CN106435681B - 氧化铝纳米层的制作方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种氧化铝纳米层的制作方法和装置，涉及氧化铝纳米层制作方法和装置。该方法，采用阳极氧化工艺，发电机的发电线圈采用磁路开路设计，发电机的磁铁体的极性都是同一方向，发电线圈与磁铁体的数目是相同和对称的，发电机输出电能的波形为不对称波形；电解液采用有机酸或以有机酸为主的混合酸；形成的氧化铝膜层表面满布网络纹结晶、层内分布小于30纳米的孔洞。该装置，包括电源、整流器、电解槽、冷却器，电源的输出端连接至整流器的输入端，整流器输出端的正极通过导线连接至工件，整流器输出端的负极通过导线连接至铝板，工件和铝板放置在电解槽内并浸泡在电解液中。本发明的产品氧化层更硬、更耐磨、附着力更强。

Description

氧化铝纳米层的制作方法和装置

技术领域

本发明涉及氧化铝纳米层制作方法和装置。

背景技术

为了弥补纯铝或铝合金材料自身的缺陷并扩大应用范围，氧化层的应用是不可缺少的一个工序。现有的氧化铝技术采用电解氧化在纯铝或铝合金的表面上形成一层氧化膜，主要作用是加强材料的防腐蚀性、耐磨性和硬度等等。现有的阳极氧化工艺涉及多种处理工序，而每个工序都必须遵照非常严谨的操作。所有的铝工件都需要经过前处理(把表面上的杂质除去)方可进行阳极氧化的处理，因为表面上的油脂、污积都会影响纳米膜的质量。阳极氧化后的清洗也十分重要，沾在工件上的酸残留物如果未得到彻底清洗，会令工件出现表面颜色不均。但是，现在的氧化层质量不够好，附着力不好，容易脱落，氧化层上的纳米小孔也很难做成小于30nm，这令到氧化层应有的功能大为减弱。另外，整个工序需要用到无机化学品，电解液(一般是硫酸)并要用很多不同的化学添加药物以改善产品的素质，化学物在生产过程中大量的释出与排放会严重污染环境。

传统采用草酸进行阳极氧化的工艺，其所用的材料和电耗的成本都比硫酸阳极氧化高，约为硫酸阳极氧化的6～7倍；其次草酸溶液的稳定性也较差，维护上要求也较严格，故在应用上受到一定的限制。一般情况下，由于草酸电解液电阻较大，电能消耗大，电解液易发热，需配备强制性冷却装置。同时绝缘性氧化膜层电阻高，只有在高电压下才能获得较厚的性能良好的氧化膜。然而，这种草酸阳极氧化工艺要求严格，耗能大，给实际生产带来极大不便，由其是在没有加何如添加剂的情况下，基本上不可能达成。一般说来，采用草酸氧化膜的溶解度低，可生成硬度较高氧化膜。但是若单用草酸进行阳极氧化，有些材料会因在氧化过程中电压升高太快而使氧化过程无法进行，或因膜的生长速度太慢而不易生成厚膜。只有依赖用添加剂。电解液的温度对膜层的硬度和耐磨性影响很大，为了获得高硬度和耐磨性好的氧化膜，必须使用较低的工作温度。铝的氧化是一个放热反应，氧化膜生成时在铝基体表面会产生很大热量，所以在成膜速大的情况下，单位时间的放热量就会很大，导致槽液温度迅速上升，过高的温度会加速膜层溶解，使硬度降低，因此为得到优质氧化膜必须将槽液降温并进行强力搅拌。所以，以现时的工艺是不可能做出草酸硬膜氧化层。以上工艺一般只能够做到10-25μm左右，远远未达到硬膜的要求。有实验报告指出就算强行加长氧化加工的时间，氧化膜都会在35μm左右停止生长。

为了提高氧化膜的质量，阳极氧化只能用上专用的大型直流电源，提供低电压、高电流的氧化用能源，令整个工业流程变得复杂昂贵。繁复的工序不但会加重成本，时间上的消耗也会降低生产效率。温度控制，更是重要，这环节的能源消耗是十分之大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高氧化铝层性能的氧化铝纳米层的制作方法。

本发明的另一目的在于提供一种提高氧化铝层性能的氧化铝纳米层的制作装置。

本发明的目的之一可以这样实现，设计一种氧化铝纳米层的制作方法，对欲形成氧化铝的铝或铝合金工件采用阳极氧化工艺，发电机采用磁路开路设计，发电机的磁铁体的极性都是同一方向，发电线圈与磁铁体的数目是对称的，发电机输出电能的波形为不对称波形；

电解液采用有机酸或以有机酸为主的混合酸；

形成的氧化铝膜层内分布小于30纳米的孔洞，氧化铝膜层表面满布网络纹结晶。

进一步地，氧化膜层中分布的孔洞密度为在500nm×500nm的面积上分布20目～40目孔洞。

进一步地，氧化膜层内小于30纳米的孔洞沿氧化膜层厚度方向生成。

进一步地，电解液采用混合酸，其中95％以上为草酸液，低于5％为硫酸液。

进一步地，氧化膜层的厚度在60μm～300μm。

进一步地，电解液中的草酸液的含量80～120克/升，硫酸液的含量0～16克/升；工作时，电解液的温度为4～25℃，电压为60～120V，电流密度为2.5～3.5A/dm²，氧化时间60～150分钟。

本发明的另一目的可以这样实现，设计一种氧化铝纳米层的制作装置，包括电源、整流器、电解槽、冷却器，电源的输出端连接至整流器的输入端，整流器输出端的正极通过导线连接至工件，整流器输出端的负极通过导线连接至铝板，工件和铝板放置在电解槽内并浸泡在电解液中；

电源为采用磁路开路设计的发电机，发电机的发电线圈采用磁路开路设计，发电机的磁铁体的极性都是同一方向，发电线圈与磁铁体的数目是相同的，和发电线圈与磁铁体分别对称布置，发电机输出电能的波形为不对称波形；磁铁体的割切平面面积小于或等于发电线圈的圈芯面积，发电线圈的厚度小于磁铁体的直径；

整流器，将发电机输出的交流电转化为直流电，以直流电作为电解电源；

冷却器包括热交换器、循环泵，第二热交换器放置在电解槽处，第一热交换器安置在电解槽的外部，第一热交换器与第二热交换器之间设有循环泵，循环泵让冷却液在两热交换器中冷热交换。

本发明生产出来的产品氧化层更硬、更耐磨、附着力更强。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的示意图；

图2是本发明较佳实施例电机定子与转子的示意图；

图3是本发明较佳实施例电机输出的波形图；

图4是实施本发明的产品在显微镜下显示的产品剖面图；

图5是实施本发明的产品在显微镜下显示的氧化层面图；

图6是实施本发明的产品在显微镜下显示的氧化层面图；

图7是实施本发明的产品水细化报告图；

图8是实施本发明的产品水细化测试对比报告图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的描述。

一种氧化铝纳米层的制作方法，对欲形成氧化铝的铝或铝合金工件采用阳极氧化工艺；发电机采用磁路开路设计，发电机的磁铁体的极性都是同一方向，发电线圈与磁铁体的数目是相同的，发电线圈与磁铁体分别对称布置，发电机输出电能的波形为不对称波形；电解液采用有机酸或以有机酸为主的混合酸；形成的氧化铝膜层内分布小于30纳米的孔洞，氧化铝膜层表面满布网络纹结晶。

所述氧化膜层中分布的孔洞密度为20目/500nm*500nm～40目/500nm*500nm。本实施例中孔洞密度大约为30目/500nm*500nm。

所述氧化膜层内小于30纳米的孔洞沿氧化膜层厚度方向生成。

电解液采用混合酸，其中95％以上为草酸液，低于5％为硫酸液；草酸液与流酸液的比例为：95～100:0～5。

氧化膜层的厚度在60μm～300μm。如图4所示，本实施例中氧化膜层的厚度为180μm。

电解液中草酸的含量80～120克/升，为草酸粉加入清水的份量，本实施例中采用的是纯度为99.5％的草酸粉，硫酸的含量0～16克/升；工作时，电解液的温度为4～25℃，电解电压为60～120V，电解电流密度为2.5～3.5A/dm²，氧化时间60～150分钟。

现有的一般工序为：铝工件→上挂具→脱脂→水洗→碱蚀→水洗→出光→水洗→阳极氧化→水洗→去离子水洗→封闭→水洗→下挂具，需要繁复的前和后处理。本实施例前处理的部份只需用清水洗刷五分钟便可以开始进行阳极氧化，后处理则是用热水浸泡十五分钟把酸洗掉并同时进行封膜程序。本实施例的阳极氧化工序：铝工件→上挂具→水洗→阳极氧化→水洗+封闭→下挂具。只要用普通的整流器把交流电转化成直流电就可完成阳极氧化的处理，也不需要繁复的前和后处理就能造出纳米膜。也不需用有很大污染的硫酸来做电解液。这个做法可节省购买前处理材料的成本，也缩短了整个生产流程。把环境的污染减到最少。

应用本发明制造出200μm左右厚的氧化层，氧化层表面上布满小于30纳米的小孔和满布网络纹结晶,如图5、图6所示。图6的放大倍数高于图5的放大倍数。从图中可以看出，孔径小于20nm。应用本发明制造出的产品比传统的氧化层更硬、更耐磨、附着力更强。本发明制造出的产品还显出更强的特别功能，例如对液体有细化功能等。测试例是用本发明的氧化铝纳米层的制作方法制造的杯子，如图7所示，放入自来水一分钟后做的o-17磁共振水细化测试报告；测试报告结果如图8指出，自来水是80.58Hz而放入氧化铝纳米层的制作方法制造的杯子中的水细化到64.28Hz。

本发明电源发电机的AC输出波形必定要正负不对称的正弦波组合波，如图3所示。其中主波增强金属氧化，小正弦波减少脱附时的放电影响。而现有的电机输出AC波形的正负波形是相同，分别是正负相差180度。

本实施例中采用草酸作为电解液，不但生产成本大幅下降，铝氧化层的各种性能都能提升到传统工艺难以达到的水平。在现有技术中以纯草酸作为电解液也是不可能的，因为电压太高，这个问题非常难解决的。在现有技术中要额外多花5小时为氧化层增加10μm厚度实在非常困难，而且并不合乎经济效益。本发明打破了以上所述的技术限制，草酸能在不加任何添加剂的情怳下做，在2小时可做出氧化层厚度高达180μm，可以说是为草酸工艺带来革命性的突破。而且，草酸没有任何有害释出甚至可以食用，完全符合环保的概念。另外，也可以加入少量硫酸成为混合酸，并大幅度加强氧化层的性能。而且本发明所用的草酸浓度非常高，一般设定在100g/L的水平，是传统技术的一倍多，大大加强了电解液电阻和加工时的电压，在这个条件下现有技术短的时间内是达不到做180μm的。

如图1所示，一种氧化铝纳米层的制作装置，包括电源、整流器、电解槽、冷却器，电源的出端连接至整流器的输入端，整流器输出端的正极通过导线连接至工件，整流器输出端的负极通过导线连接至铝板，工件和铝板放置在电解槽内并浸泡在电解液中。

电源为采用磁路开路设计的发电机，发电机的发电线圈采用磁路开路设计，发电机的磁铁体的极性都是同一方向，发电线圈与磁铁体的数目是相同和对称的，发电机输出电能的波形为不对称波形；

整流器，将发电机输出的交流电转化为直流电，以直流电作为电解电源；

冷却器包括热交换器、循环泵，第二热交换器放置在电解槽处，第一热交换器安置在电解槽的外部，第一热交换器与第二热交换器之间设有循环泵，循环泵让冷却液在两热交换器中冷热交换。

如图1所示，电源发电机G所发出的电能是交流电，必需利用整流器C2转换成直流电，控制器监控电镀槽D的电流与电压输出。工件B作为正极会由导电的夹具锁好并放进电解液A里，而负极则需要用铝板。冷却机P的作用是与冷却器一起保持电解液A的温度于摄氏4至25之间。另外，第一热交换器H1和第二热交换器H2与循环泵P/p是一个冷却器。冷却机P会把清水W保持着额定温度，然后第一热交换器H1和第二热交换器H2会把清水W持续交替，维持着电镀槽D里的温度。冷却器是用来保障电镀槽D里的电解液A不受影响，就算第二热交换器H2有任何泄漏也只会是小量的清水。本实施例中，整流器C2为普通的桥式整流器。

电源发电机定子上的发电线圈L的感生磁流路径设计成开路型，感生磁流路径变成多方向性，这令定子上的发电线圈L的感生电流的方向也成多路径化。转子上所有磁铁体极性都是同一极性方向，并且发电线圈与磁铁体的数目是需要相同和对称的，如图2所示；而发电机的输出AC波形是不对称的，是正负不对称的正弦波组合波，如图3所示。

磁铁体的割切平面面积小于或等于发电线圈的圈芯面积，发电线圈的厚度小于磁铁体的直径。发电线圈至少设置二组以上，每组发电线圈绕成两个感应线区，两个感应线区之间相隔一个距离，该距离大于等于感应线区的宽度。

采用本发明生产的产品氧化层比现有技术生产的产品氧化层更硬、更耐磨、附着力更强。

Claims (8)

1.一种氧化铝纳米层的制作方法，对欲形成氧化铝表面层的铝或铝合金工件采用阳极氧化工艺，其特征在于：

发电机的发电线圈采用磁路开路设计，发电机的磁铁体的极性都是同一方向，发电线圈与磁铁体的数目是相同的，发电线圈与磁铁体分别对称布置，发电机输出电能的波形为AC不对称波形；

电解液采用有机酸或主要组成为有机酸的混合酸；

形成的氧化铝膜层内分布小于30纳米的孔洞，氧化铝膜层表面满布网络纹结晶。

2.根据权利要求1所述的氧化铝纳米层的制作方法，其特征在于：氧化膜层中分布的孔洞密度为在500nm×500nm的面积上分布20目～40目孔洞。

3.根据权利要求1所述的氧化铝纳米层的制作方法，其特征在于：氧化膜层内小于30纳米的孔洞沿氧化膜层厚度方向生成。

4.根据权利要求1所述的氧化铝纳米层的制作方法，其特征在于：电解液采用混合酸，其中95％以上为草酸液，低于5％为硫酸液。

5.根据权利要求1所述的氧化铝纳米层的制作方法，其特征在于：氧化膜层的厚度在60μm～300μm。

6.根据权利要求4所述的氧化铝纳米层的制作方法，其特征在于：电解液中草酸液的含量80～120克/升，硫酸液的含量0～16克/升；工作时，电解液的温度为4～25℃，电压为60～120V，电流密度为2.5～3.5A/dm²，氧化时间60～150分钟。

7.根据权利要求1所述的氧化铝纳米层的制作方法，其特征在于：工艺流程为上挂具、水洗、阳极氧化、水洗、封闭、下挂具。

8.一种氧化铝纳米层的制作装置，其特征在于：包括电源、整流器、电解槽、冷却器，电源的出端连接至整流器的输入端，整流器输出端的正极通过导线连接至工件，整流器输出端的负极通过导线连接至铝板，工件和铝板放置在电解槽内并浸泡在电解液中；

电源为发电机，发电机的发电线圈采用磁路开路设计，发电机的磁铁体的极性都是同一方向，发电线圈与磁铁体的数目是相同的，发电线圈与磁铁体分别对称布置，发电机输出电能的波形为不对称波形；磁铁体的割切平面面积小于或等于发电线圈的圈芯面积，发电线圈的厚度小于磁铁体的直径；发电线圈至少设置二组以上，每组发电线圈绕成两个感应线区，两个感应线区之间相隔一个距离，该距离大于等于感应线区的宽度；

整流器，将发电机输出的交流电转化为直流电，以直流电作为电解电源；

冷却器包括热交换器、循环泵，第二热交换器放置在电解槽处，第一热交换器安置在电解槽的外部，第一热交换器与第二热交换器之间设有循环泵，循环泵让冷却液在两热交换器中冷热交换。