一种铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法

专利名称：一种铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法
技术领域：
本发明涉及一种铝及铝合金材料表面处理方法，尤其涉及一 种铝及铝合金材料表面在恒电流条件下阳极氧化处理方法；属于 金属材料表面处理技术领域。
背景技术：
铝及铝合金材料由于其优异的物理、化学、机械性能以及比 重轻、易加工等特点而广泛应用于国民经济的各个领域。但是铝 金属表面易于受到环境的腐蚀与磨损，无论采用何种方法加工的 铝材及制品，表面上都会不同程度地存在着污垢和缺陷，如灰尘、 残留油污、沥青标志、人工搬运手印(主要成分是脂肪酸和含氮 的化合物)、焊接熔剂以及腐蚀盐类、金属毛刺、轻微的划擦伤等。
由自然氧化生成的铝制品表面的氧化铝既软又薄，耐蚀性差， 不能成为有效防护层更不适合着色。人工制氧化膜主要是应用化 学氧化和阳极氧化。化学氧化就是铝制品在弱碱性或弱酸性溶液 中，部分基体金属发生反应，使其表面的自然氧化膜增厚或产生 其他一些钝化膜的处理过程，化学氧化形成的薄吸附性好，可进 行着色和封孔处理，但是化学氧化膜抗蚀性和硬度比较低，而且 不易着色，着色后的耐光性差。
随着国民经济的不断发展，对铝及铝合金材料表面性能的要 求越来越高，要求的性能种类越来越多。铝及铝合金材料表面的 化学氧化不能适应发展的要求，现有通常采用阳极氧化处理在铝 及铝合金材料表面来制备耐磨性和硬度较好的氧化膜。主要如中 国专利申请(CN1670263A)涉及一种铝及铝合金材料表面生成陶
瓷膜的阳极化处理方法，该方法主要是将铝及铝合金材料置于一向或可控不对称氧化电压，在抑 弧无火花放电条件下，对铝及铝合金进行电化学陶瓷成膜处理， 使铝及铝合金表面生成主要成分为Al203的陶瓷膜层。通过该方 法虽然在铝及铝合金材料表面形成耐磨性好、硬度较高的阳极氧 化膜；但是由于该方法采用恒电压进行操作，峰值电流密度要达
到5 30A/dm3，这样对仪器的要求很高，该方法只适合在实验室中 进行简单的试验研究，而不适合进行大规模工业化生产。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术所存在的缺陷，提供一种可 以进行大规模工业化生产的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化 处理方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实施的一 种铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法，将铝及铝合金 材料作为阳极，置于复合电解液中；控制电流密度在20 120秒 内从0A/dm3升到所需电流密度1 5 A/dm:i，并保持恒定，阳极氧 化电压在20 120秒随电流升高而增大，待电压达到20 60V后， 缓慢上升，在600 1200秒内电压达到70 120V，直至成膜结束； 所述的复合电解液成分包括硼酸10 80g/L，次亚磷酸钠3 12g/L，磺基水杨酸1 8g/L。
现有的铝及铝合金材料表面恒电压阳极氧化处理方法中电压 和时间关系示意图如图1所示控制电压在20 120秒从OV升到 80V 300V，并在20 120秒后保持恒定；电流和时间关系示意图 如图2所示现有的铝及铝合金材料表面恒电压阳极氧化处理方 法中电流随电压升高而增大，并且有一个峰值电流密度5 30A/dm3，如果采用该方法要在铝及铝合金的表面制备101112的阳极 氧化膜就要求的仪器设备电流达到5000 30000A，电压达到80 300V;在该电流和电压条件下对仪器设备的损坏也是相当严重，
4所以这种方法只适合在实验室阶段进行研究，而不适合大规模工 业化生产，现有技术采用较高的电流密度虽然会增加成膜速度， 但是会造成阳极氧化膜微孔、氧化物颗粒尺寸的增加，从而导致 铝及铝合金材料表面光洁度降低，进而影响工业制品的使用。
本发明的铝及铝合金材料表面恒电压阳极氧化处理方法中电 压和时间关系示意图如图3所示电压在20 120秒随电流迅速
升高达到20 60V形成拐点，然后在600 1200秒内电压缓慢上 升达到70 120V;电流和时间关系示意图如图2所示电流密度 在20 120秒内从0A/dm3升到所需电流密度1 5 A/dm3，并在 600 1200秒保持恒定。如果采用本发明的方法要在铝及铝合金 材料的表面制备101112的阳极氧化膜就要求的仪器设备电流只需达 到1000 5000A，电压只需达到70 120V;而且在本发明的电流 和电压条件下对仪器设备要求较低，适合大规模工业化生产。
在上述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法中， 作为优选，控制电流密度在30 60秒内从OA/dnV'升到所需电流 密度3 4 A/dm:'，并保持恒定。
在上述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法中， 作为优选，阳极氧化电压在30 60秒随电流升高而增大，待电压 达到30 50V后，缓慢上升。
在上述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法中， 作为优选，阳极氧化电压缓慢上升过程中在800 1000秒内电压 达到80 100V，直至成膜结束。
在上述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法中， 作为优选，所述的复合电解液成分包括硼酸20 50g/L，次亚 磷酸钠4 10g/L，磺基水杨酸2 6g/L。
本发明对电流、电压和复合电解液的成分作进一步的限定， 是为了在铝及铝合金材料表面得到更好灰白色系阳极氧化膜。本 发明采用的电压波形可采用单向脉冲、不对称交流或不对称脉冲，而且整个阳极氧化过程始终处在无弧无火花放电条件下进行，氧 化过程中铝及铝合金表面始终伴有氧气析出。
在上述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法中， 所述的阳极氧化过程中复合电解液温度为10 45°C。该温度条件
只比通常的气温高l(TC左右，不需要制冷机组，采用常规冷却塔
降温即可，具有节能的功效。
综上所述，本发明的处理方法具有以下特点
1、 本发明在铝及铝合金材料表面采用恒电流阳极氧化处理方 法，对阳极氧化时所采用的仪器设备投资少，要求低，损耗较小， 适合大规模的工业化生产。
2、 采用本发明的处理方法制备的阳极氧化膜为灰白色系成膜
膜层表面装饰性优异，外形美观，对各种铝及铝合金材料都有很 好的适用性。
3、 本发明的处理方法成膜时间短、能耗低；整个工艺流程无 需特别控温，制成的阳极氧化膜硬度较高，膜与基体结合牢固， 具有较好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温冲击和电绝缘性能。


图1是现有的铝及铝合金材料表面恒电压阳极氧化时电压和 时间关系示意图。
图2是现有的铝及铝合金材料表面恒电压阳极氧化时电流和
时间关系示意图。
图3是本发明的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化时电压
和时间关系示意图。
图4是本发明的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化时电流
和时间关系示意图
具体实施例方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明；但是本发明并不限于这些实施例。 实施例1
一原材料的前处理
选用普通的铝制锅具作为原材料，然后对其表面预处理，预 处理的目的主要是除去或修饰铝制锅具表面上存在的污垢和缺 陷，如灰尘、金属氧化物、残留油污、沥青标志、手指印、焊接 熔剂以及腐蚀盐类、金属毛刺、轻微的划擦伤等。因此在氧化处 理之前，用化学和物理的方法对制品表面进行必要的清洗，使其 裸露纯净的金属基体，以利阳极氧化着色顺利进行。
前处理的主要过程如下
(1) 脱脂将上述选用的普通铝制锅具用浓度为50-200g/L 的NaOH溶液在40 80 °C的温度条件下脱脂0. 5-3min，脱脂后水 洗，水洗后用100-500g/L硝酸溶液中和及除挂灰脱脂兼腐蚀除去 自然氧化。
(2) 碱洗将上述铝制锅具在浓度为3.5%-9。/。的Na0H溶液， 铝离子含量在30-80g/L的溶液中在温度为50 7(TC的条件下碱 洗3 10min，碱洗过程中溶液的用量10-55g/m2，碱洗主要是添加 或不添加其他物质的氢氧化钠溶液中进行表面清洗的过程，其作 用是作为铝制锅具经某些脱脂方法脱脂后的补充处理，以便进一 步清理表面附着的油污赃物；清除制品表面的自然氧化膜及轻微 的划擦伤。从而使制品露出纯净的金属基体，利于阳极膜的生成 并获得较高质量的膜层。
二复合电解液成分的确定
根据铝制锅具上对灰白色系氧化膜层要求。
硼酸10g/L、次亚磷酸钠12g/L、磺基水杨酸8g/L。
配制复合电解液时，先用去离子水将上述组分全部溶解制成 浓縮液，然后根据需要在氧化槽中配制成复合水解液，由于复合 水解液在阳极氧化过程中会因升温而挥发，要及时补充。三铝制锅具表面恒电流阳极氧化处理
将铝制锅具作为阳极，置于上述复合电解液中，其中复合电
解液的温度控制在10 45°C。控制电流密度在20秒内从OA/dm3 升到所需电流密度2 A/dm3，并保持恒定，阳极氧化电压在20秒 内随电流升高而增大，待电压达到20V后，缓慢上升，在600秒 内电压达到70V，直至形成灰白色系氧化膜为止，成膜速度在1 iim/min以上，待完全成膜结束后对其进行水洗、烘干。对上述 阳极氧化形成的灰白色系氧化膜的膜厚(ym)、硬度(HV)以及 耐磨性能进行检测，检测结果如表1所示。 实施例2
原材料及其前处理工艺过程同实施例1，不再赘述。 二复合电解液成分的确定 根据铝制锅具上对灰白色系氧化膜层要求。 硼酸20g/L、次亚磷酸钠10g/L、磺基水杨酸6g/L。 配制复合电解液时，先用去离子水将上述组分全部溶解制成 浓縮液，然后根据需要在氧化槽中配制成复合水解液，由于复合 水解液在阳极氧化过程中会因升温而挥发，要及时补充。
三铝制锅具表面恒电流阳极氧化处理
将铝制锅具作为阳极，置于上述复合电解液中，其中复合电
解液的温度控制在10 45°C。控制电流密度在30秒内从OA/dm3 升到所需电流密度3 A/dm3，并保持恒定，阳极氧化电压在30秒 内随电流升高而增大，待电压达到30V后，缓慢上升，在800秒 内电压达到80V，直至形成灰白色系氧化膜为止，成膜速度在1 ym/min以上，待完全成膜结束后对其进行水洗、烘干。对上述 阳极氧化形成的灰白色系氧化膜的膜厚(wm)、硬度(HV)以及 耐磨性能进行检测，检测结果如表l所示。 实施例3
原材料及其前处理工艺过程同实施例1，不再赘述。
8二复合电解液成分的确定 根据铝制锅具上对灰白色系氧化膜层要求。 硼酸40g/L、次亚磷酸钠8g/L、磺基水杨酸5g/L。 配制复合电解液时，先用去离子水将上述组分全部溶解制成 浓縮液，然后根据需要在氧化槽中配制成复合水解液，由于复合 水解液在阳极氧化过程中会因升温而挥发，要及时补充。 三铝制锅具表面恒电流阳极氧化处理
将铝制锅具作为阳极，置于上述复合电解液中，其中复合电
解液的温度控制在10 45°C。控制电流密度在60秒内从OA/dm3 升到所需电流密度4A/dm3，并保持恒定，阳极氧化电压在60秒内 随电流升高而增大，待电压达到50V后，缓慢上升，在1000秒内 电压达到IOOV，直至形成灰白色系氧化膜为止，成膜速度在lu m/miii以上，待完全成膜结束后对其进行水洗、烘干。对上述阳 极氧化形成的灰白色系氧化膜的膜厚("m)、硬度(HV)以及耐 磨性能进行检测，检测结果如表1所示。 实施例4
原材料及其前处理工艺过程同实施例1，不再赘述。 二复合电解液成分的确定
根据铝制锅具上对灰白色系氧化膜层要求。
硼酸70g/L、次亚磷酸钠4g/L、磺基水杨酸2g/L。 配制复合电解液时，先用去离子水将上述组分全部溶解制成 浓縮液，然后根据需要在氧化槽中配制成复合水解液，由于复合 水解液在阳极氧化过程中会因升温而挥发，要及时补充。
三铝制锅具恒电流阳极氧化处理
将铝制锅具作为阳极，置于上述复合电解液中，其中复合电
解液的温度控制在10 45°C。控制电流密度在80秒内从OA/dm3 升到所需电流密度5A/dm3，并保持恒定，阳极氧化电压在80秒内 随电流升高而增大，待电压达到60V后，缓慢上升，在1200秒内
9电压达到120V,直至形成灰白色系氧化膜为止，成膜速度在1U
m/min以上，待完全成膜结束后对其进行水洗、烘干。对上述阳 极氧化形成的灰白色系氧化膜的膜厚(um)、硬度(HV)进行检 测，检测结果如表1所示。
表l:实施例1 4制备的灰白色系氧化膜的膜厚(um)、硬度(HV)
\^性能膜厚硬度
(ti m)(HV)
实施方式^\
实施例112345
实施例214330
实施例313350
实施例415360
从表1可以看出采用本发明的处理方法不仅设备要求较低， 而且形成的灰白色系氧化膜在膜厚、硬度以及耐磨性等性能优异。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说 明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例 做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离 本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已做出了详细的说明并引证了一些具体实施例， 但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范 围可作各种变化或修正是显然的。
权利要求
1、一种铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法，将铝及铝合金材料作为阳极，置于复合电解液中；控制电流密度在20～80秒内从0A/dm2升到所需电流密度1～5A/dm2，并保持恒定，阳极氧化电压在20～80秒内随电流升高而增大，待电压达到20～60V后，缓慢上升，在600～1200秒内电压达到70～120V，直至成膜结束；所述的复合电解液成分包括硼酸10～80g/L，次亚磷酸钠3～12g/L，磺基水杨酸1～8g/L。
2、 根据权利要求1所述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧 化处理方法，其特征在于控制电流密度在30 60秒内从0A/dm2 升到所需电流密度3 4 A/dm2，并保持恒定。
3、 根据权利要求1或2所述的铝及铝合金材料表面恒电流阳 极氧化处理方法，其特征在于阳极氧化电压在30 60秒随电流 升高而增大，待电压达到30 50V后，缓慢上升。
4、 根据权利要求1或2所述的铝及铝合金材料表面恒电流阳 极氧化处理方法，其特征在于阳极氧化电压缓慢上升过程中在 800 1000秒内电压达到80 100V，直至成膜结束。
5、 根据权利要求1所述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法，其特征在于所述的复合电解液成分包括硼酸20 50g/L，次亚磷酸钠4 10g/L，磺基水杨酸2 6g/L。
6、 根据权利要求1所述的铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧 化处理方法，其特征在于所述的阳极氧化过程中复合电解液温 度为！0 45。C。
全文摘要
本发明提供了一种铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法。本铝及铝合金材料表面恒电流阳极氧化处理方法，将铝及铝合金材料作为阳极，置于复合电解液中；控制电流密度在20～120秒内从0A/dm³升到所需电流密度1～5A/dm³，并保持恒定，阳极氧化电压在20～120秒随电流升高而增大，待电压达到20～60V后，缓慢上升，在600～1200秒内电压达到70～120V，直至成膜结束。本发明仪器设备投资少，要求低，适合大规模的工业化生产，且整个工艺流程无需特别控温，制成的阳极氧化膜硬度较高，具有较好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温冲击和电绝缘性能。
文档编号C25D11/06GK101445950SQ200810162948
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者徐存荣, 旷亚非, 诸葛毅 申请人:浙江苏泊尔股份有限公司