CN102108538A

CN102108538A - 基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法

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Publication number: CN102108538A
Application number: CN2009101566580A
Authority: CN
Inventors: 刘远彬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-29

Abstract

基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法，包括去除待加工配件的表面油脂，并且用砂轮机对配件表面进行打磨以去除其表面的毛刺；将打磨好的配件置入微弧氧化槽中，经微弧氧化在配件表面形成一层致密的微弧氧化膜层；微弧氧化时，电源的脉冲频率为600～800HZ，脉冲占空比为20％，正脉冲数为20，负脉冲数为1，电流密度为5～20dm²，电压为0～350V，电解液温度为15～45℃，微弧氧化的时间为5～45min；微弧氧化的电解液包括硅酸盐7～11g/L，硼酸1.5～4.5g/L，氢氧化钾0.5～1.2g/L，双氧水2.1ml/L。本发明具有节水、节能、环保，生产效率高的优点。

Description

基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法。

技术背景

汽车空调配件的表面改性方法常用的有化学氧化和阳极氧化，但这些处理方法，在生产过程中都有大量污水排放，尤其是阳极氧化，需通过反复化学清洗、酸洗、硷洗，不仅污水排放量大，还耗水、耗电。而微弧氧化是在阳极氧化的基础上发展起来的一项新的表面处理技术。

发明内容

为克服现有技术的污水排放量大，耗水、耗电的缺点，本发明提供了一种节水、节能、环保，生产效率高的基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法。

基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法，包括以下步骤：

1、去除待加工配件的表面油脂，并且用砂轮机对配件表面进行打磨以去除其表面的毛刺；

2、将打磨好的配件置入微弧氧化槽中，经微弧氧化在配件表面形成一层致密的微弧氧化膜层；微弧氧化时，电源的脉冲频率为600～800HZ，脉冲占空比为20％，正脉冲数为20，负脉冲数为1，电流密度为5～20dm²，电压为0～350V，电解液温度为15～45℃，微弧氧化的时间为5～45min；微弧氧化的电解液包括硅酸盐7～11g/L，硼酸1.5～4.5g/L，氢氧化钾0.5～1.2g/L，双氧水2.1ml/L。

进一步，步骤2中所述的微弧氧化时，电源的脉冲频率为800HZ，脉冲占空比为20％，微弧氧化的时间为45min，微弧氧化的电压为350V，电解液温度为25～45℃。

进一步，对配件表面的微弧氧化膜层测定厚度，检测耐蚀性，测试硬度，分析微弧氧化膜层表面形貌、端面形貌及其相组成，检测微弧氧化膜层结合硬度。

进一步，通过中性盐雾试验对陶瓷膜的耐蚀性进行检测。

本发明的技术构思是：通过微弧氧化使在汽车空调配件中铝和铝合金产品表面获得耐磨、耐腐蚀、绝缘、装饰美观，并与基体结合良好的微弧氧化膜层；使产品具有表面光亮，高耐磨、耐蚀性，使用寿命长等特点，同时微弧氧化工艺生产效率高，节水、节能，无公害化。为汽车空调配件企业实现环保、节能，产品升级换代打好基础，扩大出口，提高经济效益，从而增强企业竞争力。

本发明具有节水、节能、环保，生产效率高的优点。

附图说明

图1为微弧氧化工艺的流程图

图2为微弧氧化膜层厚度与电流密度的关系

图3为微弧氧化膜层厚度-电压-时间的关系曲线

图4为微弧氧化膜层的耐蚀性随频率的变化关系

图5为微弧氧化膜层的厚度随频率的变化关系

图6为微弧氧化膜层的厚度随反应时间的变化关系

图7为微弧氧化膜层的耐腐蚀性随反应时间的变化关系

图8为微弧氧化膜层的厚度随反应温度的变化关系

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

2、将打磨好的配件置入微弧氧化槽中，经微弧氧化在配件表面形成一层致密的微弧氧化膜层；微弧氧化时，电源的脉冲频率为600～800HZ，脉冲占空比为20％，正脉冲数为20，负脉冲数为1，电流密度为5～20dm²，电压为0～350V，电解液温度为15～45℃，微弧氧化的时间为5～45min；微弧氧化的电解液包括硅酸盐7～11g/L，硼酸1.5～4.5g/L，氢氧化钾0.5～1.2g/L，双氧水2.1ml/L。所述的微弧氧化膜层为陶瓷氧化膜。

步骤2中所述的微弧氧化时，电源的脉冲频率为800HZ，脉冲占空比为20％，微弧氧化的时间为45min，微弧氧化的电压为350V，电解液温度为25～45℃。

对配件表面的微弧氧化膜层测定厚度，检测耐蚀性，测试硬度，分析微弧氧化膜层表面形貌、端面形貌及其相组成，检测微弧氧化膜层结合硬度。

微弧氧化膜层的制备受多方面因素的影响，主要有以下几点：①电流密度；②氧化电压；③氧化时的温度；④微弧氧化时间；⑤电源的频率。

如图2所示，在相同氧化时间内，随着电流密度的增加，陶瓷膜的厚度也显著的增加，试验中发现，随着电流密度的提高，表面放电也随之剧烈，弧光强度明显增强，在电流密度为30A/dm²时，90min以后，工件表面局部放电的现象就比较严重，局部反应发生逆转而烧蚀。试验表明电流密度应该选择在5-20A/dm²的范围内比较适宜。

如图3所示，氧化膜的厚度随微弧氧化处理的终止电压的升高而增加；试样的表面粗糙度也随微弧氧化处理的终止电压U终的升高而增加。因此为了提高氧化膜表面质量，降低表面粗糙度，应选择较低的U终。然而，终止电压U终的降低又会导致氧化膜厚度的降低。为了解决氧化膜层表面粗糙度与厚度之间的矛盾，可以通过延长微弧氧化处理的时间以获得一定厚度的氧化膜，同时找出最佳的微弧氧化处理电压以降低表面粗糙度，这样就可以获得表面质量好并具有一定厚度的氧化膜层。

试验优化的结果，最终优化电压为：350V以下。

为研究频率对膜层性能的影响，试验在恒流10A/dm²，氧化时间为45min下，选择膜厚、耐蚀性能作为考查指标，试验结果如图4、5所示。

频率对氧化膜的耐腐蚀性具有重要的影响，而对氧化膜的厚度影响不大。在恒流微弧氧化方式下，通过调节频率大小，观察膜厚、耐蚀性能的变化，发现当频率在一定范围内不断升高时，氧化膜的耐腐蚀性呈现出逐渐增加的趋势，其厚度上下波动变化很小，氧化膜较致密。因此通过调节频率的大小，可以控制氧化膜的致密性，进而提高其耐腐蚀性，但是，当频率过高时，单位时间内的脉冲数就会过多，前一次被击碎的熔融的陶瓷小颗粒可能还是熔融态，这样和下一次被击碎的熔融态小颗粒像两滴水合成一大滴水一样变成了大的熔融态颗粒。冷凝后得到的膜层是由粗大的陶瓷颗粒组成的其耐蚀性能也就不好。

因此在微弧氧化中，应控制频率在一定范围内，不能无限的升高。综合考虑取频率为800Hz。

如图6、7所示，从5min到45min的反应时间内，氧化膜的厚度增长迅速；45min后氧化膜的厚度增长相对缓慢。这是因为在微弧氧化过程中，随着反应时间的延长，氧化膜厚度逐渐增加，其耐击穿能力增强，击穿氧化膜继续反应变得困难，氧化膜表面上的弧点变弱变稀，反应的程度明显减弱。当反应时间足够长，氧化膜的生长速度和溶解速度会建立一个动态的平衡，氧化膜厚度就不会再增加。而膜的耐蚀性能与硬度都是随着反应时间的变化先增加后降低，可能的原因是随着反应时间的延长膜的表面变的粗糙，致使膜层的耐蚀性能和硬度有所下降。

优化出氧化时间为：45min。

如图8所示，电解液温度在15℃至40℃范围内，随电解液温度升高，耐蚀性和膜层厚度都有一个上升的趋势，而温度高于40℃膜的粗糙度变大，耐蚀性也在下降。这是因为，温度越高，工件与溶液界面的水气化越厉害，成膜速度也越快，但其粗糙度随之增加。同时温度越高，电解液蒸发也越快，溶液损耗严重。

微弧氧化电解液温度应控制在25℃至45℃之间为宜。

试验过程中，采用中性盐雾试验对陶瓷膜的耐腐蚀性能进行检测，盐雾试验温度35℃，喷雾时间150h，检测结果：Rp＝10(无缺陷)，RA＝10VsB(非常轻度腐蚀，肉眼难以观测)。

确定电解液配方的步骤包括：

(1)通过正交试验法确定硅酸盐的浓度。采用3因素4水平的正交实验法，按照L₉(3⁴)表1做9组试验，首先确定单组分KOH的浓度，然后在其中加入Na₂Si0₃并确定其浓度。因为铝合金在碱性溶液里很溶液被腐蚀，当氢氧化钾的浓度大于1.8g/L时，基体就会严重失重几乎不能成膜，预确定该参数为0.5、0.8、1.2g/L；在其中加入硅酸钠浓度为7～11g/L时膜厚成线性增加，当浓度大于11g/L时膜厚增加缓慢，预确定该参数为7、9、11g/L；再加入硼酸作为络合剂，还起到调节pH值的作用，但随着硼酸的加入起弧电压、电流也增加，初步确定为1.5、3、4.5g/L。而强氧化剂对膜层性能影响不是太大，固定其为2.1ml/L。

表1正交表L₉(3⁴)

按照表2组成正交实验因素水平值，进行正交实验设计，通过直观和方差分析优化试验结果。

表2正交试验因素水平值

注：双氧水H₂O₂固定为2.1ml/L

按正交表1的实验号中规定的水平组合进行9组试验，根据相关参考文献和现有测试条件选取耐蚀性、膜厚和硬度作为考察指标，不考虑各因素之间的交互作用，进行正交实验，得出的具体实验数据如表3所示。

表3正交实验结果

(2)计算极差，确定因素的主次顺序

极差分析是通过每个因素在不同水平上的平均指标值的极差发现该因素的显著程度，并从中找出最好的组合搭配。各因素的Hi、hi、R计算结果见表3.10，其中Hi表示任意列上水平号为i(i＝1、2、3)时所对应的实验结果之和，hi表示任意列上因素取水平i时所得实验结果的算术平均值，R表示极差，在任意列上R＝max{h1，h2，h3}-min{h1，h2，h3}，极差越大说明该因素的水平对实验结果的影响越大。

表3.10极差分析

(3)较优方案的确定

因素A：对于膜厚、耐蚀性这二个考察指标都是取A3好，而且对于膜层的耐蚀性和厚度来讲A因素是最主要的因素，在确定较优水平时应重点考虑；对于硬度这一指标来讲则是A2好，虽然A是硬度指标的主要影响因素，但是铝合金微弧氧化的目的主要在于提高其表面的耐蚀性，所以选取A3。

因素B：对于耐蚀性、硬度这二个考察指标都是取B3好，对于膜厚指标来则是B2好，B取B2和B3时膜层厚度的极差仅是1，考虑到多数倾向和降低成本的原则，选取B3。

因素C：C做为性能改善剂，其对膜厚、硬度、腐蚀时间的影响相对大一点，随着电解液浓度的增加，生成的陶瓷膜被溶解的速度增大。对于耐蚀性和硬度这两个考察指标都是取C2水平综合性能最好。

直观分析具有简单直观，计算量小等优点，但是不能估计误差的大小，不能精确估计每个因素的试验结果影响的重要程度，如果对试验结果进行方差分析，就能弥补这些不足。

通过方差分析计算，结果如表3.11所示。

表3.11方差分析结果

考虑到3个指标中耐腐蚀性最重要，其次是膜厚和膜厚和硬度，综合直观分析和方差分析，最终确定的最佳配方为A3B3C2，即硅酸盐10g/L、硼酸4.5g/L、氢氧化钾1g/L，双氧水2ml/L。

微弧氧化主要按以下几个步骤进行：

1)工件前处理：

(1)除油：除去工件表面的各种油脂，这些油污包括植物油、动物油和矿物油。只有将这些油污彻底清除，才能达到工件的表面全部被溶液所润湿的目的。本试验除油时使用一般洗涤剂将工件表面洗净即可。

(2)打磨：先用砂轮机磨掉表面的毛刺，再用500目、800目的水砂纸对试样进行细磨，可使工件表面更加平整，这样生成的微弧氧化膜层更加均匀，平整的表面有利于性能的检测。

2)然后按如下几个步骤进行微弧氧化：

(1)将烧杯放入冷却水槽中，按要求连接好阴极和阳极，注意确保工件和线路良好的接触，否则氧化时会因接触不良产生局部漏电现象，导致工件不能正常起弧。

(2)启动搅拌器，调节好转速。

(3)启动微弧氧化电源，选择合适的工作方式，按试验条件设定工艺电参量进行微弧氧化。启动电源时首先应保证合金在外电场的作用下在溶液中形成一层绝缘膜膜层，这样金属表面就可以有活性溶解状态转变为钝性状态，在调节电压时刚开始慢慢调节，给金属一个钝化的时间过程，金属处于钝态时的腐蚀速率非常低，可减少达4～6个数量级。

(4)微弧氧化过程结束后，应当按照正常的顺序将电压、电流归零，关闭微弧氧化电源及其它设备。

(5)从烧杯中取出工件，及时用自来水冲洗，也起到一个表面封孔的作用，要求表面不能残留任何电解液。

(6)自然干燥后进行性能检测。

对配件表面的微弧氧化膜层进行性能测定包括以下几个方面：

1)外观检测

外观检测是对微弧氧化膜层性能表征的最简单和实用的方法，铝合金微弧氧化处理后，借助天然光或在日光下目测检验，观察表面氧化膜层的孔隙大小、色泽是否均匀、有无斑点、脱皮等。

2)厚度测定

使用数字式覆层测厚仪测量微弧氧化膜的厚度，测厚仪测定微弧氧化膜的厚度以前要校正零点，然后在每个试样不同的表面取十个点测量厚度，取其平均值作为厚度的测量值。

3)通过中性盐雾试验对陶瓷膜的耐蚀性进行检测。

4)硬度测试

硬度是微弧氧化膜的一项重要物理性能，其大小直接影响氧化膜的一些重要使用性能，如耐磨性。测定微弧氧化膜的硬度时要根据铝合金表面层的厚薄以及估计的硬度值选择硬度计的使用载荷的大小，载荷大，测量的误差相对要小一些，但大载荷可能会穿透表面层，有时还会使膜层破裂。

5)陶瓷膜表面形貌、断面形貌及其相组成分析

微弧氧化膜的微观组织包括微观形貌、微观结构和相组成。由于微弧氧化膜是反光性能不好的陶瓷膜层，所以使用一般的光学显微镜不能观测其微观形貌。通常情况下，先对微弧氧化膜进行喷金处理，使其表面能够导电，然后再使用扫描电子显微镜观察微弧氧化陶瓷膜的微观形貌特征，扫描电子显微镜可以观察氧化膜上微孔的大小，微裂纹的多少，氧化膜截面的形貌。使用透射电子显微镜(TEM)观察氧化膜的微观结构及晶粒大小。另外可用衍射仪分析陶瓷膜的相结构。

6)陶瓷膜结合强度的检测

结合强度也称为附着力，指将单位面积上的表面处理层从基体上分离开所需的力。主要方法有：划痕法、划格法、拉力法、摩擦法、剥离法、形变法、加热法等。具体选择时，应综合考虑表面处理层的厚度、特性以及基材状态等因素，铝合金微弧氧化膜质硬，本试验采用形变法定性分析膜基结合强度。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法，包括以下步骤：

1)、去除待加工配件的表面油脂，并且用砂轮机对配件表面进行打磨以去除其表面的毛刺；

2)、将打磨好的配件置入微弧氧化槽中，经微弧氧化在配件表面形成一层致密的微弧氧化膜层；微弧氧化时，电源的脉冲频率为600～800HZ，脉冲占空比为20％，正脉冲数为20，负脉冲数为1，电流密度为5～20dm²，电压为0～350V，电解液温度为15～45℃，微弧氧化的时间为5～45min；微弧氧化的电解液包括硅酸盐7～11g/L，硼酸1.5～4.5g/L，氢氧化钾0.5～1.2g/L，双氧水2.1ml/L。

2.如权利要求1所述的基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法，其特征在于：步骤2中所述的微弧氧化时，电源的脉冲频率为800HZ，脉冲占空比为20％，微弧氧化的时间为45min，微弧氧化的电压为350V，电解液温度为25～45℃。

3.如权利要求1或2所述的基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法，其特征在于：对配件表面的微弧氧化膜层测定厚度，检测耐蚀性，测试硬度，分析微弧氧化膜层表面形貌、端面形貌及其相组成，检测微弧氧化膜层结合硬度。

4.如权利要求3所述的基于微弧氧化的汽车空调配件的表面改性方法，其特征在于：通过中性盐雾试验对陶瓷膜的耐蚀性进行检测。