CN1100154A

CN1100154A - 一种对晶须增强铝基复合材料进行发黑处理的方法

Info

Publication number: CN1100154A
Application number: CN 93117016
Authority: CN
Inventors: 刘军; 王德尊; 耿林; 李世社; 姚忠凯
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1995-03-15

Abstract

本发明公开了一种对晶须增强铝基复合材料，特别是以碳化硅晶须、硼酸铝晶须等为增强相的铝基复合材料进行发黑处理的方法。通过控制预处理试剂的浓度、温度和处理时间，以及与预处理紧密联系的阳极化处理的试剂浓度、温度、电流密度和处理时间，可以在复合材料的表面形成氧化膜或由半裸露的增强体组成的粗糙层。然后，利用化学染色方法，将上述氧化层或粗糙层染色。最后，对黑膜进行封孔处理。

Description

本发明涉及一种对晶须增强铝基复合材料，特别是碳化硅晶须增强铝基复合材料、硼酸铝晶须增强铝基复合材料进行发黑处理的方法。

晶须增强铝基复合材料是一类以工业铝合金为基体，以碳化硅晶须、硼酸铝晶须、钛酸钾晶须等为增强体的高性能材料，其物理性能（热膨胀系数、导热系数等）和力学性能（弹性模量、室温和高温强度、疲劳强度、耐磨性等）均优于现用的工业铝合金。如果用晶须增强铝基复合材料代替铝合金，不仅可以减轻重量，提高零件的使用寿命，而且可以拓宽机械、航空和航天等工业的选材范围，从而取得巨大的经济效益和社会效益。对于某些零件（如光学镜筒等光学零件），要求对其进行发黑处理。由于晶须增强铝基复合材料的基体为铝合金，因此，从本质上说，对复合材料进行发黑处理实质上是对复合材料的基体铝合金进行发黑处理。目前，对工业铝合金的发黑处理工艺已较成熟，一般的处理方法为：首先，用40～80℃的NaOH溶液（浓度为50～200克/升）和15～25℃的HNO₃溶液（浓度为15～30%）材料进行预处理30～300秒，以除去材料表面的污物。水洗后，放入浓度10～20%的H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理，电流密度为1～2A/dm²，温度为20～30℃，处理时间为10～30分钟。水洗后，进行化学染色，先放入90～100℃的CoAc₂溶液（浓度为50～100克/升）中浸渍10～15分钟，再放入90～100℃的Na₂S溶液（浓度为50～100克/升）中浸渍20～30分钟，或在90～100℃的KMnO₄溶液（浓度为15～25克/升）中浸渍20～30分钟。最后，在90～100℃的蒸馏水中浸渍20～30分钟，进行封孔处理。利用上述方法对碳化硅晶须、硼酸铝晶须等增强铝基复合材料进行发黑处理的结果表明，经处理后，复合材料的表面呈灰绿色或灰白色，扫描电镜观察结果表明，在复合材料的表面有一晶须的敷层，这是复合材料被腐蚀过度的结果。这是由于晶须的存在改变了晶须增强铝基复合材料的耐腐蚀性，使得复合材料在NaOH溶液、HNO₃溶液、H₂SO₄溶液、Na₂S溶液等腐蚀性溶液中进行处理时，如果溶液浓度过高，且浸渍时间过长，则易发生复合材料被腐蚀过度，造成复合材料表面形成一个晶须的敷层，降低了表面发黑层与基底的结合力，从而，难以获得与基底具有良好结合强度的发黑层。可见，铝合金的传统发黑处理方法对晶须增强铝基复合材料不适合。

本发明的目的是提供一种对晶须增强铝基复合材料，特别是对碳化硅晶须、硼酸铝晶须等增强铝基复合材料进行发黑处理的有效方法，使经过处理的复合材料表面形成足够黑的发黑层，并且保证发黑层与基底的结合力。

本发明是这样实现的：首先将处理对象（晶须增强铝基复合材料）进行预处理，以除去其表面的油污和自然氧化膜。然后，将经过预处理的材料进行阳极氧化处理，根据预处理时间和阳极氧化处理时间的不同，可在复合材料的表面形成一层氧化膜，或形成一层含有半裸露晶须的粗糙层。再后，将经预处理和阳极氧化处理的材料在化学试剂中进行化学染色处理，根据不同的化学试剂浓度和染色时间，可以形成不同程度的黑色。最后，用蒸馏水对经染色的材料进行封孔处理。

下面对本发明进行详细的阐述。

本发明的处理对象为晶须增强铝基复合材料，其中增强体可为碳化硅晶须、硼酸铝晶须、钛酸钾晶须等，增强体的体积含量为10～35%。复合材料的基体可选铸造铝合金（如ZL109等）、锻造铝合金（LD2等）、硬铝合金（LY12等）以及超硬铝合金（LC4）等各种工业铝合金。

对晶须增强铝基复合材料进行表面发黑处理的方法，按以下步骤实现：

（1）首先对要进行表面发黑处理的复合材料进行预处理，即将复合材料先放入浓度为80～100克/升，温度为10～30℃的NaOH溶液中浸渍4～28秒，而后又放入浓度为5～14%，温度为10～30℃的HNO₃溶液中浸渍4～28秒。

（2）然后将经过预处理的复合材料用25℃的清水冲洗1～5分钟。

（3）之后，将复合材料放入电解质为H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理，即复合材料做为阳极，以工业纯铝或铅做为阴极，将两极浸入浓度为3～9%，温度为18～20℃，电流密度为1～1.5A/dm²的H₂SO₄溶液中，并在两极接通低压直流电，氧化时间为3～20分钟。

（4）将经过阳极氧化处理的复合材料用25℃的清水冲洗1～5分钟。

（5）将经过上述步骤处理的复合材料进行化学染色处理，即先将复合材料浸渍在浓度25～45克/升，温度为90～100℃的CoAc₂溶液中，浸渍时间20～40分钟，而后又将复合材料再放入浓度为10～14克/升，温度为90～100℃的KMnO₄溶液中浸渍，浸渍时间35～50分钟。在进行化学染色处理时，也可以首先将复合材料浸渍在浓度为25～45克/升，温度为90～100℃的CoAc₂溶液中，浸渍时间为20～40分钟，而后又将复合材料再放入浓度为5～30克/升，温度为20～50℃的Na₂S溶液中浸渍，浸渍时间为0.5～2小时。

（6）将经过化学染色处理的复合材料用25℃清水冲洗1～5分钟。

（7）最后，将经过化学染色处理的复合材料进行封孔处理，即将复合材料放入温度为80～90℃的蒸馏水中浸泡，浸渍时间为30～35分钟。

阳极氧化处理时间的选择应紧密地与预处理工艺相结合。当预处理试剂的温度在高于或等于10℃、低于18℃的范围内，处理时间在大于或等于4秒、小于8秒的范围内时，阳极氧化处理时间可在10～20分钟的范围内;而当预处理试剂的温度在高于或等于10℃、低于或等于30℃的范围内，处理时间在大于或等于8秒、小于18秒的范围内时，阳极氧化处理时间可在大于或等于3分钟、小于10分钟的范围内;而当预处理试剂的温度在高于或等于18℃、低于或等于30℃的范围内，处理时间在大于或等于18秒、小于或等于28秒的范围内时，预处理后，复合材料表面的增强体已经处于半裸露状态时，此时，甚至可以不再进行阳极氧化处理，直接进行染色，而使黑色膜以材料表面的半裸露的增强体为框架而沉积。由于此时增强体是半裸露状态，因此，以其为框架的沉积层与基体的结合力是良好的。

经过上述预处理和阳极氧化处理后，在复合材料的表面已经形成了一层氧化膜或由半裸露的增强体构成的粗糙层。此时，可利用化学染色的方法对氧化膜进行化学染色，或在粗糙层内以半裸露的增强体为框架形成黑膜。

经过上述发黑方法处理后，可在晶须增强铝基复合材料的表面形成一层质地均匀、色调一致的黑层。黑层对光（波长为0.40～0.85μm）的反射率最少可达7%，与其基底的结合强度最高可达262MPa。

通过下面的实施例，可以进一步证实本发明的有效性。

实施例1

本实施例选用碳化硅晶须增强LD2（为一种锻造铝合金）复合材料，碳化硅晶须的体积分数为10%。预处理时将复合材料分别在30℃的NaOH溶液（浓度为90克/升）和30℃的HNO₃溶液（浓度为10%）中浸渍15秒，然后用25℃的清水冲洗3分钟，之后，将复合材料放入H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理。阳极氧化处理时，H₂SO₄溶液的温度为20℃，浓度为9%，电流密度为1.5A/dm²，处理时间为3分钟，然后用25℃的清水冲洗5分钟，之后，进行化学染色。染色时，先将复合材料放入温度为90℃、浓度为40克/升的CoAc₂溶液中浸渍30分钟，然后，将复合材料放入温度为30℃、浓度为10克/升的Na₂S溶液中浸渍30分钟，然后用25℃的清水冲洗3分钟。最后，进行封孔处理。封孔处理时，蒸馏水的温度为90℃，处理时间为30分钟。结果表明，在碳化硅晶须增强LD2复合材料的表面得到了色调均匀、与基底结合良好的黑色层。

实施例2

本实施例选用碳化硅晶须增强LC4（为一种超硬铝合金）复合材料，碳化硅晶须的体积分数为35%。预处理时将复合材料分别在10℃的NaOH溶液（浓度为80克/升）和10℃的HNO₃溶液（浓度为5%）中浸渍4秒，然后用25℃的清水冲洗1分钟，之后，将复合材料放入H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理。阳极氧化处理时，H₂SO₄溶液的温度为18℃，浓度为5%，电流密度为1A/dm²，处理时间为10分钟，然后用25℃的清水冲洗3分钟之后，进行化学染色。染色时，先将复合材料放入温度为85℃、浓度为45克/升的CoAc₂溶液中浸渍35分钟，然后，将复合材料放入温度为95℃、浓度为10克/升的KMnO₄溶液中浸渍45分钟，然后用25℃的清水冲洗1分钟。最后，进行封孔处理。封孔处理时，蒸馏水的温度为85℃，处理时间为30分钟。结果表明，在碳化硅晶须增强LC4复合材料的表面得到了色调均匀的黑色膜，但膜与基底的结合强度比实施例1中的略低。

实施例3

本实施例选用碳化硅晶须增强ZL109（为一种铸造铝合金）复合材料，碳化硅晶须的体积分数为20%。预处理时将复合材料分别在20℃的NaOH溶液（浓度为100克/升）和20℃的HNO₃溶液（浓度为14%）中浸渍28秒，然后用25℃的清水冲洗5分钟，之后，将复合材料进行化学染色。染色时，先将复合材料放入温度为100℃、浓度为42克/升的CoAc₂溶液中浸渍40分钟，然后，将复合材料放入温度为100℃、浓度为14克/升的KMnO₄溶液中浸渍35分钟，然后用25℃的清水冲洗5分钟。最后，进行封孔处理。封孔处理时，蒸馏水的温度为90℃，处理时间为30分钟。结果表明，在碳化硅晶须增强ZL109复合材料的表面得到了色调均匀的黑色膜、膜与基底的结合强度与实施例2中的相当。

实施例4

本实施例选用钛酸钾晶须增强LC4（为一种超硬铝合金）复合材料，钛酸钾晶须的体积分数为20%。预处理时将复合材料分别在15℃的NaOH溶液（浓度为90克/升）和15℃的HNO₃溶液（浓度为10%）中浸渍6秒，然后，用25℃的清水冲洗3分钟，之后，将复合材料放入H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理，阳极氧化处理时，H₂SO₄溶液的温度为19℃，浓度为3%，电流密度为1.2A/dm²，处理时间为20分钟，然后用25℃的清水冲洗1分钟，之后，进行化学染色。染色时，先将复合材料放入温度为95℃、浓度为40克/升的CoAc₂溶液中浸渍35分钟，然后，将复合材料放入温度为90℃、浓度为12克/升KMnO₄溶液中浸渍50分钟，然后用25℃的清水冲洗3分钟。最后，进行封孔处理。封孔处理时，蒸馏水的温度为80℃，处理时间为35分钟。结果表明，在钛酸钾晶须增强LC4复合材料的表面得到了色调均匀的黑色膜。

实施例5：

本实施例选用硼酸铝晶须增强LD2（为一种超硬铝合金）复合材料，硼酸铝晶须的体积分数为25%。预处理时将复合材料分别在15℃的NaOH溶液（浓度为90克/升）和15℃的HNO₃溶液（浓度为10%）中浸渍6秒，然后，用25℃的清水冲洗3分钟，之后，将复合材料放入H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理。阳极氧化处理时，H₂SO₄溶液的温度为19℃，浓度为3%，电流密度为1.2A/dm²，处理时间为20分钟，然后用25℃的清水冲洗1分钟之后，进行化学染色。染色时，先将复合材料放入温度为95℃、浓度为40克/升的CoAc₂溶液中浸渍35分钟，然后，将复合材料放入温度为50℃、浓度5克/升的Na₂S溶液中浸渍10分钟，然后用25℃的清水冲洗1分钟，最后，进行封孔处理。封孔处理时，蒸馏水的温度为85℃，处理时间为32分钟。结果表明，在硼酸铝晶须增强LD2复合材料的表面得到了色调均匀的黑色膜。

实施例6：

本实施例选用碳化硅晶须增强LC4（为一种超硬铝合金）复合材料，碳化硅晶须的体积分数为20%。预处理时将复合材料分别在15℃的NaOH溶液（浓度为90克/升）和15℃的HNO₃溶液（浓度为10%）中浸渍6秒，然后，用25℃的清水冲洗3分钟，之后，将复合材料放入H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理。阳极氧化处理时，H₂SO₄溶液的温度为19℃，浓度为3%，电流密度为1.2A/dm²，处理时间为20分钟，然后用25℃的清水冲洗1分钟后，之后，进行化学染色。染色时，先将复合材料放入温度为95℃、浓度为40克/升的CoAo₂溶液中浸渍35分钟，然后，将复合材料放入温度为20℃、浓度为30克/升的Na₂S溶液中浸渍20分钟，然后用25℃的清水冲洗5分钟。最后，进行封孔处理。封孔处理时，蒸馏水的温度为85℃，处理时间为30分钟。结果表明在碳化硅晶须增强LC4复合材料的表面得到了色调均匀的黑色膜。

实施例7：

本实施例选用硼酸铝晶须增强ZL109（为一种铸造铝合金）复合材料，硼酸铝晶须的体积分数为20%。整个处理过程同实施例3。结果表明，在硼酸铝晶须增强ZL109铝复合材料的表面得到了色调均匀的黑色膜，膜与基底的结合强度与实施例3中的相当。上述结果表明，晶须增强体的种类对晶须增强铝复合材料的发黑处理性能影响不大。

Claims

1、一种对晶须增强铝基复合材料进行表面发黑处理的方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：

(1)首先对要进行表面发黑处理的复合材料进行预处理，即将复合材料先放入浓度为80～100克/升，温度为10～30℃的NaOH溶液中浸渍4～28秒，而后又放入浓度为5～14%，温度为10～30℃的HNO₃溶液中浸渍4～28秒。

(2)然后将经过预处理的复合材料用25℃的清水冲洗1～5分钟。

(3)之后，将复合材料放入电解质为H₂SO₄溶液中进行阳极氧化处理，即复合材料做为阳极，以工业纯铝或铅做为阴极，将两极浸入浓度为3～9%，温度为18～20℃，电流密度为1～1.5A/dm²的H₂SO₄溶液中，并在两极接通低压直流电，氧化时间为3～20分钟。

(4)将经过阳极氧化处理的复合材料用25℃的清水冲洗1～5分钟。

(5)将经过上述步骤处理的复合材料进行化学染色处理，即先将复合材料浸渍在浓度25～45克/升，温度为90～100℃的CoAc₂溶液中，浸渍时间20～40分钟，而后又将复合材料再放入浓度为10～14克/升，温度为90～100℃的KMnO₄溶液中浸渍，浸渍时间35～50分钟。

(6)将经过化学染色处理的复合材料用25℃清水冲洗1～5分钟。

(7)最后，将经过化学染色处理的复合材料进行封孔处理，即将复合材料放入温度为80～90℃的蒸馏水中浸泡，浸渍时间为30～35分钟。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于处理对象以碳化硅、硼酸铝、钛酸钾等晶须为增强体的铝基复合材料，其中增强体的体积含量为10～35%，其体为铸造铝合金（ZL109）、锻造铝合金（LD2）、硬铝合金（LY12）以及超硬铝合金（LC4）等工业用铝合金。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于对复合材料进行化学染色处理时，即首先将复合材料浸渍在浓度为25～45克/升，温度为90～100℃的CoAc₂溶液中，浸渍时间为20～40分钟，而后又将复合材料再放入浓度为5～30克/升，温度为20～50℃的Na₂S溶液中浸渍，浸渍时间为0.5～2小时。