CN102605405A

CN102605405A - 一种提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法

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Publication number: CN102605405A
Application number: CN2011104313675A
Authority: CN
Inventors: 宇波; 汤智慧; 吴松林; 陈洁; 陆峰; 彭超; 朱瑞鑫; 张晓云; 丁建岗; 易俊兰; 刘明辉; 宋袁曾
Original assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp; Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd
Current assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp; Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明是一种提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，所用的阳极化溶液由硫酸、硼酸钠、苹果酸及铈的至少一种无机盐和水按比例混合，阳极化采用控制电压方式，对铝或铝合金材料进行阳极化处理。采用本发明制备的阳极化膜层耐蚀性好、与有机漆膜结合性能优异、对基体疲劳性能影响低，具有工艺简单、性能稳定、成膜效率高、对环境污染小的特点，可用于替代传统的铬酸阳极化、硫酸阳极化技术，应用于航空等各行业的铝及铝合金材料表面防护。

Description

一种提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法

技术领域

本发明是一种提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，属于金属的表面处理技术领域。

背景技术

铝及铝合金是目前应用量最广泛的金属结构材料之一。选择合适的铝及铝合金表面处理工艺对于提高铝及铝合金的耐蚀性、增强其与有机涂层的结合力、保证基体材料的疲劳性能有着重要作用。传统的铝及铝合金表面防护工艺通常采用硫酸阳极化或铬酸阳极化工艺。硫酸阳极化虽然有着良好的耐蚀性能，但对于基体的疲劳性能影响很大，不能满足铝及铝合金零件安全、长寿命的使用要求；铬酸阳极化对基体的疲劳性能影响较小，但由于膜层较薄，耐蚀性较差，不能满足铝及铝合金零件防护性能的要求，同时铬酸盐对环境还会产生很大污染。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足设计提供了一种提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，该方法是利用硫酸-硼酸盐-苹果酸-铈盐水溶液，通过电解法阳极化铝及铝合金部件，是一种具有低环境影响的高性能铝及铝合金防护方法，通过该方法防护的铝及铝合金零件具有很高的耐腐蚀性能，与有机涂层具有很强的结合力，同时防护工艺对零件的疲劳性能影响较低，防护工艺环保低毒，对环境影响较小。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种提高铝及铝合金材料防护性能的阳极化方法，该方法包括清洗除油、表面脱氧处理、表面阳极化处理和后续的表面耐蚀性处理工序，表面阳极化处理工序中，待阳极化处理的铝及铝合金材料零件作为阳极，使用不锈钢或铅板或石墨作为阴极，其特征在于：

上述表面阳极化处理工序中的阳极化溶液是包括硫酸、硼酸钠、DL-苹果酸和铈的无机盐的水溶液；

上述表面阳极化处理工序中，阳极化溶液的温度维持在10℃～40℃之间，施加10V～25V的电势差，阳极化处理需要5min～40min的时间。

所述阳极化溶液中铈的无机盐的优选浓度为1×10^-2M～2.5×10^-1M。

所述阳极化溶液中硫酸浓度优选为0.3M～0.6M，硼酸钠浓度为1×10^-2M～2×10^-1M，DL-苹果酸浓度为2×10^-2M～3×10^-1M。

阴极的面积不小于阳极的面积。

表面阳极化处理工序中，优选采用机械搅拌或者洁净的压缩空气搅拌阳极化溶液。

表面阳极化处理工序中，待阳极化处理的铝及铝合金材料零件可以带电下到阳极化溶液中或不带电进入阳极化溶液中，不带电进入阳极化溶液中需要在2min内施加电压，初始电压最大值为5V，然后以不超过5V/min的速率升至10V～25V，保持阳极化时间后断电2min内需将零件从阳极化溶液中取出并清洗。

所述的后续的表面耐蚀性处理工序优选阳极化后的铝及铝合金材料零件在90℃～95℃的稀铬酸盐溶液中封闭25min，以提高阳极化膜的耐蚀性。

本发明所述方法的特点是在常规硫酸阳极化工艺的基础上，减小了硫酸的浓度，同时增加了中性硼酸盐、苹果酸及稀土铈盐。由于硫酸浓度的减小，降低了阳极化过程中对阳极化膜层的溶解，提高了阳极化膜阻挡层的厚度；同时添加中性硼酸盐及苹果酸有助于阻挡层的形成。在阳极化溶液中添加稀土铈盐及其络合剂苹果酸，反应生成稀土络离子在阳极化过程中在阳极反应的界面上起到了空间阻挡的作用，从而影响氧化膜生成与溶解的平衡，以致影响阳极化膜的生长过程，使膜的阻挡层厚度、膜孔密度、孔径等阳极化膜微观形貌发生变化，最终改善阳极化膜层的性能。与传统的铝及铝合金硫酸阳极化、铬酸阳极化工艺相比，本发明的阳极化工艺具有工艺简单、性能稳定、成膜效率高、综合性能优异、对环境污染小等优点。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1

阳极化方法的过程如下：

1、试验材料为2024裸铝板材，热处理制度为T3，尺寸为75mm×150mm×2mm；

2、将铝及铝合金试样浸入丙酮中，超声波除油8min，取出用50℃热风吹干；

3、将铝及铝合金试样装挂在铝合金挂具上；

4、将铝及铝合金试样置于50g/L的清洗剂溶液中进行试样表面除油，在60℃清洗剂中除油不少于10min；除油后用流动水清洗试样；

5、在25℃下对铝及铝合金试样进行脱氧，脱氧时间为3min，取出后用去离子水清洗试样表面；脱氧溶液中铬酐(CrO₃)浓度为45g/L，硝酸(HNO₃，ρ＝1.42g/mL)浓度为100g/L，氢氟酸浓度为9mL/L；

6、铝及铝合金试样进行阳极化，阳极化水溶液中，硫酸(H₂SO₄，ρ＝1.84g/mL)浓度为0.5M，硼酸钠浓度为0.015M，DL-苹果酸浓度为0.04M，硫酸铈浓度为0.02M，试样在25℃的溶液中进行阳极化；采用1Cr18Ni9Ti不锈钢作为阴极，铝及铝合金试样作为阳极；在阳极化过程中采用洁净的压缩空气搅拌；试样下槽1min施加电压，以5V/min的速率升至15V，保持阳极化时间20min；断电后0.5min将试样从槽中取出并清洗试样；

7、阳极化后的铝及铝合金试样在90℃的稀铬酸盐溶液中封闭25min，稀铬酸盐封闭溶液为铬酐(CrO₃)浓度70mg/L，铬酸钠(Na₂CrO₄·4H₂O)浓度48mg/L的水溶液(测试结合力的试样不进行此步骤)；

8、在测试结合力的铝及铝合金试样表面喷涂厚度为20μm的环氧底漆，按要求进行充分固化。

实施例2

阳极化方法的过程如下：

1、试验材料为7075裸铝板材，热处理制度为T6，尺寸为75mm×150mm×2mm；

3、将铝及铝合金试样装挂在铝合金挂具上；

5、在25℃下对铝及铝合金试样进行脱氧，脱氧时间为3min，取出后用去离子水清洗试样表面；脱氧溶液为铬酐(CrO₃)浓度为45g/L，硝酸(HNO₃，ρ＝1.42g/mL)浓度为100g/L，氢氟酸浓度为9mL/L；

6、铝及铝合金试样进行阳极化，阳极化溶液为硫酸(H₂SO₄，ρ＝1.84g/mL)浓度为0.45M，硼酸钠浓度为0.02M，DL-苹果酸浓度为0.06M，硫酸铈浓度为0.015M的水溶液；试样在27℃的溶液中进行阳极化；采用1Cr18Ni9Ti不锈钢作为阴极，铝及铝合金试样作为阳极；在阳极化过程中采用洁净的压缩空气搅拌；试样下槽1min施加电压，以4V/min的速率升至16V，保持阳极化时间20min；断电后0.5min将试样从槽中取出并清洗试样；

8、在测试结合力铝及铝合金试样表面喷涂厚度为20μm的环氧底漆，按要求进行充分固化。

实施例3

阳极化方法的过程如下：

1、试验材料为2024包铝板材，热处理制度为T3，尺寸为75mm×150mm×1.5mm；

3、将铝及铝合金试样装挂在铝合金挂具上；

6、铝及铝合金试样进行阳极化，阳极化溶液为硫酸(H₂SO₄，ρ＝1.84g/mL)浓度为0.55M，硼酸钠浓度为0.015M，DL-苹果酸浓度为0.045M，硫酸铈浓度为0.025M的水溶液；试样在25℃的溶液中进行阳极化；采用1Cr18Ni9Ti不锈钢作为阴极，铝及铝合金试样作为阳极；在阳极化过程中采用洁净的压缩空气搅拌；试样下槽1min施加电压，以5V/min的速率升至15V，保持阳极化时间20min；断电后0.5min将试样从槽中取出并清洗试样；

实施例4(比较例)

阳极化方法的过程如下：

1、试验材料为2024裸铝板材，热处理制度为T3，尺寸为75mm×150mm×1.5mm；

3、将铝及铝合金试样装挂在铝合金挂具上；

4、将铝及铝合金试样置于50g/L的清洗剂溶液中进行零件表面除油，在60℃清洗剂中除油不少于10min；除油后用流动水清洗试样；

5、在25℃下对铝及铝合金试样进行脱氧，脱氧时间为3min，取出后用去离子水清洗试样表面；三酸脱氧溶液为铬酐(CrO₃)浓度为45g/L，硝酸(HNO₃，ρ＝1.42g/mL)浓度为100g/L，氢氟酸浓度为9mL/L；

6、铝及铝合金试样进行阳极化，阳极化溶液为硫酸(H₂SO₄，ρ＝1.84g/mL)浓度1.93M的水溶液；试样在20℃的溶液中进行阳极化；采用铅板作为阴极，铝及铝合金试样作为阳极；在阳极化过程中采用洁净的压缩空气搅拌；试样在1A/dm²电流密度下保持阳极化40min；断电后0.5min将试样从槽中取出并清洗试样；

7、阳极化后的铝及铝合金试样在95℃的重铬酸盐溶液中封闭20min，重铬酸盐封闭溶液为重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)浓度50g/L的水溶液(测试结合力的试样不进行此步骤)；

实施例5为比较例

阳极化方法的过程如下：

3、将铝及铝合金试样装挂在铝合金挂具上；

6、铝及铝合金试样进行阳极化，阳极化溶液为铬酐(CrO₃)浓度为45g/L；试样在35℃的溶液中进行阳极化；采用铅板作为阴极，铝及铝合金试样作为阳极；在阳极化过程中采用洁净的压缩空气搅拌；试样下槽1min施加电压，以5V/min的速率升至20V，保持阳极化时间35min；断电后0.5min将试样从槽中取出并清洗试样；

7、阳极化后的铝及铝合金试样在96℃的重铬酸盐溶液中封闭40min，重铬酸盐封闭溶液为重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)浓度1g/L的水溶液(测试结合力的试样不进行此步骤)；

表1 根据前面实施例处理的试样的性质比较

(1)根据“GB/T 10125 人造气氛腐蚀试验盐雾试验”进行阳极化膜层的耐蚀性试验。

(2)根据“GB/T 9286 色漆和清漆漆膜的划格试验”进行阳极化膜与有机漆膜的结合力试验。

(3)根据“HB 5287金属材料轴向疲劳试验方法”进行阳极化试样的疲劳性能试验。试验参数为：最大应力240MPa；应力比R＝0.06；实验频率135HZ；实验温度25℃。

参见表1，通过对本发明实施例试样与比较例试样阳极化膜性能测试结果比较可以看出，本发明制备的阳极化膜耐蚀性、与有机漆膜结合力均达到并超过铬酸阳极化、硫酸阳极化的性能指标，同时试样的疲劳性能显著高于硫酸阳极化试样的疲劳性能。

与现有技术相比，本发明技术方案提出一种提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，采用本发明制备的阳极化膜层耐蚀性好、与有机漆膜结合性能优异、对基体疲劳性能影响低，具有工艺简单、性能稳定、成膜效率高、对环境污染小的特点。

Claims

1.一种提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，该方法包括清洗除油、表面脱氧处理、表面阳极化处理和后续的表面耐蚀性处理工序，表面阳极化处理工序中，待阳极化处理的铝及铝合金材料零件作为阳极，使用不锈钢或铅板或石墨作为阴极，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，其特征在于：所述阳极化溶液中铈的无机盐的浓度为1×10^-2M～2.5×10^-1M。

3.根据权利要求1所述的提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，其特征在于：所述阳极化溶液中硫酸浓度为0.3M～0.6M，硼酸钠浓度为1×10^-2M～2×10^-1M，DL-苹果酸浓度为2×10^-2M～3×10^-1M。

4.根据权利要求1所述的提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，其特征在于：阴极的面积不小于阳极的面积。

5.根据权利要求1所述的提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，其特征在于：表面阳极化处理工序中，采用机械搅拌或者洁净的压缩空气搅拌阳极化溶液。

6.根据权利要求1所述的提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，其特征在于：表面阳极化处理工序中，待阳极化处理的铝及铝合金材料零件可以带电下到阳极化溶液中或不带电进入阳极化溶液中，不带电进入阳极化溶液中需要在2min内施加电压，初始电压最大值为5V，然后以不超过5V/min的速率升至10V～25V，保持阳极化时间后断电2min内需将零件从阳极化溶液中取出并清洗。

7.根据权利要求1或6所述的提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，其特征在于：所述阳极化溶液中硫酸浓度为0.5M，硼酸钠浓度为0.015M，DL-苹果酸浓度为0.045M，铈的无机盐的浓度为0.02M；

所述阳极化处理过程中的阳极化溶液的温度维持在25℃±1℃，并施加15V的电势差，维持20min。

8.根据权利要求1或6所述的提高铝及铝合金防护性能的阳极化方法，其特征在于：所述的后续的表面耐蚀性处理工序是阳极化后的铝及铝合金材料零件在90℃～95℃的稀铬酸盐溶液中封闭25min。