铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法
【专利摘要】铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法，它涉及铝合金表面陶瓷膜层及其制备方法。本发明的目的是要解决现有易洁陶瓷的制备过程时间长、能耗高，而且只能应用在少数经烧制而成的一些产品上，限制其应用的问题。本发明铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层是铝合金通过微弧氧化制备而成。方法：以铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金工件阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电，进行微弧氧化处理，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。本发明用于铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层及其制备。
【专利说明】铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铝合金表面陶瓷膜层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 陶瓷制品以其坚固耐用、质地精美而被广泛地应用于我们的生活。清洗陶瓷的污 垢很自然地就成了必不可少的环节。常见的油污主要是以棕榈酸和油酸为主的皮质，还有 植物油、动物油及诸如柴油、润滑油等为主的矿物油。洗涤的实质就是洗涤剂将油膜从待清 洁物表面置换掉的过程。除去洗涤陶瓷表面的油污过程费时费力以外，洗涤剂的使用也会 造成健康和环境的不良影响。随着健康意识的不断增强，人们对无需洗涤剂就可清洁具有 抗油污、自清洁的易洁陶瓷制品青睐有加。易洁陶瓷是指，在正常使用过程中，依靠其表面 特殊的物理化学性质，使得污染物自发脱落、不易粘附，而无需使用洗涤剂等外力的作用保 持自身表面清洁的陶瓷。陶瓷表面能是影响陶瓷表面易洁性的最重要因素。随着陶瓷表面 能的提高，陶瓷表面上的油滴在水中的接触角变大，即油滴的粘附功变小，此时油滴变现为 更容易脱离陶瓷的表面，即是说陶瓷的易洁性能变好。相关研究表明，具有良好易洁性的陶 瓷的表面能一般大于72. 8mJ/m2,并且其极性分子量大于58. OmJ/m2,满足这样条件的陶瓷， 水可以在油/陶瓷界面自由扩展，进而使得油/陶瓷界面慢慢消失，油滴则因失去粘附而脱 离陶瓷表面浮起，陶瓷就实现了自清洁。现在通用的表征陶瓷易洁性的是陶瓷表面单位面 积油污残余量，当满足单位面积油污残余量A < 0. 05 X l(T4g · cm2时，就表明陶瓷的易洁性 良好。
[0003] 调节陶瓷釉层内碱金属的含量，适当提高表面的粗糙度都会提高陶瓷表面能，从 而提高陶瓷表面的易洁性。现有的易洁陶瓷制造工艺包括：配料、球磨、熔制、水淬、、拣选、 干磨、过筛、球磨、陈腐、施釉、干燥和烧成，共计12道工序。其中，烧成温度在1150°C? 1300°C之间，烧成时间在8小时左右。由此可见，该方法工艺复杂，能耗高，生产时间长。值 得指出处的是，由于需要高温烧结釉层，该方法只能应用在能够涂釉层且耐高温的陶瓷表 面，金属及其合金由于熔点低、热膨胀系数大而不能采用该技术实现其表面自洁功能，这使 得陶瓷表面易洁技术的进一步应用受到限制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是要解决现有易洁陶瓷的制备过程时间长、能耗高，而且只能应用 在少数经烧制而成的一些产品上，限制其应用的问题，而提供铝合金表面易洁性微弧氧化 陶瓷膜层及其制备方法。
[0005] 铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层是铝合金通过微弧氧化制备而成表面能大 于73. lmj/m2,极性分子量大于60. OmJ/m2,单位面积油污残余量A彡0. 05 X 10_4g · cm2的铝 合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
[0006] 铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行的：
[0007] 以铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金工件阳极浸没于工 作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电，并在正向电压为350V?650V、反向 电压为20V?120V，电流密度为0. 5A/dm2?20A/dm2,频率为200Hz?2000Hz，占空比为 10%?40%及温度低于801：的条件下，处理31^11?601^11，即得到铝合金表面易洁性微弧 氧化陶瓷膜层。
[0008] 本发明的有益效果是：1、本发明制备的易洁性微弧氧化陶瓷膜层表面能大于 72. 8mJ/m2,极性分子量大于58. OmJ/m2,其单位面积油污残余量A < 0. 05X l(T4g μπι2,膜层 厚度为?ο μ m?80 μ m，具有良好的抗油污、自清洁能力。
[0009] 2、本发明采用的微弧氧化处理工艺简单，工件无需前处理，只需微弧氧化放电、清 洗和干燥3道工序。微弧放电处理时间一般在3min?60min。由于微弧氧化处理时间短， 并且放电只发生在工件表面，工件基体的温度在微弧氧化处理前后变化不大，微弧氧化的 能源利用率较现有的易洁陶瓷制造工艺高。值得指出的是微弧氧化技术使用碱性工作液， 并且可以根据膜层功能的需要添加悬浊颗粒，这使得利用微弧氧化技术能够在铝镁钛等金 属及其合金表面原位生成一层具有易洁特性的陶瓷膜层。
[0010] 本发明用于铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层及其制备。
【具体实施方式】
[0011] 本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之 间的任意组合。
【具体实施方式】 [0012] 一：本实施方式铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层是铝合金通过 微弧氧化制备而成表面能大于73. lmj/m2,极性分子量大于60. OmJ/m2,单位面积油污残余 量A < 0. 05 X 10_4g · cm2的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
[0013] 本实施方式优点：本实施方式制备的易洁性微弧氧化陶瓷膜层表面能大于 72. 8mJ/m2,极性分子量大于58. OmJ/m2,其单位面积油污残余量A < 0. 05X l(T4g μπι2,膜层 厚度为10?80 μ m，具有良好的抗油污、自清洁能力。
【具体实施方式】 [0014] 二：本实施方式与一不同的是：所述的错合金表面易 洁性微弧氧化陶瓷膜层厚度为10 μ m?80 μ m。其它与一相同。
【具体实施方式】 [0015] 三：本实施方式铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是 按照以下步骤进行的：
[0016] 以铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金工件阳极浸没于工 作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为350V?650V、反向 电压为20V?120V，电流密度为0. 5A/dm2?20A/dm2,频率为200Hz?2000Hz，占空比为 10%?40%及温度低于801：的条件下，处理31^11?601^11，即得到铝合金表面易洁性微弧 氧化陶瓷膜层。
[0017] 本实施方式中，所用微弧氧化电源为双极性脉冲式微弧氧化电源。脉宽、脉间可 调，正反向目标电压电流可以设定。
[0018] 微弧氧化技术（又称等离子体电解氧化、等离子体增强电解沉积、火花放电阳极 沉积等）是通过微弧放电在铝镁钛等阀金属及其合金表面原位生成一层陶瓷膜的表面处 理新技术。微弧氧化处理时，金属工件接微弧氧化电源的阳极，浸没于碱性的工作液中，工 作液装在不锈钢电解槽里面，电解槽接微弧氧化电源的阴极，并且保证金属工件与电解槽 不直接接触。接通电源后，当阴阳两极间的电压超过法拉第放电区时，就会在金属表面产生 微弧等离子体放电，放电使工件表面的金属、工作液中的离子以及悬浊颗粒发生等离子体 化学反应，最终在工件表面原位生成一层陶瓷膜。微弧氧化陶瓷膜具有耐腐蚀、耐磨、绝缘 电阻高、与基体之间的结合强度高、膜层厚度和粗糙度可控等诸多优点。
[0019] 本实施方式优点：本实施方式采用的微弧氧化处理工艺简单，工件无需前处理，只 需微弧氧化放电、清洗和干燥3道工序。微弧放电处理时间一般在3min?60min。由于微 弧氧化处理时间短，并且放电只发生在工件表面，工件基体的温度在微弧氧化处理前后变 化不大，微弧氧化的能源利用率较现有的易洁陶瓷制造工艺高。值得指出的是微弧氧化技 术使用碱性工作液，并且可以根据膜层功能的需要添加悬浊颗粒，这使得利用微弧氧化技 术能够在铝镁钛等金属及其合金表面原位生成一层具有易洁特性的陶瓷膜层。
【具体实施方式】 [0020] 四：本实施方式与三不同的是：所述的工作液的pH值 为8?14。其它与三相同。
【具体实施方式】 [0021] 五：本实施方式与三或四之一不同的是：所述的工作 液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几 种混合物及水和无机盐组成。其它与三或四相同。
【具体实施方式】 [0022] 六：本实施方式与三至五之一不同的是：所述的工作 液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几 种混合物及水和碱组成。其它与三至五相同。
【具体实施方式】 [0023] 七：本实施方式与三至六之一不同的是：所述的工作 液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几 种混合物及水和有机醇组成。其它与三至六相同。
【具体实施方式】 [0024] 八：本实施方式与三至七之一不同的是：所述的工作 液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几 种混合物及水、有机醇和无机盐组成。其它与三至七相同。
【具体实施方式】 [0025] 九：本实施方式与三至八之一不同的是：所述的工作 液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几 种混合物及水、有机醇和碱组成。其它与三至八相同。
【具体实施方式】 [0026] 十：本实施方式与三至九之一不同的是：所述的工作 液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几 种混合物及水、碱和无机盐组成。其它与三至九相同
【具体实施方式】 [0027] 十一：本实施方式与三至十之一不同的是：所述的工 作液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者 几种混合物及水、有机醇、碱和无机盐组成。其它与三至十相同。
【具体实施方式】 [0028] 十二：本实施方式与三至i^一之一不同的是：所述的 水为去离子水。其它与三至十一相同
【具体实施方式】 [0029] 十三：本实施方式与三至十二之一不同的是：所述的 无机盐为硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、钛酸盐、高铁酸盐、钨酸盐、钥酸盐、氟酸盐和铝酸盐中的 一种或者几种的混合物。其它与三至十二相同。
[0030]
【具体实施方式】十四：本实施方式与【具体实施方式】三至十三之一不同的是：所述的 有机醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、异丙醇和丁醇中的一种或者几种的混合物。其它与具 体实施方式三至十三相同。
【具体实施方式】 [0031] 十五：本实施方式与三至十四之一不同的是：所述的 碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化锂和氢氧化钡中的一种或者几种的混合物。其 它与三至十四相同。
[0032] 采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0033] 实施例一：铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行 的：
[0034] 以铝合金2024为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金2024阳极浸没于 工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为580V、反向电压为 63V，电流密度为1. 2A/dm2,频率为1500Hz，占空比为15%及温度低于80°C的条件下，处理 40min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
[0035] 所述的工作液由去离子水、氢氧化钠、硅酸钠、丙三醇、四硼酸钠和碳化硅微细粉 末混合而成；所述的工作液中氢氧化钠的浓度为0. 5g/L ;所述的工作液中硅酸钠的浓度 为0. 5g/L ;所述的工作液中丙三醇的浓度为30mL/L ;所述的工作液中四硼酸钠的浓度为 1. 75g/L ;所述的工作液中碳化硅微细粉末的浓度为1. 5g/L。
[0036] 所述的铝合金2024尺寸为35mmX 70mm。
[0037] 本实施例初始水温25 °C。
[0038] 本实施例制备的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层厚度为38μπι? 43 μ m，其表面能为74. 2mJ/m2,其极性分子量为66. 9mJ/m2,单位面积油污残余量Α为 0· 042X10、· cm2。
[0039] 实施例二：铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行 的：
[0040] 以铝合金3003为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金3003阳极浸没于 工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为520V、反向电压为 72V，电流密度为2. 5A/dm2,频率为1000Hz，占空比为12. 5%及温度低于80°C的条件下，处 理40min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
[0041 ] 所述的工作液由去离子水、氢氧化钠、硅酸钠、钨酸钠、钥酸钠、氧化铁微细粉末 混合而成；所述的工作液中氢氧化钠的浓度为1. 25g/L ;所述的工作液中硅酸钠的浓度为 2. 5g/L ;所述的工作液中钨酸钠的浓度为8g/L ;所述的工作液中钥酸钠的浓度为1. 75g/L ; 所述的工作液中氧化铁微细粉末的浓度为1. 5g/L。
[0042] 所述的铝合金3003尺寸为40mmX40mm。
[0043] 本实施例初始水温25 °C。
[0044] 本实施例制备的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层厚度为41 μπι? 45μπι，其表面能为73.3mJ/m2,其极性分量为67.9mJ/m2,单位面积油污残余量Α为 0· 037X10、· cm2。
[0045] 实施例三：铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行 的：
[0046] 以铝合金5054为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金5054阳极浸没于 工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为535V、反向电压为 92V，电流密度为2. 5A/dm2,频率为500Hz，占空比为25%及温度低于80°C的条件下，处理 40min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
[0047] 所述的工作液由去离子水、氢氧化钾、硅酸钠、四硼酸钠、四氧化三铁微细粉末、碳 化钛微细粉末混合而成；所述的工作液中氢氧化钾的浓度为1. 5g/L ;所述的工作液中硅酸 钠的浓度为3. 5g/L ;所述的工作液中四硼酸钠的浓度为3. 5g/L ;所述的工作液中四氧化三 铁微细粉末的浓度为1. 5g/L ;所述的工作液中碳化钛微细粉末的浓度为1. 5g/L。
[0048] 所述的错合金5054尺寸为50mmX 100mm。
[0049] 本实施例初始水温25 °C。
[0050] 本实施例制备的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层厚度为36 μ m?43 μ m，其 表面能为74. 7mJ/m2,其极性分量为68. 6mJ/m2,单位面积油污残余量A为0. 04X 10_4g μπι2。
[0051] 实施例四：铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行 的：
[0052] 以铝合金6063为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金6063阳极浸没于 工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为560V、反向电压为 83V，电流密度为3. 5A/dm2,频率为2000Hz，占空比为30%及温度低于80°C的条件下，处理 40min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
[0053] 所述的工作液由去离子水、氢氧化钠、硅酸钠、丙三醇、四硼酸钠、二氧化硅微细粉 末混合而成；所述的工作液中氢氧化钠的浓度为2. 5g/L ;所述的工作液中硅酸钠的浓度为 5g/L ;所述的工作液中丙三醇的浓度为15mL/L ;所述的工作液中四硼酸钠的浓度为10g/L ; 所述的工作液中二氧化硅微细粉末的浓度为1. 5g/L。
[0054] 所述的铝合金6063尺寸为Φ 35mm。
[0055] 本实施例初始水温25 °C。
[0056] 本实施例制备的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层层厚度为47μπι? 53μπι，其表面能为75.4mJ/m 2,其极性分量为88.9mJ/m2,单位面积油污残余量Α为 0· 045X10、· cm2。
[0057] 实施例五：铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行 的：
[0058] 以铝合金ADC12为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金ADC12阳极浸没于 工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为560V、反向电压为 73V，电流密度为3. 5A/dm2,频率为1200Hz，占空比为25%及温度低于80°C的条件下，处理 50min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
[0059] 所述的工作液由去离子水、氢氧化钠、硅酸钠、磷酸三钠、四硼酸钠、碳化硅微细粉 末混合而成；所述的工作液中氢氧化钠的浓度为2. 5g/L ;所述的工作液中硅酸钠的浓度为 3. 5g/L ;所述的工作液中磷酸三钠的浓度为5g/L ;所述的工作液中四硼酸钠的浓度为5g/ L ;所述的工作液中碳化硅微细粉末的浓度为1. 5g/L。
[0060] 所述的铝合金ADC12尺寸为50mmX 120mm。
[0061] 本实施例初始水温25 °C。
[0062] 本实施例制备的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层层厚度为35μπι?
【权利要求】
1. 铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层，其特征在于铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷 膜层是铝合金通过微弧氧化制备而成表面能大于73. lmj/m2,极性分子量大于60. OmJ/m2， 单位面积油污残余量A < 0. 05 Xl(T4g · cm2的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
2. 根据权利要求1所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层，其特征在于所述的铝 合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层厚度为10 μ m?80 μ m。
3. 如权利要求1所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于 铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行的： 以铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金工件阳极浸没于工作液 中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电，并在正向电压为350V?650V、反向电压为 20￥?12(^，电流密度为0.5六/(1111 2?2(^/(11112，频率为200泡?2000取，占空比为10%? 40%及温度低于80°C的条件下，处理3min?60min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶 瓷膜层。
4. 根据权利要求3所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在 于所述的工作液的pH值为8?14。
5. 根据权利要求3所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在 于所述的工作液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中 的一种或者几种混合物及水和无机盐组成；或所述的工作液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化 铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几种混合物及水和碱组成；或所述 的工作液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种 或者几种混合物及水和有机醇组成；或所述的工作液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四 氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几种混合物及水、有机醇和无机盐组成； 或所述的工作液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中 的一种或者几种混合物及水、有机醇和碱组成；或所述的工作液由三氧化二铝、二氧化硅、 氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或者几种混合物及水、碱和无机盐 组成；或所述的工作液由三氧化二铝、二氧化硅、氧化铁、四氧化三铁、碳化硅、碳化硼和碳 化钛中的一种或者几种混合物及水、有机醇、碱和无机盐组成。
6. 根据权利要求5所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在 于所述的水为去离子水。
7. 根据权利要求5所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在 于所述的无机盐为硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、钛酸盐、高铁酸盐、钨酸盐、钥酸盐、氟酸盐和铝 酸盐中的一种或者几种的混合物。
8. 根据权利要求5所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在 于所述的有机醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、异丙醇和丁醇中的一种或者几种的混合物。
9. 根据权利要求5所述的铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在 于所述的碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化锂和氢氧化钡中的一种或者几种的混 合物。
【文档编号】C25D11/06GK104087996SQ201410363363
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】吕鹏翔 申请人:吕鹏翔