本发明属于表面处理技术中的金属着色和显色领域，具体是一种铝合金表面微弧氧化着黑色膜层的方法。
背景技术：
近年来为了满足对材料使用和外观的要求，从而研究出了整体着色法、阳极氧化处理后的电解着色和化学染色法，虽然整体着色法可得到耐腐蚀性好、耐久性强的氧化膜层，但该技术的耗能大、着色效果差，而化学染色法虽然染色技术简单得到的膜层具有良好的耐蚀性，但其颜色的耐久性较差，只适用于室内的装修。而通过微弧氧化着色技术在铝合金表面制得彩色陶瓷膜层在耐磨性、耐蚀性、外观质量、厚度、膜层色泽稳定性等方面优于以上工艺，受到了广泛的应用。
在关于铝合金微弧氧化着色方面，国外相关文献很少，近年来国内有部分单位做了一系列的研究，得到了一系列具有优良性能的铝合金黑色陶瓷膜层，在工业生产中得到了广泛应用。但是目前在膜层制备中仍存在以下问题：(1)张文凡通过添加铁氰化钾(k3[fe(cn)6])、六氰合铁(ii)酸钾(k4[fe(cn)6]·3h2o)在铝合金表面微弧氧化着色，但其电解液中含有许多重金属，危害人体，污染环境。(2)专利号cn201310439874.2公开了一种对镁合金表面黑色陶瓷化处理的工艺，但是其预处理不仅需要碱蚀烘干等，后处理还需要清洗封孔等工艺，处理复杂，增加成本并且膜层易褪色。(3)专利号cn201010267526.8公开了一种镁合金化学转化一微弧氧化深色陶瓷膜层制备方法，将化学转化与微弧氧化结合在一起制备出深色陶瓷膜层，但其需二次成膜，先化学成膜后在进行微弧氧化成膜时间长，工序复杂且成膜速度慢。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有的技术缺陷，提供一种铝合金表面微弧氧化着黑色膜层的方法，是以硅酸盐和磷酸盐为主盐的电解液中，采用交流双极性脉冲电源对铝合金进行微弧氧化处理；该方法工艺操作简单、单位能耗低、对环境污染小，所制备的陶瓷膜层较厚、色泽均匀且颜色持久性好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种铝合金表面微弧氧化着黑色膜层的方法，具体包括如下步骤：
1)预处理：对铝合金工件进行预处理，去除铝合金表面的氧化物和油污；
2)配制电解液：按照重量份配比为：硅酸钠：磷酸钠：偏钒酸铵：钨酸钠：十二烷基苯磺酸钠：碳酸氢钠=2.2~6.2：4.2~6.2：1.8~3.4：4.2~6.2：1~2.2：1~1.8，分别称取硅酸钠、磷酸钠、偏钒酸铵、钨酸钠、十二烷基苯磺酸钠、碳酸氢钠，加入去离子水中，不断搅拌，使各成分充分溶解，制得微弧氧化电解液；
3)微弧氧化离子反应着色：将步骤1)预处理后的铝合金工件固定于步骤2）制备得到的微弧氧化电解液反应槽中，以铝合金工件作为阳极，不锈钢板为阴极，采用交流双极性脉冲电源对铝合金工件进行微弧氧化反应，在铝合金工件表面形成15-35μm黑色陶瓷氧化膜层；
4）清洗、干燥：微弧氧化离子反应着色完成后，取出铝合金工件，用去离子水冲洗，自然晾干，即可得到铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层；
经过上述步骤，在铝合金工件表面形成黑色陶瓷氧化膜层。
步骤1）中，所述的预处理是对铝合金工件棱边去毛刺，分别用240#、320#、400#金相砂纸粗磨细磨铝合金工件基体，完全去除铝合金工件表面氧化膜然后，再采用1500#砂纸进行抛光处理，在装有丙酮的超声波清洗仪中，震动清洗铝合金工件，去除油污，再用去离子水清洗铝合金工件，清洗后的铝合金工件放入烘干机中烘干，备用。
步骤2）中，所述的硅酸钠的浓度为5.5~15.5g/l，磷酸钠的浓度为10.5~15.5g/l，偏钒酸铵的浓度为4.5~8.5g/l，钨酸钠的浓度为10.5~15.5g/l，十二烷基苯磺酸钠的浓度为2.5~5.5g/l，碳酸氢钠的浓度为2.5~4.5g/l。
步骤3）中，所述的微弧氧化反应整个过程采用恒流控制，微弧氧化电解液反应槽中，还外接离子吸附机，在离子吸附机中配有步骤2）的配置电解液，使用离子吸附机将离子吸附送至微弧氧化反应槽阴、阳极，以补充离子利用率，同时开启循环冷却将经过步骤1)预处理后的铝合金工件放入所述电解液中进行微弧氧化处理。
步骤3）中，所述的工艺参数为：电流密度4.5~8.5a/dm2，频率30~450hz，占空比10.5%~30.5%，正负脉冲比(2.5~4.5)：1。
将制得的表面具有微弧氧化着黑色膜层的铝合金进行测试：
a、外观颜色的测试：将被测试样的表面颜色与gsb05—1426--2001(代替gsbg51001—94)漆膜颜色标准样卡进行对比分析，来确定微弧氧化膜层的具体颜色；使用tt260数字式覆层测厚仪检测膜层的厚度；
b、颜色持久性测试：利用雨淋实验，将成膜试样放置在自制的仿淋雨装置48h，模拟四季下雨时的气温、空气湿度等情况，春、夏、秋、冬四季，每季模拟时间为12h，以此来观察膜层表面是否有颜色改变或者是否存在缺陷。
c、采用目视检查法检查陶瓷层外观质量，选择适当的观察距离，对于装饰性的微弧氧化膜，其观察距离一般为0.5m，借助天然散射光或在日光下目测检验条件下以垂直于测试表面或以45°斜角进行观察。
测试结果为：微弧氧化着黑色膜层的铝合金的膜层厚度均匀，黑色膜层无损伤，无变化，膜层面上无气泡、针孔、斑点、脱皮和褪色等缺陷。
有益效果：
本发明提供了一种铝合金表面微弧氧化着黑色膜层的方法，成膜速度快，在基体材料方面适用范围广，利于实现批量生产和工业化应用，通过将清洗后的铝合金放入烘干机中，因温度升高会使合金内部分子发生电子跃迁，激发出能量，增加表面活性，从而使膜层起弧时间减少，降低能耗。利用自制的离子吸附机设定离子使用率，来排除温度、湿度等外界环境对膜层的影响，使得膜层反应时间减少，降低能耗，通过自制雨淋装置模拟检测发现，采用本发明制备的表面陶瓷膜层具有良好的颜色持久性，满足实际使用要求满足实际使用要求，且黑色陶瓷膜层的电解液没有含有众多对环境、人体有害金属，废液处理简单方便。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
一种铝合金表面微弧氧化着黑色膜层的方法，具体包括如下步骤：
1)预处理：对铝合金工件进行预处理，去除铝合金表面的氧化物和油污；
2)配制电解液：按照重量份配比为：硅酸钠：磷酸钠：偏钒酸铵：钨酸钠：十二烷基苯磺酸钠：碳酸氢钠=2.2~6.2：4.2~6.2：1.8~3.4：4.2~6.2：1~2.2：1~1.8，分别称取硅酸钠、磷酸钠、偏钒酸铵、钨酸钠、十二烷基苯磺酸钠、碳酸氢钠，加入去离子水中，不断搅拌，使各成分充分溶解，制得微弧氧化电解液；
3)微弧氧化离子反应着色：将步骤1)预处理后的铝合金工件固定于步骤2）制备得到的微弧氧化电解液反应槽中，以铝合金工件作为阳极，不锈钢板为阴极，采用交流双极性脉冲电源对铝合金工件进行微弧氧化反应，在铝合金工件表面形成15-35μm黑色陶瓷氧化膜层；
4）清洗、干燥：微弧氧化离子反应着色完成后，取出铝合金工件，用去离子水冲洗，自然晾干，即可得到铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层；
经过上述步骤，在铝合金工件表面形成黑色陶瓷氧化膜层。
步骤1）中，所述的预处理是对铝合金工件棱边去毛刺，分别用240#、320#、400#金相砂纸粗磨细磨铝合金工件基体，完全去除铝合金工件表面氧化膜然后，再采用1500#砂纸进行抛光处理，在装有丙酮的超声波清洗仪中，震动清洗铝合金工件，去除油污，再用去离子水清洗铝合金工件，清洗后的铝合金工件放入烘干机中烘干，备用。
步骤2）中，所述的硅酸钠的浓度为5.5~15.5g/l，磷酸钠的浓度为10.5~15.5g/l，偏钒酸铵的浓度为4.5~8.5g/l，钨酸钠的浓度为10.5~15.5g/l，十二烷基苯磺酸钠的浓度为2.5~5.5g/l，碳酸氢钠的浓度为2.5~4.5g/l。
步骤3）中，微弧氧化反应整个过程采用恒流控制，微弧氧化电解液反应槽中，还外接离子吸附机，在离子吸附机中配有步骤2）的配置电解液，使用离子吸附机将离子吸附送至微弧氧化反应槽阴、阳极，以补充离子利用率，同时开启循环冷却将经过步骤1)预处理后的铝合金工件放入所述电解液中进行微弧氧化处理。
步骤3）中，所述的工艺参数为：电流密度4.5~8.5a/dm2，频率30~450hz，占空比10.5%~30.5%，正负脉冲比(2.5~4.5)：1。
实施例1：
1）选用型号为1050铝合金（尺寸控制为30cm×20cm×2cm）依次用240#、320#、400#金相砂纸粗磨细磨铝合金基体，完全去除表面氧化膜，然后采用1500#砂纸进行抛光处理，将打磨后的基体进行表面除油处理，用去离子水清洗，清洗后的铝合金放入烘干机中；对铝合金进行前处理的目的是去除铝合金表面的氧化物和油污。
2）配置电解液：用微弧氧化反应槽盛取3l去离子水，分别称取20g浓度为8g/l的硅酸钠、32g浓度为12g/l的磷酸钠、14g浓度为5g/l的偏钒酸铵、32g浓度为12g/l的钨酸钠、8g浓度为3g/l的十二烷基苯磺酸钠、8g浓度为3g/l的碳酸氢钠，按顺序加入去离子水中，并在添加的过程中不断搅拌使其充分溶解。
3）微弧氧化离子反应着色：将步骤1）处理后的基体固定于微弧氧化反应槽中，微弧氧化反应槽外接离子吸附机，在离子吸附机中配有步骤2）的配置电解液，且保证表面处理后的铝合金基体要原位生长陶瓷膜层的部分完全浸入到电解液中，将铝合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，阴极与阳极之间的距离为6cm，采用交流极性脉冲电源对镁合金进行微弧氧化处理，整个过程采用恒流控制，设定电参数为电流密度4a/dm2，频率300hz，占空比10%，正负脉冲比4：1，所有参与反应离子达到设定离子吸附机中离子使用率为100%时所用氧化时间为20min。
4）清洗、干燥：微弧氧化离子反应着色完成后，取出铝合金工件，用去离子水冲洗，自然晾干，即可得到铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层；经测试其外观光滑均匀，平均膜层厚度25µm左右。
5）测量膜层外观颜色的持久性：雨淋实验是将成膜试样放置在自制的仿淋雨装置48h中，根据本地区天气预报，模拟四季下雨时的平均气温为春季为15℃、夏季为20℃、秋季为10℃、冬季为9℃，四季下雨时的平均相对空气湿度为春季为70%、夏季为85%、秋季为65%、冬季为60%，四季下雨时的平均降水总量为春季为150mm、夏季为300mm、秋季为100mm、冬季为60mm，每季试验时间为12h，实验过后观察膜层表面无颜色褪色改变或者存在气泡、针孔等缺陷。
实施例2：
一种铝合金表面微弧氧化着黑色膜层的方法，具体包括如下步骤：
1）预处理：选用型号为1050铝合金（尺寸控制为30cm×20cm×2cm）依次用240#、320#、400#金相砂纸粗磨细磨铝合金基体，完全去除表面氧化膜，然后采用1500#砂纸进行抛光处理，将打磨后的基体进行表面除油处理，用去离子水清洗，清洗后的铝合金放入烘干机中；对铝合金进行前处理的目的是去除铝合金表面的氧化物和油污。
2）配置电解液：用微弧氧化反应槽盛取3l去离子水，分别称取30g浓度为10g/l的硅酸钠、40g浓度为12g/l的磷酸钠、16g浓度为6g/l的偏钒酸铵、40g浓度为14g/l的钨酸钠、10g浓度为4g/l的十二烷基苯磺酸钠、10g浓度为3g/l的碳酸氢钠，按顺序加入去离子水中，并在添加的过程中不断搅拌使其充分溶解。
3）微弧氧化离子反应着色：将步骤1）处理后的基体固定于微弧氧化反应槽中，微弧氧化反应槽外接离子吸附机，在离子吸附机中配有步骤2）的配置电解液，且保证表面处理后的铝合金基体要原位生长陶瓷膜层的部分完全浸入到电解液中，将铝合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，阴极与阳极之间的距离为6cm，采用交流极性脉冲电源对镁合金进行微弧氧化处理，整个过程采用恒流控制，设定电参数为电流密度6a/dm2，频率500hz，占空比20%，正负脉冲比3：1，所有参与反应离子达到设定离子吸附机中离子使用率为100%时所用氧化时间为30min。
4）清洗、干燥：微弧氧化离子反应着色完成后，取出铝合金工件，用去离子水冲洗，自然晾干，即可得到铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层；经测试其外观光滑均匀，平均膜层厚度40µm左右。
5）测量膜层外观颜色的持久性：雨淋实验是将成膜试样放置在自制的仿淋雨装置48h中，根据本地区天气预报，模拟四季下雨时的平均气温为春季为15℃、夏季为20℃、秋季为10℃、冬季为9℃，四季下雨时的平均相对空气湿度为春季为70%、夏季为85%、秋季为65%、冬季为60%，四季下雨时的平均降水总量为春季为150mm、夏季为300mm、秋季为100mm、冬季为60mm，每季试验时间为12h，实验过后观察膜层表面无颜色褪色改变或者存在气泡、针孔等缺陷。
实施例3：
1）预处理：选用型号为6061铝合金(尺寸控制为30cm×20cm×3cm)，依次用240#、320#、400#金相砂纸粗磨细磨铝合金基体，完全去除表面氧化膜，然后采用1500#砂纸进行抛光处理，将打磨后的基体进行表面除油处理，用去离子水清洗，清洗后的铝合金放入烘干机中；对铝合金进行前处理的目的是去除铝合金表面的氧化物和油污。
2）配置电解液：用微弧氧化反应槽盛取3l去离子水，分别称取40g浓度为15g/l的硅酸钠、45g浓度为15g/l的磷酸钠、20g浓度为8g/l的偏钒酸铵、45g浓度为14g/l的钨酸钠、15g浓度为5g/l的十二烷基苯磺酸钠、10g浓度为4g/l的碳酸氢钠，按顺序加入去离子水中，并在添加的过程中不断搅拌使其充分溶解。
3）微弧氧化离子反应着色：将步骤1）中处理后的基体固定于微弧氧化反应槽中，微弧氧化反应槽外接离子吸附机，在离子吸附机中配置好(2)电解液，且保证表面处理后的铝合金基体要原位生长陶瓷膜层的部分完全浸入到电解液中，将铝合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，阴极与阳极之间的距离为6cm，采用交流极性脉冲电源对镁合金进行微弧氧化处理，整个过程采用恒流控制，设定电参数为电流密度8a/dm2，频率400hz，占空比30%，正负脉冲比2：1，所有参与反应离子达到设定离子吸附机中离子使用率为100%时所用氧化时间为40min。
4）清洗、干燥：微弧氧化离子反应着色完成后，取出铝合金工件，用去离子水冲洗，自然晾干，即可得到铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层；经测试其外观光滑均匀，平均膜层厚度40µm左右。
5）测量膜层外观颜色的持久性：雨淋实验是将成膜试样放置在自制的仿淋雨装置48h中，根据本地区天气预报，模拟四季下雨时的平均气温为春季为15℃、夏季为20℃、秋季为10℃、冬季为9℃，四季下雨时的平均相对空气湿度为春季为70%、夏季为85%、秋季为65%、冬季为60%，四季下雨时的平均降水总量为春季为150mm、夏季为300mm、秋季为100mm、冬季为60mm，每季试验时间为12h，实验过后观察膜层表面无颜色褪色改变或者存在气泡、针孔等缺陷。
实施例4：
1）预处理：选用型号为ly12铝合金(尺寸控制为30cm×20cm×3cm)，依次用240#、320#、400#金相砂纸粗磨细磨铝合金基体，完全去除表面氧化膜，然后采用1500#砂纸进行抛光处理，将打磨后的基体进行表面除油处理，用去离子水清洗，清洗后的铝合金放入烘干机中；对铝合金进行前处理的目的是去除铝合金表面的氧化物和油污。
2）配置电解液：用微弧氧化反应槽盛取3l去离子水，分别称取20g浓度为8g/l的硅酸钠、32g浓度为12g/l的磷酸钠、14g浓度为5g/l的偏钒酸铵、32g浓度为12g/l的钨酸钠、8g浓度为3g/l的十二烷基苯磺酸钠、8g浓度为3g/l的碳酸氢钠，按顺序加入去离子水中，并在添加的过程中不断搅拌使其充分溶解。
3）微弧氧化离子反应着色：将步骤1）处理后的基体固定于微弧氧化反应槽中，微弧氧化反应槽外接离子吸附机，在离子吸附机中配有步骤2）的配置电解液，且保证表面处理后的铝合金基体要原位生长陶瓷膜层的部分完全浸入到电解液中，将铝合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，阴极与阳极之间的距离为6cm，采用交流极性脉冲电源对镁合金进行微弧氧化处理，整个过程采用恒流控制，设定电参数为电流密度4a/dm2，频率300hz，占空比10%，正负脉冲比4：1，所有参与反应离子达到设定离子吸附机中离子使用率为100%时所用氧化时间为20min。
4）清洗、干燥：微弧氧化离子反应着色完成后，取出铝合金工件，用去离子水冲洗，自然晾干，即可得到铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层；经测试其外观光滑均匀，平均膜层厚度25µm左右。
5）测量膜层外观颜色的持久性：雨淋实验是将成膜试样放置在自制的仿淋雨装置48h中，根据本地区天气预报，模拟四季下雨时的平均气温为春季为15℃、夏季为20℃、秋季为10℃、冬季为9℃，四季下雨时的平均相对空气湿度为春季为70%、夏季为85%、秋季为65%、冬季为60%，四季下雨时的平均降水总量为春季为150mm、夏季为300mm、秋季为100mm、冬季为60mm，每季试验时间为12h，实验过后观察膜层表面无颜色褪色改变或者存在气泡、针孔等缺陷。
实施例5：
1）预处理：6063铝合金(尺寸控制为30cm×20cm×3cm)，依次用240#、320#、400#金相砂纸粗磨细磨铝合金基体，完全去除表面氧化膜，然后采用1500#砂纸进行抛光处理，将打磨后的基体进行表面除油处理，用去离子水清洗，清洗后的铝合金放入烘干机中；对铝合金进行前处理的目的是去除铝合金表面的氧化物和油污。
2）配置电解液：用微弧氧化反应槽盛取3l去离子水，分别称取20g浓度为8g/l的硅酸钠、32g浓度为12g/l的磷酸钠、14g浓度为5g/l的偏钒酸铵、32g浓度为12g/l的钨酸钠、8g浓度为3g/l的十二烷基苯磺酸钠、8g浓度为3g/l的碳酸氢钠，按顺序加入去离子水中，并在添加的过程中不断搅拌使其充分溶解。
3）微弧氧化离子反应着色：将步骤1）处理后的基体固定于微弧氧化反应槽中，微弧氧化反应槽外接离子吸附机，在离子吸附机中配有步骤2）的配置电解液，且保证表面处理后的铝合金基体要原位生长陶瓷膜层的部分完全浸入到电解液中，将铝合金作为阳极，不锈钢片作为阴极，阴极与阳极之间的距离为6cm，采用交流极性脉冲电源对镁合金进行微弧氧化处理，整个过程采用恒流控制，设定电参数为电流密度6a/dm2，频率500hz，占空比20%，正负脉冲比3：1，所有参与反应离子达到设定离子吸附机中离子使用率为100%时所用氧化时间为30min。
4）清洗、干燥：微弧氧化离子反应着色完成后，取出铝合金工件，用去离子水冲洗，自然晾干，即可得到铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层；经测试其外观光滑均匀，平均膜层厚度40µm左右。
5）测量膜层外观颜色的持久性：雨淋实验是将成膜试样放置在自制的仿淋雨装置48h中，根据本地区天气预报，模拟四季下雨时的平均气温为春季为15℃、夏季为20℃、秋季为10℃、冬季为9℃，四季下雨时的平均相对空气湿度为春季为70%、夏季为85%、秋季为65%、冬季为60%，四季下雨时的平均降水总量为春季为150mm、夏季为300mm、秋季为100mm、冬季为60mm，每季试验时间为12h，实验过后观察膜层表面无颜色褪色改变或者存在气泡、针孔等缺陷。