CN101314864A - 金属基材的电化学激化表面处理技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属基材的电化学激化表面处理技术，包括下列步骤：a)提供一基材，所述基材的材质为选自铝、镁、钛及其合金所构成族群中的其中一种；b)提供一酸性溶液、一阳极以及一阴极，所述阳极电性连接所述基材，所述阴极电性连接所述酸性溶液，选择适当的一电流密度以及一电压，所述电压的范围介于200伏特～400伏特之间，所述酸性溶液在一操作温度以及一预定时间内与所述基材产生反应并进行成膜处理，所述基材表面逐渐形成一绝缘层。本发明能够克服习用技术中绝缘层致密性以及成膜速度无法兼顾的问题，具有提高硬度以及散热效果的优点，并兼具有降低工时的特色。
Description
技术领域
本发明与表面处理技术有关，特别是指一种金属基材的电化学激化表面处理(electric-chemical collide oxidation anodizing；ECCO anodizing)技术。
背景技术
一般金属基材容易与空气中的氧结合产生氧化物，当基材生锈氧化时会对金属基材造成损坏，例如：锈蚀导致结构强度降低。为了解决上述问题，业者以阳极处理法(anodizing)在一金属基材表面形成一氧化物绝缘层，以达到保护该金属基材的目的。以铝基材为例来说，表面经过阳极处理后所生成的氧化物绝缘层为氧化铝(Al2O3)，铝基材由该绝缘层与氧隔绝，不但能够达到防锈蚀以及绝缘的目的，而且，该绝缘层更具有抗腐蚀以及高硬度的特性，可以进一步保护该金属基材。
然而，由于一般阳极处理法属于低电压处理程序，其电压约在250伏特(Voltage)以下，其氧化物绝缘层具有致密性高的特色。但此种方式形成的氧化物绝缘层的成膜速度相当缓慢，需要耗费相当长的工时，且形成的结晶状态的成分极低，在硬度上较为脆弱，在热传导效率上的效果也不理想。
为解决上述问题，业界使用一种微弧氧化阳极处理法(micro arc oxidationanodizing；MAO anodizing)的处理方式，其属于高电压处理程序，电压约在300伏特(Voltage)～480伏特(Voltage)之间，该方法能够提供较高的能量来进行电化学反应，可提升氧化物绝缘层的成膜速度，并提高结晶状态的比例，使氧化物绝缘层具有较高的硬度。但此种方式所形成的氧化物绝缘层的空隙较大，具有致密性低的缺点，使氧化物绝缘层无法完全地覆设于金属基材表面，不能对金属基材提供确实的保护。再者，此种利用微弧氧化阳极处理(MAO)形成的氧化物绝缘层在结构上呈现不规则的重叠状结晶，其热传导系数(thermal conductivity)并不理想，具有散热效果不佳的缺点。换言之，微弧氧化阳极处理法(MAO)虽然能够降低加工工时，并提高结晶的比例，但是，其氧化物绝缘层在结构上以及物理特性上并没有提升，并不能达到有效保护该金属基材的目的。
综上所述，目前使用的表面处理技术具有上述缺点有待改进。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种金属基材的电化学激化表面处理技术，其能够改善绝缘层的结晶结构并提高热传导系数，具有提高硬度以及散热效果的特色。
本发明的次一目的在于提供一种金属基材的电化学激化表面处理技术，其能够提高绝缘层的生成速度，具有降低工时的特色。
为达到上述目的，本发明所提供的一种金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于包括下列步骤：a)提供一基材，所述基材的材质为选自铝、镁、钛及其合金所构成族群中的其中一种；b)提供一酸性溶液、一阳极以及一阴极，所述阳极电性连接所述基材，所述阴极电性连接所述酸性溶液，选择适当的一电流密度以及一电压，所述电压的范围介于200伏特～400伏特之间，所述酸性溶液在一操作温度以及一预定时间内与所述基材产生反应并进行成膜处理，所述基材表面逐渐形成一绝缘层。
上述本发明的技术方案中，步骤a)中的所述基材，先去除所述基材表面的氧化物、油污以及污渍，再进行纯水清洗以及低温干燥的工序。
上述本发明的技术方案中，步骤a)中的所述基材，采用超音波方式去除所述基材表面的氧化物、油污以及污渍。
上述本发明的技术方案中，步骤a)中所述纯水的电阻值在10KΩ以上。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中的所述电流密度的范围在1ASD(A/dm2)～6ASD(A/dm2)之间。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中的所述操作温度的范围在摄氏-4度～40度之间。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中所述操作温度的范围控制在摄氏6度～15度之间。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中的所述酸性溶液为选自柠檬酸、磺基水杨酸、草酸及顺丁烯二酸其中的一种，所述酸性溶液的浓度为5g/L～150g/。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中的所述酸性溶液还包含有一水溶性盐类，所述水溶性盐类为选自包含有硫酸根离子、碳酸根离子以及硅酸根离子其中的一种，所述水溶性盐类浓度为0.1(g/L)～20(g/L)之间。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中的所述水溶性盐类为硫酸钠。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中的所述酸性溶液的酸碱值范围在6以下。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中所述预定时间的范围在5分钟～120分钟之间。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中所述绝缘层为氧化铝，所述绝缘层由内往外还可区分为一阻障层以及一多孔层。
上述本发明的技术方案中，步骤b)中所述阳极的移动速率为20m/min。
采用上述技术方案，本发明运用电化学激化阳极处理(electric-chemical collideoxidation anodizing；ECCO anodizing)技术，能够改善绝缘层的结晶结构并提高热传导系数，具有提高硬度以及散热效果的特色。另外，本发明所使用的电压操作区间介于一般阳极处理法(anodizing)以及微弧氧化阳极处理(MAO)之间，能够避免电化学反应过快，使结晶结构在长晶时可以较规则的方式进行排列而呈柱状结构，能够提高绝缘层的生成速度，具有降低工时的特色。换言之，与习用技术相比，本发明能够克服习用技术中绝缘层致密性以及成膜速度无法兼顾的问题，具有提高硬度以及散热效果的优点，并兼具有降低工时的特色。
附图说明
图1是本发明第一较佳实施例的处理流程图；
图2是本发明第一较佳实施例的加工示意图；
图3是本发明第一较佳实施例基材的结构示意图，其主要揭示基材在成膜处理前的情形；
图4是本发明第一较佳实施例基材的结构示意图，其主要揭示基材成膜处理后的情形；
图5是图4中A处的放大图，其主要揭示绝缘层的结构；
图6是本发明第一较佳实施例与习用者的电压比较图。
具体实施方式
现举以下实施例并结合附图对本发明的结构、特征及功效进行详细说明。
如图1～图6所示，是本发明所提供的一种金属基材的电化学激化表面处理技术的第一较佳实施例，其成膜步骤如下：
a)提供一基材10，基材10的材质为选自铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)以及其合金所构成族群中的其中一种，本发明的基材10以铝为例。基材10事先进行热处理以及平整化处理，再将基材10以超音波方式去除其表面的氧化物、油污以及污渍，再进行纯水清洗以及低温干燥的工序，纯水的电阻值在10KΩ(奥姆)以上。
b)提供一酸性溶液20、一阳极30以及一阴极40，阳极30电性连接基材10，阴极40电性连接酸性溶液20，选择适当的一电流密度以及一电压，酸性溶液20在一操作温度以及一预定时间内与基材10产生反应并进行成膜处理，在基材10表面逐渐形成一绝缘层12。其中，步骤b)的操作条件设定如下：酸性溶液20为选自柠檬酸(Citric acid；C6H8O7)、磺基水杨酸(Sulfosalicylic acid；HO3SC6H3(OH)CO2H)、草酸(Oxalic acid；H2C2O4)以及顺丁烯二酸(Maleic acid；C4H4O4)其中的一种，酸性溶液20的浓度为5g/L～150g/L，本实施例中，酸性溶液20的浓度为5(g/L)～150(g/L)之间的草酸(H2C2O4)。酸性溶液20还包含有一水溶性盐类，该水溶性盐类为选自包含有硫酸根离子(SO4 2-)、碳酸根离子(CO3 2-)以及硅酸根离子(SiO3 2-)其中的一种，该水溶性盐类浓度在0.1(g/L)～20(g/L)之间。在本实施例中，酸性溶液20为浓度在0.1(g/L)～20(g/L)之间的硫酸钠(Na2SO4)。酸性溶液20的酸碱值(pH值)范围在6以下。阳极30电性连接基材10且阳极30的移动速率为20m/min，阴极40电性连接一白金电极42，白金电极42部份伸入于酸性溶液20，使阴极40间接电性连接酸性溶液20。电流密度的范围为介于1ASD(A/dm2)～6ASD(A/dm2)之间，电压的范围在200伏特(Voltage)～400伏特(Voltage)之间，操作温度的范围在摄氏-4度～40度之间，操作温度较好的范围为控制在摄氏6度～15度之间。使用低温制程的目的在于：当氧化铝在超过摄氏40度之后，将使酸性溶液20内的化学反应的速度加快且进而大于电化学反应的速度，将促使绝缘层12的生成速度降低甚至停止生成绝缘层12，故操作温度要维持在摄氏40度以下，以确保绝缘层12能够继续生成并增加膜厚。预定时间的范围在5分钟～120分钟之间，预定时间的长短则根据绝缘层12要求的成膜厚度决定。
经由上述步骤，即可得到绝缘层12。本发明的技术特征在于：本发明运用中段电压，电压的范围介于200伏特(Voltage)～400伏特(Voltage)之间，其相比于一般阳极处理法(anodizing)以及微弧氧化阳极处理(MAO)属于中段电压，本发明使用此段电压区间能够避免电化学反应过快，使结晶结构在长晶时可以较规则的方式进行排列而呈柱状结构，其一方面可以克服一般阳极处理法(anodizing)因电压过低使得结晶成分不足的问题，另一方面可以克服微弧氧化阳极处理(MAO)因能量过高，防止结晶速度过快而来不及进行排列的问题，使绝缘层12的结晶结构可以呈柱状结构，而不是重叠状结晶状结构。由此，绝缘层12能够具有较好的硬度并进一步提高热传导系数。采用本发明处理后的基材10，其测试结果为，基材10的热传导系数提高到120(W/m·K)以上，具有散热效率较好的特色。
再者，绝缘层12的成膜速度与电压成正比，本发明的该电压相较于一般阳极处理法(anodizing)的低电压制程，本发明的成膜速度能够相对提高，具有缩短工时的特色。另外，就绝缘层12的结构而言，绝缘层12为氧化铝且为多孔结构(porousstructure)，绝缘层12膜厚的范围在20μm～300μm之间，由内往外还可区分为一阻障层(barrier layer)121以及一多孔层(porous layer)122，阻障层121以及多孔层122完全覆盖在基材10的表面，能够防止基材10的表面与外界的氧接触，具有防蚀以及绝缘的效果。再者，多孔层122能够相对增加基材10的散热面积，提高基材10的散热效果。
综上所述，由以上实施例可知，本发明通过上述步骤，运用发明人所研发的电化学激化阳极处理(electric-chemical collide oxidation anodizing；ECCO anodizing)技术，能够改善绝缘层的结晶结构并提高热传导系数，具有提高硬度以及散热效果的特色。另外，本发明所使用的电压操作区间介于一般阳极处理法(anodizing)以及微弧氧化阳极处理(MAO)之间，能够避免电化学反应过快，使结晶结构在长晶时可以较规则的方式进行排列而呈柱状结构，能够提高绝缘层的生成速度，具有降低工时的特色。换言之，与习用技术相比，本发明能够克服习用技术中绝缘层致密性以及成膜速度无法兼顾的问题，具有提高硬度以及散热效果的优点，并兼具有降低工时的特色。
本发明上述实施例所揭示的构成组件及方法步骤，仅为对本发明的举例说明，并不能用来限制本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权利要求书所限定的范围为准，其它等效组件或步骤的替代或变化，均应涵盖在本发明的专利保护范围内。
Claims (14)
1、一种金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于包括下列步骤：
a)提供一基材，所述基材的材质为选自铝、镁、钛及其合金所构成族群中的其中一种；
b)提供一酸性溶液、一阳极以及一阴极，所述阳极电性连接所述基材，所述阴极电性连接所述酸性溶液，选择适当的一电流密度以及一电压，所述电压的范围介于200伏特～400伏特之间，所述酸性溶液在一操作温度以及一预定时间内与所述基材产生反应并进行成膜处理，所述基材表面逐渐形成一绝缘层。
2、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤a)中的所述基材，先去除所述基材表面的氧化物、油污以及污渍，再进行纯水清洗以及低温干燥的工序。
3、如权利要求2所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤a)中的所述基材，采用超音波方式去除所述基材表面的氧化物、油污以及污渍。
4、如权利要求2所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤a)中所述纯水的电阻值在10KΩ以上。
5、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中的所述电流密度的范围在1ASD(A/dm2)～6ASD(A/dm2)之间。
6、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中的所述操作温度的范围在摄氏-4度～40度之间。
7、如权利要求6所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中所述操作温度的范围控制在摄氏6度～15度之间。
8、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中的所述酸性溶液为选自柠檬酸、磺基水杨酸、草酸及顺丁烯二酸其中的一种，所述酸性溶液的浓度为5g/L～150g/L。
9、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中的所述酸性溶液还包含有一水溶性盐类，所述水溶性盐类为选自包含有硫酸根离子、碳酸根离子以及硅酸根离子其中的一种，所述水溶性盐类浓度为0.1(g/L)～20(g/L)之间。
10、如权利要求9所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中的所述水溶性盐类为硫酸钠。
11、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中的所述酸性溶液的酸碱值范围在6以下。
12、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中所述预定时间的范围在5分钟～120分钟之间。
13、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中所述绝缘层为氧化铝，所述绝缘层由内往外还可区分为一阻障层以及一多孔层。
14、如权利要求1所述金属基材的电化学激化表面处理技术，其特征在于：步骤b)中所述阳极的移动速率为20m/min。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN103137402A (zh) * | 2011-11-30 | 2013-06-05 | 北大方正集团有限公司 | 一种电极改造方法、装置及用于刻蚀的机台 |
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2007
- 2007-05-30 CN CNA2007101038006A patent/CN101314864A/zh active Pending
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