CN107385495A - 钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法 - Google Patents

钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，包括如下步骤：S1)提供钛或钛合金材质工件；S2)对工件进行超声清洗，并采用无水乙醇去除工件表面浮尘及可见污渍；S3)然后将工件吹干，并置于配置好的预处理溶液中浸没搅拌，继续除去工件表面残留的油污和不均匀氧化膜层；S4)再将工件取出用清水冲洗，然后再用无水乙醇浸泡工件，之后将工件取出吹干；S5)接着将工件放入阳极氧化槽液中进行阳极氧化，在工件表面形成均匀的氧化膜层；S6)最后对工件进行超声清洗，吹干封存。本发明能够生成结合牢固、致密性均匀的膜层，所述膜层呈现一种均匀的中空管状排列，有效提高钛及钛合金材料在人体植入的应用性能。

Description

钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种金属阳极氧化表面处理方法，尤其涉及一种钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法。
背景技术
钛及钛合金高光阳极氧化会在金属表面产生一种氧化膜层，通用膜层厚度在15-30μm之间，膜层硬度基于钛材料基底290-300HV提高至300-400HV。工业用途上，可以提高表层涂覆物的结合力、增加零件的润滑性、耐磨性以及提高在复杂环境(酸性、碱性)中耐腐蚀的性能，同时膜层可呈现多种颜色，是比较理想的装饰层。医疗用途上，膜层组分为氧化钛及二氧化钛，可有效增加钛及钛合金植入物与人体之间的相容性，减少术后排异反应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，能够生成结合牢固、致密性均匀的膜层，所述膜层呈现一种均匀的中空管状排列，有效提高钛及钛合金材料在人体植入的应用性能。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，包括如下步骤：S1)提供钛或钛合金材质工件；S2)对工件进行第一次超声清洗，并采用无水乙醇去除工件表面浮尘及可见污渍；S3)然后将工件吹干，并置于配置好的预处理溶液中浸没搅拌，继续除去工件表面残留的油污和不均匀氧化膜层，裸露工件材料基底；S4)再将工件取出用清水冲洗，然后再用无水乙醇浸泡工件，之后将工件取出吹干；S5)接着将工件放入阳极氧化槽液中进行阳极氧化，在工件裸露基底表面形成均匀的氧化膜层；S6)最后对工件进行第二次超声清洗，采用无水乙醇作为清洗剂去除工件表面反应残渣及反应残留药液，并使用热风机吹干封存。
上述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其中，所述步骤S3)和步骤S4)使用热风机将工件吹干，风机出口温度为60～80℃，烘吹时间为5～10s，所述步骤S4)中用无水乙醇浸泡工件1～2min。
上述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其中，所述步骤S2)采用无水乙醇在22～28℃温度下第一次超声清洗3min～5min；所述步骤S6)采用无水乙醇在22～28℃温度下第二次超声清洗8min～10min。
上述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其中，所述步骤S3)中预处理溶液包含水、氢氟酸和硝酸，各组分的重量百分比如下：
水 40～60％
氢氟酸 10～15％
硝酸 30～50％。
上述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其中，所述步骤S5)中阳极氧化槽液包含乙二醇，水和氟化铵；各组分重量百分比如下:
乙二醇 80～90％
水 8～18％
氟化铵 2～3％。
上述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其中，所述阳极氧化槽中设有不锈钢网为负极，所述工件接正极，所述不锈钢网和工件外接高频交流脉冲电源，在室温条件下，控制电压为60V,电流密度为0.05～3A/平方分米，氧化反应时间为30-60min。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，通过超声清洗、抛光预处理、无水乙醇漂洗后进行阳极氧化，从而基于基底原位生成的结合牢固、致密性均匀的氧化膜层，所述膜层呈现一种均匀的中空管状排列，有效提高钛及钛合金材料在人体植入的应用性能。
附图说明
图1为本发明钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理过程示意图；
图2为本发明钛及钛合金纳米阳极在10000倍显微镜下的放大示意图；
图3为本发明钛及钛合金纳米阳极在50000倍显微镜下的放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理过程示意图。
请参见图1，本发明提供的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法,其具体工艺步骤为：工件初检→第一次超声清洗→吹干→预处理→水洗→化学漂洗→吹干→阳极氧化→水洗→第二超声清洗→吹干封存。
第一次超声清洗：3～5min，室温下22～28℃，使用无水乙醇洗去零件表面浮油及灰尘；
预处理：预处理溶液室温下22～28℃，直至零件表面洁净为止；
化学漂洗：纯无水乙醇漂洗1～2min；
阳极氧化：需要外接高频交流脉冲电源，工件接正极，以不锈钢网为负极，在室温条件下，电压60V,电流密度0.05～3A/平方分米，时间30～60min,工件产生色泽不均匀膜层。
第二次超声清洗:8～10min，室温下22～28℃，使用无水乙醇作为清洗剂。
下面给出上述钛及钛合金高光阳极氧化金属表面处理具体过程：
步骤S1：提供钛合金材质(Ti6Al4V)工件，尺寸长约30mm，宽5mm，厚1mm，重量约为3g；
步骤S2：首先采用无水乙醇在室温25℃下超声清洗3min，去除表面浮尘及油污；然后将工件使用热风机吹干，由于无水乙醇在空气易挥发，故风机出口温度约为60℃，时间只需要5～10s即可。然后将工件置于配置好的预处理溶液(50ml去离子水，40ml硝酸、10ml氢氟酸)中，轻轻摇晃5min,将工件取出清水冲洗，然后取50ml无水乙醇浸泡工件，时间2min，之后将工件取出按上述同样方法吹干。
装挂入配置好的纳米阳极氧化槽液(330ml乙二醇，37ml水，2g氟化铵)中，需要装置为高频直流电源，设定电压值为60V，工件装挂为正极，以不锈钢网为负极。
同时反应槽应置于恒温水浴磁力搅拌装置中，设定恒温装置25℃，搅拌转子转速160R/min,反应时间设定为60min；反应过程中可见工件表面有微小气泡产生，待反应完全完成后不再产生气泡。本发明的纳米阳极氧化溶液中，采用高浓度的无水乙醇，不产生游离电离子，故加入少量去离子水和氟化铵，使反应顺利进行，而高浓度无水乙醇保证反应速度极低，从而生成稳定的规则的纳米膜层。之后将工件取出清水冲洗之后放入无水乙醇超声清洗8min,完全出去反应残渣及反应残留药液，然后使用热风机吹干封存。
为了提高预处理漂洗效果，本发明还提供一种钛及钛合金预处理溶液，主要包括如下组分：包含水、氢氟酸和硝酸，各组分的重量百分比如下：
水 40～60％
氢氟酸 10～15％
硝酸 30～50％。
本发明还提供一种钛及钛合金阳极氧化溶液,主要包括如下组分：乙二醇，水和氟化铵；各组分重量百分比如下:
乙二醇 80～90％
水 8～18％
氟化铵 2～3％。
实验数据显示：
1)钛及钛合金工件加工过程中，需要接触大量工业油脂抛光膏等，本发明采用无水乙醇溶液，能够有效出去工件表面残留的油污；
2)钛及钛合金本身材料的特性使其易与空气中的氧气发生反应，产生不均匀的氧化膜层，以硝酸为主的酸性抛光溶液能够使其表面的不均匀氧化膜层被腐蚀，而氢氟酸具有的缓蚀效应会使腐蚀不至于过快发展从而损坏工件尺寸，两者结合使材料基底裸露，更便于后期参与反应；
3)阳极氧化选用无水乙醇为主溶液，高配比的无水乙醇使反应过程极为缓慢，从而生成所需的纳米膜层，再辅去离子水及少量氟化铵添加物，使反应有效进行，避免因无水乙醇浓度过高不发生反应。同时，在正极施加一定的电压值使反应向右进行。
在10000倍率电镜显微镜下观察工件表面图谱如图2所示，在50000倍率电镜显微镜下观察工件表面图谱如图3所示。高倍电镜显微镜观察结果显示，膜层为均匀规则的中空管装排列，称之为纳米管。
综合各项实验数据分析，本发明具有以下特点：1)基于基底原位生成的纳米氧化膜层，结合牢固不脱落，致密性良好、排列均匀；2)工艺简单，易于掌握，可重复性稳定，所需设备简单，各反应溶液属于可重复利用型，成本低廉，主反应纳米阳极氧化溶液全无毒害材料，符合环保排放要求。3)鉴于目前钛及钛合金材料应用于医疗植入物的普遍性，经过本发明处理的植入物，在植入前使用抗菌类药剂浸泡，其中空的管装排列膜层能够更多的截留药剂，在植入人体后能够缓慢释放，有效的降低术后感染的发生；且多孔型中空排列对于永久性植入物，能够更有效的使人体与之结合，降低排异反应的发生。因此，本发明具有相当广阔的应用前景。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)提供钛或钛合金材质工件；
S2)对工件进行第一次超声清洗，并采用无水乙醇去除工件表面浮尘及可见污渍；
S3)然后将工件吹干，并置于配置好的预处理溶液中浸没搅拌，继续除去工件表面残留的油污和不均匀氧化膜层，裸露工件材料基底；
S4)再将工件取出用清水冲洗，然后再用无水乙醇浸泡工件，之后将工件取出吹干；
S5)接着将工件放入阳极氧化槽液中进行阳极氧化，在工件裸露基底表面形成均匀的氧化膜层；
S6)最后对工件进行第二次超声清洗，采用无水乙醇作为清洗剂去除工件表面反应残渣及反应残留药液，并使用热风机吹干封存。
2.如权利要求1所述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其特征在于，所述步骤S3)和步骤S4)使用热风机将工件吹干，风机出口温度为60～80℃，烘吹时间为5～10s，所述步骤S4)中用无水乙醇浸泡工件1～2min。
3.如权利要求2所述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其特征在于，所述步骤S2)采用无水乙醇在22～28℃温度下第一次超声清洗3min～5min；所述步骤S6)采用无水乙醇在22～28℃温度下第二次超声清洗8min～10min。
4.如权利要求1所述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其特征在于，所述步骤S3)中预处理溶液包含水、氢氟酸和硝酸，各组分的重量百分比如下：
水 40～60％
氢氟酸 10～15％
硝酸 30～50％。
5.如权利要求1所述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其特征在于，所述步骤S5)中阳极氧化槽液包含乙二醇，水和氟化铵；各组分重量百分比如下:
乙二醇 80～90％
水 8～18％
氟化铵 2～3％。
6.如权利要求5所述的钛及钛合金纳米阳极氧化表面处理方法，其特征在于，所述阳极氧化槽中设有不锈钢网为负极，所述工件接正极，所述不锈钢网和工件外接高频交流脉冲电源，在室温条件下，控制电压为60V,电流密度为0.05～3A/平方分米，氧化反应时间为30-60min。
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