CN103526253B - 碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，包括以下步骤：将SiCP铝基复合材料壳体放入混酸电解液中置于氧化槽的阳极，阴极极板采用铅板，采用交直流负半周数控氧化电源进行硬质阳极氧化，在电解液中通入正相电流，在通入正相电流的同时加载反向电流，正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流均按六个阶段分步地增加到设定电流值，即完成硬质氧化加工过程。本工艺首次成功实现在SiCP铝基复合材料壳体上实现硬质氧化，解决了该类材料由于碳化硅颗粒存在造成导电性能差、氧化膜孔隙易放电、表面易“烧蚀”等技术难题，实现了零的突破，填补了国内空白，在同行业中处于领先水平。

Description

碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺
技术领域
本发明涉及硬质阳极氧化工艺领域，尤其是针对一种新型铝基复合材料，碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺。
背景技术
铝基复合材料在金属基复合材料中占有重要位置，是一种以铝合金为基体的金属复合材料。铝基复合材料的增强体主要是一些陶瓷材料或纤维材料，按增强体类型分为连续纤维增强铝基复合材料和非连续增强铝基复合材料，其中非连续增强铝基复合材料，增强体分为颗粒增强、晶须增强、短纤维增强。非连续增强铝基复合材料加入增强体的目的，主要是利用增强体材料的优点来弥补金属基体的不足，由于增强体与基体金属的复合效应使得新的复合材料具有优异的使用性能。
碳化硅陶瓷材料具有非常优异的力学性能，如硬度高、耐磨性好、耐高温高压、耐腐蚀等，能够在恶劣严酷的环境下正常工作，但它的脆性是其最大的弱点。铝合金与其正好相反，具有良好的韧性和延展性，但硬度较低。因此二者的复合材料会使SiCP铝基复合材料具有硬度高、尺寸稳定性好、热膨胀系数低、抗断裂等诸多优点。因此碳化硅颗粒增强铝基复合材料广泛地应用于航空、航天、惯性导航系统、精密仪表等方面。
以碳化硅颗粒（P）为增强体的铝基复合材料，由于有SiC颗粒的存在，使复合材料内部组织结构极不均匀，而且SiC增强体为不导电的陶瓷材料，严重影响零件在硬质氧化过程中的导电能力，因此在导电不好的氧化膜孔隙处极易存在放电现象，尤其是在硬质氧化过程中放电更加明显，极易发生“烧蚀”。传统的阳极氧化法很难在其表面形成硬质氧化膜。
氧化膜的生长过程是一个复杂的微观电化学反应过程。通电瞬间，由于氧和铝有很大亲和力，在铝上迅速形成致密无孔的阻挡层。由于氧化铝比铝原子体积大故发生膨胀，阻挡层变得凹凸不平，这就造成了电流分布不均匀，凹处电阻较小而电流大，凸处则相反，凹处在电场作用下发生电化学溶解，以及由电解液的浸蚀作用产生化学溶解，凹处加深逐渐变成孔穴，继而变成孔隙，凸处则形成孔壁。
铝合金硬质氧化分为四个阶段，第Ⅰ阶段是阻挡层形成段；第Ⅱ阶段为孔穴的生成；第Ⅲ阶段为多孔层形成和加厚；第Ⅳ阶段电压急剧上升，达到一定值时发生电火花击穿。这是由于电压升高，孔内积累的氧气扩散困难，导致膜电阻增加，孔内热量引起气体放电产生火花，电火花击穿导致氧化膜破坏。
因此为了防止电流集中导致零件烧伤，要求硬质氧化零件的锐角、毛刺和棱角倒圆，棱角处半径不应小于0.5mm。但我所铝基复合材料零件结构上多处有棱角和细牙螺纹，而且对绝缘强度要求又很高，因此其硬质氧化难度是很大的。
综上所述，SiCP铝基复合材料壳体硬质氧化的难点在于：
1．SiCP铝基复合材料是一种新型碳化硅颗粒增强铝基复合材料，针对该类材料的硬质阳极氧化，国内外可参考的技术资料、文献非常少，只能自行摸索，氧化工艺难度大。
2．碳化硅颗粒为增强体的铝基复合材料壳体，SiC增强体为不导电的陶瓷材料，由于SiC颗粒的存在，严重影响壳体在硬质阳极氧化过程中的导电能力，因此在导电不好的氧化膜孔隙处存在明显的放电现象，严重影响氧化膜的性能，“烧蚀”现象非常严重。传统的阳极氧化法很难在其表面形成连续的氧化膜，对碳化硅铝基复合材料进行阳极氧化工艺难度是很大的。
3．SiCP铝基复合材料壳体零件上有多处棱角，细牙螺纹，极易发生“烧蚀”，零件外形示意图如图1所示，要求铝基材料壳体的螺纹部分具有绝缘性能，用250V兆欧表测量壳体氧化膜与基体绝缘达∞。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种易于实现的碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1）将SiCP铝基复合材料壳体放入一种混酸电解液中，将SiCP铝基复合材料壳体置于氧化槽的阳极，阴极极板采用铅板；
2）氧化槽内降温系统采用耐腐蚀冷却管，将混酸电解液的温度控制在0℃～10℃；
3）采用交直流负半周数控氧化电源进行硬质阳极氧化，在电解液中通入正相电流，在通入正相电流的同时加载反向电流；
4）正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流均按六个阶段分步地增加到设定电流值，即完成硬质阳极氧化加工过程。
而且，步骤1）所述的混酸电解液是硫酸和草酸的混合溶液，该硫酸和草酸均为分析纯的化学试剂，其重量比为草酸：硫酸=1：（10～30）。
而且，步骤3）所述的正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流的电流值之比为16：1～6：1。
而且，步骤4）所述的六个阶段分步地增加至设定电流值为：
第一阶段：将正相电流从0加载到I1，反向电流从0加载到i1，软启动加载时间为T11；
第二阶段：保持正相电流为I1，保持反向电流为i1，保持时间为T12；
第三阶段：将正相电流从I1加载到I2，反向电流从i1加载到i2，软启动加载时间为T21；
第四阶段：保持正相电流为I2，保持反向电流为i2，保持时间为T22；
第五阶段：将正相电流从I2加载到I3，反向电流从i2加载到i3，软启动加载时间为T31；
第六阶段：保持正相电流为I3，保持反向电流为i3，保持时间为T32。
而且，第一阶段、第三阶段、第五阶段软启动加载时间T11、T21、T31为5～30min；第二阶段、第四阶段、第六阶段保持时间T12、T22、T32为5～80min。
而且，所述SiCP铝基复合材料壳体的表面积与正向电流I1、I2、I3的比例dm2：A均为1：1～12；SiCP铝基复合材料壳体的表面积与反向电流i1、i2、i3的比例dm2：A均为1：0.0625～2。
本发明的优点和有益效果为：
1、本工艺采用SiCP铝基复合材料硬质氧化新工艺，通过控制氧化工艺曲线，设计新型工艺参数控制程序，成功实现了碳化硅颗粒增强铝基材料的硬质阳极氧化，选用交直流负半周数控电源，可以使碳化硅颗粒增强铝基复合材料表面形成连续的氧化膜，首次实现了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的硬质阳极氧化。
2、采用本工艺可以有效避免“烧蚀”现象，SiCP铝基壳体硬质氧化后，其结构上不允许倒角的边界、储线槽及细牙螺纹等处均没有出现腐蚀、烧伤痕迹，因此使用本工艺能够提高产品质量。
3．采用本工艺进行硬质阳极氧化后的壳体零件用250V兆欧表测量，壳体细牙螺纹部分与壳体基体绝缘达∞。
4、本发明是一种设计科学、工艺简单、易于实现的碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，采用本工艺首次成功实现在SiCP铝基壳体上实现硬质氧化，解决了该类材料由于碳化硅颗粒存在造成导电性能差、氧化膜孔隙易放电、表面易“烧蚀”等技术难题，实现了零的突破，填补了国内空白，在同行业中处于领先水平。
附图说明
图1是本壳体零件的主视图；
图2是电流工艺曲线示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其包括以下步骤：
1）将SiCP铝基复合材料壳体放入一种混酸电解液中，将SiCP铝基复合材料壳体置于氧化槽的阳极，阴极极板采用铅板；
该混酸电解液是硫酸和草酸的混合溶液，该硫酸和草酸均为分析纯的化学试剂，其重量比为草酸：硫酸=1：（10～30），草酸与硫酸混合均匀即可；
2）氧化槽内降温系统采用耐腐蚀冷却管，将电解液的温度控制在0℃～10℃；
3）采用交直流负半周数控氧化电源进行硬质阳极氧化，在电解液中通入正相电流，在通入正相电流的同时加载反向电流，正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流的电流值之比为16：1～6：1；
4）正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流均按六个阶段分步地增加到设定电流值，即完成硬质氧化加工过程。该六个阶段的电流工艺曲线示意图如图2所示：
第一阶段：将正相电流从0加载到I1，反向电流从0加载到i1，软启动加载时间为T11；
第二阶段：保持正相电流为I1，保持反向电流为i1，保持时间为T12；
第三阶段：将正相电流从I1加载到I2，反向电流从i1加载到i2，软启动加载时间为T21；
第四阶段：保持正相电流为I2，保持反向电流为i2，保持时间为T22；
第五阶段：将正相电流从I2加载到I3，反向电流从i2加载到i3，软启动加载时间为T31；
第六阶段：保持正相电流为I3，保持反向电流为i3，保持时间为T32。
上述第一阶段、第三阶段、第五阶段软启动加载时间T11、T21、T31为5～30min；第二阶段、第四阶段、第六阶段保持时间T12、T22、T32为5～80min。SiCP铝基复合材料壳体的表面积与正向电流I1、I2、I3的比例dm2：A均为1：1～12；SiCP铝基复合材料壳体的表面积与反向电流i1、i2、i3的比例dm2：A均为1：0.0625～2。
实施例1
一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其包括以下步骤：
1）将SiCP铝基复合材料壳体放入一种混酸电解液中，将SiCP铝基复合材料壳体置于氧化槽的阳极，阴极极板采用铅板；该混酸电解液是硫酸和草酸的混合溶液，该硫酸和草酸均为分析纯的化学试剂，其重量比为草酸：硫酸=1：（10～30），草酸与硫酸混合均匀即可；
2）氧化槽内降温系统采用耐腐蚀冷却管，将电解液的温度控制在0℃～10℃；
3）采用交直流负半周数控氧化电源进行硬质阳极氧化，在电解液中通入正相电流，在通入正相电流的同时加载反向电流，正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流的电流值之比为16：1～6：1；
4）正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流均按六个阶段分步地增加到设定电流值，即完成硬质氧化加工过程。该六个阶段的电流工艺曲线示意图如图2所示：
第一阶段：将正相电流从0加载到I1，反向电流从0加载到i1，软启动加载时间为T11；
第二阶段：保持正相电流为I1，保持反向电流为i1，保持时间为T12；
第三阶段：将正相电流从I1加载到I2，反向电流从i1加载到i2，软启动加载时间为T21；
第四阶段：保持正相电流为I2，保持反向电流为i2，保持时间为T22；
第五阶段：将正相电流从I2加载到I3，反向电流从i2加载到i3，软启动加载时间为T31；
第六阶段：保持正相电流为I3，保持反向电流为i3，保持时间为T32。
以SiCP铝基复合材料壳体表面积10dm2为例计算各工艺参数如下，并编制工艺曲线：设定第一阶段、第三阶段、第五阶段软启动加载时间T11、T21、T31为5～30min；设定第二阶段、第四阶段、第六阶段保持时间T12、T22、T32为5～80min；设定正相电流I1、I2、I3为10～120安培；设定反向电流i1、i2、i3为0.625～20安培。

Claims (6)

1.一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)将SiCP铝基复合材料壳体放入一种混酸电解液中，将SiCP铝基复合材料壳体置于氧化槽的阳极，阴极极板采用铅板；
2)氧化槽内降温系统采用耐腐蚀冷却管，将混酸电解液的温度控制在0℃～10℃；
3)采用交直流负半周数控氧化电源进行硬质阳极氧化，在电解液中通入正相电流，在通入正相电流的同时加载反向电流；
4)正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流均按六个阶段分步地增加到设定电流值，即完成硬质阳极氧化加工过程。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其特征在于：步骤1)所述的混酸电解液是硫酸和草酸的混合溶液，该硫酸和草酸均为分析纯的化学试剂，其重量比为草酸：硫酸＝1：(10～30)。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其特征在于：步骤3)所述的正半周输出的正相电流与负半周输出的反向电流的电流值之比为16：1～6：1。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其特征在于：步骤4)所述的六个阶段分步地增加至设定电流值为：
第一阶段：将正相电流从0加载到I1，反向电流从0加载到i1，软启动加载时间为T11；
第二阶段：保持正相电流为I1，保持反向电流为i1，保持时间为T12；
第三阶段：将正相电流从I1加载到I2，反向电流从i1加载到i2，软启动加载时间为T21；
第四阶段：保持正相电流为I2，保持反向电流为i2，保持时间为T22；
第五阶段：将正相电流从I2加载到I3，反向电流从i2加载到i3，软启动加载时间为T31；
第六阶段：保持正相电流为I3，保持反向电流为i3，保持时间为T32。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其特征在于：第一阶段、第三阶段、第五阶段软启动加载时间T11、T21、T31为5～30min；第二阶段、第四阶段、第六阶段保持时间T12、T22、T32为5～80min。
6.根据权利要求4所述的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料硬质氧化新工艺，其特征在于：所述SiCP铝基复合材料壳体的表面积与正相电流I1、I2、I3的比例dm2：A均为1：1～12；SiCP铝基复合材料壳体的表面积与反向电流i1、i2、i3的比例dm2：A均为1：0.0625～2。
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