CN111621829A - 一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，将电解液通过金属喷嘴均匀喷射到铝合金工件表面，对铝合金表面进行陶瓷化；所述金属喷嘴连接电源负极、铝合金工件连接电源正极；所述电解液温度为0‑5℃，本发明还公开一种实施该方法的设备。本发明具有形成的陶瓷膜层均匀、致密、厚度可达200μm以上，表面硬度可达2000HV以上的优点。

Description

一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法及设备
技术领域
本发明涉及一种铝合金的表面处理方法和设备，尤其涉及一种高含Cu和/或Si的铝合金表面陶瓷化方法和设备。
背景技术
铝及铝合金板材以其比重小，具有高可塑性、导电性、导热性和可切削性被飞机工业、机械工业、建筑装饰业、电气工程及军工产品等广泛应用，为增强铝及铝合金板材的耐蚀性常采用表面陶瓷化工艺使其表面生成一层致密的陶瓷膜层，该陶瓷层成份主要是氧化铝，表面陶瓷化过程中形成的氧化铝具有抗腐蚀、抗酸碱、表面硬度高等优点。常见的陶瓷化方法主要有普通陶瓷化、硬质陶瓷化及等离子体增强电化学表面陶瓷化技术。普通陶瓷化和硬质陶瓷化是将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化，表面上形成氧化铝薄层，其厚度为5～30微米，硬质陶瓷化膜可达25～150微米。等离子体增强电化学表面陶瓷化技术(BUVV)又称微弧氧化，是最新发展起来的表面陶瓷化技术，其原理类似于普通的铝、钛、铌、锆合金材料的阳极氧化，它突破传统陶瓷化技术工作电压的限制，将工作区域引入到高压放电区，铝合金微弧氧化膜的膜厚可达200～300微米，最高显微硬度超过3000HV。
然而，现有的陶瓷化工艺均需将铝合金工件浸入电解液中，且越是大的铝合金工件越需要大尺寸的电解槽和大量的电解液，给大尺寸铝合金工件尤其是大尺寸板材的陶瓷化处理带来了困难，显著提高了生产成本，增大了废液处理工作量。而对于高含Cu(大于4％)和/或高含Si(大于2％)的铝合金在传统的阳极氧化过程中，由于合金中含有Al2Cu或Mg2Si等第二相，极易被电解液腐蚀，导致陶瓷层疏松、不致密显微硬度在300HV以下，厚度也不均匀，甚至难以在铝合金工件表面形成陶瓷层，传统的阳极氧化处理只能制备出10um以下的陶瓷膜层。
申请号为200410067939.6的专利公开了一种在铝合金表面快速制备氧化膜的方法，通过喷嘴将电解液喷到铝合金表面。虽然较传统工艺加工效率有了一定提高，但该发明中的工艺存在问题是：采用的电解液温度为20-30℃，没有办法实现低温电解环境以阻碍陶瓷层在酸性电解液中溶解；辅助负极放置在喷嘴和铝合金制品之间，电解液电离不充分。上述问题会影响电解液喷射的均匀性和厚度，而对于高含Cu或/和Si的铝合金，由于温度高，电解液氧化反应快，其中的Al2Cu、Mg2Si等第二相容易被腐蚀后溶于电解液，导致氧化膜不均匀、不致密，而且该发明在处理普通铝合金时形成的氧化膜厚度也较薄，仅为1-4μm，因此，该发明公开的工艺方法，无法对高含Cu或/和Si的铝合金进行表面陶瓷化。
发明内容
针对现有技术中对高含Cu或/和Si的铝合金陶瓷化方法存在的陶瓷膜厚度较薄、膜表面质量疏松、不均匀问题，本发明公开了一种用于高含Cu或/和Si的铝合金陶瓷化方法，解决了上述问题，而且具有效率高、成本低的优势。本发明还公开了一种实施该方法的设备。
本发明采用的技术方案是：
一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，其特征在于：将电解液通过金属喷嘴均匀喷射到铝合金工件表面，对铝合金进行陶瓷化；所述金属喷嘴连接电源负极、铝合金工件连接电源正极；所述电解液温度为0-5℃。
进一步地，所述电解液喷射时的工作电压为10-50V、电流密度1-10A/dm2。
进一步地，铝合金工件的陶瓷化时间为50-120min。
进一步地，所述电解液为浓硫酸、草酸和铝离子混合物，电解液中各成份重量比为80％～90％:2％～6％:6％～14％。
进一步地，所述铝合金工件与金属喷嘴对应设置，所述铝合金工件与地面呈一定夹角。
进一步地，所述铝合金工件与地面垂直设置，对流经铝合金表面的电解液进行回收，循环利用电解液进行喷射作业。将工件设为竖直状态，可以使工件上面的电解液快速流入电解液池中，减少电解液温度变化，便于循环利用。在两面同时喷射时，将工件设为竖直，可以使两侧喷射的更均匀。
本发明还提供了实施上述方法的设备，包括电解液盛放槽、制冷装置、液压泵、管道和金属喷嘴，管道分别连接电解液盛放槽、液压泵、制冷装置和金属喷嘴，电解液盛放槽放置电解液；铝合金工件设置在喷嘴对面；所述设备还包括电源，所述铝合金工件连接电源正极，所述金属喷嘴连接电源负极。
进一步地，所述设备还包括电解液调控装置，所述电解液调控装置连接在所述管道上。
进一步地，所述金属喷嘴设有多个，多个喷嘴并列平行设置。
进一步地，所述铝合金工件垂直吊挂或夹持在电解液盛放槽正上方。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过制冷装置控制温度，温度较低，低温能有效缓解高含Cu和高含Si铝合金在表面陶瓷化过程中发生腐蚀，有利于提高膜层的致密性、均匀性和厚度；采用的电解液为硫酸、草酸和铝离子混合物，草酸和铝离子的作用都是在低温下延缓硫酸对新形成陶瓷膜的腐蚀溶解，确保陶瓷膜长厚，本发明形成的膜厚度可达200μm。且陶瓷膜的化学成分以无水Al2O3为主，而传统的陶瓷化处理的陶瓷膜主要为含水的Al2O3·H2O，硬度上无法与无水Al2O3相比。
2.电源负极连接金属喷嘴，使金属液在喷嘴中喷出即带电荷，喷洒到铝合金表面后，电离均匀、充分，形成的氧化膜，有助于提高陶瓷膜层厚度和均匀性。
3.改变了传统工件浸入电解液的方法，可以实现任何尺寸工件的加工，对反应槽尺寸要求低，简化了加工设备；电解液从工件上流淌下后，可以回收利用，降低了成本；对于大尺寸铝合金板材表面陶瓷化处理，电解液用量是传统阳极氧化工艺的1/100，电力消耗是传统阳极氧化工艺的1/10，生产效率提高2-5倍；相较于传统的阳极氧化及表面陶瓷化处理工艺，电解液温度控制精度提高50％以上，电解液成分的稳定性显著提高，电解液的使用寿命提高2-3倍。
附图说明
图1为铝合金表面陶瓷化设备。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。
实施例1
一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化设备，包括盛液槽6，管道10，管道10连接液压泵8、电解液制冷装置7和铜质雾化喷头2；盛液槽6内放置电解液5，管道10一端置入电解液中，一端连接雾化喷头2；铝合金工件1通过挂钩悬挂在盛液槽6正上方，与雾化喷嘴2对应设置，陶瓷化的工作面正对喷嘴2的喷口；电源3的正极连接铝合金工件1，负极连接雾化喷嘴2。工作时，液压泵8将电解液5抽出，按电解液循环方向9的方向运动，在电解液冷却装置7作用下，将温度调节在0-5℃之间，从雾化喷嘴2中喷射出的电解液喷射流4均匀的覆盖在铝合金工件表面。为了调节电解液浓度，管道上还连接有电解液浓度调控装置11。
本设备中的电解液冷却装置为冷冻机；电解液浓度调控装置循环酸泵，可自动检测电解液浓度，并添加浓硫酸以提高酸浓度。
本实施例采用的电解液为硫酸、草酸和铝离子混合物，重量比为80:6:14，工艺参数为电压10V，电流密度1A/dm2，温度5℃，氧化时间100min，膜厚度可达150μm以上，显微硬度可达700HV以上，膜层击穿电压可达2000V以上，铝合金表面陶瓷化处理后耐瞬时高温1400℃以上。
实施例2
与实施例1不同的地方在于，本实施例采用的电解液重量比为90:2:8，采用的工艺参数为电压50V，电流密度10A/dm2，温度3℃，氧化时间50min，膜厚度可达200μm以上，显微硬度可达800HV以上，膜层击穿电压可达2000V以上，铝合金表面陶瓷化处理后耐瞬时高温1500℃以上。
实施例3
与实施例1不同的地方在于，本实施例采用的电解液重量比为88:6:6，采用的工艺参数为电压30V，电流密度6A/dm2，温度0℃，氧化时间120min，膜厚度可达150μm以上，显微硬度可达750HV以上，膜层击穿电压可达2000V以上，铝合金表面陶瓷化处理后耐瞬时高温1400℃以上。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，其特征在于：将电解液通过金属喷嘴均匀喷射到铝合金工件表面，对铝合金表面进行陶瓷化处理；所述金属喷嘴连接电源负极、铝合金工件连接电源正极；所述电解液温度为0-5℃。
2.根据权利要求1所述一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，其特征在于，所述电解液喷射时的工作电压为10-50V、电流密度1-10A/dm2。
3.根据权利要求2所述一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，其特征在于，铝合金工件的陶瓷化时间为50-120min。
4.根据权利要求1所述一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，其特征在于，所述电解液为硫酸、草酸和铝离子混合物，电解液各成份的重量比为80％～90％:2％～6％:6％～14％。
5.根据权利要求1所述一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，其特征在于，所述铝合金工件与金属喷嘴相对设置，所述铝合金工件与水平面呈夹角状放置。
6.根据权利要求5所述一种高含Cu和/或Si铝合金表面陶瓷化方法，其特征在于，所述铝合金工件竖直放置，对流经铝合金表面的电解液进行回收，循环利用电解液进行喷射作业。
7.一种实施权利要求1-6任一方法的设备，其特征在于，包括电解液盛放槽、制冷装置、液压泵、管道和金属喷嘴，所述管道分别一端连接液压泵，液压泵伸入电解液盛放槽的电解液中，管道另一端连接金属喷嘴，管道上设有制冷装置；铝合金工件设置在喷嘴对面；所述设备还包括电源，所述铝合金工件连接电源正极，所述金属喷嘴连接电源负极。
8.根据权利要求7所述设备，其特征在于，所述管道上还设有电解液调控装置。
9.根据权利要求7所述设备，其特征在于，所述金属喷嘴设有多个，多个喷嘴并列平行设置。
10.根据权利要求7所述设备，其特征在于，所述铝合金工件垂直吊挂或夹持在电解液盛放槽正上方。
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