CN101551352A - 检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法，包括以下步骤：数据采集，即通过一数据采集器实时采集铝阳极氧化皮膜表面的电压值Ut，并记录数据采集时间t；数据处理，即根据采集到的电压值Ut及数据采集时间t，通过一中央处理模块计算电压微分值Ut’；数据输出，即根据电压值Ut及电压微分值Ut’，通过一显示模块输出电压－时间曲线图及电压微分－时间曲线；比较曲线，根据电压－时间曲线及电压微分－时间曲线的形状，判断铝阳极氧化皮膜表面是否出现疮孔。与现有技术相比，本发明的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法成本低廉且操作简易。本发明还公开了一种检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置。

Description

检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种电解处理的检测方法，尤指一种检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置及其方法。
背景技术
由于铝及其合金质轻、导电、导热及延展性能好，故其在电子工业、机械制造及轻工业等方面有着广泛的应用。然铝及其合金的表面氧化皮膜太薄，抗腐蚀性能差，其应用受到限制。通过铝及其合金的电解阳极氧化工艺，可以使得其硬度及耐磨性提高，并且表面氧化皮膜具有大量的微孔，该微孔吸附能力强，可以吸附油脂、蜡、漆等，可作为各种涂料的基底。如果阳极氧化处理的初始参数设置不当，则氧化皮膜的局部电流密度分布不均，这会使得局部皮膜的微孔结构不均，微孔破裂或者皮膜剥离，使得染色后工件的局部表面出现疮孔。故需要检测氧化皮膜的微结构是否出现疮孔，以选择合理的阳极氧化处理参数(例如电流密度、工作温度及电解液浓度)。现有的检测方法是通过电子显微镜观察，然该方法的试片制备过程复杂，成本较高。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种低成本且操作简单的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置及其方法。
一种检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法，包括以下步骤：数据采集，即通过一数据采集器实时采集铝阳极氧化皮膜表面的电压值Ut，并记录数据采集时间t；数据处理，即根据采集到的电压值Ut及数据采集时间t，通过一中央处理模块计算电压微分值Ut’；数据输出，即根据电压值Ut及电压微分值Ut’，通过一显示模块输出电压-时间曲线图及电压微分-时间曲线；比较曲线，根据电压-时间曲线及电压微分-时间曲线的形状，判断铝阳极氧化皮膜表面是否出现疮孔。
一种检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置，包括：一容器，该容器中盛有电解液，一铝片伸入至电解液中；一电源供应器，该电源供应器用以输出电流并控制通过铝片的电流密度；一数据采集器，对通过铝片氧化皮膜表面的电压值Ut进行实时数据采集，并记录数据采集时间t；一中央处理模块，根据采集到的电压值Ut及数据采集时间t，计算电压微分值Ut’；以及一显示模块，根据电压值Ut及电压微分值Ut’，输出电压-时间曲线图及电压微分-时间曲线，根据电压-时间曲线及电压微分-时间曲线的形状，判断铝阳极氧化皮膜表面是否出现疮孔。
与现有技术相比，本发明根据电压-时间曲线及电压微分-时间曲线的形状，判断铝阳极氧化皮膜表面是否出现疮孔，不需要制备试片通过电子显微镜观察，因此检测成本低廉且操作简易。
附图说明
图1是本发明的一较佳实施例的硬件结构示意图。
图2是本发明的一较佳实施例的流程图。
图3是本发明的在电流密度15mA/cm2、电解液浓度15wt％及工作温度293K的电解条件下的电压-时间曲线及电压微分-时间曲线示意图。
图4是图2中t＝2s时铝阳极氧化皮膜的微观结构图。
图5是图2中t＝6s时电子显微镜下铝阳极氧化皮膜的微观结构图。
图6是图2中t＝12s时电子显微镜下铝阳极氧化皮膜的微观结构图。
图7是图2中t＝22s时电子显微镜下铝阳极氧化皮膜的微观结构图。
图8是在电解液浓度10wt％、工作温度303K及电流密度27mA/cm2的电解条件下的电压-时间曲线及电压微分-时间曲线示意图。
图9是在电解液浓度10wt％、工作温度303K及电流密度27mA/cm2的电解条件下的铝阳极氧化皮膜表面的微观结构图。
图10是在电解液浓度20wt％、工作温度283K及电流密度24mA/cm2的电解条件下的电压-时间曲线及电压微分-时间曲线示意图。
图11是在电解液浓度20wt％、工作温度283K及电流密度24mA/cm2的电解条件下的铝阳极氧化皮膜表面的微观结构图。
具体实施方式
下面参照附图，结合实施例详细说明本发明的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法。
如图1所示，该检测方法通过以下装置实现：一电源供应器1、一数据采集器8、一铝片9、一中央处理模块10、一显示模块11及一容器12。容器12中盛有电解液6，例如含硫酸、磷酸、铬酸或者有机酸等。容器12放置在冷却装置7中。冷却装置7可以是一恒温器，用以保持电解过程的温度，该恒温器可以设定不同的恒温值以调整电解过程的不同工作温度值。该检测方法采用三电极体系，电源供应器1的正极2连接铝片9(作为阳极)，负极3与一铝棒4(作为阴极)连接，参考电极5为饱和甘汞电极(SCE)，电源供应器输出的电流强度可以调节，进而控制通过铝片9的电流密度。数据采集器8的输入端81与铝片9连接，数据采集器8的参考电压端82连接到参考电极5，接地端83接地。数据采集器8的输出端84连接到中央处理模块10的输入端。中央处理模块10与显示模块11连接。
当铝片9浸入到电解液中后，检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法包括如图2所示的以下步骤：
数据采集，数据采集器8以100Hz的测量频率f采集铝阳极氧化皮膜表面的电压Ut，并将电压转换成数字信号输入到中央处理模块10，中央处理模块10则存储电压Ut及数据采集时间t；
数据处理，中央处理模块10根据电压Ut及测量频率f，计算电压Ut的微分值Ut’；
数据输出，中央处理模块10根据电压Ut、电压微分值Ut’及数据采集时间t，通过显示模块11或者绘图输出设备(图中未示出)分别输出电压-时间曲线20及电压微分-时间曲线21(图3)；以及
比较曲线，根据电压-时间曲线20及电压微分-时间曲线21的形状，判断铝阳极氧化皮膜表面是否出现疮孔。
进一步而言，数据处理步骤还包括以下子步骤：
计算电压变化量ΔUt，中央处理模块10根据所采集到的电压值Ut，计算电压变化量ΔUt＝Ut-Ut-1；
计算电压微分值Ut’，中央处理模块10根据ΔUt及f，计算电压微分值Ut’＝ΔU*f。
如图3所示，根据电压-时间曲线20及电压微分-时间曲线21，可以观测到铝阳极氧化皮膜生长过程，此时的电解条件是：电流密度15mA/cm2、电解液浓度15wt％及工作温度293K，与此同时通过电子显微镜观察铝阳极氧化皮膜。A、B、C三个坐标点将电压-时间曲线20及电压微分-时间曲线21划分四个部分，即生长致密层部分、微孔形成部分、微孔扩展部分及氧化皮膜稳定成长部分。电压-时间曲线20上的坐标点A(2.37，10.08)，即电压微分值达到最大值U’max＝3.96时，数据采集时间t＝tU’max＝2.37s，电压值为10.08V；电压-时间曲线20的坐标点B(8.51，25.54)，即电压值U达到最大值Umax＝25.54时，数据采集时间t＝tUmax＝8.51s，电压微分值U’等于零；电压-时间曲线20的坐标点C(20.08，17.75)，即电压值达到常数17.75V时，数据采集时间t＝tUconst＝20.08s，电压微分值为零。
如图3所示，0＜t＜tU’max为生长致密层部分，电压-时间曲线20及电压微分-时间曲线21迅速上升，直至电压微分-时间曲线21达到最大值U’max，此时电压值为10.08V。图4是t＝2s时电子显微镜所观测到的铝阳极氧化皮膜，此时铝阳极的表面形成致密层。
tU’max＜t＜tUmax为微孔形成部分，电压-时间曲线20进一步抬升，电压微分-时间曲线21则开始下滑，即铝阳极氧化皮膜表面的电压仍在不断增加，但是变化率在减少。直到t＝tUmax时，电压微分值等于零，电压值也达到最大值25.54。图5是t＝6s时电子显微镜所观测到的铝阳极氧化皮膜，此时铝阳极的表面开始形成微孔。
tUmax＜t＜tUconst为微孔扩展部分，其中电压微分-时间曲线21上的D点可以将微孔扩展部分分为两个部分，D点指电压微分值达到最小值U’min＝-1.71，此时数据采集时间为tU’min＝10.27。当tUmax＜t＜tU’min时，电压-时间曲线20及电压微分-时间曲线21都成下滑状态，当t＝tU’min＝10.27时，电压微分值达到最小值U’min＝-1.71，电压微分-时间曲线21在此形成波谷；tU’min＜t＜tUconst时，电压微分-时间曲线21开始抬升，但是仍为负值，电压-时间曲线20则继续下滑。当t＝tUconst时，电压微分值恢复到零。图6是t＝12s时电子显微镜所观测到的铝阳极氧化皮膜，此时铝阳极表面的微孔孔径在扩大。
t＞tUconst为皮膜稳定成长部分，电压-时间曲线20及电压微分-时间曲线21为水平线，即电压值始终保持在17.75V，电压微分值保持为零。图7是t＝22s时电子显微镜所观测到的铝阳极氧化皮膜，此时铝阳极氧化皮膜稳定成长，并分布有微孔。
在曲线比较过程中，通过以下方式判断阳极氧化皮膜是否出现疮孔：
如果电压微分-时间曲线21的微孔扩展部分是一段平滑曲线而仅出现一次波动，则铝阳极氧化皮膜没有出现疮孔；如果电压微分-时间曲线21的微孔扩展部分不是一段平滑曲线而是多次出现波动，则铝阳极氧化皮膜出现疮孔。
如图3所示，电压微分-时间曲线21的微孔扩展部分是一段平滑曲线，当t＜tU’min时，电压微分-时间曲线21下滑，当t＞tU’min时，电压微分-时间曲线21抬高，形成一波谷，在D点(t＝tU’min)电压微分-时间曲线21平滑过渡，此时电压微分-时间曲线21的微孔扩展部分是一段平滑曲线而仅出现一次波动。图7是在该电解条件下电子显微镜观察铝阳极氧化皮膜的图片。从图7中可以看到铝片表面已经形成致密的氧化皮膜，并均匀分布有微孔，没有出现疮孔。
如图8-11所示，图8示出在电解液浓度10wt％、工作温度303K及电流密度27mA/cm2的电解条件下的电压-时间曲线22及电压微分-时间曲线23。在图8中，t＝tU’min＝4.43s时电压微分值为最小值，电压微分-时间曲线23的微孔扩展部分出现了波动，即电压微分-时间曲线23先下滑至最小值，然后该曲线开始抬升，形成第一波谷，之后该曲线再次下滑后又抬升，形成第二波谷，此时电压微分-时间曲线23的微孔扩展部分不是一段平滑曲线而是多次出现波动。图9是在该电解条件下电子显微镜观察铝阳极氧化皮膜的图片。从图9中，可看到铝阳极氧化皮膜表面出现了疮孔，并且可以看到裂纹。
图10示出在电解液浓度20wt％、工作温度283K及电流密度24mA/cm2的电解条件下的电压-时间曲线24及电压微分-时间曲线25。在图10中，t＝tU’min＝10.21s时电压微分值为最小值，电压微分-时间曲线25的微孔扩展部分出现了波动，即电压微分-时间曲线25先下滑至最小值后开始抬升，形成一波谷，然后该曲线呈一段水平线，之后该曲线再次下滑后又抬升，形成又一波谷，此时电压微分-时间曲线25的微孔扩展部分不是一段平滑曲线而是多次出现波动。图11是在该电解条件下电子显微镜观察铝阳极氧化皮膜的图片。从图11中，可看到铝阳极氧化皮膜表面出现了疮孔，并且可以看到裂纹。
本发明不限于检测铝片的阳极氧化皮膜是否出现疮孔，还可以检测各种铝合金的阳极氧化皮膜是否出现疮孔。

Claims (10)

1.一种检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法，包括以下步骤：
数据采集，即通过一数据采集器实时采集铝阳极氧化皮膜表面的电压值Ut，并记录数据采集时间t；
数据处理，即根据采集到的电压值Ut及数据采集时间t，通过一中央处理模块计算电压微分值Ut’；
数据输出，即根据电压值Ut及电压微分值Ut’，通过一显示模块输出电压-时间曲线图及电压微分-时间曲线；以及
比较曲线，根据电压-时间曲线及电压微分-时间曲线的形状，判断铝阳极氧化皮膜表面是否出现疮孔。
2.根据权利要求1所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法，其特征在于，数据处理步骤中还包括以下步骤：
计算电压变化量ΔUt，并根据所采集到的电压值Ut，计算电压变化量ΔUt＝Ut-Ut-1；
计算电压微分值Ut’，并根据ΔUt及数据采集的测量频率f，计算电压微分值Ut’＝ΔU*f。
3.根据权利要求1所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法，其特征在于，电压微分值U’达到最大值U’max的时间点为tU’max，电压值U达到最大值Umax的时间点tUmax，电压值U达到常数Uconst的时间点tUconst，根据tU’max、tUmax及tUconst，电压-时间曲线及电压微分-时间曲线划分为四个部分，0＜t＜tU’max为致密层生长部分，tU’max＜t＜tUmax为微孔形成部分，tUmax＜t＜tUconst为微孔扩展部分，t＞tUconst为皮膜稳定生长部分。
4.根据权利要求3所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法，其特征在于，如果电压微分-时间曲线的微孔扩展部分是一段平滑曲线且仅出现一次波动，则铝阳极氧化皮膜没有出现疮孔；如果电压微分-时间曲线的的微孔扩展部分不是一段平滑曲线而是多次出现波动，则铝阳极氧化皮膜出现疮孔。
5.根据权利要求3所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的方法，其特征在于，当铝阳极氧化皮膜没有出现疮孔时，在微孔扩展部分的电压微分-时间曲线先下滑到电压微分最小值U’min，然后抬升到零。
6.一种检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置，包括：
一容器，该容器中盛有电解液，一铝片伸入至电解液中；
一电源供应器，该电源供应器用以输出电流并控制通过铝片的电流密度；
一数据采集器，对通过铝片氧化皮膜表面的电压值Ut进行实时数据采集，并记录数据采集时间t；
一中央处理模块，根据采集到的电压值Ut及数据采集时间t，计算电压微分值Ut’；以及
一显示模块，根据电压值Ut及电压微分值Ut’，输出电压-时间曲线图及电压微分-时间曲线，根据电压-时间曲线及电压微分-时间曲线的形状，判断铝阳极氧化皮膜表面是否出现疮孔。
7.根据权利要求6所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置，其特征在于，该容器放置在一冷却装置中，该冷却装置是一恒温器，用以保持电解过程的温度，该恒温器可以设定不同的恒温值以调整电解过程的不同工作温度值。
8.根据权利要求6所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置，其特征在于，该电源供应器输出的电流强度可以调节，进而控制通过铝片的电流密度。
9.根据权利要求6所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置，其特征在于，该电源供应器采用三电极体系，电源供应器的正极连接铝片作为阳极，负极与一铝棒连接作为阴极，参考电极为饱和甘汞电极。
10.根据权利要求9所述的检测铝阳极氧化皮膜出现疮孔的装置，其特征在于，该数据采集器的输入端与铝片连接，数据采集器的参考电压端连接到电源供应器的参考电极，数据采集器的输出端连接到中央处理模块的输入端，中央处理模块与显示模块连接。
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