CN101311326B - 一种用于轻金属微弧氧化的电解液及微弧氧化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于轻金属微弧氧化的电解液，该电解液为含有六偏磷酸钠和硅酸钠的水溶液，其中，该电解液还含有硫酸钴和偏钒酸铵。还提供了采用该电解液进行微弧氧化的方法。采用本发明提供的电解液及微弧氧化的方法可以得到耐污性、耐刮性和致密性很好的轻金属产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于轻金属微弧氧化的电解液，还涉及一种使用该电解液对轻金属进行微弧氧化的方法。
背景技术
目前，轻金属材料，例如铝及铝合金，镁、钛及其合金，以其重量轻、比强度高、辗性、延展性好、易于加工的特点广泛用于航天、航空、汽车、建筑以及电子行业。但美中不足的是轻金属的表面质软、不耐磨损、不耐高温，并且尤其是铝的腐蚀电位较低，全面腐蚀比较严重。为了克服轻金属表面性能方面的缺陷，扩大应用范围，延长使用寿命，因此需要对轻金属材料表面进行氧化，使其表面生成一层保护膜，用以解决或提高表面性能和装饰性的功能。
目前，铝材表面氧化的方法主要有：化学氧化、阳极氧化和微弧氧化等几种。微弧氧化较化学氧化和阳极氧化有很多优点：前处理简单、膜层生长速度快、硬度高、电解液不污染环境，因而微弧氧化技术的应用越来越广泛。
中国专利CN1554807A公开了一种铝合金铸件微弧氧化处理的电解溶液，该电解溶液按重量与总体积比，包括磷酸钠10g/L-20g/L，硅酸钠5g/L-10g/L，氢氧化钾1g/L-4g/L，钼酸钠10g/L-15g/L，且电解溶液的pH值为8-12。采用该电解溶液对铝合金铸件表面进行微弧氧化处理，提高了铝合金铸件表面的耐磨性。但采用该发明提供的电解溶液对铝合金进行微弧氧化后，所得到的微弧氧化膜的耐污性、耐刮性和致密性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的微弧氧化电解液使铝合金表面的微弧氧化膜耐污性、耐刮性和致密性较差的缺陷，提供一种使轻金属表面的微弧氧化膜的耐污性、耐刮性和致密性较好的用于轻金属微弧氧化的电解液。
本发明的另一个目的是提供一种使用本发明的电解液对轻金属进行微弧氧化的方法。
本发明提供了一种用于轻金属微弧氧化的电解液，该电解液为含有六偏磷酸钠和硅酸钠的水溶液，其中，该电解液还含有硫酸钴和偏钒酸铵。
本发明还提供了一种对轻金属表面进行微弧氧化的方法，该方法包括将轻金属材料置于盛有电解液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，以不锈钢板为阴极，在微弧氧化的条件下使轻金属表面形成微弧氧化膜，其中，所述电解液为本发明提供的电解液。
采用本发明提供的电解液对轻金属进行微弧氧化，使在轻金属表面获得的微弧氧化膜的耐污性、耐刮性和致密性均很好，而且外观装饰性效果较好，大大提升了轻金属的附加价值，同时微弧氧化膜的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和电绝缘性均很高。
具体实施方式
本发明提供的用于轻金属微弧氧化的电解液为含有六偏磷酸钠和硅酸钠的水溶液，其中，该电解液还含有硫酸钴和偏钒酸铵。
根据本发明提供的电解液，电解液中所含有的六偏磷酸钠和硅酸钠作为微弧氧化的主成膜剂，是形成微弧氧化膜的主要成分。
根据本发明提供的电解液，在优选情况下，在电解液中，作为添加剂的硫酸钴的含量为0.1-10克/升、更优选0.1-5克/升，偏钒酸铵的含量为1-30克/升、更优选5-20克/升。
根据本发明提供的电解液，在优选情况下，所述添加剂还可以含有钨酸钠、钼酸钠、丙三醇和乙二胺中的至少一种，可以提高微弧氧化膜表面的均匀性与硬度及耐污性。在电解液中，作为添加剂的钨酸钠的含量为0.1-10克/升、优选为0.2-5克/升，钼酸钠的含量为0.1-10克/升、优选为1-5克/升，丙三醇的含量为0.1-30毫升/升、优选为1-20毫升/升，以及乙二胺的含量为0.1-30毫升/升、优选为0.2-20毫升/升。
根据本发明提供的电解液，优选情况下，在电解液中，所述主成膜剂的总含量为10-150克/升、优选为20-60克/升，且作为主成膜剂的六偏磷酸钠的含量为5-100克/升、优选为5-40克/升，且硅酸钠的含量为2-100克/升、优选为5-40克/升。
根据本发明提供的电解液，优选情况下，在电解液中，所述主成膜剂还含有铝酸钠、三偏磷酸钠、硫酸钠和磷酸钠中的至少一种，铝酸钠的含量为0.1-100克/升、优选为1-40克/升，三偏磷酸钠的含量为0.1-100克/升、优选为1-40克/升，硫酸钠的含量为0.1-20克/升、优选为1-5克/升，且磷酸钠的含量为1-100克/升、优选为5-40克/升。
本发明还提供的对轻金属表面进行微弧氧化的方法包括，将轻金属材料置于盛有电解液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，以不锈钢板为阴极，在微弧氧化的条件下使轻金属表面形成微弧氧化膜，其中，所述电解液为本发明提供的电解液。
根据本发明提供的方法，所述微弧氧化的条件为本领域技术人员公知的，例如该微弧氧化的条件包括，电流密度为0.5-10安/分米2，电压为0-800伏，电解液的温度为15-60℃，电解液的pH值为6.0-12.0，微弧氧化的时间为5-60分钟。
根据本发明提供的方法，对轻金属表面形成的微弧氧化膜的微孔进行封闭，然后干燥。
对轻金属表面形成的微弧氧化膜的微孔进行封闭的方法可以采用本领域技术人员所公知的各种方法，例如水封闭法、镍封、有机硅封孔等方法。本发明优选采用水封闭法，该方法包括用70-90℃的纯水浸泡附着有微弧氧化膜的轻金属0.5-10分钟。
对轻金属表面形成的微弧氧化膜的微孔进行封闭后，接着干燥。干燥可以采用10-50℃的风吹干。
根据本发明提供的方法，获得附着在轻金属表面的厚度为2-300微米，优选为2-50微米的微弧氧化膜。
本发明对轻金属进行微弧氧化的具体步骤为，脱脂、微弧氧化、封孔、吹干。对轻金属材料进行脱脂的方法为本领域技术人员公知的各种方法，例如该方法包括，将轻金属材料浸泡于脱脂溶液中5-10分钟，然后用水冲洗干净。脱脂溶液中含有氢氧化钠20-50克/升，磷酸钠30-50克/升、硅酸钠10-30克/升，脱脂溶液的温度为60-85℃。
通过本发明提供的微弧氧化方法对轻金属进行微弧氧化后，可在轻金属表面上得到厚度为2-300微米，优选为2-50微米的黑色微弧氧化膜层，该微弧氧化膜不仅硬度、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性均较高，而且耐污性、耐刮性和致密性均很好，并且外观装饰性很强。
本发明提供的方法适用于各种铝及铝合金材料，铝合金材料例如可以是牌号为2024、5052、6061、6063的铝合金材料，还可以适用于镁及镁合金材料，例如可以是牌号为AZ91D的镁合金材料。
下面的实施例将对本发明作进一步详细地描述。
实施例1
本实施例说明本发明提供的微弧氧化电解液以及微弧氧化方法。
处理工件：铝合金手机电池盖
材料型号：A16063
1、脱脂
将上述铝合金工件浸入含有氢氧化钠30克/升、磷酸钠40克/升、硅酸钠20克/升的碱性溶液对铝合金基材进行脱脂。脱脂的温度为85℃，脱脂的时间为8分钟。然后水洗5分钟。
2、微弧氧化将上述脱脂后的铝合金工件浸入含有六偏磷酸钠25克/升，硅酸钠8克/升，偏钒酸铵8克/升，硫酸钴2克/升的电解液液中，并用1.5克/升的氢氧化钠调节pH值为7.8左右。以铝合金工件为阳极，不锈钢板为阴极，在25℃左右的条件下采用0-600伏特的电压，0-10安培/分米2的电流密度进行微弧氧化10分钟，完成后取出用纯水清洗干净。
3、封闭
将上述微弧氧化后的铝合金工件浸入温度为85℃的热纯水中进行封闭5分钟，然后取出用风吹干。
通过对铝合金工件进行上述处理，可得到附着有黑色微弧氧化膜层的产品，用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得所形成膜的厚度为15微米。
实施例2
本实施例说明本发明提供的微弧氧化电解液以及微弧氧化方法。
按照实施例1描述的方法对工件进行微弧氧化，不同的是，电解液为含有六偏磷酸钠25克/升，硅酸钠8克/升，偏钒酸铵8克/升，硫酸钴2克/升，丙三醇10毫升/升，钨酸钠1克/升的水溶液，微弧氧化的时间为10分钟。
获得附着有黑色微弧氧化膜的产品，用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得所形成膜的厚度为15微米。
实施例3
按照实施例1描述的方法对铝合金工件进行微弧氧化，不同的是，电解液为含有六偏磷酸钠40克/升，铝酸钠10克/升，硅酸钠5克/升，偏钒酸铵20克/升，硫酸钴0.1克/升，磷酸钠5克/升，乙二胺1毫升/升，钼酸钠0.3克/升的水溶液；微弧氧化的时间为35分钟。
获得附着有黑色微弧氧化膜的铝合金工件的产品，用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得所形成膜的厚度为40微米。
实施例4
按照实施例1描述的方法对铝合金工件进行微弧氧化，不同的是，电解液为含有六偏磷酸钠5克/升，三偏磷酸钠10克/升，硅酸钠40克/升，偏钒酸铵5克/升，硫酸钴5克/升，磷酸钠5克/升，乙二胺10毫升/升，钨酸钠0.5克/升的水溶液；微弧氧化的时间为45分钟。
获得附着有黑色微弧氧化膜的产品，用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得所形成膜的厚度为50微米。
对比例1
本对比例说明现有技术中微弧氧化的电解液以及微弧氧化方法。
按照实施例1描述的方法对铝合金工件进行微弧氧化，不同的是，电解液中不含有添加剂硫酸钴、钨酸钠、丙三醇。
获得附着有微弧氧化膜的产品，用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得所形成膜的厚度为5微米。
性能测试
(1)耐污性测试
分别用棉布沾取测试溶剂异丙醇、人工汗、汽油后，在产品表面摩擦2分钟，产品表面应无变色、无脱落；再将测试溶剂唇膏、护手霜、粉底霜、食用油、杀虫剂、防晒液分别在产品表面涂覆均匀，放置24小时后用水冲洗，产品表面应无变色、无污痕为合格。
(2)耐刮性测试
用划痕仪(广州天创仪器设备公司，Elcometer3025)进行耐刮性测试，划痕仪的测头为直径0.75毫米的金刚石，测试角度为90°，分别施加1N、2N、3N……的力于被测产品表面，若施加3N(含)以下的力产品表面无划痕，则被测产品耐刮性能合格，否则为不合格。
(3)表面粗糙度测试
测试仪器：3D轮廓仪(北京汇德信科技有限公司，KLOCKE)
测试产品表面的Ra值(粗糙度值的算术平均值，测试方法：仪器自动扫描，显示结果)
(4)RCA纸带耐磨测试
使用型号为F350008的RCA纸带耐磨仪，在175克力下磨擦产品表面的微弧氧化膜层，磨至露出铝合金材料表面时，记录橡胶轮转动的圈数；
(5)铅笔硬度测试(ASTMD3363-74)
仪器：铅笔硬度计F130027
检验方法：按照ASTM D3363，负荷：750克，铅笔：三菱UNI
(6)中性盐雾测试
将产品样品置于盐雾箱内，在35℃下用5±0.5重量％的氯化钠盐水喷涂样品8小时后，取出进行观测，并记录产品样品表面的腐蚀面积占镀层总面积的百分含量。
(7)电绝缘性
用万用表对样品表面的两点测试电阻。
将实施例1-2和对比例1所得到的附着有微弧氧化膜的铝合金材料的产品分别进行耐污性、耐刮性、表面粗糙度、RCA纸带耐磨、铅笔硬度、中性盐雾和电绝缘性测试，测试的结果列于表1。
表1
| 耐污测试 | 耐刮性(N) | 表面粗糙度Ra值(μm) | RCA纸带耐磨性(圈) | 铅笔硬度(H) | 盐雾腐蚀面积(面积％) | 电绝缘性(欧姆) | |
| 实施例1 | 大部分合格 | <2 | 1.0 | >5000 | >3H | <5(>1000H，>9.8级) | >1000000 |
| 实施例2 | 合格 | >15 | 0.42 | >20000 | >5H | <5(>1000H，>9.8级) | >1000000 |
| 实施例3 | 合格 | >15 | 0.31 | >20000 | >5H | <5(>1000H，>9.8级) | >1000000 |
| 实施例4 | 合格 | >15 | 0.36 | >20000 | >5H | <5(>1000H，>9.8级) | >1000000 |
| 对比例1 | 不合格 | <1 | >1.5 | 2000 | >3H | <5(>1000H，>9.8级) | >1000000 |
从表1的结果可以看出，采用本发明提供的电解液进行微弧氧化，所得到的微弧氧化膜的耐污性能、耐刮性能很高，比采用现有技术的微弧氧化方法所得到微弧氧化膜的性能更高，并且表面粗糙度更低，也就是说致密性更好。同时，采用本发明提供的电解液进行微弧氧化，所得到的微弧氧化膜的耐磨性、硬度、耐腐蚀性和电绝缘性仍然很高。
Claims (9)
1.一种用于轻金属微弧氧化的电解液，该电解液为含有六偏磷酸钠和硅酸钠的水溶液，其特征在于，该电解液还含有硫酸钴和偏钒酸铵，所述电解液中硫酸钴的含量为0.1-10克/升、偏钒酸铵的含量为5-20克/升。
2.根据权利要求1所述的电解液，其中，该电解液进一步含有丙三醇和乙二胺中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的电解液，其中，所述电解液中钨酸钠的含量为0.1-10克/升，钼酸钠的含量为0.1-10克/升，丙三醇的含量为0.1-30毫升/升，乙二胺的含量为0.1-30毫升/升。
4.根据权利要求1所述的电解液，其中，所述电解液中六偏磷酸钠为5-100克/升，硅酸钠为2-100克/升。
5.根据权利要求1或4所述的电解液，其中，该电解液还含有铝酸钠、三偏磷酸钠、硫酸钠和磷酸钠中的至少一种，铝酸钠的含量为0.1-100克/升、三偏磷酸钠的含量为0.1-100克/升、硫酸钠的含量为0.1-10克/升、磷酸钠的含量为1-100克/升。
6.一种对轻金属表面进行微弧氧化的方法，该方法包括将轻金属材料置于盛有电解液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，以不锈钢板为阴极，在微弧氧化的条件下使轻金属表面形成微弧氧化膜，其特征在于，所述电解液为权利要求1-5中任一项所述的电解液。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述微弧氧化的条件包括，电流密度为0.5-10安/分米2，电压为0-800伏，电解液的温度为15-60℃，电解液的pH值为6.0-12.0，微弧氧化的时间为5-60分钟。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法还包括，对轻金属表面形成的微弧氧化膜的微孔进行封闭，然后干燥。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述微弧氧化膜的厚度为2-300微米。
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