CN101608332B - 表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金及其制备方法 - Google Patents

表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种铝合金，包括一铝合金基体及形成于该基体表面的微弧氧化陶瓷膜，所述陶瓷膜包括一底部过渡层，该陶瓷膜还包括一中间致密层及一表面致密层。一种铝合金的制备方法，用以使该铝合金表面生成无疏松层的微弧氧化陶瓷膜，其包括如下步骤：将铝合金基体置于含电解液的氧化槽中；采用恒定电流对该铝合金基体进行初始氧化处理；采用正负双向脉冲电压对铝合金基体继续进行氧化处理，所述正负向电压上升到最大值后保持恒定，最大恒定正电压为450V～650V，最大恒定负电压为30V～200V，正负向脉宽为1000～10000μs，脉间为300～2000μs，所述继续氧化处理时间为30～180分钟，处理温度在20～50℃之间。

Description

表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金及其制备方法
技术领域
本发明是关于一种表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金因其具有密度小、质量轻、可加工性能好以及比强度高等特点，目前已被广泛应用于建筑、汽车、航空及电子产品等领域。然而由于铝合金硬度低、耐腐蚀性差等缺点，使用前一般需要对铝合金进行表面处理以使其表面上生成一硬度高、耐腐蚀性强的氧化膜层。
微弧氧化技术(又称等离子体氧化、阳极火花沉积、火花放电阳极沉积和表面陶瓷化等)是一种直接在金属表面原位生长氧化膜的技术。传统的对铝合金进行微弧氧化后在其表面生成的陶瓷膜一般具有三层结构：底部过渡层、中间致密层及表面疏松层。由于疏松层疏松多孔，腐蚀性物质很容易渗透进去造成膜层腐蚀，且疏松层相对于致密层的硬度较低、耐摩擦性能差，通常在实际应用中要将其打磨除去。然而去除疏松层一方面增加了微弧氧化工艺的复杂性，另一方面还容易破坏致密层的微观表面结构，降低膜层的耐磨性能。因此铝合金微弧氧化陶瓷膜表面疏松层的生成对实际工程的应用产生了严重阻碍。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金，该陶瓷膜表面无疏松层。
另外，还有必要提供一种上述具微弧氧化陶瓷膜的铝合金的制备方法。
一种铝合金，其包括一铝合金基体及形成于该基体表面上的微弧氧化陶瓷膜，所述陶瓷膜包括一底部过渡层，该陶瓷膜还包括一中间致密层及一表面致密层；该铝合金的制备包括如下步骤：将铝合金基体置于含电解液的氧化槽中；采用恒定电流对该铝合金基体进行初始氧化处理；采用正负双向脉冲电压对铝合金基体继续进行氧化处理，所述正负向电压上升到最大值后保持恒定，其中最大恒定正电压为450V～650V，最大恒定负电压为30V～200V，正负向脉宽设置为1000～10000μs，脉间为300～2000μs，继续氧化处理时间为30～180分钟，处理温度在20～50℃之间。
一种铝合金的制备方法，用以使该铝合金表面生成无疏松层的微弧氧化陶瓷膜，其包括如下步骤：
将铝合金基体置于含电解液的氧化槽中；
采用恒定电流对该铝合金基体进行初始氧化处理；
采用正负双向脉冲电压对铝合金基体继续进行氧化处理，所述正负向电压上升到最大值后保持恒定，其中最大恒定正电压为450V～650V，最大恒定负电压为30V～200V，正负向脉宽设置为1000～10000μs，脉间为300～2000μs，所述继续氧化处理时间为30～180分钟，处理温度在20～50℃之间。
本发明表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金的制备方法通过在强碱性的电解液中对铝合金基体进行氧化处理，控制工艺条件，并施以负向脉冲电压加速氧化膜表面疏松层的溶解，同时沉积生长致密层，使得本发明铝合金微弧氧化陶瓷膜不形成表面疏松层，避免了去除表面疏松层的工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明较佳实施方式表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金的剖面扫描电镜(SEM)图。
具体实施方式
本发明较佳实施方式的表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金100如图1所示，其包括一铝合金基体10及一生长于所述基体10上的陶瓷膜12，该陶瓷膜12包括一直接结合于所述基体10上的过渡层11、一生长于过渡层11上的中间致密层13及一生长于中间致密层13上的表面致密层15。
所述陶瓷膜12的成分主要为α-Al2O3，同时含有其它氧化物成分。该陶瓷膜12的厚度可在30～150μm之间，硬度可达500～2800HV。
所述过渡层11的厚度约占陶瓷膜12总厚度的4％～7％，其与基体10形成咬合状的冶金结合，提高了陶瓷膜12在基体10上的附着力。
所述中间致密层13的厚度约占陶瓷膜12总厚度的50％～70％。中间致密层13形成有微米级的盲型微孔。
所述表面致密层15的厚度约占陶瓷膜12总厚度的24％～45％。表面致密层15成膜均匀，相较于中间致密层13更光滑致密，孔隙率更低。
本发明较佳实施方式的表面具微弧氧化陶瓷膜12的铝合金100的制备方法，其包括如下步骤：
首先将铝合金基体10置入碱性除污液中进行除污处理约10分钟，以清除所述基体10上的油污及脏物。除污后对基体10进行水洗处理。
将除污后的铝合金基体10置于含电解液的不锈钢氧化槽中，当采用正向电压时以所述铝合金基体10为阳极，不锈钢氧化槽为阴极。所述电解液可为磷酸盐溶液、硼酸盐溶液、硅酸盐溶液、铝酸盐溶液或氢氧化物溶液中的一种或几种。所述磷酸盐溶液可为六聚偏磷酸钠((NaPO3)6，5.0～25.0g/L)、三偏磷酸钠((NaPO3)3，5.0～25.0g/L)或磷酸二氢钠(NaH2PO4，30.0～80.0g/L)溶液，硼酸盐溶液可为四硼酸钠(Na2B4O7，0.1～5.0g/L)溶液，硅酸盐溶液可为硅酸钠(Na2SiO3，2.0～10.0g/L)溶液，铝酸盐溶液可为偏铝酸钠(NaAlO2，2.0～10.0g/L)溶液，氢氧化物溶液可为氢氧化钾(KOH，0.5～4.0g/L)、氢氧化钠(NaOH，0.5～4.0g/L)溶液。所述电解液中还可添加钨酸盐(如钨酸钠(Na2WO4，2.0～5.0g/L))、钒酸盐(如偏钒酸钠(NaVO3，15.0～30.0g/L)或偏钒酸铵(NH4VO3，15.0～30.0g/L))、硫酸盐(如硫酸钴(CoSO4，0.1～1.5g/L)或硫酸铜(CuSO4，0.5～10.0g/L))、氟化钠(NaF，20.0～30.0g/L)、乙酸钴(Co(C2H4O2)2，0.1～1.5g/L)、山梨醇(C6H14O6，0.5～6.0g/L)或甘油(C3H8O3，0.5～6.0g/L)中的一种或几种。所述电解液的pH值在10.5～12.5之间。
采用恒定电流对铝合金基体10进行初始氧化处理，该恒定电流密度为2～20A/dm2，处理时间1～5分钟，处理温度在20～50℃之间。所述铝合金基体10初始氧化处理后在其表面生长有氧化膜层，该氧化膜层包括一过渡层、一致密层及一表面疏松层。
对所述铝合金基体10进行初始氧化处理后，采用正负双向脉冲电压对该基体10继续进行氧化处理。正负向电压在切换时均以一定速率上升到最大值后保持恒定，其中最大恒定正电压可在450V～650V之间，最大恒定负电压可在30V～200V之间，正负向脉宽可为1000～10000μs，脉间为300～2000μs，所述继续氧化处理时间为30～180分钟，处理温度在20～50℃之间。
在采用正负双向脉冲电压对所述铝合金基体10进行氧化处理过程中，当施加正向电压时铝合金基体10为阳极，在基体10上发生氧化反应生成具有过渡层、致密层及表面疏松层的氧化膜；当电压转为负向脉冲时，铝合金基体10为阴极，此时基体10表面的氧化铝陶瓷膜发生还原反应，氧化铝被还原后继而被强碱性的电解液溶解。由于电化学的尖端效应，且陶瓷膜的表面疏松层容易被碱性溶液所渗透，因此在此过程中疏松层首先被溶解掉，而致密层被溶解的很少，待电压转为正向脉冲时，铝合金基体10表面便继续沉积生成致密层及疏松层，待电压转为负向脉冲时，所述陶瓷膜表面便又重复表面疏松层的溶解及致密层的沉积生长，从而在氧化完成后在铝合金基体10表面生成具过渡层11、中间致密层13及表面致密层15的陶瓷膜12。
氧化完成后对所述铝合金100进行水洗及烘干处理。
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：选取1060型铝合金基体，以氢氧化钾(KOH，1.0g/L)、硅酸钠(Na2SiO3，2.0g/L)的混合溶液为电解液，采用恒定电流，以所述基体为阳极，不锈钢氧化槽为阴极对基体进行初始氧化。所述恒定电流密度为5A/dm2，初始氧化处理时间为1分钟，处理温度为20℃。所述初始氧化完成后采用正负双向脉冲电压对基体继续进行氧化处理，正负向电压在切换时均以一定速率上升到最大值后保持恒定。其中最大正电压设置为500V，最大负电压设置为60V，正负向脉宽均为1000μs，脉间为300μs。所述继续氧化处理总时间为60分钟，处理温度为20℃。本实施方式所得陶瓷膜厚度为30～35μm，其中中间致密层厚度约为18μm，表面致密层厚度约为10μm，其余为过渡层。所述陶瓷膜颜色为浅灰色。
实施例2：选取2017型铝合金基体，以氢氧化纳(NaOH，2.0g/L)、氟化钠(NaF，20.0g/L)、偏铝酸钠(NaAlO2，2.0g/L)的混合溶液为电解液，采用恒定电流，以基体为阳极，不锈钢氧化槽为阴极对基体进行初始氧化。所述恒定电流密度为6A/dm2，初始处理时间为2分钟，处理温度为20℃。所述初始氧化完成后采用正负双向脉冲电压对基体继续进行氧化处理，正负向电压在切换时均以一定速率上升到最大值后保持恒定，其中最大正电压设置为550V，最大负电压设置为90V，正负向脉宽均为2000μs，脉间为500μs。所述继续氧化处理总时间为90分钟，处理温度为30℃。本实施方式所得氧化膜厚度为50～60μm，其中中间致密层厚度约为32μm，表面致密层厚度约为21μm，其余为过渡层。所述氧化膜的颜色为棕黑色。
实施例3：选取LY12型铝合金基体，以氢氧化纳(NaOH，2.0g/L)、四硼酸钠(Na2B4O7，1.0g/L)、钨酸钠(Na2WO4，2.0g/L)、甘油(C3H8O3，2.0g/L)的混合溶液为电解液，采用恒定电流，以基体为阳极，不锈钢氧化槽为阴极对基体进行初始氧化。所述恒定电流密度为7A/dm2，初始处理时间为2分钟，处理温度为30℃。所述初始氧化完成后采用正负双向脉冲电压对基体继续进行氧化处理，正负向电压在切换时均以一定速率上升到最大值后保持恒定，其中最大正电压设置为550V，最大负电压设置为120V，正负向脉宽均为3000μs，脉间为1000μs。所述继续氧化处理总时间为100分钟，处理温度为40℃。本实施方式所得氧化膜厚度为60～70μm，其中中间致密层厚度约为40μm，表面致密层厚度约为25μm，其余为过渡层。所述氧化膜的颜色为深棕色。
实施例4：选取5052型铝合金基体，以氢氧化纳(NaOH，2.0g/L)、六聚偏磷酸钠((NaPO3)6，25.0g/L)、三偏磷酸钠((NaPO3)3，25.0g/L)、偏钒酸铵(NH4VO3，15.0g/L)、甘油(C3H8O3，2.0g/L)、硅酸钠(Na2SiO3，2.0g/L)的混合溶液为电解液，采用恒定电流，以基体为阳极，不锈钢氧化槽为阴极对基体进行初始氧化。所述恒定电流密度为8A/dm2，初始处理时间为3分钟，处理温度为20℃。所述初始氧化完成后采用正负双向脉冲电压对基体继续进行氧化处理，正负向电压在切换时均以一定速率上升到最大值后保持恒定，其中最大正电压设置为450V，最大负电压设置为60V，正负向脉宽均为3000μs，脉间为1000μs。所述继续氧化处理总时间为35分钟，处理温度为35℃。本实施方式所得氧化膜厚度为30～35μm，其中中间致密层厚度约为20μm，表面致密层厚度约为12μm，其余为过渡层。所述氧化膜的颜色为黑色。
实施例5：选取7075型铝合金基体，以氢氧化钾(KOH，1.0g/L)、硅酸钠(Na2SiO3，2.0g/L)、四硼酸钠(Na2B4O7，1.0g/L)的混合溶液为电解液，采用恒定电流，以基体为阳极，不锈钢氧化槽为阴极对基体进行初始氧化。所述恒定电流密度为10A/dm2，初始处理时间为5分钟，处理温度为20℃。所述初始氧化完成后采用正负双向脉冲电压对基体继续进行氧化处理，正负向电压在切换时均以一定速率上升到最大值后保持恒定，其中最大正电压设置为600V，最大负电压设置为150V，正负向脉宽均为3000μs，脉间为300μs。所述继续氧化处理总时间为30分钟，处理温度为35℃。本实施方式所得氧化膜厚度约为80～90μm，其中中间致密层厚度约为50μm，表面致密层厚度约为32μm，其余为过渡层。所述氧化膜的颜色为浅棕黄色。
本发明表面具微弧氧化陶瓷膜的铝合金的制备方法通过在强碱性的电解液中对铝合金基体10进行氧化处理，控制工艺条件，并施以负向脉冲加速氧化膜表面疏松层的溶解，同时沉积生长致密层，使得本发明铝合金100的微弧氧化陶瓷膜12无表面疏松层的形成，避免了去除表面疏松层的工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。

Claims (10)

1.一种铝合金，其包括一铝合金基体及形成于该基体表面上的微弧氧化陶瓷膜，所述陶瓷膜包括一底部过渡层，其特征在于：该陶瓷膜还包括一中间致密层及一表面致密层；该铝合金的制备包括如下步骤：将铝合金基体置于含电解液的氧化槽中；采用恒定电流对该铝合金基体进行初始氧化处理；采用正负双向脉冲电压对铝合金基体继续进行氧化处理，所述正负向电压上升到最大值后保持恒定，其中最大恒定正电压为450V～650V，最大恒定负电压为30V～200V，正负向脉宽设置为1000～10000μs，脉间为300～2000μs，继续氧化处理时间为30～180分钟，处理温度在20～50℃之间。
2.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述表面致密层孔隙率低于中间致密层孔隙率。
3.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述陶瓷膜的总厚度在30～150μm之间，硬度在500～2800HV之间。
4.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述底部过渡层的厚度占陶瓷膜总厚度的4％～7％，所述中间致密层的厚度占陶瓷膜总厚度的50％～70％，表面致密层的厚度占陶瓷膜总厚度的24％～45％。
5.一种铝合金的制备方法，用以使该铝合金表面生成无疏松层的微弧氧化陶瓷膜，其包括如下步骤：
将铝合金基体置于含电解液的氧化槽中；
采用恒定电流对该铝合金基体进行初始氧化处理；
采用正负双向脉冲电压对铝合金基体继续进行氧化处理，所述正负向电压上升到最大值后保持恒定，其中最大恒定正电压为450V～650V，最大恒定负电压为30V～200V，正负向脉宽设置为1000～10000μs，脉间为300～2000μs，继续氧化处理时间为30～180分钟，处理温度在20～50℃之间。
6.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述初始氧化处理的电流密度为2～20A/dm2，处理时间为1～5分钟，处理温度在20～50℃之间。
7.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述电解液中含有氢氧化物、磷酸盐、硼酸盐、硅酸盐或铝酸盐中的一种或几种。
8.如权利要求7所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述电解液中还含有钨酸盐，钒酸盐，硫酸盐，氟化钠、乙酸钴、山梨醇或甘油中的一种或几种。
9.如权利要求7所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述电解液的pH值在10.5～12.5之间。
10.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于：氧化处理前对所述铝合金基体进行除污清洗处理。
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