一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂及钝化的方法与流程

本发明涉及镁合金表面处理领域，具体涉及一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂及钝化的方法。

背景技术：

镁合金密度比较小，比铝轻约33％，比钢轻约77％，同时强度比较高，耐冲击，阻尼性和切削加工性能好，易于回收利用；国内外将镁合金应用于汽车行业，以减重、节能、降低污染，改善环境；同时，高铁、飞机、航空航天、卫星、3c产品、建筑装饰材料、电池等都在扩大镁合金使用量。但是镁的化学性质活泼，容易在空气中氧化，迅速生成自然氧化膜，这层自然氧化膜耐蚀性比较差，根本就起不到什么保护作用，使其直接应用受到很大的限制，因此能够进行有效的表面处理，增强防护性能才能发挥镁合金的优异性能。

镁合金微弧氧化氧化技术是近二十年来发展迅速的一项防护技术：主要应用于镁、铝、钛，它能在金属表面原位生长陶瓷膜，该陶瓷膜的综合性能优于阳极氧化、铬酸盐处理；然后，通过各类的封孔手段，让镁合金表面达到优良的性能：目前，随着5g时代来临，智能装备，可穿戴设备，通讯设备等，轻量化需求日趋激烈；镁合金微弧氧化技术开始大量应用于笔记本电脑外壳：而作为精美的笔记本外壳做好微弧氧化后的膜层最终以喷涂的方式作保护；最终外壳表面抗盐雾性能，除了涂层材料外，纳米级的钝化剂性能也至关重要了。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂及其钝化工艺，提高镁合金的裸装的盐雾耐蚀性和与涂料的结合力性能。

本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂及其钝化工艺，不含磷，铬，氨氮，重金属等，符合药水排放的环保需求，对环境友好。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种提供一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂，所述钝化剂包括如下质量份的组分：

有机酸：1-15份，

有机醇：1-20份，

络合剂：1-10份，

硅烷偶联剂：1-10份，

氧化剂：1-10份

石墨烯：1-10份，

表面活性剂：0.5-2份。

其中，所述钝化剂包括以下质量份的组分：

有机酸：1-5份，

有机醇：1-5份，

络合剂：1-5份，

硅烷偶联剂：5-10份，

氧化剂：1-5份，

石墨烯：1-3份，

表面活性剂：0.5-1份。

其中，所述的络合剂包括edta、edta二钠、葡萄碳酸钠、柠檬酸钠和六偏磷酸钠中的至少一种。

其中，所述的有机醇为甲醇、乙醇、丙二醇、丙三醇、乙二醇中的至少一种；所述的有机酸包括冰乙酸和甲酸中的至少一种。

其中，所述的硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅，乙烯基三甲氧基硅烷，丙基三甲氧基硅烷，氨基丙基三乙氧基硅烷，甲基丙烯酰氧基官能团硅烷中的至少一种。

其中，所述的氧化剂为双氧水、高锰酸钾、硝酸钠、过硫酸钠中的至少一种。

优选地，所述的石墨烯为单层氧化石墨烯或2-10层氧化石墨烯。

优选地，所述的表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种。

本发明还公开了一种应用镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂进行钝化的方法，所述方法包括以下步骤：

s1、脱脂处理：将镁合金放入含浓度为50-100g/l的脱脂剂溶液中，控制温度在50℃-80℃之间，剥离镁合金表面的油污；

s2、活化处理：将脱脂后的镁合金经过至少两次清水槽清洗后，再放入10-15％(限定范围)的活化剂溶液中，常温处理，均匀腐蚀镁合金表面，使其表面完全呈现均匀黑色；

s3、酸性表调：将活化处理后的镁合金，经过至少两次超声波清水洗后，再放置于20-30％(限定范围)酸性表调剂的溶液中，常温处理，均匀去除镁合金表面黑灰，并整平、拉白镁合金表面；

s4、碱性表调：将酸性表调后的镁合金经过至少两次清水槽清洗后，再放置于10-15％的碱性表调剂的溶液中，常温处理，清除酸性表调难除的黑膜；中和酸性表调的残留酸液,进一步整平镁合金表面；

s5、黑色微弧氧化处理：将经过碱性表调处理的镁合金，经过快速的温水、冷水漂洗后送入微弧氧化槽中进行处理，第一阶段：频率为300-1500hz，占空比15-35％，电流密度控制为1-3a/dm²，第二阶段，频率为800-1800hz，占空比为5-25％，镁合金表面形成一层纳米级的均匀、高耐蚀的微弧氧化膜；

s6、钝化处理：将经过钝化处理的镁合金用冷纯水漂洗后，迅速转入温度为100度-160度的通风烤炉进行干燥；

s7、涂装处理：将经过钝化处理后的镁合金，喷漆，或者电泳处理，作为最终的防护层。

其中，s1、脱脂处理：处理时间为2-4分钟；

s2、活化处理阶段，常温处理时间为1-3分钟；

s3、酸性表调：常温处理时间为3-5分钟；

s4、碱性表调：常温处理时间为1-3分钟；

s5、黑色微弧氧化处理：第一阶段处理时间为1-15分钟，第二阶段处理时间为10-15分钟；

s6、钝化处理：干燥时间为10-15分钟。

实施本发明的实施例，具有如下有益效果：

本发明公开一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂及其钝化工艺，与现有的镁合金钝化工艺相比，该钝化工艺，利用硅烷偶联剂与石墨烯复合，形成一种纳米级的保护膜，利用石墨烯原子级别的粒子，渗透到常规工艺所不能渗透到的微孔和缝隙里面；同时硅烷膜与石墨烯片状结构融合，更好的覆盖镁合金黑色微弧氧化膜的表层，提高抗盐雾性能，和与涂料的结合力；传统的工艺，无论是哪一种钝化剂，都无法同时解决镁合金黑色微弧氧化膜裸露盐雾测试稳定超过2hours和喷漆后的水煮测试：要么能过盐雾测试，喷漆后的水煮会掉皮；要么无法过盐雾测试，喷漆后的水煮能勉强通过。

附图说明

图1是传统工艺针对镁合金微弧氧化膜的封孔效果示意图；

图2是本发明工艺处理效果示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂，钝化剂包括以下质量份的组分：有机酸：1-15份，有机醇：1-20份，络合剂：1-10份，硅烷偶联剂：1-10份，氧化剂：1-10份，氧化石墨烯：1-10份，表面活性剂：0.5-2份。

其中，作为一种可能的实现方式，本发明的镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂，钝化剂包括以下质量份的组分：有机酸：1-5份，有机醇：1-5份，络合剂：1-5份，硅烷偶联剂：5-10份，氧化剂：1-5份，石墨烯：1-3份，表面活性剂：0.5-1份。

其中所述的有机酸包括冰乙酸和甲酸中的至少一种。

具体地，所述的络合剂包括乙二胺四乙酸(edta)、乙二胺四乙酸二钠(edta二钠)、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠和六偏磷酸钠中的至少一种。

具体地，所述的有机醇包括甲醇、乙醇、丙二醇、丙三醇、乙二醇等中的至少一种。

具体地，所述的硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅、乙烯基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、氨基丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基官能团硅烷中的至少一种。

具体地，所述的氧化剂包括双氧水、高锰酸钾、硝酸钠、过硫酸钠中的至少一种。

具体地，石墨烯为单层氧化石墨烯或2-10层氧化石墨烯。

具体地，所述的表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种。

本发明公开一种镁合金黑色微弧氧化膜纳米钝化剂及其钝化工艺(本色微弧氧化膜也适合该产品，该工艺；考虑本色微弧氧化膜本身成份的特殊性，与黑色微弧氧化膜行业标准是不一样的，本发明不作限制)，与现有的镁合金钝化工艺相比，该钝化工艺，利用硅烷偶联剂与石墨烯复合，形成一种纳米级的保护膜，利用石墨烯原子级别的粒子，渗透到常规工艺所不能渗透到的微孔和缝隙里面；同时硅烷膜与石墨烯片状结构融合，更好的覆盖镁合金黑色微弧氧化膜的表层，提高抗盐雾性能，和与涂料的结合力；传统的工艺，针对镁合金微弧氧化膜是没有钝化工艺的，传统的钝化工艺只能在镁合金裸露的金属层钝化，形成抗氧化保护的钝化层，但是无论是哪一种钝化剂，都无法同时解决镁合金黑色微弧氧化膜裸露盐雾测试稳定超过2小时和喷漆后的水煮测试：要么能过盐雾测试，喷漆后的水煮会掉皮；要么无法过盐雾测试，喷漆后的水煮能勉强通过；传统工艺，针对镁合金微弧氧化膜只有封孔的工艺，详情见图1；封孔后的镁合金黑色微弧氧化膜，也无法同时解决镁合金黑色微弧氧化膜单独中性盐雾稳定过2小时，和喷漆后的水煮测试。本发明既有传统钝化剂钝化功能，在微弧氧化膜基础上形成抗氧化保护层，又有传统微弧氧化膜封孔剂的封孔功能，一定程度的填充微弧氧化膜的微孔，详情见图2；同时不影响最后与油漆，涂料的结合力，紧密的保护镁合金黑色微弧氧化表面。

所述公开的一种镁合金黑色微弧氧化膜钝化剂及其钝化工艺(有部分封闭的功能)，与现有的镁合金微弧氧化膜封闭工艺(目前市面上无钝化工艺)相比，该钝化工艺，利用硅烷偶联剂和氧化石墨烯在弱酸性条件下在镁合金黑色微弧氧化膜表面形成网状片层保护膜，通过络合剂络合溶液中其他的金属离子防止干扰钝化，加入有机醇促进有效成份渗入网状保护膜的间隙增强保护膜，同时促进有效成份快速填充镁合金黑色微弧氧化膜孔隙，最后提高镁合金黑色微弧氧化膜钝化层的附着力；优选适当的氧化剂，能保持氧化石墨烯长效的结构性能，促进氧化石墨烯在成膜的过程中的交合，使镁合金黑色微弧氧化膜更加的致密，提高表面的防腐性能和涂料的结合力；传统的封孔处理工艺有：水合封孔、有机物封孔、硅酸盐封孔、电化学沉积封孔、碱热封孔、溶胶-凝胶封孔等。

水合封孔比较简单，但是温度高，能耗大，并且水合封孔不能让镁合金微弧氧化膜完全填充，所以封孔效果不是很理想；另外，由于水质和ph值的因素，很容易影响镁合金黑色微弧氧化膜的光泽度等；有机物封孔：常用的材料是表面改性试剂，在镁合金微弧氧化后的表面涂覆有机层，提高其耐蚀性和美观性；材料主要有石腊、树脂类、硅烷类、烯酸类；有机封孔方式有浸渍、喷涂，刷涂或者电泳沉积处理方式，通过物理吸附作用使封孔剂流动填充到孔洞中，但是涂层与基材结合力比较差，这是该封孔方案缺陷最重要的因素；硅酸盐封孔：基本原理是硅酸盐和镁合金微弧氧化膜如mg(oh)2与na2sio3反应生成mgsio3沉淀，空气中的co2也会残留的硅酸盐生成sio2从而封住孔隙；而实际效果不太好，因为氢氧化镁是一种难溶于水的碱，而硅酸盐只有在液体环境中才与强碱发生反应，空气中的co2，是不可能满足反应所需的，所以封孔效果不可能好；耐腐蚀和与涂料结合力都不行；电化学沉积：目前主要是羟基磷灰石，反应时间太长，效果也不好；碱热封孔：对镁合金微弧氧化膜层在碳酸氢钠溶液中浸泡，表面会形成轻质碳酸镁层，轻质碳酸镁基体呈六棱柱晶体，提高了镁合金的耐腐蚀性，但是该层不够致密，结合力比较弱；溶胶-凝胶封孔，工艺复杂，粒子颗粒比较大的话，不容易进入膜孔，封孔也不理想，耐蚀性差。

所以，寻求合理的钝化或者封孔的技术，解决镁合金黑色微弧氧化膜的耐蚀性和与涂料的结合力，是镁合金黑色微弧氧化技术大力应用发展很重要的一个原因。本发明选材非常环保，不含任何重金属，且不含有磷和氨氮，对水体无污染，对操作工人无健康威胁，符合环保绿色生产要求。

本发明还公开了应用上述的镁合金黑色微弧氧化膜钝化剂进行钝化的方法，包括以下步骤：

s1、脱脂处理：将镁合金放入含浓度为50-100g/l的脱脂剂溶液中，控制温度在50℃-80℃之间，处理时间为2-4min，剥离镁合金表面的油污；

s2、活化处理：将脱脂后的镁合金经过至少两次清水槽清洗后，再放入10-15％的活化剂溶液中，常温处理1-3min，均匀腐蚀镁合金表面，使其表面完全呈现均匀黑色；

s3、酸性表调：将活化处理后的镁合金，经过至少两次超声波清水洗后，再放置于20-30％酸性表调剂的溶液中，常温处理时间：3-5min，均匀去除镁合金表面黑灰，并整平、拉白镁合金表面；

s4、碱性表调：将酸性表调后的镁合金经过至少两次清水槽清洗后，再放置于10-15％的碱性表调剂的溶液中，常温处理时间：1-3min，清除酸性表调难除的黑膜；中和酸性表调的残留酸液,进一步整平镁合金表面；

s5、黑色微弧氧化处理：将经过碱性表调处理的镁合金，经过快速的温水、冷水漂洗后送入微弧氧化槽中进行处理，第一阶段：频率：300-1500hz，占空比15-35％，1-3a/dm²，1-15min；第二阶段，频率：800-1800hz，占空比：5-25％，10-15min；镁合金表面形成一层纳米级的均匀、高耐蚀的微弧氧化膜；

s6、钝化处理：将经过钝化处理的镁合金用冷纯水漂洗后，迅速转入温度为100度-160度的通风烤炉，干燥10-15min；

s7、涂装处理：将经过钝化处理后的镁合金，喷漆，或者电泳处理，作为最终的防护层。

其中，优选地，s1、脱脂处理：将镁合金放入含浓度为50g/l的脱脂剂溶液中，控制温度在50℃-80℃之间，处理时间为2-4min，剥离镁合金表面的油污；

s2、活化处理：将脱脂后的镁合金经过至少两次清水槽清洗后，再放入10-15％的活化剂溶液中，常温处理1-3min，均匀腐蚀镁合金表面，使其表面完全呈现均匀黑色；

s3、酸性表调：将活化处理后的镁合金，经过至少两次超声波清水洗后，再放置于20-30％酸性表调剂的溶液中，常温处理时间：3-5min，均匀去除镁合金表面黑灰，并整平、拉白镁合金表面；

s4、碱性表调：将酸性表调后的镁合金经过至少两次清水槽清洗后，再放置于10-15％的碱性表调剂的溶液中，常温处理时间：1-3min，清除酸性表调难除的黑膜；中和酸性表调的残留酸液,进一步整平镁合金表面；

s5、黑色微弧氧化处理：将经过碱性表调处理的镁合金，经过快速的温水、冷水漂洗后送入微弧氧化槽中进行处理，第一阶段：频率：600hz，占空比30％，2a/dm²，2min；第二阶段，频率：1500hz，占空比：20％，10-15min；镁合金表面形成一层纳米级的均匀、高耐蚀的微弧氧化膜；

s6、钝化处理：将经过钝化处理的镁合金用冷纯水漂洗后，迅速转入温度为100度-160度的通风烤炉，干燥10-15min；

s7、涂装处理：将经过钝化处理后的镁合金，喷漆，或者电泳处理，作为最终的防护层。

下面结合具体实施例，对本发明作进一步的描述，以便于更清楚的理解本发明要求保护的技术思想。

实施例1

本实施例公开了一种镁合金黑色微弧氧化膜钝化剂，按照质量份包括如下组分：

冰乙酸(有机酸)：1份，

甲醇(有机醇)：20份，

edta二钠(络合剂)：5份，

硅烷偶联剂(丙基三甲氧基硅烷kh-560)：10份，

h2o2(氧化剂)：2份

石墨烯(单层)：1份，

十二烷基硫酸钠(表面活性剂)：0.5份

其余：纯水

实施例2

本实施例公开了一种镁合金黑色微弧氧化膜钝化剂，按照质量份包括如下组分：

冰乙酸(有机酸)：1份，

甲醇(有机醇)：10份，

葡萄糖酸钠(络合剂)：5份，

硅烷偶联剂(丙基三甲氧基硅烷kh-570)：10份，

高锰酸钾(氧化剂)：1份

石墨烯(多层)：5份，

十二烷基苯磺酸钠(表面活性剂)：1份

其余：纯水

实施例3

本实施例公开了一种镁合金黑色微弧氧化膜钝化剂，按照质量份包括如下组分：

冰乙酸(有机酸)：1份，

丙二醇(有机醇)：20份，

六偏磷酸钠(络合剂)：5份，

硅烷偶联剂(氨基丙基三乙氧基硅烷jh-a111)：10份，

硝酸钠(氧化剂)：5份

石墨烯(单层)：5份，

脂肪醇聚氧乙烯醚(op-10)(表面活性剂)：0.5份

其余：纯水

实施例4

本实施例公开了一种镁合金黑色微弧氧化膜钝化剂，按照质量份包括如下组分：

甲酸(有机酸)：2份，

乙二醇(有机醇)：10份，

柠檬酸钠(络合剂)：5份，

硅烷偶联剂(乙烯基三甲氧基硅烷a-171)：10份，

过硫酸钠(氧化剂)：1份

石墨烯(单层)：5份，

十二烷基硫酸钠(表面活性剂)：0.5份

其余：纯水

对比例1

按照质量份包括如下组分：

水合封闭：沸水，纯水ph：6.5，时间：30min

对比例2

按照质量份包括如下组分：

硅酸盐封孔：na3sio3，50g/l，90℃，15min

对比例3

按照质量份包括如下组分：

常规钝化剂：

磷酸：40份

磷酸二氢钠：100份

磷酸二氢钙：50份

偏钒酸钾：1份。

对比例4:

按照质量包括如下

甲酸：5份，

乙醇：20份，

柠檬酸钠：2份，

硅烷偶联剂(丙基三甲氧基硅烷kh-550)：10份，

h2o2：10份

十二烷基硫酸钠：1份

盐雾试验：

分别取上述各实施例及对比例制成的钝化剂对镁合金黑色微弧氧化膜(牌号为az91d)按本发明所述的纳米钝化方法进行处理，并对处理完毕的镁合金黑色微弧氧化膜电脑板做耐蚀性检测，耐蚀性通过中性盐雾测试来衡量，中性盐雾测试的方法依据依据gb/t1771-2007标准，对镁合金做裸露中性盐雾测试，结果如下表1：

表1：以上实施例和对比例产品做盐雾测试效果比对

由上表盐雾测试结果来看，本方明的实例1-4中的组份和含量均在本发明所公开的镁合金钝化剂的要求范围内，经处理后的镁合金黑色微弧氧化膜，有光泽，无任何变化；同时耐腐蚀性能优越，都稳定能过中性盐雾测试2小时，基本能过中性盐雾4小时；(镁合金黑色微弧氧化)。

对比例1-4中对比例1和对比例2属于传统的镁合金微弧氧化膜的常规封闭方法；对比例3属于目前市面上镁合金无铬钝化技术，有保护镁合金表面的功能；对比例4，属于不含石墨烯的一种硅烷保护技术。从实验对照结果可以知道，对比例1-3既不能解决镁合金黑色微弧氧化膜的变色，消光问题，也不能解决耐腐蚀性能问题，耐中性盐雾2小时；对比例子4，通过技术改良后，能解决处理镁合金微弧氧化后的表面不会变色，消光，但是也无法解决盐雾通过的问题。

水煮百格试验：

分别取上述各实施例及对比例制成的钝化剂对镁合金黑色微弧氧化膜(牌号为az91d)按本发明所述的纳米钝化方法进行处理，并对处理完毕的镁合金黑色微弧氧化膜电脑板喷漆后做水煮检测，与涂料之间的结合程度通过水煮测试来衡量，水煮百格测试的方法依据依据iso2409标准，对镁合金做水煮百格测试，

实验器具：

a.恒温水浴锅；

b.温度计(测量水体实际温度)；

c.计时器；

d.蒸馆水；

e.胶带nichibanct405ap-24或3m610。

测试程序

a.测试前检查产品外观无变色、气泡、裂口、脱落等不良，并用无尘布将样品表面擦拭干净；b.将纯净水加热至温度100℃，将产品投入水浴锅，确保产品不叠层、碰撞也不会直接接触加热棒；c.水浴时间30min，试验完成后在室温条件下自然冷却恢复至室温；d.检查产品外观，针对测试表面采用“胶带法”进行附着力测试。

允许标准：

a.在标准光源下目视检验，检视距离30cm左右，无明显腐蚀、起泡、麻点、开裂、变形等不良；

b.参考"胶带法"附着力判定标准:胶带剥离时涂层不能有脱落，否则判定ng。

结果如下表2：

表2：以上实施例和对比例产品进行水煮百格试验结果比对

由上表水煮百格测试结果来看，本方明的实例1-4中的组份和含量均在本发明所公开的镁合金钝化剂的要求范围内，经处理后的镁合金黑色微弧氧化膜，喷漆后水煮百格测试，工件表面有光泽，无任何变化，百格区域无明显腐蚀、起泡、麻点、开裂、变形等不良；对比例4，经处理后的镁合金黑色微弧氧化膜，喷漆后水煮百格测试，工件表面有光泽，无任何变化，百格区域无明显腐蚀、起泡、麻点、开裂、变形等不良；对比1-3均出现不同程度不良。

从实验结果对照对比例1和对比例2属于传统的镁合金微弧氧化膜的常规封闭方法，水煮百格测试效果不良，表示它们与涂料的结合力非常的差；对比例3属于目前市面上镁合金无铬钝化技术，与涂料结合力比封孔类的要好一些，但是水煮后的百格还是有少量的针孔和气泡；对比例4，属于不含石墨烯的一种硅烷保护技术，能过水煮百格测试。

综上所述，本发明能同时解决镁合金黑色微弧氧化膜中性盐雾测试稳定过2小时，同时喷漆后的水煮百格测试也能轻松通过，优于目前市场传统工艺。

以上仅为本发明的具体实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。