铝盘、微弧氧化铝盘、凝胶-微弧氧化铝盘。从图2可以看出，铝基体即铝盘的磨损宽度和面积都很大，为另外两种盘的两倍。微弧氧化铝盘和凝胶-微弧氧化铝盘在磨损后并没有露出基体，其耐磨损性能较为优异，而且凝胶-微弧氧化铝盘磨损宽度略小于微弧氧化铝盘。
43.实施例2
44.配制电解液：将六偏磷酸钠30g、硅酸钠6g、氢氧化钠4g加入1l去离子水中，搅拌直至完全溶解，将得到的电解液分为两份备用。制备复合凝胶：聚乙二醇(分子量400)溶液中聚乙二醇的质量分数15wt％，聚乙烯醇(分子量50000)溶液的质量分数10wt％，将聚乙烯醇
溶液加入聚乙二醇溶液，两种溶液的质量比为1:1，混合过程中不断搅拌直至生成复合凝胶。用复合凝胶包覆镁盘，在室温下静置6小时，然后将复合凝胶包覆后的镁盘放置于电解液中充当阳极，不锈钢充当阴极。设置微弧氧化电源的参数，占空比25％，频率300hz，正向电流密度3a/dm2，起弧后负向电流加至2a/dm2，持续时间为18分钟得到凝胶-微弧氧化镁盘。在微弧氧化过程结束后，将样品依次用去离子水和丙酮进行超声清洗。
45.实施例3
46.配制电解液：将六偏磷酸钠40g、硅酸钠3g、氢氧化钠1g加入1l去离子水中，搅拌直至完全溶解，将得到的电解液分为两份备用。制备复合凝胶：聚乙二醇(分子量1000)溶液中聚乙二醇的质量分数10wt％，聚乙烯醇(分子量50000)溶液的质量分数10wt％，将聚乙烯醇溶液加入聚乙二醇溶液，两种溶液的质量比为1:1.1，混合过程中不断搅拌直至生成复合凝胶。用复合凝胶包覆铝盘，在室温下静置6小时，然后将复合凝胶包覆后的铝盘放置于电解液中充当阳极，不锈钢充当阴极。设置微弧氧化电源的参数，占空比23％，频率400hz，正向电流密度4a/dm2，起弧后负向电流加至3a/dm2，持续时间为22分钟得到凝胶-微弧氧化铝盘。在微弧氧化过程结束后，将样品依次用去离子水和丙酮进行超声清洗。
47.实施例4
48.配制电解液：将六偏磷酸钠35g、硅酸钠4g、氢氧化钠2g加入1l去离子水中，搅拌直至完全溶解，将得到的电解液分为两份备用。制备复合凝胶：聚乙二醇(分子量2000)溶液中聚乙二醇的质量分数20wt％，聚乙烯醇(分子量60000)溶液的质量分数15wt％，将聚乙烯醇溶液加入聚乙二醇溶液，两种溶液的质量比为1:0.9，混合过程中不断搅拌直至生成复合凝胶。用复合凝胶包覆铝盘，在室温下静置5小时，然后将复合凝胶包覆后的铝盘放置于电解液中充当阳极，不锈钢充当阴极。设置微弧氧化电源的参数，占空比22％，频率800hz，正向电流密度2a/dm2，起弧后负向电流加至2a/dm2，持续时间为25分钟得到凝胶-微弧氧化铝盘。在微弧氧化过程结束后，将样品依次用去离子水和丙酮进行超声清洗。
49.实施例5
50.配制电解液：将六偏磷酸钠45g、硅酸钠5g、氢氧化钠3g加入1l去离子水中，搅拌直至完全溶解，将得到的电解液分为两份备用。制备复合凝胶：聚乙二醇(分子量3000)溶液中聚乙二醇的质量分数20wt％，聚乙烯醇(分子量80000)溶液的质量分数20wt％，将聚乙烯醇溶液加入聚乙二醇溶液，两种溶液的质量比为1:1.2，混合过程中不断搅拌直至生成复合凝胶。用复合凝胶包覆钛盘，在室温下静置4小时，然后将复合凝胶包覆后的钛盘放置于电解液中充当阳极，不锈钢充当阴极。设置微弧氧化电源的参数，占空比24％，频率600hz，正向电流密度5a/dm2，起弧后负向电流加至3.5a/dm2，持续时间为20分钟得到凝胶-微弧氧化钛盘。在微弧氧化过程结束后，将样品依次用去离子水和丙酮进行超声清洗。
51.将实施例2-5制得的微弧氧化后的金属盘在往复式摩擦试验机上进行摩擦学实验，载荷为2n，速度为20mm/s，配副采用氮化硅球，实验时长为15分钟，记录数据，得到的平均摩擦系数如下表1所示。
52.表1实施例2-5所得产品的平均摩擦系数
[0053] 实施例2实施例3实施例4实施例5平均摩擦系数0.820.790.770.75
[0054]
从表1可以看出，使用本发明方法制得的微弧氧化涂层的平均摩擦系数都较低。

技术特征：

1.复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、将六偏磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钠溶于去离子水中，搅拌至全部溶解后得到电解液，将得到的电解液分为两份；将聚乙烯醇加入去离子水中，搅拌并且水浴加热至聚乙烯醇完全溶解，制得聚乙烯醇溶液；步骤2、将聚乙二醇加入步骤1制得的其中一份电解液中，加热搅拌至聚乙二醇完全溶解，制得含有磷酸根、硅酸根离子的聚乙二醇溶液；步骤3、将步骤1制得的聚乙烯醇溶液加入步骤2制得的聚乙二醇溶液中，混合过程中不断搅拌，直至复合凝胶形成；步骤4、用步骤3制得的复合凝胶包覆阀金属材料，在室温下静置4-6小时；步骤5、设置好微弧氧化电源的参数，将步骤4得到的复合凝胶包覆后的阀金属材料放置于步骤1制得的另一份电解液中进行微弧氧化，微弧氧化过程结束后得到复合凝胶包覆的微弧氧化涂层；步骤6、将步骤5得到的复合凝胶包覆的微弧氧化涂层依次用去离子水、丙酮进行超声清洗。2.根据权利要求1所述的复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，所述步骤1的电解液中，六偏磷酸钠的浓度为30-45g/l、硅酸钠的浓度为3-6g/l、氢氧化钠的浓度为1-4g/l。3.根据权利要求1所述的复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，所述步骤1中的聚乙烯醇的分子量为50000-80000，聚乙烯醇溶液的质量分数为10wt％-20wt％。4.根据权利要求1所述的复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，所述步骤2中的聚乙二醇的分子量为400-4000，聚乙二醇溶液中聚乙二醇的质量分数为10wt％-20wt％。5.根据权利要求1所述的复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，所述步骤3中聚乙烯醇溶液和聚乙二醇溶液混合时的质量比为：1:0.8-1.2。6.根据权利要求1所述的复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，所述步骤4中的阀金属材料为铝、镁、钛。7.根据权利要求1所述的复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，所述步骤5中进行微弧氧化时电源的参数为：占空比20％-25％，频率300-800hz，正向电流密度2-5a/dm2，起弧后负向电流加至正向电流的50％-100％，持续时间为18-25分钟。8.根据权利要求1所述的复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，其特征在于，所述步骤5中进行微弧氧化时电解液的温度为20℃-60℃。

技术总结

本发明公开了一种复合凝胶包覆改善微弧氧化表面涂层的方法，具体步骤为：使用六偏磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钠配制电解液；使用聚乙烯醇、聚乙二醇制备复合凝胶；将制得的复合凝胶包覆铝、镁、钛等阀金属材料，然后对包覆后的阀金属材料进行微弧氧化。使用本发明方法进行微弧氧化可以在阀金属材料表面产生一层致密的微弧氧化陶瓷涂层，可以大幅提高阀金属材料表面的摩擦性能和耐磨损性能。面的摩擦性能和耐磨损性能。面的摩擦性能和耐磨损性能。