CN114737233B - 一种铝材产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝材产品，所述铝材通过阳极氧化处理在铝材表面原位氧化获得氧化膜，所述铝材的硬度为560‑580HV，极限疲劳强度140‑180Mpa，表面的氧化膜的厚度为20‑30μm，表面粗糙度1.1~1.4μm，摩擦系数0.42~0.54。
Description
技术领域
本发明属于技术表面处理领域，涉及铝合金的表面处理工艺，尤其涉及铝合金的耐疲劳处理工艺。
技术背景
铝是仅次于镁的最轻的结构金属元素，其导电性仅次于银、金和铜，为此在工业上推广以铝代铜或者复合材料，用作电线、电缆导线等，经济前景较好。而且铝的导热性、塑性很好，易于加工成型，广泛用于铸造业。铝是一个热力学稳定性很低的金属，是仅次于镁和铍的十分活泼的金属，或者说铝应该是非常容易被腐蚀的。但是实际上，铝及铝合金在某些化学品和大部分食品中得到广泛而长久的应用，这是由于铝及铝合金在大气中总是会在表面形成一层氧化膜，表面氧化膜的钝性觉得铝及铝合金的耐腐蚀性能，即铝的耐腐蚀性能取决于金属铝及铝合金表面的氧化膜的本性和状态，而不是铝或铝合金合金的性能。但是铝在自然条件下形成的氧化膜，其厚度一般在 5nm 以下，虽然铝表面的自然氧化膜被破坏后可以立即自动修复，但是因为其厚度较薄，所以耐蚀性有限，不足以防止所有条件下的铝表面的腐蚀，因此需要采用认为措施进行铝合金的表面处理。
为了提高铝合金零件的防腐蚀能力，增加零件耐磨性，铝及铝合金制品通常需要进行阳极氧化处理或阳极氧化处理。铝的阳极氧化是以铝或铝合金作阳极以铅板、不锈钢板作阴极，在硫酸、草酸、铬酸等水溶液中电解，使其表面生成氧化膜层。其中，硫酸阳极处理应用最为广泛。铝和铝合金硫酸阳极氧化膜层有较强的吸附能力，易进行封孔或着色处理，以提高其抗蚀性和美观性。阳极氧化膜层厚一般5~25μm，铝合金硫酸阳极氧化工艺操作简单，电解液稳定，成本也不高，是成熟的工艺方法。
阳极氧化膜主要用途有:(1)提高零件的耐磨耐蚀性以及耐气候腐蚀；(2)氧化生成的透明膜，可以着色制成各种彩色膜；(3)作为电容器介质膜；(4)提高与有机涂层的结合力，作涂装底层；(5)作电镀、搪瓷的底层；(6)其他用途。
温度是对铝阳极氧化膜层造成影响的一个主要参数。温度升高，溶液黏度降低，槽电压降低，同样的阳极面积、阴极面积和槽电压下的电流密度要提高，但是电解液中OH的热运动加剧，OH对膜层溶解加剧，氧化膜孔隙率增加，造成膜厚度减小和硬度降低，膜层生成速度慢，膜层耐磨性、耐蚀性下降;若温度高的同时采用的电流密度小，则会出现粉状氧化膜层，膜层透明度低，染色性能差，着色不均匀，硫酸阳极氧化工艺，最佳温度控制范围是13~26℃，若低于13℃氧化膜脆性增大，容易出现裂纹，当溶液温度太低时如0~3℃，但氧化膜太脆，当铝件受力变形或弯曲时，氧化膜易发生裂开现象，氢化膜的亮度降低且变成灰黑色;高于26℃时膜层质量明显降低，氧化膜容易疏松掉粉末。
此外，温度对于阳极氧化膜硬度的影响非常明显，随着操作温度的降低，阳极氧化膜硬度迅速增大，但是并不需要降到0℃以下。同样阳极氧化温度对于耐磨性也有很大影响，温度降低使阳极氧化膜的耐磨性增加。喷磨试验和泰氏耐磨试验都证明，在0~5℃温度范围内得到阳极氧化膜耐磨性的最大值。因此通过降低槽液温度、增加搅拌等方式可以得到较好耐磨性的硬质阳极氧化膜。
基于上述内容，可以得出，在现有技术条件下，低温有利于获得高耐磨、高硬度、低粗糙度的铝阳极氧化膜，但是低温会导致铝合金的耐疲劳性明显降低，如脆性低，弯曲性较差，但低温处理铝材获得益处明显大于弊出，亟需一种铝材处理方式，在获得高耐磨、高硬度、低粗糙度的铝阳极氧化膜的同时，能够有效的保持氧化膜的耐疲劳性。
发明内容
基于上述内容，本发明提供了一种铝材产品，通过在0℃以下，适当压强条件下进行阳极氧化，能够有效的提高铝合金的抗疲劳极限，尤其是能够在获得高耐磨性、高硬度、低粗糙度、低孔隙率的铝阳极氧化膜的同时，获得抗疲劳性较强的铝合金氧化材料，具体而言，处理后的铝材的硬度为560-580HV，极限疲劳强度140-180Mpa，表面的氧化膜的厚度为20-30μm，表面粗糙度1.1~1.4μm，摩擦系数0.42~0.54，相比于纯铝极限疲劳强度200-250Mpa，经过低温、相比于纯铝阳极氧化处理，适当压强处理获得的铝合金的耐疲劳强度仅仅下降28-39%左右。
一种铝材产品，所述铝材为铝合金材料，所述铝材通过阳极氧化处理在铝材表面原位氧化获得氧化膜，所述铝材的硬度为560-580HV，极限疲劳强度140-180Mpa，表面的氧化膜的厚度为20-30μm，表面粗糙度1.1~1.4μm，摩擦系数0.42~0.54。
进一步的，阳极氧化电解液由硫酸、草酸、丙二酸、乙醇和去离子水组成，不含其他有机物。
进一步的，阳极氧化电解液的冰点低于0℃，为-5~-7℃。
进一步的，硫酸的浓度为2~4wt.%，草酸的浓度为0.5-1wt.%，丙二酸的浓度为1-2wt.%，乙醇的浓度为14~16wt.%。
进一步的，阳极氧化电解参数为：温度-5℃~-1℃，时间为50-100min，电压为25~30V，电流密度为2.0~2.5A/dm2，惰性气体密封，电解反应槽中的气体压力为2-3MPa，随着阴极析氢反应的发生，密封电解槽中的气体压力大于3MPa。
进一步的，铝材在进行氧化处理前进行表面预处理。
进一步的，预处理依次包括有水洗、机械打磨、碱洗、水洗、酸洗和水洗处理。
进一步的，铝材在进行氧化处理后进行表面后处理。
进一步的，所述后处理包括有去离子水冲洗、低温冷冻、真空冷凝干燥处理，蒸汽封闭处理。
进一步的，所述铝材选自2系、5系、6系、7系铝合金。
具体而言，一种耐疲劳铝合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）铝合金表面预处理；
（2）阳极氧化电解液配置：
所述电解液由硫酸、草酸、丙二酸、乙醇和去离子水组成，不含其他有机物，所述电解液的冰点低于0℃，为-5~-7℃，其中硫酸的浓度为2~4wt.%，草酸的浓度为0.5-1wt.%，丙二酸的浓度为1-2wt.%，乙醇的浓度为14~16wt.%；
（3）将经过表面预处理的铝合金连接电源正极，惰性金属连接电源负极，密封反应釜，使用氮气排空反应釜中空气，并填空气体至反应釜中的压力为2-3MPa后，停止氮气导入，将反应釜置于冰水中2-3h后，开启电源进行阳极氧化处理；
（4）后处理。
本发明通过低温、高压条件下阳极氧化处理铝合金，能够有效的提高铝合金的抗疲劳极限，尤其是能够在获得高耐磨性、高硬度、低粗糙度、低孔隙率的铝阳极氧化膜的同时，获得抗疲劳性较强的铝合金氧化材料，其可能的原因如下：
（1）阳极氧化温度低：通常而言，当温度增加时，电解液中 OH-运动速率增加，OH-对阳极氧化膜有溶解作用，因此加快了氧化膜的溶解速度，使得膜层疏松，孔径增大，相比而言，本发明采用低温和高压阳极氧化处理铝合金，在低温条件下OH-运动速率，主要减少了膜的溶解，同时但对膜的沉积没有明显的影响，而在低温条件下增加高压，就会在不但明显降低OH-的活性，同时压力的增加会明显降低水的电解过程即活性氧离子的释放，最终导致沉积过程受到抑制，因此获得的氧化膜的厚度适中，膜层致密，从而有效的提高阳极氧化膜的耐磨性，降低膜层的孔隙率，如表1所示，实施例2相比于对比例1和对比例2，阳极氧化膜的厚度最低为23μm，获得的孔隙率为6.4%，具体可参见附图3。
（2）本领域技术人员知晓的，阳极氧化膜层由下至上依次为铝合金、阻挡层和多孔层，氧化过程中产生较多的焦耳热难以散发出去，使孔内的温度升高，从而加速氧化膜的溶解，致使致密的阻挡层不断转化衍变疏松的多孔层，而疏松的多孔层柔软，硬度低，而在低温高压的条件下，低温会明显的降低较为集中的焦耳热，加强热量的扩散，降低膜层的内应力，减少阳极氧化膜层中多孔层的厚度；而对于阻挡层，阻挡层一侧（紧邻铝基材侧）为铝过剩，氧离子不足，而另一侧（紧邻多孔层侧）为铝不足，氧离子过剩，加压会抑制氧离子的向外释放，加强氧离子的向内穿透，即加速氧离子透过阻挡层与铝离子结合，即阻挡层的厚度增加，而多孔层的厚度减少，即氧化膜的硬度为573HV。
（3）阳极氧化过程中会出现孔道，孔道会导致微观裂纹成核和扩展，而在低温高压条件下，膜层内的残余应力较少，无法产生明显的残余拉应力，进而抑制了疲劳裂纹的形成和扩展，从而减少了铝合金氧化膜的断裂，明显提高极限疲劳强度为140-180Mpa，具体参见附图1和附图2，相比于纯铝极限疲劳强度200-250Mpa，经过低温、相比于纯铝阳极氧化处理，适当压强处理获得的铝合金的耐疲劳强度仅仅下降28-39%左右。
（4）在常压高温条件下，阳极氧化膜的厚度较厚，成膜和腐蚀过程均较快，难以获得均一腐蚀的阳极氧化膜表面，使得阳极氧化膜的平整度明显降低，此外，在低温高压下，本发明的阳极氧化膜的孔隙率降低，最终使得本发明获得的阳极氧化膜的表面粗糙度较低为1.25μm，虽然表面粗糙度与摩擦系数直接并无直接关系，但一定范围内为成正比关系，本发明获得的阳极氧化膜的表面摩擦系数为0.48，参见附图4。
有益技术效果：本发明通过在阳极氧化过程中同时施加低温和高压条件，能够有效的提高铝合金的抗疲劳极限，尤其是能够在获得高耐磨性、高硬度、低粗糙度、低孔隙率的铝阳极氧化膜的同时，获得抗疲劳性较强的铝合金氧化材料。
附图说明
图1是纯铝耐疲劳测试曲线。
图2是本发明实施例2获得的阳极氧化铝合金的疲劳测试曲线（未进行封孔处理）。
图3是对比例1和实施例2获得的阳极氧化膜的SEM图（未进行封孔处理）。
图4是实施例2获得的阳极氧化膜的摩擦系数测试曲线（未进行封孔处理）。
具体实施方式
阳极氧化膜硬度检测:阳极氧化膜硬度采用 W-20 型显微硬度计检测，载荷为980mN，保荷时间为 15s，每个试样测试 5个点，取平均值作为该试样硬度。
孔隙率检测:参考 QB/T 3823–1999，在放大 5 万倍的电镜照片上，取 1 个测量面积，记点该面积上的孔隙数，计算孔隙率。
疲劳极限测试:采用湾弘达仪器股份有限公司的 HT-9712 型疲劳试验机；设备精度：±1%（静态力量感测精度），±1%（动态力量感测精度），测试参数为应力比 0.1，频率35HZ，温度室温。
实施例1
一种铝材产品，通过如下步骤制备获取：
（1）铝合金表面预处理：表面预处理依次包括有水洗、机械打磨、碱洗、水洗、酸洗和水洗处理，所述碱洗：NaOH 5g/L，Na3PO420g/L，Na2SiO33g/L， 温度65℃，时间为1min，所述酸洗：HNO3250ml/L， 温度30℃，时间为40s。
（2）阳极氧化电解液配置。
所述电解液由硫酸、草酸、丙二酸、乙醇和去离子水组成，不含其他有机物，所述电解液的冰点低于0℃，其中硫酸的浓度为2wt.%，草酸的浓度为0.5wt.%，丙二酸的浓度为1wt.%，乙醇的浓度为14wt.% 。
（3）将经过表面预处理的铝合金连接电源正极，惰性金属连接电源负极，密封反应釜，使用氮气排空反应釜中空气，并填充氮气至反应釜中的压力为2-3MPa后，停止氮气导入，将反应釜置于冰水中2h后，开启电源进行阳极氧化处理: 所述阳极氧化的电解参数：温度-5℃℃，时间为50min，电压为25V。
（4）后处理：后处理依次包括有去离子水冲洗、低温冷冻、真空冷凝干燥处理，蒸汽封闭处理，所述低温冷冻的温度为-5℃，时间为24h，真空冷凝干燥处理中的冷阱温度为-50℃，真空度＜20Pa，干燥时间为4h。
实施例2
一种铝材产品，通过如下步骤制备获取：
（1）铝合金表面预处理：表面预处理依次包括有水洗、机械打磨、碱洗、水洗、酸洗和水洗处理，所述碱洗：NaOH 5g/L，Na3PO420g/L，Na2SiO33g/L， 温度65℃，时间为1min，所述酸洗：HNO3250ml/L， 温度30℃，时间为40s。
（2）阳极氧化电解液配置。
所述电解液由硫酸、草酸、丙二酸、乙醇和去离子水组成，不含其他有机物，所述电解液的冰点低于0℃，其中硫酸的浓度为3wt.%，草酸的浓度为0.75wt.%，丙二酸的浓度为1.5wt.%，乙醇的浓度为15wt.% 。
（3）将经过表面预处理的铝合金连接电源正极，惰性金属连接电源负极，密封反应釜，使用氮气排空反应釜中空气，并填充氮气至反应釜中的压力为2-3MPa后，停止氮气导入，将反应釜置于冰水中2h后，开启电源进行阳极氧化处理: 所述阳极氧化的电解参数：温度-3℃，时间为75min，电压为27.5V。
（4）后处理：后处理依次包括有去离子水冲洗、低温冷冻、真空冷凝干燥处理，蒸汽封闭处理，所述低温冷冻的温度为-5℃，时间为24h，真空冷凝干燥处理中的冷阱温度为-50℃，真空度＜20Pa，干燥时间为4.5h。
实施例3
一种铝材产品，通过如下步骤制备获取：
（1）铝合金表面预处理：表面预处理依次包括有水洗、机械打磨、碱洗、水洗、酸洗和水洗处理，所述碱洗：NaOH 5g/L，Na3PO420g/L，Na2SiO33g/L， 温度65℃，时间为1min，所述酸洗：HNO3250ml/L， 温度30℃，时间为40s。
（2）阳极氧化电解液配置。
所述电解液由硫酸、草酸、丙二酸、乙醇和去离子水组成，不含其他有机物，所述电解液的冰点低于0℃，其中硫酸的浓度为4wt.%，草酸的浓度为1wt.%，丙二酸的浓度为2wt.%，乙醇的浓度为16wt.% 。
（3）将经过表面预处理的铝合金连接电源正极，惰性金属连接电源负极，密封反应釜，使用氮气排空反应釜中空气，并填充氮气至反应釜中的压力为2-3MPa后，停止氮气导入，将反应釜置于冰水中3h后，开启电源进行阳极氧化处理: 所述阳极氧化的电解参数：温度-1℃，时间为100min，电压为30V。
（4）后处理：后处理依次包括有去离子水冲洗、低温冷冻、真空冷凝干燥处理，蒸汽封闭处理，所述低温冷冻的温度为-5℃，时间为24h，真空冷凝干燥处理中的冷阱温度为-50℃，真空度＜20Pa，干燥时间为5h。
对比例1：一种铝材产品，通过如下步骤制备获取：
（1）铝合金表面预处理：表面预处理依次包括有水洗、机械打磨、碱洗、水洗、酸洗和水洗处理，所述碱洗：NaOH 5g/L，Na3PO420g/L，Na2SiO33g/L， 温度65℃，时间为1min，所述酸洗：HNO3250ml/L， 温度30℃，时间为40s。
（2）阳极氧化电解液配置。
所述电解液由硫酸去离子水组成，不含其他有机物，其中硫酸的浓度为3wt. % 。
（3）将经过表面预处理的铝合金连接电源正极，惰性金属连接电源负极，阳极氧化的电解参数：温度15℃，时间为75min，电压为27.5V。
（4）后处理：后处理依次包括有去离子水冲洗、低温冷冻、真空冷凝干燥处理，蒸汽封闭处理，所述低温冷冻的温度为-5℃，时间为24h，真空冷凝干燥处理中的冷阱温度为-50℃，真空度＜20Pa，干燥时间为4.5h。
对比例2：一种铝材产品，通过如下步骤制备获取：
（1）铝合金表面预处理：表面预处理依次包括有水洗、机械打磨、碱洗、水洗、酸洗和水洗处理，所述碱洗：NaOH 5g/L，Na3PO420g/L，Na2SiO33g/L， 温度65℃，时间为1min，所述酸洗：HNO3250ml/L， 温度30℃，时间为40s。
（2）阳极氧化电解液配置。
所述电解液由硫酸、草酸、丙二酸、乙醇和去离子水组成，不含其他有机物，所述电解液的冰点低于0℃，其中硫酸的浓度为3wt.%，草酸的浓度为0.75wt.%，丙二酸的浓度为1.5wt.%，乙醇的浓度为15wt.% 。
（3）将经过表面预处理的铝合金连接电源正极，惰性金属连接电源负极，所述阳极氧化的电解参数：温度-3℃，时间为75min，电压为27.5V。
（4）后处理：后处理依次包括有去离子水冲洗、低温冷冻、真空冷凝干燥处理，蒸汽封闭处理，所述低温冷冻的温度为-5℃，时间为24h，真空冷凝干燥处理中的冷阱温度为-50℃，真空度＜20Pa，干燥时间为4.5h。
如上表所示，本发明在阳极氧化过程同时施加温度和压强条件下，获得阳极氧化膜铝材的硬度为560-580HV，极限疲劳强度140-180Mpa，表面的氧化膜的厚度为20-30μm，表面粗糙度1.1~1.4μm，摩擦系数0.42~0.54。
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。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)
1.一种铝材产品，所述铝材为铝合金材料，其特征在于所述铝材通过阳极氧化处理在铝材表面原位氧化获得氧化膜，所述铝材的硬度为560-580HV，极限疲劳强度140-180Mpa，表面的氧化膜的厚度为20-30μm，表面粗糙度1.1~1.4μm，摩擦系数0.42~0.54。
2.如权利要求1所述的一种铝材产品，其特征在于阳极氧化电解液由硫酸、草酸、丙二酸、乙醇和去离子水组成，不含其他有机物。
3.如权利要求2所述的一种铝材产品，其特征在于阳极氧化电解液的冰点低于0℃。
4.如权利要求2所述的一种铝材产品，其特征在于硫酸的浓度为2~4wt.%，草酸的浓度为0.5-1wt.%，丙二酸的浓度为1-2wt.%，乙醇的浓度为14~16wt.%。
5.如权利要求1所述的一种铝材产品，其特征在于阳极氧化电解参数为：温度-5℃~-1℃，时间为50-100min，电压为25~30V，电流密度为2.0~2.5A/dm2，惰性气体密封，电解反应槽中的气体压力为2-3MPa，随着阴极析氢反应的发生，密封电解槽中的气体压力大于3MPa。
6.如权利要求1所述的一种铝材产品，其特征在于铝材在进行氧化处理前进行表面预处理。
7.如权利要求6所述的一种铝材产品，其特征在于预处理依次包括有水洗、机械打磨、碱洗、水洗、酸洗和水洗处理。
8.如权利要求1所述的一种铝材产品，其特征在于铝材在进行氧化处理后进行表面后处理。
9.如权利要求8所述的一种铝材产品，其特征在于表面后处理包括有去离子水冲洗、低温冷冻、真空冷凝干燥处理，蒸汽封闭处理。
10.如权利要求1所述的一种铝材产品，其特征在于所述铝材选自2系、5系、6系、7系铝合金。
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