CN103266343B - 金属材料的表面糙化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属材料的表面糙化方法，即：在电解液中对金属材料进行阳极极化，利用阳极溶解作用提高金属材料的表面粗糙度；所述电解液为0.02-100g/L氯化钠的水基溶液；所述阳极极化的方式为外加电流或偶接阴极性异种金属材料。本发明技术的最大的优势是：环境友好、高效节能和成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程技术领域，尤其涉及一种金属材料的表面糙化方法。
背景技术
表面改性是材料重要的应用技术之一，在节约材料制造成本、提升材料使役性能、拓展材料应用领域等方面发挥着巨大作用。以金属材料为例，从传统的碳素钢到现代的以镁、铝、钛等为代表的新材料，其应用无不与表面改性技术的发展密切相关。
表面糙化是改善材料表面微观几何形状，提高材料显微粗糙程度的表面处理技术，是保证产品加工质量的重要环节。如涂装（包括静电喷涂、电泳、热喷涂和刷涂等）、化学镀、电镀、阴极沉积等处理前，均需对工件进行表面糙化预处理，以确保改性层的使役性能，尤其是与基体之间的结合力。现有的金属材料表面糙化方法主要包括化学法和物理法，存在以下主要问题：其一，化学法过度依赖强酸（如硫酸、硝酸、磷酸或其混合物等）、强碱（如氢氧化钠）等强侵蚀性化学试剂的使用，不仅不具备生态友好性，对操作人员、厂房及设备的危害极大，而且副产物（氢气）有爆炸隐患，影响安全生产；其二，物理法（如喷丸、喷砂等）存在设备及原材料成本高、能耗大、对几何形状复杂工件的处理能力极为有限等主要弊端。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的主要问题，提供一种金属材料表面糙化新方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种金属材料的表面糙化方法，即：在电解液中对金属材料制品进行阳极极化，利用阳极溶解作用提高金属材料制品的表面粗糙度；所述电解液为0.02-100g/L氯化钠的水基溶液；所述阳极极化的方式为外加电流或偶接阴极性异种金属材料。
所述阳极极化的极化电位位于金属材料的活性溶解区所对应的电位区间内。
当采取所述外加电流的方式进行阳极极化时，以等面积的相同材料的金属材料制品为对电极。
所述氯化钠用硝酸钠、硫酸钠、氯化锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化钾、硝酸钾、硫酸钾、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、氯化镁、硝酸镁、硫酸镁或其中两种以上混合物部分或全部代替。
虽然阳极极化对基体材料同时具有“去活”作用，但本发明阳极极化的目的，仍以提高材料表面粗糙度即实现“表面糙化”为主。所谓“去活”，是指利用阳极极化的选择性溶解作用将基体表层电化学活性更高的微阳极溶解“挖除”，留下电化学惰性更强的微阴极。在含侵蚀性离子如氯离子、硝酸根离子或硫酸根离子的电解液中进行阳极极化处理，金属材料的表层金属原子将离子化，即发生阳极溶解。由于成分、微观结构等的不均匀性，基体微区溶解过程不均匀进行，阳极溶解作用表现出选择性，即微阳极区优先溶解，因此，客观上，阳极极化对基体具有显著的糙化作用。
若选择偶接阴极性异种金属材料的方式进行阳极极化处理，则只需将工件（金属材料制品）与异种金属材料直接浸入电解液中即可。所谓“偶接”，是指将工件（金属材料制品）与异种金属材料直接连接，如焊接、铆接，或通过导线连接；所谓“异种金属材料”，是指同一介质环境下开路电位（腐蚀电位）与工件（金属材料制品）不同的金属材料；“阴极性”是指开路电位更正，因此在电解液中易将偶接材料阳极极化而自身被阴极极化的特性。这种阳极极化的优点是无需外加电源，极化稳定，成本低；不足之处是驱动力有限，处理效率不高。
若选择外加电流的方式进行阳极极化处理，则电源可在直流、交流或脉冲电源中进行选择。虽然也可以按照常规做法，使用不锈钢、石墨或铂片等惰性材料作为对电极，而采取“以等面积的相同材料的制品为对电极”即“对等双极”的策略，则既可避免异质对电极对电解液潜在的污染危害，又可在对称交流或脉冲电源的作用下，确保两极工件同步获得近乎一致的处理效果，成倍提高阳极极化处理的效率，从而最大程度地实现节能、增效的目的。当然，以与工件相同的材料作为对电极材料使用时，对电极的面积也可以与工件面积不同。阳极极化时电参数控制模式包括恒流、恒压（恒电极电位），或以一定的扫描速度在一定的电极电位区间内动电位线性扫描或循环扫描。电压/电流幅值、频率及其占空比、处理时间等具体工艺参数，则可根据对处理效果的不同要求进行灵活控制。
研究结果表明，阳极极化电解液中氯化钠浓度过低时，溶液电阻率过高，即使延长处理时间，使用高电流密度/高电压（外加电流阳极极化情况下），也无法获得令人满意的处理效果；浓度过高，原料成本增加的同时对处理效果的改善并无明显益处，因此，宜将氯化钠的浓度控制在0.02-100g/L的范围。阳极极化时，电解液温度可控制在1-85℃；处理时间则可根据施加电参数的大小，电解质浓度的高低，以及表面糙化程度的具体要求等进行灵活控制。
阳极极化是一个典型的电化学概念。按照文献资料“曹楚南.腐蚀电化学，化学工业出版社，北京：1995”第36页，“在腐蚀金属电极上流过阳极极化电流时，称腐蚀金属电极被阳极极化”。简言之，无论采取什么途径，只要使材料的电极电位高于其开路电位，则该材料就处于阳极极化状态。极化状态下材料对应的电极电位，称为该材料的极化电位。对于某些金属材料（如铁、铬及其合金等钝性金属材料，以及镍、钛、铜、铌、钽和银等具有电解抛光特性的材料），阳极极化时随着极化电位远离开路电位，材料可能进入钝化状态或电解抛光（一种以降低粗糙度，提高光亮度并产生一定金属光泽为目的的表面光整技术）状态，从而起不到预期的糙化处理效果。而当极化电位位于金属材料的活性溶解区所对应的电位区间内时，则无相关隐患。对于具体材料和具体介质而言，其活性溶解区可通过公知的极化曲线测试技术获得。
为确保获得满意的处理效果，在利用本发明技术进行处理之前，金属材料最好首先进行表面整理，其目的在于去除制品在加工、储运期间表面残留或产生的毛刺、污垢、氧化皮等，以获得满足后续处理要求的表面质量。表面整理可以任何公知的或商业上可获得的物理和/或化学技术进行，如：砂纸/砂轮打磨，抛光布抛光，有机溶剂包括无水乙醇、丙酮等直接或在超声波等外场作用下脱脂，碱洗，酸洗，水洗，等等。阳极极化过程结束后，金属材料既可进行清洗、干燥等处理，包括自来水和/或蒸馏水、去离子水漂洗，热风或压缩空气吹干或加热炉烘干，或易挥发性有机溶剂如乙醇、丙酮等漂洗后晾干等，又可根据使用需要，进一步以其它公知的或商业上可获得的技术进行后续处理，如热处理、碱热处理、电泳涂装、静电喷涂、热喷涂、浸涂、刷涂、阴极沉积、化学镀或电镀等。
需要指出的是，本发明中所指金属材料包括：1）迄今为止已知的不同纯度水平的纯金属，如铜、铁、锡、锌、钛、铝和镁等；2）分别以1）中金属为基元，含不同合金组元及合金化水平的合金；3）以1）中的纯金属或2）中的合金为基的复合材料；以及4）上述金属材料的制品和5）含该金属材料部件（组元）的制品。
与现有技术相比，本发明技术的优点有：
其一，生态友好由于所用电解质无毒，且溶液不具备强酸、强碱的侵蚀性，因此不仅使用安全，而且可实现污染物的“零涉及”、“零排放”，彻底消除现有技术对生态环境和人类健康的潜在危害，实现真正意义上的清洁生产。
其二，高效节能，成本低廉由于无需电源（偶接异种金属阳极极化时）或仅需普通电源（外加电流阳极极化时），且电解质为普通化学试剂，原料易得，价格低廉，因此技术应用成本可以控制在很低的水平。另外，由于采取“对等双极”的策略，可在对称交流或脉冲电源的作用下，确保两极工件同步获得近乎一致的处理效果，成倍提高阳极极化处理的效率。
具体实施方式
以下结合本发明的优选实施例，对本发明的上述特征作进一步详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
实施例中所用材料包括铸态AZ91镁合金、ADC12铝合金、Ti6Al4V钛合金、Q235钢和CuZn10黄铜。线切割获取尺寸为25mm×15mm×5mm的测试试样。按如下规范对试样进行表面整理：碱洗→水洗→水磨砂纸由粗到细依次打磨→水洗→无水乙醇超声清洗→热风吹干→备用。其中碱洗条件：40g/L氢氧化钠、10g/L磷酸钠和3g/L硅酸钠的复配溶液，90℃，30min。
实施例1
以AZ91镁合金为研究对象。以蒸馏水为溶剂，配制20.0g/L氯化钠溶液作为阳极极化电解液。将等面积试样与导线连接后分别接正弦AC电源的两个输出端口，之后浸入控温25℃的上述电解液中，保持试样间距3cm，50Hz恒流1.0mA/cm2处理30min。水洗、干燥后，发现试样对表面均匀分布肉眼可见的尺寸和深度基本一致的细碎坑点，证实材料表面被明显糙化。
实施例2
以AZ91镁合金为研究对象。除将氯化钠浓度改为0.02g/L外，阳极极化溶液配制同实施例1。将等面积试样与导线连接后分别接DC电源的正、负输出端口，之后分别浸入控温40℃的上述电解液中，保持试样间距5cm，恒压2V处理15min。水洗、干燥后，发现与DC电源正输出端口相连的试样表面均匀分布肉眼可见的尺寸和深度基本一致的细碎坑点，证实材料表面被明显糙化。
实施例3
以AZ91镁合金为研究对象。除将氯化钠浓度改为100g/L外，阳极极化溶液配制同实施例1。除将对电极改为与试样相同面积的不锈钢板外，阳极极化其它条件控制同实施例1。水洗、干燥后，发现试样表面均匀分布肉眼可见的尺寸和深度基本一致的细碎坑点，证实材料表面被明显糙化。
实施例4
除将氯化钠分别改为硝酸钠、硫酸钠、氯化锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化钾、硝酸钾、硫酸钾、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、氯化镁、硝酸镁或硫酸镁外，阳极极化电解液配制及阳极极化条件控制同实施例1。结果同实施例1。
实施例5
以ADC12铝合金为研究对象。阳极极化溶液配制及阳极极化条件控制同实施例1。结果同实施例1。
实施例6
以Ti6Al4V钛合金为研究对象。阳极极化溶液配制及阳极极化条件控制同实施例1。结果同实施例1。
实施例7
以Q235钢为研究对象。阳极极化溶液配制及阳极极化条件控制同实施例1。结果同实施例1。
实施例8
以CuZn10黄铜为研究对象。阳极极化溶液配制及阳极极化条件控制同实施例1。结果同实施例1。
Claims (4)
1.一种金属材料的表面糙化方法，其特征在于：在电解液中对金属材料制品进行阳极极化，利用阳极溶解作用提高金属材料制品的表面粗糙度；所述电解液为0.02-100g/L氯化钠的水基溶液；所述阳极极化的方式为外加电流或偶接阴极性异种金属材料。
2.根据权利要求1所述的金属材料的表面糙化方法，其特征在于：所述阳极极化的极化电位位于金属材料的活性溶解区所对应的电位区间内。
3.根据权利要求1所述的金属材料的表面糙化方法，其特征在于：当采取所述外加电流的方式进行阳极极化时，以等面积的相同材料的金属材料制品为对电极。
4.根据权利要求1所述的金属材料的表面糙化方法，其特征在于：所述氯化钠用硝酸钠、硫酸钠、氯化锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化钾、硝酸钾、硫酸钾、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、氯化镁、硝酸镁、硫酸镁或其中两种以上混合物部分或全部代替。
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