一種鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，屬于鋁合金表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法通過在鋁合金微弧氧化過程中同時(shí)施加方波脈沖電壓及高頻載波而得以實(shí)現(xiàn)，其配套電解液主要由基礎(chǔ)組成、輔助添加劑和致密化添加劑組成。本發(fā)明通過特定的外部電參數(shù)及相關(guān)配套優(yōu)化電解液相互配合，針對(duì)應(yīng)用的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)了鋁合金微弧氧化膜的超強(qiáng)耐蝕性、優(yōu)異的耐磨性、良好的隔熱性、超薄性、超厚性、超硬性及良好的光潔度。
【專利說明】一種鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋁合金表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微弧氧化技術(shù)，又稱微等離子體氧化，陽極火花沉積或火花放電陽極氧化，是在普通陽極氧化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的表面處理技術(shù)。鋁合金在電解液中通過高壓放電作用，其表面生成一層與基體以冶金方式結(jié)合的氧化鋁為主的陶瓷層，陶瓷質(zhì)的高硬度、高阻抗和高穩(wěn)定性滿足鋁合金防海水腐蝕、高溫?zé)嵛g和改善耐磨等性能要求。該氧化膜結(jié)合力優(yōu)良，并且硬度、耐磨性以及強(qiáng)度較高。然而，考慮到未來鋁合金微弧氧化膜的應(yīng)用領(lǐng)域多樣性，勢(shì)必對(duì)鋁合金微弧氧化膜性能的功能化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
[0003]目前，實(shí)現(xiàn)鋁合金微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)主要有兩大影響因素:1)外部電參數(shù)的控制；2)配套微弧氧化電解液的優(yōu)化。本專利的基于上述兩大因素通過外部電參數(shù)控制模式，并結(jié)合配套優(yōu)化的電解液配方，從而實(shí)現(xiàn)鋁合金微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，采用所述微弧氧化工藝，實(shí)現(xiàn)鋁合金微弧氧化膜的超強(qiáng)耐蝕性、優(yōu)異的耐磨性、良好的隔熱性、超薄性、超厚性、超硬性及良好的光潔度。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種鋁合金微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，首先將鋁合金工件置于電解液中，待處理的工件表面在電解液中作為工作電極，不銹鋼導(dǎo)體作為對(duì)電極，并與所述待加工表面構(gòu)成電解回路，并向所述電解回路同時(shí)施加方波脈沖電壓及高頻載波對(duì)鋁合金工件進(jìn)行氧化處理，同時(shí)電流密度控制在0.2-20A/dm2之間，處理時(shí)間為30~200min，處理溫度不高于50。。。
[0007]所述電解液其溶劑為水，溶質(zhì)由基礎(chǔ)組成、輔助添加劑和致密化添加劑組成，溶質(zhì)的總濃度為l_20g/L，控制電解液的pH值為5~8(利用稀釋的NaOH，或者稀硝酸溶液調(diào)節(jié))；所述基礎(chǔ)組成為氫氧化鈉、硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽中一種或幾種；輔助添加劑為釩酸鹽、鑰酸鹽、十二烷基苯磺酸鹽、癸酸鹽、苯并三氮唑、蘋果酸鹽中的一種或幾種；致密化添加劑為硝酸釔、硝酸鈰、硝酸鑭中的一種或幾種。
[0008] 所述方波脈沖電壓頻率為1000~400Hz，正向幅值為250-400V，脈寬為0.6ms,負(fù)向電壓幅值為450-700V，脈寬為0.4ms。所述方波脈沖電壓的通斷比可以為以下四種情況:I)正向占空比0%，負(fù)向占空比0% ;2)正向占空比10%，負(fù)向占空比10% ;3)正向占空比10%，負(fù)向占空比20% ;4)正向占空比10%，負(fù)向占空比30%。所述高頻載波電壓幅值為50-300V，高頻載波頻率為2000-3000HZ。
[0009]所述鋁合金為LY11、LY12、LC4、2A70、ZL205、LY16、2024、5083、6063 或純鋁。[0010]本發(fā)明通過特定的外部電參數(shù)及相關(guān)配套優(yōu)化電解液相互配合，針對(duì)應(yīng)用的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)了鋁合金微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)。在鋁合金表面制備的微弧氧化膜主要性能如下:膜厚3~200 i m,中性鹽霧時(shí)間2000h以上，硬度HvlOOO，干摩擦系數(shù)f0.1，表面粗糙度Ra ^ 0.02 u m,結(jié)合力大于30MPa。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下:
[0012]1、所施加的陽極脈沖電壓的幅值要明顯小于常規(guī)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(qū)。這樣有利于在一般陽極氧化的法拉第電位區(qū)形成微等離子體并產(chǎn)生a -Al2O3相變，提升薄膜微結(jié)構(gòu)化學(xué)穩(wěn)定性具有可行性，從而實(shí)現(xiàn)鋁合金微弧氧化膜超強(qiáng)耐蝕性、優(yōu)異的耐磨性和超硬性。
[0013]2、所施加的陰極脈沖電壓要遠(yuǎn)高于常規(guī)微弧氧化工藝所施加的脈沖電壓，可實(shí)現(xiàn)極小的、間歇式的陰極沖擊電流，而且放電頻率很高。這樣，由于鋁/氧化膜/溶液界面具有n-P接合性能而有整流作用，當(dāng)電解電流由氧化變?yōu)檫€原電流、與對(duì)極金屬的接觸是歐姆接觸時(shí)，將使陰極還原電流易于通過，鋁表面氧化膜會(huì)因周而復(fù)始的陰極電流作用使膜孔底部的阻擋層發(fā)生還原而減薄并降低膜電阻。從宏觀角度看，陰極化載波沖擊作用可降低微等離子體發(fā)生放電擊穿陽極電壓，可使氧化電流減小，只要陰極化載波電參數(shù)選擇得當(dāng)，就可以有效地減少因膜阻產(chǎn)生的焦?fàn)枱岷褪菇缑鏌崃坑捎诖罅繗錃獾奈龀隹焖贁U(kuò)散，從而減少鋁表面多孔氧化膜的微等離子體的擊穿強(qiáng)度和化學(xué)溶解速度，減少膜的孔隙率。使得形成的放電孔道自發(fā)地均勻一致，避免由于電流分布不均導(dǎo)致局部微區(qū)大孔道的發(fā)生或發(fā)展，使得放電通道不同區(qū)域致密化、均勻化，使得不同微區(qū)的陽極化過程的放電精細(xì)可控，實(shí)現(xiàn)鋁合金微弧氧化膜超強(qiáng)耐蝕性、優(yōu)異的耐磨性和和隔熱性。
[0014]3、施加高頻正弦載波，可以控制微弧噴發(fā)強(qiáng)度與燒結(jié)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化，抑制微等離子體的在沖擊氧化時(shí)的弧光噴發(fā)現(xiàn)象，使能量施加合理有效地用于Al2O3相轉(zhuǎn)化，優(yōu)化兩種晶態(tài)共同生長轉(zhuǎn)化過程。利用a-Al2O3調(diào)整微結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性，Y-Al2O3調(diào)整微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性，控制其生長分布狀態(tài)，調(diào)控晶粒大小、晶格取向、不同晶相的狀態(tài)，這樣可以有效地調(diào)控致密化有序結(jié)構(gòu)與相轉(zhuǎn)化之間的相互作用，同時(shí)獲得具有致密性、均勻性和穩(wěn)定性的相結(jié)構(gòu)，在充分燒結(jié)和完成向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)鋁合金微弧氧化膜的厚度穩(wěn)定可控。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1鋁合金表面微弧氧化膜微觀照片。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1鋁合金表面微弧氧化膜的XRD譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0018]實(shí)施例1
[0019]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4~5g/L,娃酸鈉3、g/L,硼酸鈉6~7g/L,fL酸鈉2.5~3g/L，蘋果酸鈉0.rig/U硝酸釔為0.2~0.8g/L，硝酸鈰0.8~1.2g/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的方波脈沖電壓頻率為260~270Hz，正向電壓幅值為360~390V，脈寬為0.6ms，負(fù)向電壓幅值為520~550V，脈寬為0.4ms ；占空比為:正向占空比0%，負(fù)向占空比0%。所施加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(shí)間14(Tl50min，處理溫度不高于 40°C。
[0020]制備的微弧氧化膜其微觀形貌SM如圖1所示，相結(jié)構(gòu)的XRD譜圖如圖2所示。從圖1和圖2可以看出，在用上述方法制備的Al2O3陶瓷薄膜孔洞分布均勻，膜層厚度3(T50iim，Al2O3 主要為 a 相。
[0021]該鋁合金微弧氧化膜的主要性能如下:超強(qiáng)耐蝕性(通過中性鹽霧2000h以上)，結(jié)合力大于30MPa。這一功能化膜對(duì)基體的疲勞性能沒有破壞，而且可以大幅度提高腐蝕疲勞性能。
[0022]實(shí)施例2
[0023]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4.5~5g/L,娃酸鈉3.5~4g/L,硼酸鈉5.6^6.2g/L,鑰酸鈉0.2~0.3g/L，癸酸鈉0.8~1.lg/L，蘋果酸鈉0.7~0.9g/L，硝酸鈰0.8^1.lg/1，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的方波脈沖電壓頻率為260~270Hz，正向電壓幅值為330~350V，脈寬為0.6ms,負(fù)向電壓幅值為580~600V，脈寬為0.4ms ;占空比為:正向占空比10%，負(fù)向占空比10%。所施加高頻載波電壓幅值為70~90V，高頻載波頻率2600Hz ；電流密度4~10A/dm2，氧化時(shí)間180~200min，處理溫度不高于40°C。 [0024]該鋁合金微弧氧化膜的具有良好的耐蝕性和優(yōu)異摩擦學(xué)性能，具體的性能指標(biāo)如下:膜厚為30~80 u m,中性鹽霧時(shí)間達(dá)2500h以上；硬度為HvlOOO ;干摩擦系數(shù)f≤0.1)，表面粗糙度Ra0.02 u m,結(jié)合力大于30MPa。
[0025]實(shí)施例3
[0026]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4.5飛g/L，釩酸鈉3.5~4.2g/L，鑰酸鈉0.2~0.4g/L，苯并三氮唑0.5~0.7g/L，蘋果酸鈉0.7~0.8g/L，硝酸鈰0.8~1.1g/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的方波脈沖電壓頻率為150~170Hz，正向電壓幅值為250~270V，脈寬為0.6ms,負(fù)向電壓幅值為590~610V，脈寬為0.4ms ;占空比為:正向占空比10%，負(fù)向占空比20%。所施加高頻載波電壓幅值為120~130V，高頻載波頻率2500Hz ;電流密度控制在5.5~8.5A/dm2，氧化時(shí)間180~210min,處理溫度不高于40°C。
[0027]該鋁合金微弧氧化膜的可實(shí)現(xiàn)超薄性能，同時(shí)具有良好的隔熱性、耐蝕性和光潔度。具體的性能指標(biāo)如下:膜厚為5~15i!m，低隔熱((5% )，中性鹽霧時(shí)間達(dá)1800~2000h ;耐海水銅加速腐蝕2年以上；表面粗糙度Ra0.01 u m,結(jié)合力大于30MPa。
[0028]實(shí)施例4
[0029]試件材料:2A70，尺寸IOOX 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3.5~4.5g/L，硼酸鈉6.5~8g/L，釩酸鈉3.5~4.5g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.1~0.3g/L，癸酸鈉0.8~1.2g/L，蘋果酸鈉0.7~
0.9g/L，硝酸鈰0.8~1.2g/L，硝酸釔0.7^1.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的方波脈沖電壓頻率為280~300Hz，正向電壓幅值為320~360V，脈寬為0.6ms，負(fù)向電壓幅值為590~630V，脈寬為0.4ms ;占空比為:正向占空比10%，負(fù)向占空比30%。所施加高頻載波電壓幅值為15(Tl80V，高頻載波頻率2700Hz ；電流密度控制在7.5~11.5A/dm2，氧化時(shí)間200~220min，處理溫度不高于40°C。[0030]該鋁合金微弧氧化膜的可實(shí)現(xiàn)超厚性能和超強(qiáng)的耐磨性。具體的指標(biāo)如下:膜厚100~120 ilm，硬度是硬氧的5倍，硬鉻鍍層的3倍)。結(jié)合力為5(T70MPa。
[0031]上述實(shí)施例為本發(fā)明在鋁合金表面較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未在本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，其特征在于:該方法首先將鋁合金工件置于電解液中，待處理的工件表面在電解液中作為工作電極，不銹鋼導(dǎo)體作為對(duì)電極，并與所述工件表面構(gòu)成電解回路；然后向所述電解回路同時(shí)施加方波脈沖電壓及高頻載波對(duì)工件表面進(jìn)行氧化處理，同時(shí)電流密度控制在0.2-20A/dm2之間，處理時(shí)間為30~200min,處理溫度不高于50°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，其特征在于:所述電解液其溶劑為水，溶質(zhì)由基礎(chǔ)組成、輔助添加劑和致密化添加劑組成；所述基礎(chǔ)組成為氫氧化鈉、硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽中一種或幾種；輔助添加劑為釩酸鹽、鑰酸鹽、十二烷基苯磺酸鹽、癸酸鹽、苯并三氮唑、蘋果酸鹽中的一種或幾種；致密化添加劑為硝酸釔、硝酸鈰、硝酸鑭中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，其特征在于:所述溶質(zhì)的總濃度為l_20g/L，控制電解液的pH值為5~8。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，其特征在于:所述方波脈沖電壓頻率為100~400Hz，正向幅值為250-400V，脈寬為0.6ms，負(fù)向電壓幅值為450-700V，脈寬為0.4ms。所述高頻載波電壓幅值為50-300V，高頻載波頻率為2000-3000Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，其特征在于:所述方波脈沖電壓的占空比為以下四種情況之一:1)正向占空比0%，負(fù)向占空比0% ;2)正向占空比10%，負(fù)向占空比10% ;3)正向占空比10%，負(fù)向占空比20% ;4)正向占空比10%，負(fù)向占空比30%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金表面微弧氧化膜功能化設(shè)計(jì)的方法，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(hào)】C25D11/06GK103695981SQ201210375655
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月27日
【發(fā)明者】杜克勤, 郭興華, 郭泉忠, 王勇, 王福會(huì) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所