专利名称：铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝合金表面的微弧氧化陶瓷膜层及其制备工艺。
背景技术：
微弧氧化技术(又称等离子体氧化、阳极火花沉积、火花放电阳极沉积和表面陶瓷化等)以其特有的技术优势，能有效地将铝材与陶瓷材料的性能优势有机的结合起来，极大的扩展了铝材的应用范围，越来越受到各个行业部门的重视。随着关注和研究队伍的扩大，微弧氧化技术的应用研究发展越来越快，目前在部分领域已经开始进入了实际应用。但由于现行微弧氧化膜层都是由底层过渡层、中间致密层、外部疏松层组成的三层结构。而在实际应用中应用的是中间致密层，外部疏松层由于具有疏松、致密性和硬度很差等缺点，在一般应用中都需要去除。去除疏松层不仅增加了工艺复杂性，而且还会带来一系列问题，例如复杂形状的零部件表面的疏松层去除工艺问题，疏松层去除后破坏了膜层表面的孔隙储油能力，降低了膜层的耐磨性能，破坏致密层的微观表面结构等。因此，常规三层结构微弧氧化膜的表层疏松层的存在严重地阻碍了微弧氧化技术的实际工程应用进程。
发明内容
本发明的目的在突破传统的铝合金表面微弧氧化膜层的结构特点，采用一定的工艺控制方案，使生成的微弧氧化膜层结构只有传统的致密层和过渡层，不再由传统的表面疏松层。两层结构的微弧氧化膜层不仅具有同常规三层结构的微弧氧化膜层相同的性能特征，而且它克服了常规三层结构的微弧氧化膜层带来的所有技术难题，同时还提高了膜层的表面质量，有效地降低了膜层的表面粗糙度5～10倍。
本发明的铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜由致密层1-2和过渡层1-3组成，其中过渡层1-2占总膜层厚度的1/5～1/3。
本发明采用如下技术方案获得合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜将铝合金工件置于含有工作液的不锈钢槽体中，以工件做阳极，不锈钢槽体做阴极，采用正负双极性脉冲电源提供电能，控制正向电压为500～700V，负向电压为40～180V，电流密度为0.2～15A/dm2，处理时间为30～150min，处理温度不高于35℃。采用严格的工艺配方和加工工艺，抑制疏松层的过快生长，使工件表面在开始钝化之后就开始向硬质膜层转化，保证疏松层的生长速率与疏松层向硬质层的转化速率相一致，从而保证了加工完毕时所生成的膜层最外层没有疏松层结构。
常规三层结构的微弧氧化膜层(见图1)是由底层过渡层1-2、中间致密层(或硬质层)1-3和表层疏松层1-4组成的三层组成。常规三层结构膜层的表层疏松层一般占整个微弧氧化膜层厚度的1/5～1/2，主要由非晶相的铝氧化物和其他非晶相物质组成；该层的微观物质间结合力差，结构松散，微颗粒容易从膜层上脱落；孔隙率较大，表面很粗糙，Ra值一般在8.0以上；硬度较低；耐磨性能很差；所以在实际应用中该层一般无法应用，都是将其去除，使中间致密层作为实际工作层。去除疏松层不仅增加了一道工艺，提高了应用成本，而且还会带来一系列问题，主要有以下几个方面其一，复杂形状的零部件表面的疏松层去除工艺难度很大，有些形状复杂的零件表面根本就没有办法能有效的去除疏松层；其二，疏松层去除后破坏了膜层表面的孔隙储油能力，降低了膜层的耐磨性能；其三，去除疏松层还有可能破坏了致密层的表面性能；其四，去除疏松层时产生的粉尘还会产生粉尘污染。因此，疏松层的存在严重的阻碍了微弧氧化技术的实际应用的工程化进程。
而本项发明的两层结构膜层(见图2)，只有过渡层1-2和致密层(或硬质层)1-3的两层，不仅解决了常规三层结构微弧氧化膜层在实际应用中由疏松层所带来的技术难题。同时还能有效地控制和提高膜层的表面质量，可以根据实际应用的需要控制加工工艺，加工出理想的粗糙度表面。
本发明所述的两层结构微弧氧化膜层的生成机理同现在的三层结构微弧氧化膜层的生长机理相同，将被处理试件置于配好的工作液中，工件做阳极，不锈钢槽体做阴极，利用正负双极性微弧氧化电源所提供的电能，在复杂的电化学、物理、化学的共同作用下，使工件表面生成一层均匀的硬质陶瓷膜层。不同之处在于采用严格的工艺配方和加工工艺，使工件表面在开始钝化之后就开始向硬质膜层转化，同时还必须抑制疏松层的过快生长，使疏松层的生长速率与疏松层向硬质层的转化速率相一致，从而保证了加工完毕时所生成的膜层最外层没有疏松层结构。本项发明的两层结构膜层在生长过程如果工艺或/和配方不严格可能会在致密层的表面产生1～10μm的吸附物，这层吸附物质为工作液的组成物质，这些物质一般不影响膜层的使用性能，而且用刷子就能很容易地去除。
图1为常规三层结构的微弧氧化膜层的结构示意图；图2为本发明的两层结构的微弧氧化膜层的结构示意图，其中1-1为铝合金工件，1-2为底层过渡层，1-3为中间致密层或硬质层，1-4为表层疏松层。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式中的铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜由致密层1-2和过渡层1-3组成，其中过渡层1-2占总膜层厚度的1/5～1/3。
本实施方式中，微弧氧化膜层总厚度为30～300μm；过渡层1-2的厚度优选为10～50μm。
如果工艺控制不严格，会在致密层表面有1～10μm的吸附物质，该吸附物质层不同于常规的三层结构微弧氧化膜层的疏松层，在整个膜层厚度中占1/5～1/2，它的厚度一般会比整个膜层的厚度小一个数量级。
具体实施方式
二本实施方式中铝合金工件依次经过如下工艺处理过程清洗→微弧氧化处理→清洗→封孔→烘干→检测。其中，微弧氧化处理过程按照如下工艺步骤进行将铝合金工件置于含有工作液的不锈钢槽体中，以工件做阳极，不锈钢槽体做阴极，采用正负双极性脉冲电源提供电能，控制正向电压为500～700V，负向电压为40～180V，电流密度为0.2～15A/dm2，处理时间为30～150min，处理温度不高于35℃。
本实施方式中，所述工作液的pH为5～12。所述工作液中含有无机盐和/或有机盐，和氧化锰、氧化镁、氧化铁、氧化硒、氢氧化物中的一种或几种的混合物。其中无机盐为磷酸盐、碳酸盐、铝酸盐、钨酸盐、硼酸盐、硅酸盐、钴酸盐、高锰酸盐、钼酸盐、钒酸盐中的一种或几种的混合物；有机盐为草酸盐、醋酸盐、苹果酸盐中的一种或几种的混合物。
本实施方式中所述正负双极性脉冲电源采用的是CN1604443中公开的“具有放电间隙吸收电路的高频大功率微弧氧化脉冲电源”。
具体实施方式
三试件材料LY12，尺寸Φ30×5mm圆片，工作液配比为0.5g/L硅酸钠、5g/L硼酸钠、5g/L铝酸钠、1.25g/L氢氧化钾和0.5g/L二氧化锰，最终正向电压设置为550V，负向电压设置为50V，电流密度设置为8A/dm2，温度控制在30℃以内，加工60min停止，试件表面生成膜层厚为65～71μm，其中致密层47～53μm，其余为过渡层，如果工艺控制不严格，会在致密层表面有1～5μm的吸附物质，表面粗糙度Ra＝0.8～3.0。
具体实施方式
四试件材料LF3，尺寸50×50mm片，工作液配比为5g/L碳酸铵、2g/L铝酸钠、1.8g/L氢氧化钠、3g/L氧化镁粉和2.3g/L氧化硒粉，最终正向电压设置为525V，负向电压设置为85V，电流密度设置为8.5A/dm2，温度控制在25℃以内，加工75min停止，试件表面生成膜层厚为68～75μm，其中致密层48～52μm，其余为过渡层，如果工艺控制不严格，会在致密层表面有2～7μm的吸附物质，表面粗糙度Ra＝0.8～4.0。
具体实施方式
五试件材料LD10，尺寸Φ100×5mm圆片，工作液配比为0.8g/L碳酸氨、4.0g/L硅酸钠、2.5g/L乙酸氨、2.3g/L铝酸钠、0.9g/L氢氧化钾、1.2g/L苹果酸镁和0.5g/L钼酸锌，最终正向电压设置为560V，负向电压设置为105V，电流密度设置为8A/dm2，温度控制在10℃以内，加工150min停止，试件表面生成膜层厚90～95μm，其中致密层65～68μm，其余为过渡层，如果工艺控制不严格，会在致密层表面有4～10μm的吸附物质，表面粗糙度Ra＝0.8～5.0。
具体实施方式
六试件材料LC4，尺寸120×120mm片，工作液配比为1.4g/L磷酸钠、1.5g/L硅酸钠、2.8g/L铝酸钠、0.9g/L钴酸钠、0.35g/L钼酸钾、1.4g/L氢氧化钾和0.2g/L高锰酸钾，最终正向电压设置为580V，负向电压设置为95V，电流密度设置为5A/dm2，温度控制在28℃以内，加工100min停止，试件表面生成膜层厚80～85μm，其中致密层63～69μm，其余为过渡层，如果工艺控制不严格，会在致密层表面有3～10μm的吸附物质，表面粗糙度Ra＝1.4～5.0。
具体实施方式
七试件材料ZL101，尺寸150×150mm片，工作液配比为4.5g/L硅酸钠、1.5g/L硼酸铵、3.5g/L铝酸钠、2.0g/L氢氧化钾、1.4g/L氧化铁、0.2g/L醋酸铜、1.2g/L钒酸钠和1.25g/L二氧化钛，正向电压设置为680V，负向电压设置为180V，电流密度设置为15A/dm2，温度控制在35℃以内，加工150min停止，试件表面生成膜层厚度110～115μm，其中致密层76～81μm，其余为过渡层，如果工艺控制不严格，会在致密层表面有6～10μm的吸附物质，表面粗糙度为Ra＝2.0～6.0。
具体实施方式
八试件材料L3，尺寸50×35mm片，工作液配比为0.5g/L钨酸钠、2.8g/L铝酸钠、1.7g/L硼酸铵、2.0g/L氧化铁、1.6g/L氢氧化钠、0.5g/L高锰酸钾、1.5ml/L双氧水、0.3g/L草酸铜。正向电压设置为700V，负向电压设置为105V，电流密度设置为7A/dm2，温度控制在10℃之间，加工100min停止，试件表面生成膜层厚度90～93μm，其中致密层78～81μm，其余为过渡层，如果工艺控制不严格，会在致密层表面有1～3μm的吸附物质，表面粗糙度为Ra＝1.0～3.0。
上述方案仅作为本发明的实施案例给出，并不以任何方式限制本发明，本领域的技术人员根据上述内容对本发明进行的各种改变或改进，只要采用微弧氧化技术(又称等离子体氧化、阳极火花沉积、火花放电阳极沉积和表面陶瓷化等)在铝合金表面生成两层结构的微弧氧化硬质膜层，或在两层结构的致密层表面有10μm以内的吸附物的微弧氧化硬质膜层，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜，其特征在于所述微弧氧化膜层由过渡层(1-2)和致密层(1-3)组成，其中过渡层(1-2)占总膜层厚度的1/5～1/3。
2.根据权利要求1所述的铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜，其特征在于所述微弧氧化膜层总厚度为30～300μm。
3.根据权利要求1所述的铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜，其特征在于所述过渡层(1-2)的厚度为10～50μm。
4.一种权利要求1所述铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜的处理方法，其特征在于所述方法为将铝合金工件置于含有工作液的不锈钢槽体中，以工件做阳极，不锈钢槽体做阴极，采用正负双极性脉冲电源提供电能，控制正向电压为500～700V，负向电压为40～180V，电流密度为0.2～15A/dm2，处理时间为30～150min，处理温度不高于35℃。
5.根据权利要求4所述的铝合金表面无疏松层微弧氧化处理方法，其特征在于所述工作液的pH为5～12。
6.根据权利要求4或5所述的铝合金表面无疏松层微弧氧化处理方法，其特征在于所述工作液中含有无机盐和/或有机盐，和氧化锰、氧化镁、氧化铁、氧化硒、氢氧化物中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求6所述的铝合金表面无疏松层微弧氧化处理方法，其特征在于所述无机盐为磷酸盐、碳酸盐、铝酸盐、钨酸盐、硼酸盐、硅酸盐、钴酸盐、高锰酸盐、钼酸盐、钒酸盐中的一种或几种的混合物。
8.根据权利要求6所述的铝合金表面无疏松层微弧氧化处理方法，其特征在于所述有机盐为草酸盐、醋酸盐、苹果酸盐中的一种或几种的混合物。
全文摘要
铝合金表面无疏松层微弧氧化陶瓷膜及其制备方法，涉及一种铝合金表面的微弧氧化陶瓷膜层及其制备工艺。本发明的目的在于对铝合金表面微弧氧化处理提出一种只有常规过渡层(1－2)和致密层(1－3)的新两层结构膜层，其中过渡层 (1－2)占总膜层厚度的1/5～1/3。其处理方法为将铝合金工件置于含有工作液的不锈钢槽体中，采用正负双极性脉冲电源提供电能，控制正向电压为500～700V，负向电压为40～180V，电流密度为0.2～15A/dm
文档编号C25D11/04GK1844482SQ200610009889
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月3日 优先权日2006年4月3日
发明者狄士春, 潘明强 申请人:狄士春