專利名稱：鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金表面的微弧氧化陶瓷膜層及其制備工藝。
背景技術(shù)：
微弧氧化技術(shù)(又稱等離子體氧化、陽極火花沉積、火花放電陽極沉積和表面陶瓷化等)以其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能有效地將鋁材與陶瓷材料的性能優(yōu)勢(shì)有機(jī)的結(jié)合起來，極大的擴(kuò)展了鋁材的應(yīng)用范圍，越來越受到各個(gè)行業(yè)部門的重視。隨著關(guān)注和研究隊(duì)伍的擴(kuò)大，微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用研究發(fā)展越來越快，目前在部分領(lǐng)域已經(jīng)開始進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用。但由于現(xiàn)行微弧氧化膜層都是由底層過渡層、中間致密層、外部疏松層組成的三層結(jié)構(gòu)。而在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用的是中間致密層，外部疏松層由于具有疏松、致密性和硬度很差等缺點(diǎn)，在一般應(yīng)用中都需要去除。去除疏松層不僅增加了工藝復(fù)雜性，而且還會(huì)帶來一系列問題，例如復(fù)雜形狀的零部件表面的疏松層去除工藝問題，疏松層去除后破壞了膜層表面的孔隙儲(chǔ)油能力，降低了膜層的耐磨性能，破壞致密層的微觀表面結(jié)構(gòu)等。因此，常規(guī)三層結(jié)構(gòu)微弧氧化膜的表層疏松層的存在嚴(yán)重地阻礙了微弧氧化技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在突破傳統(tǒng)的鋁合金表面微弧氧化膜層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一定的工藝控制方案，使生成的微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)只有傳統(tǒng)的致密層和過渡層，不再由傳統(tǒng)的表面疏松層。兩層結(jié)構(gòu)的微弧氧化膜層不僅具有同常規(guī)三層結(jié)構(gòu)的微弧氧化膜層相同的性能特征，而且它克服了常規(guī)三層結(jié)構(gòu)的微弧氧化膜層帶來的所有技術(shù)難題，同時(shí)還提高了膜層的表面質(zhì)量，有效地降低了膜層的表面粗糙度5～10倍。
本發(fā)明的鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜由致密層1-2和過渡層1-3組成，其中過渡層1-2占總膜層厚度的1/5～1/3。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案獲得合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜將鋁合金工件置于含有工作液的不銹鋼槽體中，以工件做陽極，不銹鋼槽體做陰極，采用正負(fù)雙極性脈沖電源提供電能，控制正向電壓為500～700V，負(fù)向電壓為40～180V，電流密度為0.2～15A/dm2，處理時(shí)間為30～150min，處理溫度不高于35℃。采用嚴(yán)格的工藝配方和加工工藝，抑制疏松層的過快生長(zhǎng)，使工件表面在開始鈍化之后就開始向硬質(zhì)膜層轉(zhuǎn)化，保證疏松層的生長(zhǎng)速率與疏松層向硬質(zhì)層的轉(zhuǎn)化速率相一致，從而保證了加工完畢時(shí)所生成的膜層最外層沒有疏松層結(jié)構(gòu)。
常規(guī)三層結(jié)構(gòu)的微弧氧化膜層(見圖1)是由底層過渡層1-2、中間致密層(或硬質(zhì)層)1-3和表層疏松層1-4組成的三層組成。常規(guī)三層結(jié)構(gòu)膜層的表層疏松層一般占整個(gè)微弧氧化膜層厚度的1/5～1/2，主要由非晶相的鋁氧化物和其他非晶相物質(zhì)組成；該層的微觀物質(zhì)間結(jié)合力差，結(jié)構(gòu)松散，微顆粒容易從膜層上脫落；孔隙率較大，表面很粗糙，Ra值一般在8.0以上；硬度較低；耐磨性能很差；所以在實(shí)際應(yīng)用中該層一般無法應(yīng)用，都是將其去除，使中間致密層作為實(shí)際工作層。去除疏松層不僅增加了一道工藝，提高了應(yīng)用成本，而且還會(huì)帶來一系列問題，主要有以下幾個(gè)方面其一，復(fù)雜形狀的零部件表面的疏松層去除工藝難度很大，有些形狀復(fù)雜的零件表面根本就沒有辦法能有效的去除疏松層；其二，疏松層去除后破壞了膜層表面的孔隙儲(chǔ)油能力，降低了膜層的耐磨性能；其三，去除疏松層還有可能破壞了致密層的表面性能；其四，去除疏松層時(shí)產(chǎn)生的粉塵還會(huì)產(chǎn)生粉塵污染。因此，疏松層的存在嚴(yán)重的阻礙了微弧氧化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用的工程化進(jìn)程。
而本項(xiàng)發(fā)明的兩層結(jié)構(gòu)膜層(見圖2)，只有過渡層1-2和致密層(或硬質(zhì)層)1-3的兩層，不僅解決了常規(guī)三層結(jié)構(gòu)微弧氧化膜層在實(shí)際應(yīng)用中由疏松層所帶來的技術(shù)難題。同時(shí)還能有效地控制和提高膜層的表面質(zhì)量，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要控制加工工藝，加工出理想的粗糙度表面。
本發(fā)明所述的兩層結(jié)構(gòu)微弧氧化膜層的生成機(jī)理同現(xiàn)在的三層結(jié)構(gòu)微弧氧化膜層的生長(zhǎng)機(jī)理相同，將被處理試件置于配好的工作液中，工件做陽極，不銹鋼槽體做陰極，利用正負(fù)雙極性微弧氧化電源所提供的電能，在復(fù)雜的電化學(xué)、物理、化學(xué)的共同作用下，使工件表面生成一層均勻的硬質(zhì)陶瓷膜層。不同之處在于采用嚴(yán)格的工藝配方和加工工藝，使工件表面在開始鈍化之后就開始向硬質(zhì)膜層轉(zhuǎn)化，同時(shí)還必須抑制疏松層的過快生長(zhǎng)，使疏松層的生長(zhǎng)速率與疏松層向硬質(zhì)層的轉(zhuǎn)化速率相一致，從而保證了加工完畢時(shí)所生成的膜層最外層沒有疏松層結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)發(fā)明的兩層結(jié)構(gòu)膜層在生長(zhǎng)過程如果工藝或/和配方不嚴(yán)格可能會(huì)在致密層的表面產(chǎn)生1～10μm的吸附物，這層吸附物質(zhì)為工作液的組成物質(zhì)，這些物質(zhì)一般不影響膜層的使用性能，而且用刷子就能很容易地去除。


圖1為常規(guī)三層結(jié)構(gòu)的微弧氧化膜層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的兩層結(jié)構(gòu)的微弧氧化膜層的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-1為鋁合金工件，1-2為底層過渡層，1-3為中間致密層或硬質(zhì)層，1-4為表層疏松層。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式中的鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜由致密層1-2和過渡層1-3組成，其中過渡層1-2占總膜層厚度的1/5～1/3。
本實(shí)施方式中，微弧氧化膜層總厚度為30～300μm；過渡層1-2的厚度優(yōu)選為10～50μm。
如果工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)在致密層表面有1～10μm的吸附物質(zhì)，該吸附物質(zhì)層不同于常規(guī)的三層結(jié)構(gòu)微弧氧化膜層的疏松層，在整個(gè)膜層厚度中占1/5～1/2，它的厚度一般會(huì)比整個(gè)膜層的厚度小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式中鋁合金工件依次經(jīng)過如下工藝處理過程清洗→微弧氧化處理→清洗→封孔→烘干→檢測(cè)。其中，微弧氧化處理過程按照如下工藝步驟進(jìn)行將鋁合金工件置于含有工作液的不銹鋼槽體中，以工件做陽極，不銹鋼槽體做陰極，采用正負(fù)雙極性脈沖電源提供電能，控制正向電壓為500～700V，負(fù)向電壓為40～180V，電流密度為0.2～15A/dm2，處理時(shí)間為30～150min，處理溫度不高于35℃。
本實(shí)施方式中，所述工作液的pH為5～12。所述工作液中含有無機(jī)鹽和/或有機(jī)鹽，和氧化錳、氧化鎂、氧化鐵、氧化硒、氫氧化物中的一種或幾種的混合物。其中無機(jī)鹽為磷酸鹽、碳酸鹽、鋁酸鹽、鎢酸鹽、硼酸鹽、硅酸鹽、鈷酸鹽、高錳酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽中的一種或幾種的混合物；有機(jī)鹽為草酸鹽、醋酸鹽、蘋果酸鹽中的一種或幾種的混合物。
本實(shí)施方式中所述正負(fù)雙極性脈沖電源采用的是CN1604443中公開的“具有放電間隙吸收電路的高頻大功率微弧氧化脈沖電源”。
具體實(shí)施方式
三試件材料LY12，尺寸Φ30×5mm圓片，工作液配比為0.5g/L硅酸鈉、5g/L硼酸鈉、5g/L鋁酸鈉、1.25g/L氫氧化鉀和0.5g/L二氧化錳，最終正向電壓設(shè)置為550V，負(fù)向電壓設(shè)置為50V，電流密度設(shè)置為8A/dm2，溫度控制在30℃以內(nèi)，加工60min停止，試件表面生成膜層厚為65～71μm，其中致密層47～53μm，其余為過渡層，如果工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)在致密層表面有1～5μm的吸附物質(zhì)，表面粗糙度Ra＝0.8～3.0。
具體實(shí)施方式
四試件材料LF3，尺寸50×50mm片，工作液配比為5g/L碳酸銨、2g/L鋁酸鈉、1.8g/L氫氧化鈉、3g/L氧化鎂粉和2.3g/L氧化硒粉，最終正向電壓設(shè)置為525V，負(fù)向電壓設(shè)置為85V，電流密度設(shè)置為8.5A/dm2，溫度控制在25℃以內(nèi)，加工75min停止，試件表面生成膜層厚為68～75μm，其中致密層48～52μm，其余為過渡層，如果工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)在致密層表面有2～7μm的吸附物質(zhì)，表面粗糙度Ra＝0.8～4.0。
具體實(shí)施方式
五試件材料LD10，尺寸Φ100×5mm圓片，工作液配比為0.8g/L碳酸氨、4.0g/L硅酸鈉、2.5g/L乙酸氨、2.3g/L鋁酸鈉、0.9g/L氫氧化鉀、1.2g/L蘋果酸鎂和0.5g/L鉬酸鋅，最終正向電壓設(shè)置為560V，負(fù)向電壓設(shè)置為105V，電流密度設(shè)置為8A/dm2，溫度控制在10℃以內(nèi)，加工150min停止，試件表面生成膜層厚90～95μm，其中致密層65～68μm，其余為過渡層，如果工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)在致密層表面有4～10μm的吸附物質(zhì)，表面粗糙度Ra＝0.8～5.0。
具體實(shí)施方式
六試件材料LC4，尺寸120×120mm片，工作液配比為1.4g/L磷酸鈉、1.5g/L硅酸鈉、2.8g/L鋁酸鈉、0.9g/L鈷酸鈉、0.35g/L鉬酸鉀、1.4g/L氫氧化鉀和0.2g/L高錳酸鉀，最終正向電壓設(shè)置為580V，負(fù)向電壓設(shè)置為95V，電流密度設(shè)置為5A/dm2，溫度控制在28℃以內(nèi)，加工100min停止，試件表面生成膜層厚80～85μm，其中致密層63～69μm，其余為過渡層，如果工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)在致密層表面有3～10μm的吸附物質(zhì)，表面粗糙度Ra＝1.4～5.0。
具體實(shí)施方式
七試件材料ZL101，尺寸150×150mm片，工作液配比為4.5g/L硅酸鈉、1.5g/L硼酸銨、3.5g/L鋁酸鈉、2.0g/L氫氧化鉀、1.4g/L氧化鐵、0.2g/L醋酸銅、1.2g/L釩酸鈉和1.25g/L二氧化鈦，正向電壓設(shè)置為680V，負(fù)向電壓設(shè)置為180V，電流密度設(shè)置為15A/dm2，溫度控制在35℃以內(nèi)，加工150min停止，試件表面生成膜層厚度110～115μm，其中致密層76～81μm，其余為過渡層，如果工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)在致密層表面有6～10μm的吸附物質(zhì)，表面粗糙度為Ra＝2.0～6.0。
具體實(shí)施方式
八試件材料L3，尺寸50×35mm片，工作液配比為0.5g/L鎢酸鈉、2.8g/L鋁酸鈉、1.7g/L硼酸銨、2.0g/L氧化鐵、1.6g/L氫氧化鈉、0.5g/L高錳酸鉀、1.5ml/L雙氧水、0.3g/L草酸銅。正向電壓設(shè)置為700V，負(fù)向電壓設(shè)置為105V，電流密度設(shè)置為7A/dm2，溫度控制在10℃之間，加工100min停止，試件表面生成膜層厚度90～93μm，其中致密層78～81μm，其余為過渡層，如果工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)在致密層表面有1～3μm的吸附物質(zhì)，表面粗糙度為Ra＝1.0～3.0。
上述方案僅作為本發(fā)明的實(shí)施案例給出，并不以任何方式限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述內(nèi)容對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的各種改變或改進(jìn)，只要采用微弧氧化技術(shù)(又稱等離子體氧化、陽極火花沉積、火花放電陽極沉積和表面陶瓷化等)在鋁合金表面生成兩層結(jié)構(gòu)的微弧氧化硬質(zhì)膜層，或在兩層結(jié)構(gòu)的致密層表面有10μm以內(nèi)的吸附物的微弧氧化硬質(zhì)膜層，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜，其特征在于所述微弧氧化膜層由過渡層(1-2)和致密層(1-3)組成，其中過渡層(1-2)占總膜層厚度的1/5～1/3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜，其特征在于所述微弧氧化膜層總厚度為30～300μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜，其特征在于所述過渡層(1-2)的厚度為10～50μm。
4.一種權(quán)利要求1所述鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜的處理方法，其特征在于所述方法為將鋁合金工件置于含有工作液的不銹鋼槽體中，以工件做陽極，不銹鋼槽體做陰極，采用正負(fù)雙極性脈沖電源提供電能，控制正向電壓為500～700V，負(fù)向電壓為40～180V，電流密度為0.2～15A/dm2，處理時(shí)間為30～150min，處理溫度不高于35℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁合金表面無疏松層微弧氧化處理方法，其特征在于所述工作液的pH為5～12。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的鋁合金表面無疏松層微弧氧化處理方法，其特征在于所述工作液中含有無機(jī)鹽和/或有機(jī)鹽，和氧化錳、氧化鎂、氧化鐵、氧化硒、氫氧化物中的一種或幾種的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁合金表面無疏松層微弧氧化處理方法，其特征在于所述無機(jī)鹽為磷酸鹽、碳酸鹽、鋁酸鹽、鎢酸鹽、硼酸鹽、硅酸鹽、鈷酸鹽、高錳酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽中的一種或幾種的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁合金表面無疏松層微弧氧化處理方法，其特征在于所述有機(jī)鹽為草酸鹽、醋酸鹽、蘋果酸鹽中的一種或幾種的混合物。
全文摘要
鋁合金表面無疏松層微弧氧化陶瓷膜及其制備方法，涉及一種鋁合金表面的微弧氧化陶瓷膜層及其制備工藝。本發(fā)明的目的在于對(duì)鋁合金表面微弧氧化處理提出一種只有常規(guī)過渡層(1－2)和致密層(1－3)的新兩層結(jié)構(gòu)膜層，其中過渡層 (1－2)占總膜層厚度的1/5～1/3。其處理方法為將鋁合金工件置于含有工作液的不銹鋼槽體中，采用正負(fù)雙極性脈沖電源提供電能，控制正向電壓為500～700V，負(fù)向電壓為40～180V，電流密度為0.2～15A/dm
文檔編號(hào)C25D11/04GK1844482SQ200610009889
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
發(fā)明者狄士春, 潘明強(qiáng) 申請(qǐng)人:狄士春