CN110344095B - 一种高强铝合金阳极氧化电解液及高强铝合金阳极氧化膜的制备方法和高强铝合金工件 - Google Patents

一种高强铝合金阳极氧化电解液及高强铝合金阳极氧化膜的制备方法和高强铝合金工件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种高强铝合金阳极氧化电解液及高强铝合金阳极氧化膜的制备方法和高强铝合金工件。本发明提供的高强铝合金阳极氧化电解液，包括0.1～0.2mol/L的植酸。高强铝合金在植酸溶液中通电后表面会发生氧化反应，且可以通过调整植酸浓度和氧化电压得到厚度为3～5μm的阳极氧化膜，在膜层比较薄、不影响基体疲劳性能的前提下，即可显著提高高强铝合金的耐蚀性，尤其适用于改善Al‑Cu、Al‑Mg‑Si及Al‑Zn‑Mg‑Cu系高强度铝合金的耐蚀性；另外，本发明采用天然植物提取物植酸，经济实惠，环保无毒，废水处理工艺简便，具有较好的应用价值和经济、社会效益。

Description

一种高强铝合金阳极氧化电解液及高强铝合金阳极氧化膜的 制备方法和高强铝合金工件
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种高强铝合金阳极氧化电解液及高强铝合金阳极氧化膜的制备方法和高强铝合金工件。
背景技术
Al-Cu(2×××)系、Al-Zn-Mg-Cu(7×××)系铝合金，具有密度小、比强度和硬度高、塑性加工性能优良等特点，因此，广泛的应用在航空、建筑及交通运输等领域。但2×××、7×××系铝合金在腐蚀介质环境中非常敏感，很容易遭到各种腐蚀(如点蚀、剥蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等)的影响，影响铝合金工件的使用性能和寿命。因此，必须采用适当的表面处理提高铝合金的防护性能。
目前，阳极氧化是改善2×××、7×××系铝合金耐蚀性的重要手段，其中，硫酸阳极氧化、铬酸阳极氧化及硼硫酸阳极氧化在航空工业中应用最为广泛，但这些工艺均存在一定的不足之处：铬酸阳极氧化膜层致密、孔隙率低、不损害基材疲劳强度，但Cr(VI)污染环境，导致其使用遭到限制；硫酸阳极氧化虽然污染小，但会降低基材的抗疲劳性能，且硫酸浓度较大，不适宜于Cu含量高的2×××系合金；而硼硫酸阳极氧化工艺虽然不存在上述缺点，但受到波音公司的专利限制，难以大规模使用。因此，非常有必要探索一种既能满足使用需求、又新型环保的阳极氧化体系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强铝合金阳极氧化电解液及高强铝合金阳极氧化膜的制备方法和高强铝合金工件。本发明采用植酸作为电解液组分，经济实惠、环保无毒，废水处理简单；采用本发明提供的电解液制备的高强铝合金阳极氧化膜具有较少的微孔和较厚的阻挡层，耐蚀性能优异。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高强铝合金阳极氧化电解液，包括0.1～0.2mol/L的植酸。
优选地，所述高强铝合金阳极氧化电解液的pH值为2.0～2.5。
本发明提供了一种高强铝合金阳极氧化膜的制备方法，包括以下步骤：
将高强铝合金置于上述技术方案所述的高强铝合金阳极氧化电解液中，进行阳极氧化处理，在高强铝合金表面形成高强铝合金阳极氧化膜。
优选地，所述高强铝合金预先经碱蚀处理和出光处理。
优选地，所述碱蚀处理在碱蚀液中进行，所述碱蚀液包含60～100g/L氢氧化钠和5～6g/L硫化钠；所述碱蚀处理的温度为50～60℃，时间为3～5min。
优选地，所述出光处理在出光液中进行，所述出光液为30～50％体积浓度的硝酸溶液；所述出光处理的时间为30～60s。
优选地，所述阳极氧化处理采用直流电源，电压为180～220V；所述阳极氧化处理采用分步升压法：先在5min内升压至180V，保持20～25min；然后在5min内升压至200～220V，保持5～10min。
优选地，所述阳极氧化处理的温度为15～30℃，时间为30～40min。
本发明还提供了一种高强铝合金工件，包括高强铝合金以及设置于高强铝合金表面的高强铝合金阳极氧化膜，所述高强铝合金阳极氧化膜采用上述技术方案所述制备方法制备得到。
优选地，所述高强铝合金阳极氧化膜的厚度为3～5μm。
本发明提供了一种高强铝合金阳极氧化电解液，包括0.1～0.2mol/L的植酸。植酸又名肌醇六磷酸，作为一种天然植物提取物，其分子中含有能同金属配位的24个氧原子、12个羟基和6个磷酸酯基，是一种金属多齿螯合剂。高强铝合金在植酸溶液中通电后表面会发生氧化反应形成Al2O3膜，提高高强铝合金的耐蚀性，尤其适用于改善Al-Cu、Al-Mg-Si及Al-Zn-Mg-Cu系高强度高强铝合金的耐蚀性；可以通过调整植酸浓度和氧化电压，得到厚度为3～5μm的阳极氧化膜，在膜层比较薄、不影响基体疲劳性能的前提下，能够显著提高高强铝合金的耐蚀性；另外，本发明采用天然植物提取物植酸，经济实惠，环保无毒，废水处理工艺简便，具有较好的应用价值和经济、社会效益。
本发明提供了一种高强铝合金阳极氧化膜的制备方法，制备工艺简便易操作，适宜工业化推广应用。
本发明还提供了一种高强铝合金工件，具有优异的耐蚀性，能够广泛应用在航空、建筑及交通运输等领域。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的2024铝合金阳极氧化膜的表面形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种高强铝合金阳极氧化电解液，包括0.1～0.2mol/L的植酸；在植酸阳极氧化过程中，共经历阻挡层的形成、多孔层的形成及多孔层增厚三个阶段，最终在高强铝合金表面形成Al2O3膜，以植酸作为电解液组分能够减少Al2O3膜的微孔数量，进而减少了腐蚀介质的迁移通道，提高了高强铝合金的耐蚀性能。
在本发明中，所述高强铝合金阳极氧化电解液中植酸的浓度为0.1～0.2mol/L。在本发明中，所述植酸优选以水溶液形式使用，所述植酸溶液的质量分数优选为70％。
在本发明中，所述高强铝合金阳极氧化电解液的pH值优选为1.3～2.5，更优选为2.0～2.5。本发明优选采用氢氧化钾溶液调节所述高强铝合金阳极氧化电解液的pH值，所述氢氧化钾溶液的浓度优选为1mol/L。本发明限定高强铝合金阳极氧化电解液的pH值在上述范围，更加有利于阳极氧化膜的形成。
在本发明中，所述高强铝合金阳极氧化电解液的制备方法优选包括以下步骤：先将植酸溶液与部分水混合，然后加水至规定体积，并调节pH值至规定范围，静置后，得到高强铝合金阳极氧化电解液。在本发明中，所述水优选为去离子水，所述部分水的体积优选占总加水量的50％。本发明对所述植酸溶液和部分水的混合方式没有特殊的限定，以混合均匀为宜，在本发明的具体实施例中，所述混合优选在搅拌条件下进行。在本发明中，所述静置的时间优选为24h，所述静置的温度优选为20～35℃。本发明通过静置，使植酸达到电离平衡，有利于提高膜层的均匀性。
本发明提供了一种高强铝合金阳极氧化膜的制备方法，包括以下步骤：
将高强铝合金置于上述技术方案所述的高强铝合金阳极氧化电解液中，进行阳极氧化处理，在高强铝合金表面形成高强铝合金阳极氧化膜。
进行阳极氧化处理前，本发明优选将所述高强铝合金预先经碱蚀处理和出光处理。在本发明中，所述碱蚀处理优选在碱蚀液中进行，所述碱蚀液优选包含60～100g/L氢氧化钠和5～6g/L硫化钠，所述碱蚀处理的温度优选为50～60℃，时间优选为3～5min。本发明在所述碱蚀处理后，优选先将碱蚀处理所得高强铝合金依次进行热水洗和冷水洗，然后再进行出光处理。
在本发明中，所述出光处理优选在出光液中进行，所述出光液优选为30～50％体积浓度的硝酸溶液；所述出光处理的时间优选为30～60s，所述出光处理的温度优选为20～35℃。本发明在所述出光处理结束后，优选将出光处理所得高强铝合金进行水洗。在本发明中，通过碱蚀处理和出光处理能够去除市售高强铝合金工件表面的油污、自然氧化膜及挂灰，为后续阳极氧化提供清洁的高强铝合金表面。
在本发明中，所述阳极氧化处理优选采用直流电源，电压优选为180～220V。本发明在所述阳极氧化处理时，优选采用不锈钢或铅板作为阴极，更优选为不锈钢。
在本发明中，当所述高强铝合金为Al-Cu(2×××)系、Al-Zn-Mg-Cu(7×××)系高强铝合金时，优选采用分步升压法，具体为：先在5min内升压至180V，保持20～25min；然后在5min内升压至200～220V，保持5～10min。本发明采用分步升压法能够保证氧化膜被持续击穿、增厚，提高耐蚀性。
在本发明中，所述阳极氧化处理的温度优选为15～30℃，时间优选为30～40min，从开始升压即开始计时。
本发明在所述阳极氧化处理结束后，还优选将阳极氧化处理所得高强铝合金进行水洗和干燥。在本发明中，所述干燥方式优选为冷风吹干。
本发明还提供了一种高强铝合金工件，包括高强铝合金以及设置于高强铝合金表面的高强铝合金阳极氧化膜，所述高强铝合金阳极氧化膜采用上述技术方案所述制备方法制备得到。在本发明中，所述高强铝合金表面的阳极氧化膜的厚度优选为3～5μm。本发明形成的阳极氧化膜表面微孔数量较少，减少了腐蚀介质的迁移通道，控制阳极氧化膜的厚度在上述范围，有利于增加腐蚀介质的迁移阻力，在膜层比较薄、不影响基体疲劳性能的前提下，能够显著提高高强铝合金的耐蚀性。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)配置包括0.1mol/L植酸的阳极氧化电解液2L，步骤如下：
向不锈钢电解槽中加入1L的去离子水；
之后缓慢加入132mL的70％质量分数的植酸溶液，边加边搅拌至混合均匀；
然后加水至2L，并用1mol/L的KOH溶液调整pH至2.0～2.5；
静置24h。
(2)2024铝合金(Al-Cu-Mg系)阳极氧化膜的制备方法，步骤如下：
将2024铝合金置于50℃的碱蚀液中处理3min后依次经热水洗、冷水洗，其中碱蚀液由氢氧化钠和硫化钠溶于去离子水中制备得到，所述碱蚀液中氢氧化钠的浓度为60g/L，硫化钠的浓度为5g/L；
将冷水洗处理后的2024铝合金立即置入30％体积浓度的硝酸溶液中浸泡30s，之后进行水洗处理；
将出光处理后的2024铝合金置于步骤(1)配制的阳极氧化电解液中，在20℃下通以直流电、以分步升压法进行阳极氧化处理；其中，阴极采用不锈钢槽，氧化电压先在5min内缓升至180V，保持20～25min，之后再在5min内升至220V，再保持10min；阳极氧化处理结束后，所得2024铝合金经去离子水彻底清洗，冷风吹干。
经上述工艺处理后，在2024铝合金表面形成厚度为3.5μm的高强铝合金阳极氧化膜。
实施例2
(1)配置包括0.2mol/L植酸的阳极氧化电解液2L，步骤如下：
向不锈钢电解槽中加入1L左右的去离子水；
之后缓慢加入132mL的70％质量分数的植酸溶液，边加边搅拌至完全溶解；
然后加水至2L，并用1mol/L的KOH溶液调整pH至2.0～2.5；
静置24h。
(2)2024铝合金(Al-Cu-Mg系)阳极氧化膜的制备方法，步骤如下：
将2024铝合金置于50℃的碱蚀液中处理3min后依次经热水洗、冷水洗，其中碱蚀液由氢氧化钠和硫化钠溶于去离子水中制备得到，所述碱蚀液中氢氧化钠的浓度为60g/L，硫化钠的浓度为5g/L；
将冷水洗处理后的2024铝合金立即置入30％体积浓度的硝酸溶液中浸泡30s，之后进行水洗处理；
将出光处理后的2024铝合金置于步骤(1)配制的阳极氧化电解液中，在15℃下通以直流电、以分步升压法进行阳极氧化处理；其中，阴极采用不锈钢槽，氧化电压先在5min内缓升至180V，保持20～25min，之后再在5min内升至200V，再保持10min；阳极氧化处理结束后，所得2024铝合金经去离子水彻底清洗，冷风吹干。
经上述工艺处理后，在2024铝合金表面形成厚度为3μm的高强铝合金阳极氧化膜。
实施例3
阳极氧化电解液的配制方法与实施例2相同；
2024铝合金(Al-Cu-Mg系)阳极氧化膜的制备方法，步骤如下：
将2024铝合金置于50℃的碱蚀液中处理3min后依次经热水洗、冷水洗，其中碱蚀液由氢氧化钠和硫化钠溶于去离子水中制备得到，所述碱蚀液中氢氧化钠的浓度为60g/L，硫化钠的浓度为5g/L；
将冷水洗处理后的2024铝合金立即置入30％体积浓度的硝酸溶液中浸泡30s，之后进行水洗处理；
将出光处理后的2024铝合金置于配制的0.2mol/L的植酸电解液中，在30℃下通以直流电、以分步升压法进行阳极氧化处理；其中，阴极采用不锈钢槽，氧化电压先在5min内缓升至180V，保持20～25min，之后再在5min内升至220V，再保持10min；阳极氧化处理结束后，所得2024铝合金经去离子水彻底清洗，冷风吹干。
经上述工艺处理后，可在2024铝合金表面形成厚度为5μm的高强铝合金阳极氧化膜。所得2024铝合金阳极氧化膜的微观形貌如图1所示，由图1可以看出阳极氧化膜为多孔型结构，但表面微孔数量较少、形状不太规则。
实施例4
阳极氧化电解液的配制方法与实施例1相同；
7075铝合金(Al-Zn-Mg-Cu系)阳极氧化膜的制备方法，步骤如下：
将7075铝合金置于50℃的碱蚀液中处理3min后依次经热水洗、冷水洗，其中碱蚀液由氢氧化钠和硫化钠溶于去离子水中制备得到，所述碱蚀液中氢氧化钠的浓度为60g/L，硫化钠的浓度为5g/L；
将冷水洗处理后的7075铝合金立即置入30％体积浓度的硝酸溶液中浸泡30s，之后进行水洗处理；
将出光处理后的7075铝合金置于配制的0.1mol/L的植酸电解液中，在30℃下通以直流电、以分步升压法进行阳极氧化处理；其中，阴极采用不锈钢槽，氧化电压先在5min内缓升至180V，保持20～25min，之后再在5min内升至220V，再保持10min；阳极氧化处理结束后，所得7075铝合金经去离子水彻底清洗，冷风吹干。
经上述工艺处理后，可在7075铝合金表面形成厚度为4～5μm的高强铝合金阳极氧化膜。
对比例1
将2024铝合金置于铬酸浓度为40g/L的阳极氧化电解液，进行阳极氧化处理，具体工艺参数为：工作温度为35±2℃，终止电压为22±2V，保压时间为30～60min，在2024铝合金表面形成厚度为4.5μm的阳极氧化膜。
对比例2
将2024铝合金置于硼酸浓度为8g/L、硫酸浓度为50g/L的阳极氧化电解液，进行阳极氧化处理，具体工艺参数为：工作温度为26±2℃，终止电压为15±1V，保压时间为18～22min，在2024铝合金表面形成厚度为5μm的阳极氧化膜。
试验例
按照标准HB5060-77，采用酸性点滴实验法评价实施例1～4和对比例1～2所得阳极氧化膜的耐蚀性，其中点滴溶液由25mL浓盐酸、3g重铬酸钾和75mL蒸馏水组成；环境温度控制在25℃，所得耐蚀性能测试结果如表1所示。
表1耐蚀性测试结果
阳极氧化膜 耐点滴时间
实施例1 10′19″
实施例2 11′12″
实施例3 17′47″
实施例4 13′16″
对比例1 11′40″
对比例2 5′43″
由表1可以看出，利用植酸阳极氧化电解液制备的高强铝合金阳极氧化膜耐蚀性优良，耐点滴时间均优于在硼酸-硫酸电解液中制备的阳极氧化膜，且实施例3所得的高强铝合金阳极氧化膜的耐蚀性优于在铬酸电解液中制备的阳极氧化膜。
与现有技术相比，本发明提供的高强铝合金阳极氧化电解液经济实惠、环保无毒、适应性强，利用该高强铝合金阳极氧化电解液制备的阳极氧化膜耐蚀性好、且厚度仅为3～5μm，对基体疲劳性能影响低，具有针对性强、工艺简单、性能稳定、综合性能优异等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高强铝合金阳极氧化膜的制备方法，其特征在于，步骤为：
(1)配置包括0.2mol/L植酸的阳极氧化电解液2L，步骤如下：
向不锈钢电解槽中加入1L左右的去离子水；
之后加入132mL的70％质量分数的植酸溶液，边加边搅拌至完全溶解；
然后加水至2L，并用1mol/L的KOH溶液调整pH至2.0～2.5；
静置24h；
(2)2024铝合金阳极氧化膜的制备方法，步骤如下：
将2024铝合金置于50℃的碱蚀液中处理3min后依次经热水洗、冷水洗，其中碱蚀液由氢氧化钠和硫化钠溶于去离子水中制备得到，所述碱蚀液中氢氧化钠的浓度为60g/L，硫化钠的浓度为5g/L；
将冷水洗处理后的2024铝合金置入30％体积浓度的硝酸溶液中浸泡30s，之后进行水洗处理；
将出光处理后的2024铝合金置于配制的0.2mol/L的植酸电解液中，在30℃下通以直流电、以分步升压法进行阳极氧化处理；其中，阴极采用不锈钢槽，氧化电压先在5min内缓升至180V，保持20～25min，之后再在5min内升至220V，再保持10min；阳极氧化处理结束后，所得2024铝合金经去离子水彻底清洗，冷风吹干。
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