[发明专利]在金属衬底上形成涂层的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种涂覆金属衬底的方法。更确切地说，本发明涉及在金属衬底上形成涂层的方法。

背景技术

在当今的全球经济，在诸如汽车工业和航空工业的工业中迫切需要减少碳足迹。因此，通过使用诸如镁、铝、钛以及其合金的轻质金属来减重已经成为探索来减少燃料消耗的途径之一。

对镁合金的需求已经并且有望大幅增长。例如，在2006年，全世界镁合金的产量已经达到大约610,000吨，并且每年以15％的速率增加。

在2005年，铝—最广泛使用的有色金属—的全球产量为3.19千万吨，并且2012年的预测产量为约4.2至4.5千万吨。

另外，2011年生产了约186,000吨钛金属海绵。

鉴于轻质金属的使用增加，需要提供改善这些金属的特性的方法。这是因为诸如镁以及其合金的金属易于腐蚀和环境降解。

涂覆有油漆或瓷釉的金属表面尽管相当耐化学侵蚀，但在高温下会降解。另外，油漆或瓷釉可能极差地粘附至金属表面，特别是在温度变化过程中。

改善轻质金属的耐磨性、耐腐蚀性以及耐温性的现有方法是使用阳极化工艺处理其表面。尽管金属表面的阳极化赋予了比油漆或瓷釉更有效且耐用的涂层，但阳极涂层通常缺乏所需程度的硬度、平滑度、耐久性、粘度性或不透过性，需要这些性质来满足不断增加的工业和家居需求。

在金属表面上形成的阳极涂层的性质和特性很大程度上取决于在阳极化工艺中所用电解质溶液的组成。例如，已知的阳极化方法利用含有铬酸盐、磷酸盐或氟化物的电解质溶液来增加氧化层的耐腐蚀性和致密性。不希望受理论约束，假定这些化合物普遍用于已知的阳极化方法，因为其易于与金属衬底反应生产盐。这些盐进一步证明有高填充密度，这使得具有良好耐腐蚀性的致密涂层形成。

然而，这些电解质溶液危及健康以及环境。此外，法规要求日臻严格，诸如危害物质禁用指令(RestrictionofHazardousSubstances,RoHS)标准以及其它工业废水控制法规，它们驱动业界探索更为绿色的工艺技术。

另外，在阳极化工艺过程中所用的工艺条件也影响涂层的性质和质量。在这一点上，使用现有技术电解质溶液的阳极化工艺的操作电压通常小于300V。显然，这防止在阳极化工艺中剧烈发出电火花，否则剧烈发出电火花将会导致涂层基质内驻留有大孔的不均匀形成的涂层。这类大孔转而导致耐腐蚀性和耐磨性下降。

因此，需要提供一种在金属衬底上形成涂层的方法，其克服或至少部分改善上述不利之处中的一种或多种。具体来说，需要提供一种用于金属衬底的阳极化方法，其符合法规标准、环境相宜并且同时还能够提供具有可比或上好耐性特性的涂层。

还需要提供一种涂层，其克服或至少部分改善上述不利之处中的一种或多种。

发明内容

在一方面，本申请提供一种在金属衬底上形成涂层的方法，所述方法包括以下步骤：a.使所述衬底与含有硅酸盐和氢氧根阴离子并且基本上不含氟化合物、铬酸盐化合物以及磷酸盐化合物中的至少一种的电解质溶液相接触；以及b.使电流通过所述电解质溶液以在所述金属衬底上形成所述涂层，其中所述电解质溶液中硅酸根与氢氧根阴离子的摩尔比选定在提供所述涂层的耐腐蚀性的范围内，所述耐腐蚀性至少等于或高于使用包含氟化合物、铬酸盐化合物以及磷酸盐化合物中的至少一种的电解质溶液所形成的涂层的耐腐蚀性。

在一个实施方案中，所述电解质溶液基本上不含氟化合物、铬酸盐化合物以及磷酸盐化合物中的全部。

有利地，所公开的方法不利用危险化学品，并且因此环保且安全。此外，氟、铬酸盐和/或磷酸盐化合物中的一种或多种的不存在确保了所公开的方法符合法规标准(例如RoHS标准和其它工商业污水法规)，所述法规标准禁止这类化合物在工业废水中的使用和处置。所公开的方法还具有成本效益，因为其不要求使用昂贵的反应物和化学品。

有利地，通过所公开的方法形成的涂层展现出耐腐蚀性，所述耐腐蚀性至少等于或高于使用包含氟、铬酸盐和/或磷酸盐化合物中的一种或多种的电解质溶液所形成的涂层的耐腐蚀性。

在多个实施方案中，该涂层包含尺寸为约5μm或更小的间隙空间。有利地，涂层内形成的金属氧化物和金属硅酸盐颗粒具有最小间隙空间，从而确保涂层拥有最优耐腐蚀性。