专利名称：：一种轻金属材料的表面处理方法
技术领域：
：本发明涉及一种轻金属材料的表面处理方法。技术背景目前，轻金属材料，例如铝及铝合金，镁、钛及其合金，以其重量轻、比强度高、辗性、延展性好、易于加工的特点广泛用于航天、航空、汽车、建筑以及电子行业。但美中不足的是轻金属的表面质软、不耐磨损、不耐高温，并且尤其是铝的腐蚀电位较低，全面腐蚀比较严重。为了克服轻金属表面性能方面的缺陷，扩大应用范围，延长使用寿命，因此需要对轻金属材料进行表面处理，用以解决或提高防护性、装饰性和功能。目前，对于轻金属材料表面的处理主要是电镀、阳极氧化等。由于轻金属材料，尤其是铝及其合金本身的物理化学特性，使得在轻金属基材上的电镀比在钢铁基材上的电镀要困难得多，而必须进行一些特殊的处理，因此，工艺非常复杂。对轻金属材料阳极氧化是将轻金属，例如铝或铝合金材料置于适当的电解液中作为阳极进行通电处理的过程。经过阳极氧化，铝表面能生成厚度为几微米至几百微米的氧化膜。此氧化膜为多孔层，吸附性很强，易于染色或着色，着色鲜艳且不易退去，有很强的装饰作用。而且，此氧化膜的表面为多孔蜂窝状，较之铝合金的天然氧化膜，耐蚀性、耐磨性均有提高。但在需要高硬度、高耐磨性的表面，例如阀芯、阀套、油缸、气缸，需要减磨的表面，例如汽车、电动工具、机械，需要耐腐蚀性较高的表面，例如化工、船舶设备的防腐层，需要电绝缘性较高的表面，需要热稳定性、绝热、隔热的表层，例如发动机的耐热、隔热部件，对轻金属材料阳极氧化就远远不能满足要求。
发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术所处理的轻金属表面硬度、耐刮性、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性较低的缺陷，提供一种既可以使轻金属表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性较高，而且可以使轻金属表面易于着色、并具有美观图案的轻金属材料的表面处理方法。本发明提供了一种轻金属材料的表面处理方法，其中，该表面处理方法包括对轻金属材料表面形成微弧氧化膜，并依次对形成有微弧氧化膜的轻金属材料的表面进行激光雕刻和阳极氧化。微弧氧化技术是一种新兴的表面处理技术，能在各种金属表面上形成--层微弧氧化膜，该膜层具有很好的耐磨性以及耐腐蚀性，因此用于耐腐蚀性差、耐磨性差的材料的表面处理。根据本发明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，可以使轻金属材料获得具有优异的表面硬度、耐刮性、耐磨性、耐腐蚀性以及电绝缘性的微弧氧化膜，但采用该方法着色较差，也无法实现美观的图案。而通过本发明中的激光雕刻方法可以获得美观的图案，而且再进行阳极氧化可以使轻金属表面易于着色，并且可以染上色泽鲜艳且色彩多样化的颜色。通过本发明提供的方法，对轻金属材料表面先进行微弧氧化处理、然后进行激光雕刻、再进行阳极氧化处理，可以使得到的轻金属材料表面既具有硬度、耐磨性、耐刮性、耐腐蚀性、电绝缘性均较高的优点，而且染色后的轻金属表面外观装饰性很强，色彩鲜艳并且多样化，图案具有一定的立体感，从而大大提升了其附加价值。具体实施例方式本发明提供的一种轻金属材料的表面处理方法，包括对轻金属材料表面形成微弧氧化膜，并依次对形成有微弧氧化膜的轻金属材料的表面进行激光雕刻和阳极氧化。根据本发明提供的处理方法，本发明所述对轻金属材料表面形成微弧氧化膜是通过微弧氧化的方法形成。所述微弧氧化膜的形成方法包括将轻金属材料置于盛有电解质溶液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，电解槽作为阴极，在高压下微弧放电氧化，微弧氧化的条件使轻金属材料表面形成的微弧氧化膜的厚度为5-300微米。根据本发明提供的处理方法，微弧氧化的条件包括电流密度为0.5-10安/分米2，电压为从0伏至700-800伏，电解质溶液的温度为10-50°C，微弧氧化的时间为5-50分钟。根据本发明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，所用电解质溶液为含有碱金属化合物的水溶液，所述碱金属化合物选自碱金属氢氧化物、碱金属的硅酸盐、碱金属的磷酸盐、碱金属的硼酸盐、碱金属的铝酸盐、碱金属的氟化物中的一种或几种，以所述电解质溶液为基准，碱金属化合物的含量为5-100克/升。根据本发明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，所述电解质溶液还优选含有有机添加剂和/或无机盐添加剂，所述无机盐添加剂选自与所述碱金属化合物不形成沉淀的Fe、Cu、V、Ni、W、Mo、Sn和Co的无机盐以及硫化物中的一种或几种，有机添加剂为丙三醇和/或乙二胺，所述有机添加剂的含量为0.1-30毫升/升，所述无机盐添加剂的含量为0.1-20克/升。添加所述有机添加剂和/或无机盐添加剂可以提高微弧氧化膜的致密性、均匀性、耐污性和耐刮性。根据本发明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，可以使轻金属材料获得具有优异的表面硬度、耐刮性、耐磨性、耐腐蚀性以及电绝缘性的微弧氧化膜，但采用该方法着色较差，也无法实现美观的图案。而通过本发明中的激光雕刻方法可以获得美观的图案，而且再进行阳极氧化可以使轻金属表面易于着色，并且可以染上色泽鲜艳且色彩多样化的颜色。根据本发明提供的方法，所述激光雕刻方法为本领域技术人员公知。所述激光雕刻的条件使形成有微弧氧化膜的轻金属材料的表面形成清晰的图案。所述激光雕刻的条件包括雕刻设备的电流为2-20安，频率为2000-50000赫兹，波长为5-1000纳米，中间延迟为2-30毫秒。激光雕刻所使用的设备可以是本领域技术人员己知的各种激光雕刻机，例如HSLE-SP、HSLE-XP系列的激光雕刻机、激光标刻机。根据本发明提供的方法，所述阳极氧化方法为本领域技术人员所公知。所述阳极氧化包括硫酸阳极氧化、草酸和铬酸阳极氧化或硬质阳极氧化。其中，硫酸阳极氧化方法中，电解液的成分简单，操作维护简便，一般只需将硫酸稀释到一定的浓度即可，无需添加其它化学药品，所以成本很低；硫酸阳极氧化膜是透明的，多孔层吸附性强，易于染色和着色，着色鲜艳且不易退去，有很强的装饰作用，因此阳极氧化方法优选采用硫酸阳极氧化。根据本发明优选的实施方式，该硫酸阳极氧化的方法包括将进行激光雕刻后的轻金属材料置于盛有硫酸溶液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，电解槽作为阴极，进行氧化，硫酸溶液的浓度为140-220克/升，电压为10-12伏，温度为18-22。C，时间为20-60分钟。根据本发明提供的方法，所述表面处理方法还包括将阳极氧化后的轻金属材料与染料溶液接触，在轻金属材料的表面着色，所述着色的方法为本领域技术人员所公知。在优选情况下，轻金属材料与染料溶液接触的温度为40-80°C，时间为0.5-10分钟，染料溶液的浓度为0.5-10克/升，pH值为5.0-7.0，染料溶液的用量为0.1-20克/米2基材。根据本发明提供的方法，所述染料可以采用任何已知的无机染料或有机染料，有机染料例如酸性染料、酸性络合染料、酸性媒介染料、直接染料、弱酸性染料、分散染料、可溶性还原染料、活性染料、碱性染料、醇溶染料和油溶染料中的一种或几种；无机染料例如高锰酸钾溶液或铁盐溶液。本发明提供的方法适用于各种轻金属材料，例如可以是铝、镁、钛、铝合金、镁合金以及钛合金等。按照本发明的一种优选实施方式，本发明提供的轻金属材料的制备方法依次包括①对轻金属基材进行打磨、抛光、脱脂、碱洗；②微弧氧化处理;③激光雕刻；④脱脂、化抛、碱咬、化抛；⑤硫酸阳极氧化；⑥着色；⑦封孔、烘干。下面的实施例将对本发明作进一步的说明。实施例1本实施例说明本发明提供的轻金属材料的表面处理方法。(1)将铝合金基材进行打磨、抛光、脱脂、碱洗。采用人工打磨的方法对铝合金基材进行打磨，去掉铝合金基材多余料头和毛刺，再用砂纸进行抛光，直到用1200目的砂纸打磨平滑即可，然后用丙酮作为脱脂溶剂对经过打磨、抛光后的铝合金基材进行清洗，反复2次。脱脂完毕后采用氢氧化钠含量为30克/升、磷酸钠含量为40克/升、硅酸钠为20克/升的碱性溶液对铝合金基材进行清洗。清洗的温度为85。C，清洗的时间为10分钟。然后水洗5分钟。(2)微弧氧化处理将经过以上处理的铝合金工件浸入含有三聚磷酸钠10克/升、磷酸钠20克/升、硅酸钠10克/升、偏钒酸钠10克/升、硫酸钴10克/升、丙三醇1毫升/升的电解质溶液中，以铝合金工件为阳极，采用电流密度2安/分米2，在温度4(TC，将电压从0伏升至700伏进行微弧氧化处理，其间用空气搅拌对电解质溶液进行搅拌，处理时间为12分钟。之后用纯水清洗干净并用风枪吹干，得到黑色微弧氧化膜层的铝合金工件。微弧氧化膜的厚度(用德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix的涂镀层测厚仪测量)为20微米。(3)激光雕刻将上述微弧氧化处理过的铝合金工件用激光雕刻机(型号为HSLE-SP)，在电流为5安，频率为5000赫兹，波长为50纳米，中间延迟为5毫秒条件下激光雕刻图案。(4)脱脂、化抛、碱咬、化抛将激光雕刻好的铝合金工件依次进行脱脂(R100:45克/升；70°C;5分钟)、化抛(磷酸85-95重量％，余量为硝酸；常温；0.2分钟)、碱咬(浓度为10重量Q/。的NaOH;常温；0.1-2分钟)处理，每道工序完成后都需要用纯水清洗干净。(5)硫酸阳极氧化将经过上述处理后的铝合金工件浸入盛有浓度为180克/升硫酸水溶液的电解槽中，将该铝合金工件作为阳极，在电压为12伏、温度为22"C的条件下阳极氧化50分钟，完成阳极氧化后取出并清洗干净。(6)着色将阳极氧化后的铝合金工件浸入已配制好的绿色酸性染料水溶液(日本奥野)中染色10分钟，该酸性染料溶液的浓度为5克/升，PH值为5.6，该酸性染料溶液的用量为8克/米2基材，着色的温度为50°C，完成后取出并清洗干净。(7)封孔、烘干将着色后的铝合金工件浸入镍离子5克/升的封孔液中封闭10分钟，温度为85°C，完成封孔后用90。C的纯水清洗干净，并在60。C条件下烘烤15分钟。经过对铝合金工件进行上述处理，所得到的铝合金工件用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得所形成膜的厚度为20微米，基底为黑色，图案为绿色。实施例2本实施例说明本发明提供的轻金属材料的表面处理方法。(1)将铝合金基材进行打磨、抛光、脱脂、碱洗。采用人工打磨的方法对铝合金基材进行打磨，去掉铝合金基材多余料头和毛刺，再用砂纸进行抛光，直到用1200目的砂纸打磨平滑即可，然后用丙酮作为脱脂溶剂对经过打磨、抛光后的铝合金基材进行清洗，反复2次。脱脂完毕后釆用氢氧化钠含量为30克/升、磷酸钠含量为40克/升、硅酸钠为20克/升的碱性溶液对铝合金基材进行清洗。清洗的温度为85"C，清洗的时间为10分钟。然后水洗5分钟。(2)微弧氧化处理将上述处理好的铝合金工件浸入含六偏磷酸钠20克/升、氢氧化钠5克/升、硅酸钠5克/升、乙二胺25毫升/升的电解液中，将该铝合金工件作为阳极。采用电流密度1.5安/分米2，在温度35"C，将电压从0伏升至800伏进行微弧氧化处理，其间用空气搅拌对电解液进行搅拌，处理时间为10分钟。处理结束后，用纯水清洗干净并用风枪吹干，得到形成有白色微弧氧化膜的铝合金工件。微弧氧化膜的厚度(用德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix的涂镀层测厚仪测量)为10微米。(3)激光雕刻将上述经过微弧氧化处理的铝合金工件用激光雕刻机(型号为HSLE-SP)，在电流为5安，频率为10000赫兹，波长为100纳米，中间延迟为2毫秒的条件下激光雕刻出图案。(4)脱脂、化抛、碱咬、化抛将激光雕刻好的铝合金工件依次进行脱脂(脱脂剂R100:45克/升；70。C;IO分钟)、化抛(磷酸85-95重量％，余量为硝酸；常温；2分钟)、碱咬(浓度为10重量c/。的NaOH;常温；2分钟)处理，每道工序后都需要用纯水清洗干净。(5)硫酸阳极氧化将经过上述处理后的铝合金工件浸入盛有浓度为180克/升的硫酸水溶液的电解槽中，将该铝合金工件作为阳极，在电压为12伏、温度为2(TC的条件下，阳极氧化35分钟，完成后取出并用纯水清洗干净。(6)着色将阳极氧化后的铝合金工件浸入红色酸性染料水溶液(重光)中染色8分钟，将工件染成浅红色，用于着色的酸性染料溶液的浓度为1克/升，PH值为5.0，酸性染料溶液的用量为12克/米2基材，着色的温度为8(TC，完成着色后取出并用纯水清洗干净。(7)封孔、烘干将着色后的铝合金工件浸入含镍离子5克/升的封孔液中封闭10分钟，温度为85。C，完成封孔后用卯。C的纯水清洗干净，并在60。C条件下烘烤15分钟。经过对铝合金工件进行上述处理，所得到的铝合金工件用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得所形成膜的厚度为20微米，基底为白色，图案为红色。用涂镀层测厚仪(德国PHYNIX公司，Pocket-Surfix)测得经过上述处理方法所得到的膜厚度为IO微米，基底为白色，图案为浅红色。性能测试(1)中性盐雾测试将铝合金材料样品置于盐雾箱内，在35。C下用5±0.5重量％的氯化钠盐水喷涂样品8小时后，取出进行观测，并记录样品表面的腐蚀面积占镀层总面积的百分含量(镀层总面积按金属镀层计算)。(2)RCA纸带耐磨测试使用型号为F350008的RCA纸带耐磨仪，在175克力下磨擦铝合金材料表面涂层，铝合金材料表面涂层磨至露底时，记录橡胶轮转动的圈数；(3)铅笔硬度测试(ASTMD3363-74)仪器铅笔硬度计F130027检验方法ASTMD3363，负荷750克，铅笔三菱UNI(4)耐刮性用划痕仪进行耐刮测试，测头为直径0.75毫米的金刚石，测试角度为90°，分别施加1N、2N、3N……的力于被测样品表面，若施加3N(含)以下的力样品表面无划痕，则被测样品耐刮性能合格，否则为不合格。(5)电绝缘性用万用表对样品表面的两点测试电阻。将实施例1和实施例2所处理得到的铝合金材料分别进行中性盐雾测试、RCA纸带耐磨测试、铅笔硬度测试、耐刮性测试和电绝缘性测试，测试结果列于表l。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1.一种轻金属材料的表面处理方法，其特征在于，该表面处理方法包括对轻金属材料表面形成微弧氧化膜，并依次对形成有微弧氧化膜的轻金属材料的表面进行激光雕刻和阳极氧化。2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述微弧氧化膜的形成方法包括将轻金属材料置于盛有电解质溶液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，电解槽作为阴极，将轻金属材料氧化，微弧氧化的条件使轻金属材料表面形成的微弧氧化膜的厚度为5-300微米。3、根据权利要求2所述的方法，其中，微弧氧化的条件包括电流密度为0.5-10安/分米2，电压为从0伏至700-800伏，电解质溶液的温度为10-50°C，微弧氧化的时间为5-50分钟。4、根据权利要求2所述的方法，其中，所用电解质溶液为含有碱金属化合物的水溶液，所述碱金属化合物选自碱金属氢氧化物、碱金属的硅酸盐、碱金属的磷酸盐、碱金属的硼酸盐、碱金属的铝酸盐、碱金属的氟化物中的一种或几种，以所述电解质溶液为基准，碱金属化合物的含量为1-100克/升。5、根据权利要求2所述的方法，其中，所用电解质溶液还含有有机添加剂和/或无机盐添加剂，所述无机盐添加剂选自与所述碱金属化合物不形成沉淀的Fe、Cu、V、Ni、W、Mo、Sn禾BCo的无机盐以及硫化物中的一种或几种，有机添加剂为丙三醇和/或乙二胺，所述有机添加剂的含量为0.1-30毫升/升，所述无机盐添加剂的含量为0.1-20克/升。6、根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光雕刻的条件使形成有微弧氧化膜的轻金属材料的表面形成清晰的图案。7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述激光雕刻的条件包括雕刻设备的电流为2-20安，频率为2000-50000赫兹，波长为5-1000纳米，雕刻时的中间延迟为2-30毫秒。8、根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳极氧化为硫酸阳极氧化，该硫酸阳极氧化的方法包括将进行激光雕刻后的轻金属材料置于盛有硫酸溶液的电解槽中，以轻金属材料为阳极，电解槽作为阴极，进行氧化，硫酸溶液的浓度为140-220克/升，电压为10-12伏，温度为18-22°C，时间为20-60分钟。9、根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面处理方法还包括将阳极氧化后的轻金属材料与染料溶液接触，在轻金属材料的表面着色，接触的温度为40-8(TC，时间为0.5-10分钟，染料溶液的浓度为0.5-10克/升，pH值为5.0-7.0，染料溶液的用量为0.1-20克/米2基材。10、根据权利要求9所述的方法，其中，所述染料为酸性染料、酸性络合染料、酸性媒介染料、直接染料、弱酸性染料、分散染料、可溶性还原染料、活性染料、碱性染料、醇溶染料和油溶染料中的一种或几种。11、根据权利要求1所述的方法，其中，所述轻金属为镁、铝、钛、镁合金、铝合金或钛合金。全文摘要一种轻金属材料的表面处理方法，其中，该表面处理方法包括对轻金属材料表面形成微弧氧化膜，并依次对形成有微弧氧化膜的轻金属材料的表面进行激光雕刻和阳极氧化。通过本发明提供的方法得到的轻金属材料具有硬度、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性均很高优点，并且外观装饰性很强，色彩鲜艳并且多样化，图案具有一定的立体感，从而大大提升了其附加价值。文档编号C25D11/04GK101210336SQ200610167400公开日2008年7月2日申请日期2006年12月31日优先权日2006年12月31日发明者清宫,军林,梁陈申请人:比亚迪股份有限公司