一种耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的金属表面膜层的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的金属表面膜层的制备方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]铝、镁、铜、钛、铁、镍、锌等金属及其合金广泛应用于国民经济的各个领域。由于这些材料化学性质比较活泼，与周围环境介质接触极易发生腐蚀，且在使用过程中还经常伴随有磨损、划伤等原因而造成的损坏。目前的金属表面处理方法虽然可以一定程度上减缓腐蚀的发生，但对于由磨损、划伤等引发局部破损，破损处进而快速腐蚀而造成的极大危害却作用很小。由此可见，现有的金属表面处理方法制备的膜层存在功能较为单一、不能满足复杂环境实际应用需求的缺陷。因此，发展具有耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的多功能的金属表面膜层的相关制备技术十分必要和迫切。
[0004]
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种具有耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的多功能的金属表面膜层的制备方法。
[0006]本发明的目的是这样实现的:一种耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的金属表面膜层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
①沸腾稀土盐溶液处理:将清洁的金属工件浸没于装有沸腾稀土盐溶液的带盖玻璃容器中，密封沸腾处理20?60分钟，然后取出金属工件，用纯水冲洗、压缩空气吹干；
所述稀土盐的种类为镧、钐、铈或钕的硝酸盐；
所述稀土盐溶液的浓度为0.0005-0.0015摩尔/升；
所述稀土盐溶液体积与金属工件面积的比例为100升:I平方米。
[0007]②自组装修饰处理:将步骤①处理后的金属工件在30?50°C的壳聚糖溶液中浸泡处理10-30分钟，取出后用纯水冲洗;再将工件在20?40 °C的聚甲基丙烯酸溶液、纯水、聚乙烯亚胺溶液、纯水中分别浸泡20?30分钟、3?5秒钟、20?30分钟、3?5秒钟并重复此交替浸泡过程5?1次；
所述壳聚糖溶液的浓度为2?5克/升；
所述聚甲基丙烯酸溶液的浓度为6?10克/升；
所述聚乙烯亚胺溶液的浓度为3~6克/升；
所述壳聚糖溶液、聚甲基丙烯酸溶液和聚乙烯亚胺溶液的体积与金属工件面积的比例均为50升:I平方米。
[0008]③化学浴沉积处理:将步骤②处理后的金属工件分别在30?50°C的硝酸钙溶液和碳酸钠溶液中各浸泡1?30分钟，取出后用纯水冲洗； 所述硝酸钙溶液的浓度为15?30克/升；
所述碳酸钠溶液的浓度为10?20克/升；
所述硝酸钙溶液和碳酸钠溶液的体积与金属工件面积的比例均为50升:I平方米。
[0009]④固化处理:将步骤③处理后的金属工件放入50?80°C的烘箱中烘干2?5个小时，即得耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的金属表面膜层。
[0010]进一步，所述金属为铝、镁、铜、钛、铁、镍或锌的金属及其合金。
[0011]相比现有技术，本发明具有下述优点:
1、本发明制备的金属表面膜由具有优异防腐蚀能力的稀土(氢)氧化物内层膜、具有优异耐划伤能力的自组装外层膜以及具有优异耐磨损能力的碳酸钙纳米颗粒组成:内层膜是利用金属与沸腾的稀土盐溶液发生反应而在金属表面形成的与金属结合牢固、具有精细微纳结构及优异防腐能力的稀土 (氢)氧化物膜;外层的自组装膜则利用壳聚糖分子与内层膜所带羟基的强静电作用而与内层膜紧密结合且该膜层中的聚甲基丙烯酸、聚乙烯亚胺电荷相反、有非常强的静电作用，即使在腐蚀介质中也可以使划伤处快速交联、修复，由此赋予膜层优异的耐划伤能力;化学浴沉积处理则在膜表面形成耐磨损的碳酸钙纳米颗粒，从而赋予膜层优异的耐磨损能力。
[0012]2、本发明制备的金属表面膜呈现精细的微纳结构，具有优异的耐磨损、耐划伤、耐腐蚀能力，克服了现有金属表面处理方法制备的膜层功能较为单一、不能满足复杂环境实际应用需求的缺陷。本发明方法制备过程简单、无需专用仪器设备、操作方便、易于大规模工业化处理。
[0013]3、本发明方法适用范围广，可以在铝、镁、铜、钛、铁、镍、锌的金属及其合金等多种金属材料表面制备具有耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的多功能的金属表面膜层。
[0014]
【附图说明】
[0015]图1是实施例1中表面膜的微观形貌扫描电镜(德国Zeiss公司，Auriga聚焦离子束场发射扫描双束电镜)照片，可以看出膜层具有非常精细的微纳结构。
[0016]图2是实施例1中表面膜在不同状态时的材料显微镜照片:(a)原始表面，(b)先后经历磨损试验和腐蚀试验的表面，(C)先后经历划伤试验和腐蚀试验的表面。
[0017]
【具体实施方式】
[0018]将金属或合金加工成规格为5cmX 5cmX 0.3cm的工件，用砂纸打磨至表面光滑平整，用水冲洗后在丙酮中超声清洗I?2分钟，得到表面清洁的工件。
[0019]实施例1:
一种耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的2024铝合金表面膜层的制备方法，具体步骤如下:
①沸腾稀土盐溶液处理:将清洁的2024铝合金工件浸没于装有浓度为0.0010摩尔/升的沸腾硝酸铈稀土盐溶液的带盖玻璃容器中，密封沸腾处理30分钟，然后取出工件，用纯水冲洗、压缩空气吹干；
所述稀土盐溶液体积与金属工件面积的比例为100升:I平方米(其他实施例同)。
[0020]②自组装修饰处理:将步骤①处理后的工件在浓度为3克/升的40 °C壳聚糖溶液中浸泡处理20分钟，取出后用纯水冲洗;再将工件在30°C的浓度为6克/升的聚甲基丙烯酸溶液、纯水、浓度为3克/升的聚乙烯亚胺溶液、纯水中分别浸泡30分钟、5秒钟、30分钟、5秒钟并重复此交替浸泡过程10次/原理；
所述壳聚糖溶液、聚甲基丙烯酸溶液和聚乙烯亚胺溶液的体积与金属工件面积的比例均为50升:I平方米(其他实施例同)。
[0021 ]③化学浴沉积处理:将步骤②处理后的工件分别在40°C的浓度为20克/升的硝酸钙溶液浓度为15克/升的碳酸钠溶液中各浸泡20分钟，取出后用纯水冲洗；
所述硝酸钙溶液和碳酸钠溶液的体积与金属工件面积的比例均为50升:I平方米(其他实施例同)。
[0022]④固化处理:将步骤③处理后的工件放入60°C的烘箱中烘干4个小时，即得耐磨损、耐划伤、耐腐蚀的2024铝合金表面膜层。
[0023]金属表面膜耐磨损、耐划伤、耐腐蚀功能的检验步骤如下(其他实施例同):
a.磨损试验具体作法为:将50#金相砂纸平铺在桌面上，利用本发明方法处理后的金属工件一面接触砂纸(该面为工作面)，另一面压上100 g的砝码，横、纵向拖动砝码各100次，得到磨损样品。
[0024]b.划伤试验具体作法为:用美工刀在利用本发明方法处理后的金属工件表面划出一道约30微米宽的划痕，得到划伤样品。
[0025]c.腐蚀试验具体作法为:将a.中的磨损样品和b.中的划伤样品分别浸泡于模拟海水腐蚀介质即3.5%(质量分数)氯化钠溶液中24小时后取出，用纯水冲洗、冷风吹干。腐蚀介质体积与样品面积的比例为50升:1平方米。
[0026]d.利用DM4000M智能数字式材料显微镜(德国Lei ca公司)对上述先后经历磨损试验和腐蚀试验以及先后经历划伤试验和腐蚀