一種鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法
【專利摘要】本發明公開了鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，屬于鋁合金表面處理【技術領域】。該方法首先將鋁合金工件置于電解液中，在電解液中鋁合金工件表面作為工作電極，不銹鋼導體作為對電極，不銹鋼導體與所述工件表面構成電解回路；然后向所述電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，并控制電流密度0.2～20A/dm2，施加時間為30～200min，電解液溫度不高于50℃，從而在鋁合金表面形成微弧氧化陶瓷膜。本發明制備的單層結構微弧氧化陶瓷膜層不僅能有效地解決常規雙層結構的膜層疏松層所帶來的技術難題，同時還能有效提高微弧氧化陶瓷膜的性能。
【專利說明】一種鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁合金表面處理【技術領域】，具體涉及一種鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]微弧氧化(PlasmaElectrolytic Oxidation 或 Micro-arc Oxidation)是一種在金屬表面原位生長陶瓷性氧化膜的制備技術，是一種特殊的陽極氧化，是現階段提高鋁合金等有色金屬的耐腐蝕性能最為有效的手段之一。由于采用較高的電壓，氧化過程除發生電化學反應外，還包括等離子化學、熱化學反應，伴隨有等離子微弧放電現象。正是由于等離子體放電所造成的局部高溫高壓燒結作用，使所形成的氧化膜具有晶態的陶瓷性結構。該氧化膜結合力優良，并且硬度、耐磨性以及強度較高。然而，由于成膜時的等離子燒結特性及氧化膜中相結構等原因所致，傳統鋁合金微弧氧化膜是一種孔隙較大(微米級)的疏松多孔結構，大大影響其防護能力。因此，研究與改善氧化膜的致密性是鋁合金微弧氧化技術發展的核心任務。
[0003]現行的鋁合金微弧氧化陶瓷膜一般為雙層微弧氧化陶瓷膜，由外層疏松層和內層致密層組成。一般情況下，外層疏松層厚度要占到整個微弧氧化膜厚度的1/4-1/3，并由非晶態氧化物和其他非晶相物質組成；該層的微觀結構缺陷較多，孔隙率較大，硬度低，耐磨性較差，與內層結合力差，表面很粗糙Ra值一般都在8.0以上。因此，在實際應用中疏松層一般都要去除，將內層致密層作為實際工作層。去除外層疏松層不僅增加了工序，提高了生產成本，在去除操作過程中還會對氧化膜自身結構及性能帶來一定的影響(為避免去除工藝對氧化膜內層致密層的影響，還要增加諸多輔助措施)，這無疑又額外增加了工藝操作難度和生產成本。因此，常規雙層結構微弧氧化膜的表層疏松層的存在嚴重地阻礙了微弧氧化技術的實際工程應用進程。

【發明內容】

`[0004]本發明的目的在于突破傳統的鋁合金表面微弧氧化膜層的結構特點，提供一種鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，該方法采用全新的工藝控制方案，制備出只有致密層的單層微弧氧化陶瓷結構。與常規雙層微弧氧化膜，不但單層結構的微弧氧化膜的性能有明顯提高，而且解決了常規雙層結構微弧氧化膜在實際應用中的技術難題。
[0005]本發明的技術方案為:
[0006]一種鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，該方法首先將鋁合金工件置于電解液中，在電解液中鋁合金工件表面作為工作電極(陽極)，以不銹鋼導體作為對電極(陰極)，不銹鋼導體與所述工件表面構成電解回路；然后向所述電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，并控制電流密度0.2~20A/dm2，施加時間為30~200min，電解液溫度不高于50°C，從而在鋁合金表面形成微弧氧化陶瓷膜。
[0007]所述的高頻載波的雙脈沖方波電壓為母體方波電壓和高頻載波方波電壓疊加而成；其中:母體方波脈沖電壓的頻率為100~400Hz，正向電壓幅值為250-400V，脈寬為
0.6ms，負向電壓幅值為450-700V，脈寬為0.4ms ;高頻載波的電壓幅值為50-300V，頻率范圍為 2000-3000Hz。
[0008]所述電解液以水為溶劑，溶質為氫氧化鈉、硅酸鈉、硼酸鈉、釩酸鹽、鑰酸鹽、硝酸鹽、十二烷基苯磺酸鹽、癸酸鹽、苯并三氮唑和蘋果酸鹽中的一種或幾種，溶質的總濃度為5~30g/L ;控制電解液的pH為8-12。
[0009]所述鋁合金可以為LY11、LY12、LC4、2A70、ZL205、LY16、2024、5083、6063 或純鋁。
[0010]采用上述方法在鋁合金表面所制備的微弧氧化陶瓷膜為致密層，其厚度20~300 μ m，硬度≥1200HV，耐鹽霧時間≥1800h，表面粗糙度Ra0.10 μ m~0.3 μ m。
[0011]本發明有益效果如下:
[0012]1、本發明通過采用嚴格的工藝配方和控制工藝，可以有效抑制疏松層的過快生長，使鋁合金表面在開始鈍化后就迅速向致密層轉化，保證疏松層的生長速率與疏松層向致密層的轉化速率相一致，保證了在加工完成時所生成的膜層最外層無疏松層結構。
[0013]2、本發明所述的鋁合金單層微弧氧化陶瓷膜的控制工藝與常規微弧氧化控制工藝有很大不同，主要表現在:第一，對電極體系施加微等離子體陰極載波沖擊電解氧化過程，該過程的控制方式是在電極體系上施加帶有高頻載波的脈沖電壓。第二，所施加的陽極脈沖電壓的幅值要明顯小于常規微弧氧化過程形成微等離子體弧光放電所要求臨界火花電壓，但高于普通陽極氧化的電壓，屬于陽極氧化法拉第電位區；第三，所施加的陰極脈沖電壓要遠高于常規微弧氧化工藝所施加的脈沖電壓；第四，所施加高頻正弦載波的頻率和脈寬連續可調，載波電壓脈沖幅值可控。通過上述控制，使工件表面在開始鈍化之后就開始向致密層轉化，同時能抑制疏松層的過快生長，使疏松層的生長速率與疏松層向硬質層的轉化速率相一致，確保在處理結束后鋁合金微弧陶瓷膜表面只存留單層致密層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜SEM照片。
[0015]圖2為常規鋁合金雙層微弧氧化陶瓷膜SEM照片。
【具體實施方式】
[0016]實施例1
[0017]試件材料:D7，尺寸100X 100mm。將鋁合金工件置于含有電解液的不銹鋼槽體中，不銹鋼槽體與所述工件表面構成電解回路；鋁合金工件表面置于電解液中作為陽極，不銹鋼作為陰極。電解液配比:氫氧化鈉3飛g/L，硅酸鈉2飛g/L，硼酸鈉5~7g/L，苯并三氮唑
0.5~lg/L，硝酸釔為0.2~3g/L，其余為水。電解液pH值為5~8(pH值用稀釋的NaOH或者稀硝酸溶液進行調節，以下實施例同實例)。采用杜爾考特IV型大功率脈沖電源向電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，母體方波脈沖電壓頻率為200~230Hz，正向電壓幅值為250~300V，脈寬為0.6ms,負向電壓幅值為500~550V，脈寬為0.4ms ;高頻載波電壓幅值為70~100V，高頻載波頻率2200Hz ;電流密度1.5~18A/dm2，氧化時間16(Tl70min，處理溫度不高于40°C。微弧氧化陶瓷膜厚度25~30 μ m,硬度1300Hv，鹽霧時間2000h，表面粗糖度 Ra 0.2 μ m ~0.3 μ m。[0018]所制備的微弧氧化陶瓷膜SEM照片如圖1所示，該微弧氧化陶瓷膜為單層致密層；采用常規方法在鋁合金表面制備的微弧氧化陶瓷膜如圖2所示，其為雙層結構，外層為孔隙較大的疏松層，內層為致密層。[0019]實施例2
[0020]試件材料:LY12，尺寸100X 100mm，鋁合金工件表面置于電解液中作為陽極，不銹鋼作為陰極。電解液配比:氫氧化鈉3飛g/L，硅酸鈉2飛g/L，硼酸鈉5~7g/L，釩酸鈉3~4g/L，蘋果酸鈉0.7~1.2g/L，硝酸釔為0.2~3g/L，硝酸鈰0.8~2.lg/Ι，電解液pH值為5~8。采用杜爾考特IV型大功率脈沖電源向電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，母體方波脈沖電壓頻率為240~280Hz，正向電壓幅值為350~370V，脈寬為0.6ms,負向電壓幅值為500~550V，脈寬為0.4ms ;高頻載波電壓幅值為80~100V，高頻載波頻率2000Hz ；電流密度1.5~16A/dm2，氧化時間140~150min，處理溫度不高于40°C。微弧氧化陶瓷膜厚度35~40 μ m,硬度1600Hv,鹽霧時間3000h,表面粗糙度Ra0.15 μ m。
[0021]實施例3
[0022]試件材料:LC4，尺寸IOOXlOOmm,鋁合金工件表面置于電解液中作為陽極，不銹鋼作為陰極。電解液配比:氫氧化鈉3飛g/L，硅酸鈉2飛g/L，釩酸鈉3~4g/L，鑰酸鈉0.2~
0.8g/l，苯并三氮唑0.5~lg/L，蘋果酸鈉0.7~1.2g/L，硝酸鈰0.8~2.lg/L，電解液pH值為5~8。采用杜爾考特IV型大功率脈沖電源向電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，母體方波脈沖電壓頻率為15(Tl80Hz，正向電壓幅值為260~280V，脈寬為0.6ms,負向電壓幅值為590~620V，脈寬為0.4ms ;高頻載波電壓幅值為12(Tl50V，高頻載波頻率2500Hz ；電流密度控制在2.5~17A/dm2，氧化時間170~200min，處理溫度不高于40°C。微弧氧化陶瓷膜厚度40-50μπι，硬度1400Hv，鹽霧時間2500h，表面粗糙度Ra0.15μπι~
0.2 μ m0
[0023]實施例4
[0024]試件材料:5083，尺寸100 X 100mm，鋁合金工件表面置于電解液中作為陽極，不銹鋼作為陰極。電解液配比:氫氧化鈉3飛g/L，硅酸鈉2飛g/L，硼酸鈉5~8g/L，鑰酸鈉0.2~
0.8g/L，癸酸鈉0.8~1.9g/L，蘋果酸鈉0.7~1.2g/L，硝酸鈰0.8~2.lg/Ι，電解液pH值為5~8。采用杜爾考特IV型大功率脈沖電源向電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，母體方波脈沖電壓頻率為320~340Hz，正向電壓幅值為330~350V，脈寬為0.6ms,負向電壓幅值為540~620V，脈寬為0.4ms ;高頻載波電壓幅值為70~120V，高頻載波頻率25002800Hz ；電流密度控制在1.5~18A/dm2，氧化時間180~220min，處理溫度不高于40°C。微弧氧化陶瓷膜厚度35~40 μ rm，硬度1700Hv，鹽霧時間2400h，表面粗糙度Ra
0.18 μ m ~0.23 μ m。
[0025]實施例5
[0026]試件材料:2A70,尺寸IOOX IOOmm,招合金工件表面置于電解液中作為陽極，不銹鋼作為陰極。電解液配比:氫氧化鈉3飛g/L，硅酸鈉2飛g/L，硼酸鈉5~8g/L，釩酸鈉3~5g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.1~0.5g/L，癸酸鈉0.8~1.9g/L，蘋果酸鈉0.7~1.2g/L，硝酸鈰0.8~2.lg/L，硝酸釔0.72.2g/L，電解液pH值為5~8。采用杜爾考特IV型大功率脈沖電源向電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，母體方波脈沖電壓頻率為260~330Hz,正向電壓幅值為290~360V，脈寬為0.6ms,負向電壓幅值為580~650V，脈寬為0.4ms ;高頻載波電壓幅值為150~200V，高頻載波頻率2400~2700Hz ；電流密度控制在
2.5~14.5A/dm2，氧化時間200~220min，處理溫度不高于40°C。微弧氧化陶瓷膜厚度40~45 μ m,硬度1200Hv,鹽霧時間2300h,表面粗糙度Ra0.15 μ m~0.21 μ m。
[0027]實施例6
[0028]試件材料:純鋁，尺寸100X 100mm，鋁合金工件表面置于電解液中作為陽極，不銹鋼作為陰極。電解液配比:氫氧化鈉3飛g/L，硅酸鈉2飛g/L，釩酸鈉3飛g/L，鑰酸鈉1.2~2.0g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.1~0.5g/L，癸酸鈉0.8^1.9g/L，硝酸鈰0.8~2.lg/L,硝酸釔0.7~2.2g/L，苯并三氮唑0.5~lg/L，電解液pH值為5~8。采用杜爾考特IV型大功率脈沖電源向電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，母體方波脈沖電壓頻率為230"~370Hz，正向電壓幅值為250~~390V，脈寬為0.6ms，負向電壓幅值為520~600V，脈寬為0.4ms ;高頻載波電壓幅值為160~220V，高頻載波頻率15002000Hz ；電流密度控制在1.5~14.5A/dm2，氧化時間200~220min，處理溫度不高于40°C。微弧氧化陶瓷膜厚度35~40 μ m,硬度1200Hv,鹽霧時間1800h,表面粗糙度Ra0.1 μ m~0.2 μ m。
[0029]上述實施例為本發明在鋁合金表面較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未在本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的 置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，其特征在于:該方法首先將鋁合金工件置于電解液中，在電解液中鋁合金工件表面作為工作電極，以不銹鋼導體作為對電極，不銹鋼導體與所述工件表面構成電解回路；然后向所述電解回路施加帶有高頻載波的雙脈沖方波電壓，并控制電流密度0.2~20A/dm2，施加時間為30~200min，電解液溫度不高于50°C，從而在鋁合金表面形成微弧氧化陶瓷膜。
2.根據權利要求1所述的鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，其特征在于:所述的高頻載波的雙脈沖方波電壓為母體方波電壓和高頻載波方波電壓疊加而成；其中:母體方波脈沖電壓的頻率為100~400Hz，正向電壓幅值為250-400V，脈寬為0.6ms,負向電壓幅值為450-700V，脈寬為0.4ms ;高頻載波的電壓幅值為50-300V，頻率范圍為2000-3000Hz。
3.根據權利要求1所述的鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，其特征在于:所述電解液以水為溶劑，溶質為氫氧化鈉、硅酸鈉、硼酸鈉、釩酸鹽、鑰酸鹽、硝酸鹽、十二烷基苯磺酸鹽、癸酸鹽、苯并三氮唑和蘋果酸鹽中的一種或幾種，溶質的總濃度為5~30g/L。
4.根據權利要求1或3所述的鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，其特征在于:所述電解液的PH為8-12。
5.根據權利要求1所述的鋁合金表面單層微弧氧化陶瓷膜的制備方法，其特征在于:所述鋁合金為 LY11、LY12、LC4、2A70、ZL205、LY16、2024、5083、6063 或純鋁。
【文檔編號】C25D11/06GK103695980SQ201210369250
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月27日 優先權日:2012年9月27日
【發明者】杜克勤, 郭興華, 郭泉忠, 王勇, 王福會 申請人:中國科學院金屬研究所