CN106521605B - 一种金属铍的微弧氧化电解液及工艺方法 - Google Patents

一种金属铍的微弧氧化电解液及工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属铍的微弧氧化电解液及工艺方法，涉及表面处理技术领域。本发明的金属铍微弧氧化电解液的组分为Na2CO3 21.2～84.8g/L，余量为水。本发明在金属铍表面生成的灰白色微弧氧化陶瓷膜结构均匀、致密、连续的具有耐蚀绝缘功能，使金属铍满足耐蚀性和绝缘性的需求。本发明方法简单可行、可操作性强、可用于金属铍的耐蚀绝缘处理。

Description

一种金属铍的微弧氧化电解液及工艺方法
技术领域
本发明涉及表面处理技术，特别是属于铍材料表面处理技术领域。
背景技术
金属铍具有密度低、熔点高、热导率好、比强度高、尺寸稳定性及核性能优异等特点，在航空航天等领域具有广泛应用前景。铍属于活泼金属，但在空气中易钝化生成约100Å的致密氧化铍薄膜，使其在室温干燥的大气环境下具有良好的耐腐蚀性能。由于生成的氧化膜非常薄，因此在潮湿的大气环境容易受到腐蚀，这对常作为结构材料的精密铍零件的使用具有致命的影响，严重制约其长期使用的稳定性。金属铍料通常采用粉末冶金而成，粉末颗粒或者晶粒间通常是杂质和缺陷的聚集区，潮湿的环境中含有大量水气，会吸附在金属铍表面，并在这些区域形成局部腐蚀电池，导致金属铍发生点蚀，甚至失效；另外，金属铍通常含有Be2C等杂质，潮湿环境下会直接发生水解反应，也是使其腐蚀失效的重要因素之一。此外，除了对材料有耐蚀性要求，特殊的使用环境还要求金属铍料具有一定的绝缘性，金属铍作为一种金属材料不能满足实际的应用需求。
当前，通过普通阳极氧化的方法在金属铍表面制备一层阳极氧化膜是最常见的铍表面处理技术，但阳极氧化的处理通常是在一个较为温和的条件下进行（低电压），对基材前处理要求较高。同时，由于粉末冶金的特点，阳极氧化膜通常会受基体晶粒的影响而产生裂纹。该方法生成的氧化膜通常具有双层结构，即内层较薄的较致密层和外层多孔层。由于孔洞的原因，通常还需要对其进行封孔处理以提高其耐蚀性能。总的来说，阳极氧化处理金属铍的方法可以满足金属铍耐蚀绝缘的要求，但工艺相对复杂，且受基体影响较大，易造成成膜不均。
微弧氧化是从普通阳极氧化处理技术上发展起来的一种表面处理技术，该方法通常在较高的电压下进行。微弧氧化过程中伴随着弧光放电现象，释放出的高温达到上千摄氏度，可使生成的氧化铍处于瞬时的熔融态并均匀覆盖在基体表面，同时使膜层中的孔洞处于封闭状态，从而解决普通阳极氧化膜成膜不均和由于孔洞造成耐蚀性不足的问题。另外，微弧氧化还具有前处理简单，操作方便等优点，具有推广应用前景。上述技术的主要缺点在于：整个微弧氧化实在直流条件下进行，微弧氧化膜的厚度受到电压的影响，不能生成较厚的微弧氧化膜。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种简单可行、可操作性强、可用于金属铍的耐蚀绝缘处理的方法。
本发明的技术方案为：一种金属铍微弧氧化电解液，组分为：Na2CO3 21.2～84.8g/L。
所述的一种金属铍微弧氧化电解液，微弧氧化的参数为：
恒电流模式，电流密度为5～50mA/cm2；
随着微弧氧化进行，电流保持不变，电压随氧化时间增长而不断升高，氧化到300～350V；温度为25±3℃。
一种金属铍表面微弧氧化的工艺方法，步骤为：
S1 打磨：对金属铍进行机械；
S2 清洗：去除金属铍表面的油污；
S3微弧氧化：将金属铍放入Na2CO3含量为21.2～84.8g/L的电解液中进行微弧氧化，采用恒电流模式，电流密度为5～50mA/cm2，随着微弧氧化进行，电压不断升高，氧化到300～350V，电解液温度为25±3℃；
S4 清洗：用去离子水对金属铍清洗；
S5 吹干。
所述步骤S1打磨为：将金属铍待微弧氧化的表面依次用500#，800#，1000#砂纸进行打磨。
所述步骤S2为：将金属铍的油污聚集区用丙酮溶液擦拭一遍，再将金属铍浸泡在丙酮溶液中，采用超声除油的方式超声10～15min，从而出去浮灰和油脂。
本发明中，机械加工后金属铍既有油污又有孔洞，部分受到腐蚀，需首先进行打磨露出新鲜表面。处理方法为将金属铍待微弧氧化的表面用500#，800#，1000#砂纸进行打磨，特别注意金属铍盲孔、沟槽部分的打磨；
金属铍表面油污的聚集将直接影响表面导电情况，导致成膜不均。首先将金属铍的油污聚集区用丙酮溶液擦拭一遍，再将金属铍浸泡在丙酮溶液中，采用超声除油的方式超声10～15min，从而出去浮灰和油脂；
配置微弧氧化电解液：在去离子水溶液中配置21.2～84.8g/L Na2CO3电解液，配置的过程中注意电解质的充分溶解；
微弧氧化：将预处理后的金属铍放入配置好的微弧氧化电解液中进行微弧氧化。采用恒电流模式，电流密度为5～50mA/cm2，随着微弧氧化进行，电压不断升高，氧化到300～350V，整个氧化过程采用冷却水循环的方式保证电解液温度为25±3℃。
微弧氧化后的金属铍后处理：微弧氧化后的金属铍表面含有大量残留电解液，如不祛除会对表面进一步腐蚀，故需进行后处理。微弧氧化后，用足量去离子水对金属铍进行冲洗擦拭，注意沟槽位置的清洗，之后用吹风机冷风吹干。
本发明的金属铍表面微弧氧化陶瓷膜制备方法，在金属铍表面通过微弧氧化的方法制备了灰白色微弧氧化薄膜。该微弧氧化膜具有三层膜结构，包括内层致密层，中间具有纳米级封闭孔洞的中间层以及最外面的多孔层。
本发明具有如下优点：
本发明方法简单可行、可操作性强、可用于金属铍的耐蚀绝缘处理；
本发明在金属铍表面生成的灰白色微弧氧化陶瓷膜结构均匀、致密、连续的具有耐蚀绝缘功能，使金属铍满足耐蚀性和绝缘性的需求。
附图说明
图1为铍试片微弧氧化处理后的照片；
图2为图1中试片金属铍微弧氧化陶瓷膜扫描电镜截面图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一部说明
实施例一：
1） 金属铍机械打磨：将机械加工后金属铍的待微弧氧化表面用500#，800#，1000#砂纸连续进行打磨，露出新鲜表面，过程中特别注意金属铍盲孔、沟槽部分的打磨；
2） 金属铍用丙酮超声除油：将金属铍易聚集油污的部分用丙酮溶液先擦拭一遍，再将金属铍浸泡在丙酮溶液中，采用超声除油的方式超声10～15min，从而出去浮灰和油脂；
3） 配置微弧氧化电解液：在去离子水溶液中配置53g/L Na2CO3电解液，配置的过程中注意电解质的充分溶解；
4） 微弧氧化：将预处理后的金属铍放入配置好的微弧氧化电解液中进行微弧氧化。采用恒电流模式，电流密度为10mA/cm2，随着微弧氧化进行，电压不断升高，氧化到300V，整个氧化过程采用冷却水循环的方式保证电解液温度为25±3℃。
5） 微弧氧化后的金属铍后处理：微弧氧化后的金属铍表面含有大量残留电解液，如不祛除会对表面进一步腐蚀，故需进行后处理。微弧氧化后，用足量去离子水对金属铍进行冲洗擦拭，注意沟槽位置的清洗，之后用吹风机冷风吹干。
见图1、图2，经微弧氧化处理后，在金属铍表面制备出了灰白色的微弧氧化陶瓷膜，直径15mm的铍试片，样品表面平整均匀，颜色为灰白色；扫描电镜下可以看到铍表面生成了陶瓷状的氧化铍薄膜，其膜结构与镁、铝的微弧氧化膜结构类似，但膜的孔洞直径要较之小得多，多为纳米级封闭孔洞。
采用兆欧表检测金属铍微弧氧化膜的绝缘性。分别用兆欧表125V，250V档位对微弧氧化膜进行绝缘性测试，测试方法分为两种：
（1）兆欧表的两根探针分别位于试片两侧，即一根探针置于铍基体端，另一根置于薄膜端；
（2）兆欧表的两根探针分均位于薄膜端。
测试方法（1）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/125V
测试方法（2）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/250V
采用湿热腐蚀试验以检验微弧氧化膜的耐蚀性能，湿热试验参照标准为GJB150.9A-2009。试验完成后的微弧氧化陶瓷膜没有气泡、起皮、剥落开裂现象，并在100倍体视显微镜下无明显点蚀。
实施例二：
本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤4中氧化电压升高到350V。制备的氧化膜在扫描电镜下看较实施方式一中薄膜孔径增大，但绝缘性有提高。
兆欧表测试微弧氧化膜的绝缘性，
测试方法（1）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/125V
测试方法（2）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：300MΩ/250V
湿热腐蚀试验测试耐蚀性，
试验完成后的微弧氧化陶瓷膜没有气泡、起皮、剥落开裂现象，并在100倍体视显微镜下无明显点蚀。
实施例三：
本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤3中配置溶液为21.2g/L Na2CO3。
兆欧表测试微弧氧化膜的绝缘性，
测试方法（1）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/125V
测试方法（2）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/250V
湿热腐蚀试验测试耐蚀性。
试验完成后的微弧氧化陶瓷膜没有气泡、起皮、剥落开裂现象，并在100倍体视显微镜下无明显点蚀。
实施例四
本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤3中配置溶液为84.8g/L Na2CO3。
兆欧表测试微弧氧化膜的绝缘性，
测试方法（1）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/125V
测试方法（2）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/250V
湿热腐蚀试验测试耐蚀性。
试验完成后的微弧氧化陶瓷膜没有气泡、起皮、剥落开裂现象，并在100倍体视显微镜下无明显点蚀。
实施例五
本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤4中电流密度为5mA/cm2。微弧氧化处理时间明显变长，制备的薄膜孔洞尺寸变小。
兆欧表测试微弧氧化膜的绝缘性，
测试方法（1）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/125V
测试方法（2）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/250V
湿热腐蚀试验测试耐蚀性，
试验完成后的微弧氧化陶瓷膜没有气泡、起皮、剥落开裂现象，并在100倍体视显微镜下无明显点蚀。
实施例六
本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤4中电流密度为50mA/cm2。微弧氧化时间明显缩短，制备的薄膜孔洞尺寸较实施方式一中小。
兆欧表测试微弧氧化膜的绝缘性，
测试方法（1）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/125V
测试方法（2）得到微弧氧化膜绝缘性能均大于：250MΩ/250V
湿热腐蚀试验测试耐蚀性，
试验完成后的微弧氧化陶瓷膜没有气泡、起皮、剥落开裂现象，并在100倍体视显微镜下无明显点蚀。
以上仅为本发明的部分实施例，对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明思想的的情况下，还有其他的变化和修改，这些都在本申请的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种金属铍的微弧氧化工艺，其特征在于，微弧氧化电解液的组分为Na2CO3 21.2～84.8g/L，余量为水。
2.根据权利要求1所述的一种金属铍的微弧氧化工艺，其特征在于，在所述微弧氧化电解液中的微弧氧化工艺参数为：
恒电流模式，电流密度为5～50mA/cm2；
随着微弧氧化进行，电流保持不变，氧化到300～350V；
温度为25±3℃。
3.一种金属铍表面微弧氧化陶瓷膜的制备方法，步骤为：
S1打磨：对金属铍进行机械打磨；
S2清洗：去除金属铍表面的油污；
S3微弧氧化：金属铍放入Na2CO3含量为21.2～84.8g/L的电解液中进行微弧氧化，采用恒电流模式，电流密度为5～50mA/cm2，氧化到300～350V，电解液温度为25±3℃；
S4清洗：用去离子水对金属铍清洗；
S5吹干。
4.根据权利要求3所述的一种金属铍表面微弧氧化陶瓷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1打磨为：将金属铍待微弧氧化的表面依次用500#，800#，1000#砂纸进行打磨。
5.根据权利要求3所述的一种金属铍表面微弧氧化陶瓷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2为：将金属铍的油污聚集区用丙酮溶液擦拭一遍，再将金属铍浸泡在丙酮溶液中，采用超声除油的方式超声10～15min，从而出去浮灰和油脂。
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