CN111455428B - 一种铝合金微扩孔剂及铝合金材料的表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金微扩孔剂，其由无机酸30‑60份、有机酸50‑120份、缓蚀剂20‑40份、去离子水780‑900份混合而成。同时本发明还公开了一种铝合金材料的表面处理方法，包括对铝合金材料表面进行机械处理、脱脂液中处理、水浴浸蚀、超声波震荡、阳极氧化，在铝合金表面出现均匀分布的带有纳米孔洞的氧化层、再置于铝合金微扩孔剂进行浸蚀扩孔。通过阳极氧化在铝合金表面形成均匀分布的带有纳米孔洞的氧化层，树脂熔体可以进入铝合金表面的纳米孔洞复合成型；扩孔和退火进一步扩大纳米孔洞的孔径，消除残余应力，改善树脂在铝合金表面的润湿情况，进一步提升铝合金与树脂的结合力以及抗疲劳性。

Description

一种铝合金微扩孔剂及铝合金材料的表面处理方法

技术领域

本发明涉及铝合金表面处理技术领域，具体涉及一种铝合金微扩孔剂及铝合金材料的表面处理方法。

背景技术

轻量化逐渐成为汽车、电子、医疗元器件等领域的热门趋势，要实现汽车轻量化，使用轻质材料如轻质合金、树脂就是一有效途径，这就关系到如何将轻质金属与树脂进行有效连接。传统的连接方式主要使用胶粘剂和铆接两种方式，前者对环境有一定的要求，并常伴随VOC(挥发性有机化合物)的释放；后者需要对塑料和金属进行钻孔，容易产生应力集中，抗疲劳性差。因此不依赖粘结剂的纳米注塑成型技术成为重要发展方向之一。

纳米注塑成型过程是一个复杂的物理以及化学过程，是将金属与塑料以纳米技术相结合的工艺，是先对金属表面进行纳米化处理，再将塑料注射在金属表面，实现金属与树脂结合，实现一体化成型。所以金属材料表面结构与形态在很大程度上影响着其与树脂最终的结合强度。金属塑料搭接处是由金属界面与树脂界面组成的复杂连接系统，在受热成型过程中，树脂熔体流动充入金属表面的微纳米结构，在冷却过程中形成微纳铆接效果，可见金属材料界面性能直接影响着金属-树脂的连接强度，因此获得适合粘结的金属表面成为纳米注塑成型的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金微扩孔剂及铝合金材料的表面处理方法，在铝合金材料表面制备出适合粘结的金属表面孔洞层，与树脂成型后具有很强的的结合力，无需涂敷胶粘剂或钻孔铆接。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种铝合金微扩孔剂，其由以下原料按重量份制备而成：

无机酸：30-60份；

有机酸：50-120份；

缓蚀剂：20-40份；

去离子水：780-900份。

进一步方案，所述无机酸为磷酸、硫酸中的一种；所述有机酸为酒石酸、乙酸、柠檬酸中的一种。

进一步方案，所述缓蚀剂为氯化钠、氯化钾、氯化铵中的一种。

本发明的第二个发明目的是提供一种铝合金材料的表面处理方法，其包括以下步骤：

S1、对铝合金材料表面进行机械处理，除去表面缺陷和自然氧化层，然后放入脱脂液中处理，清洗干净；

S2、将清洗干净的铝合金材料置于碱溶液中进行水浴浸蚀，然后用去离子水清洗干净；

S3、将铝合金材料置于酸溶液中，辅以超声波震荡，然后用去离子水清洗干净；

S4、对干燥后的铝合金材料进行阳极氧化，阳极氧化后的铝合金表面出现均匀分布的带有纳米孔洞的氧化层；

S5、置于铝合金微扩孔剂中进行浸蚀扩孔，再用去离子水清洗干净，干燥；最后进行退火处理、冷却。

优选的，步骤S1中所述的机械处理为磨光、抛光、滚光、喷砂、抛丸中的至少一种；

所述脱脂液为丙酮、汽油、乙酸乙酯中的一种。

脱脂液可以剥离铝合金表面存在的油脂。

优选的，步骤S2中所述的碱溶液为浓度为10-30g/L的氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠或肥皂溶液，水浴浸蚀的时间为3-5min、温度为40-70℃。

优选的，步骤S3中所述的酸溶液为浓度为100-400g/L的硝酸、氢氟酸、盐酸或硫酸溶液，处理时间为0.5-2min；

步骤S4中所述的阳极氧化的电解液为磷酸、硫酸、草酸、铬酸中的一种，电压为2-5V，氧化时间为20-50min，氧化温度为室温。

优选的，步骤S5中所述铝合金微扩孔剂是由无机酸30-60重量份、有机酸50-120重量份、缓蚀剂20-40重量份、去离子水780-900重量份混合而成；

所述的退火处理的温度为300℃、保温时间为1h；所述冷却方式为空冷。

优选的，所述无机酸为磷酸、硫酸中的一种；所述有机酸为酒石酸、乙酸、柠檬酸中的一种；所述缓蚀剂为氯化钠、氯化钾、氯化铵中的一种。

本发明的第三个发明目的是提供经上述的表面处理方法所制得的铝合金材料，所述的铝合金材料用于纳米注塑成型工艺。

经纳米注塑成型工艺制得的产品可用于汽车制造、电子产品、医疗元器件等领域，实现轻量化要求。

本发明具有以下有益效果：

本发明中的铝合金微扩孔剂是由无机酸30-60份、有机酸50-120份、缓蚀剂20-40份、去离子水780-900份混合而成。该铝合金微扩孔剂作用于铝合金材料经阳极氧化后的纳米氧化层中，能够有效剥离疏松的氧化层并使纳米孔径扩大，增强后续铝合金与树脂的结合力。

本发明通过机械处理除去铝合金表面缺陷和自然氧化层，再用酒精清洗和有机溶剂脱脂，除去铝合金表面存在的污渍和油脂；然后置于碱溶液中进行水浴浸蚀，能进一步清理铝合金材料表面附着的油污，并能清除铝合金表面的自然氧化膜及轻微的划擦伤。最后用第一酸溶液进行超声波震荡处理，能除去铝合金材料表面挂灰和残留碱液。

本发明铝合金表面处理方法，通过机械处理、脱脂、碱洗、酸洗等步骤，首先获得适于阳极氧化的清洁的金属表面，阳极氧化后在铝合金表面会形成均匀分布的纳米孔洞氧化层，由磷酸阳极氧化法制备的氧化层的膜层较厚，并且孔径和孔隙率都较大，树脂熔体相对可以更好地进入铝合金表面的纳米孔洞，从而增大其与树脂的结合性能；另外，铝合金表面的氧化层还能够保护基体，表现出良好的耐蚀性能。

本发明在阳极氧化工艺后的扩孔能够进一步增大纳米孔洞的孔径以及纳米孔洞的深度，接着利用退火工艺消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，还能改变铝合金表面物质的成分占比，使PA6在铝合金表面的润湿性大为改善，进一步提升铝合金与树脂的结合力以及抗疲劳性。

附图说明

图1实施例1中阳极氧化后铝合金材料表面的扫描电镜图，

图2实施例1扩孔后铝合金材料表面的扫描电镜图，

图3拉剪试验时复合样条的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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：

一种铝合金微扩孔剂，由以下组分按重量份混合而成：

磷酸：45份；

酒石酸：100份；

氯化钠：30份；

去离子水：825份。

一种用于纳米注塑的铝合金材料表面处理方法，包括如下步骤：

S1、首先对铝合金材料表面进行磨光、抛光机械处理，除去其表面缺陷和自然氧化层；然后放入丙酮中出去表面油脂，然后去离子水清洗干净；

S2、洁净的铝合金材料在浓度为30g/L的氢氧化钠溶液中40℃水浴中浸蚀5min，进一步清理表面附着的油污以及清除铝合金表面的自然氧化膜及轻微的划擦伤，浸蚀完毕后去离子水清洗干净；

S3、铝合金材料接着置于浓度为200g/L硝酸溶液中2min，辅以超声波震荡，常温，除去挂灰和残留碱液，浸蚀完毕后去离子水清洗干净，烘箱干燥。

S4、干燥后的铝合金材料开始进行阳极氧化40min，阳极氧化后的铝合金表面出现均匀分布的带纳米孔洞的氧化层，孔径为110-140nm(扫描电镜图如图1所示)。所述阳极氧化的电解液为磷酸、电压为5V。

S5、阳极氧化过后的铝合金置于上述微扩孔剂上、45℃水浴中进行浸蚀扩孔30min，孔径会进一步增大，约160-220nm(扫描电镜图如图2所示)，扩孔完毕后去离子水清洗干净，烘箱干燥。最后对干燥后的铝合金材料于300℃进行退火，然后保温1h，最后空冷，得到用于纳米注塑的铝合金材料。

实施例2：

铝合金微扩孔剂及铝合金材料表面处理方法均同实施例1，其区别仅在于步骤S4中阳极氧化的电压为4.5V。

实施例3：

铝合金微扩孔剂及铝合金材料表面处理方法均同实施例1，其区别仅在于步骤S4中阳极氧化的电压为4V。

实施例4：

铝合金微扩孔剂及铝合金材料表面处理方法均同实施例1，其区别仅在于步骤S4中阳极氧化的电压为3V。

实施例5：

铝合金微扩孔剂及铝合金材料表面处理方法均同实施例1，其区别仅在于步骤S4中阳极氧化的电压为2V。

实施例6：

铝合金微扩孔剂及铝合金材料表面处理方法均同实施例1，其区别仅在于步骤S4中阳极氧化的电压为1V。

实施例7：

一种铝合金微扩孔剂，由以下组分按重量份混合而成：

硫酸：20份；

柠檬酸：100份；

氯化钾：30份；

去离子水：840份；

铝合金材料表面处理方法同实施例1。

比较例1：

铝合金微扩孔剂及铝合金材料表面处理方法均同实施例1，其区别仅在于步骤S5；

S5、阳极氧化过后的铝合金置于上述微扩孔剂上、45℃水浴中进行浸蚀扩孔30min，孔径会进一步增大，约160-220nm，扩孔完毕后去离子水清洗干净，烘箱干燥。得到用于纳米注塑的铝合金材料。

比较例2：

铝合金材料表面处理方法同实施例1，其区别仅在于少了步骤S5(扩孔及退火处理)；

试验例：

将实施例1-7、比较例1-2制备的铝合金材料，制成尺寸为100mm*25mm*3.5mm的铝合金试样，在嵌件注塑模具中注塑成型(这里树脂选用PA6)，得到铝合金-PA6复合样条，两者搭接面积为10mm*10mm。

复合样条搭接接头拉伸剪切性能测试：

采取的是单搭接拉剪试验，试验设备采用ETM204C万能试验机，为了保证测试结果的精确性，需要在铝合金基板1、PA6树脂样条2夹持部分别添加垫片3(如图3所示)，这样实际试验加载力方向会与塑料/金属搭接界面保持平行，试验拉伸速率为2mm/min，记录最大拉伸力(塑料/金属搭接界面最大失效载荷)，根据记录的最大拉伸力，计算出最大拉伸剪切强度，每种工艺处理的搭接样条重复实验5次。

由下面公式1计算最大拉伸剪切强度，

式中：σ—塑料/金属搭接样条最大拉伸剪切强度，MPa

F—最大拉伸力，N

a—PA6/铝合金搭接接头宽度，mm

b—PA6/铝合金搭接接头长度，mm

表1不同表面处理得到的铝合金复合试样的力学性能

由实施例3-6对比可知，随着阳极氧化电压从1V增加到4V，铝合金表面形成的纳米孔洞直径也会随之增大，经微扩孔剂扩孔后的孔径也会相应增大，注塑成型的复合样条的最大拉伸剪切强度也会提升，达到38.16MPa；当氧化电压提高到一定范围(4-5V)，如实施例1-3，纳米孔洞的直径还是会相应增大，但此时的复合样条最大拉伸剪切强度增加幅度有限；氧化电压≥5V，铝合金开始出现冒烟，并有烧蚀的迹象。说明阳极氧化的电压对纳米孔洞的孔径及注塑成型的复合样条的最大拉伸剪切强度均有影响，最佳的电压为2-5V。

由实施例1和实施例7对比可知，按照上述的表面处理工艺处理铝合金表面，即使微扩孔剂的配方在本申请保护范围内适当调整，对纳米孔洞的孔径及复合样条的最大拉伸剪切强度影响不大。

由实施例1和比较例1对比可知，有无退火处理对铝合金表面纳米孔洞的孔径几无影响，但对复合样条的最大拉伸剪切强度提升明显，这是因为退火处理不仅可以消除残余应力，还能改变铝合金表面物质的成分占比，使PA6在铝合金表面的润湿性大为改善，从而提升了两者之间的结合强度。

由实施例1和比较例1、比较例2对比可知，经过微扩孔剂扩孔后纳米孔洞的孔径有了一定的提升，复合样条最大拉伸强度也在提高，这是因为扩孔不仅扩大了纳米孔洞的孔径，同时形成了新的更适于铝合金与树脂粘结的表面。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种铝合金材料的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对铝合金材料表面进行机械处理，除去表面缺陷和自然氧化层，然后放入脱脂液中处理，清洗干净；

S2、将清洗干净的铝合金材料置于碱溶液中进行水浴浸蚀，然后用去离子水清洗干净；

S3、将铝合金材料置于酸溶液中，辅以超声波震荡，然后用去离子水清洗干净；

S4、对干燥后的铝合金材料进行阳极氧化，阳极氧化后的铝合金表面出现均匀分布的带有纳米孔洞的氧化层；阳极氧化的电压为3-5V、时间为20-50min；

S5、置于铝合金微扩孔剂中进行浸蚀扩孔，再用去离子水清洗干净，干燥；最后进行退火处理、冷却；所述的退火处理的温度为300℃、保温时间为1h；所述冷却方式为空冷。

2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，步骤S1中所述的机械处理为磨光、抛光、滚光、喷砂、抛丸中的至少一种；

所述脱脂液为丙酮、汽油、乙酸乙酯中的一种。

3.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，步骤S2中所述的碱溶液为浓度为10-30g/L的氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠或肥皂溶液，水浴浸蚀的时间为3-5min、温度为40-70℃。

4.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，步骤S3中所述的酸溶液为浓度为100-400g/L的硝酸、氢氟酸、盐酸或硫酸溶液，处理时间为0.5-2min；

步骤S4中所述的阳极氧化的电解液为磷酸、硫酸、草酸、铬酸中的一种，氧化温度为室温。

5.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，步骤S5中所述铝合金微扩孔剂是由无机酸30-60重量份、有机酸50-120重量份、缓蚀剂20-40重量份、去离子水780-900重量份混合而成。

6.根据权利要求5所述的表面处理方法，其特征在于，所述无机酸为磷酸、硫酸中的一种；所述有机酸为酒石酸、乙酸、柠檬酸中的一种；所述缓蚀剂为氯化钠、氯化钾、氯化铵中的一种。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的表面处理方法所制得的铝合金材料，其特征在于，所述的铝合金材料用于纳米注塑成型工艺。

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