一种自形成质密膜的铝合金材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及铝合金工艺领域，更具体地说，涉及一种自形成质密膜的铝合金材料及其制备工艺。

背景技术：

微弧氧化又称微等离子体氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。由于该成膜方式属于“生长”，我们在这里可称其为自形成质密氧化膜，简称自形成质密膜，自形成质密膜的铝合金材料具有材料表面硬度高、耐磨性能好、工艺可靠、设备简单、操作方便等特点。弧光放电，弧光放电应用广泛。可用作强光光源，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源，在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割，在医学上用作紫外线源（汞弧灯），等等，但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，应采取灭弧措施。微弧氧化技术是近年来快速发展的一种金属表面处理工艺，该技术可在铝、镁、钛等阀金属表面通过原位生长得到具有优异耐磨性、绝缘性的微弧氧化膜层，且该膜层与基体之间具有较强的结合力，因此作为耐磨、电防护、生物功能性涂层得到广泛应用。微弧氧化膜层是在金属表面通过反复击穿-氧化-熔融-淬冷过程获得，因此在膜层内部存在大量放电微孔及微裂纹，影响微弧氧化膜层在腐蚀环境下的应用。

采用微弧氧化技术对铝及其合金材料进行表面强化处理，具有工艺过程简单，占地面积小，处理能力强，生产效率高，适用于大工业生产等优点。微弧氧化技术工艺处理能力强，可通过改变工艺参数获取具有不同特性的氧化膜层以满足不同目的的需要；也可通过改变或调节电解液的成分使膜层具有某种特性或呈现不同颜色；还可采用不同的电解液对同一工件进行多次微弧氧化处理，以获取具有多层不同性质的陶瓷氧化膜层。

随着超声波技术的发展,超声波技术越来越多地被应用于材料制备及材料性能改善方面。利用超声波能加速和控制化学反应、提高其反应产率、改变反应历程和改善反应条件,以及引发新的化学反应等。将超声波应用到电镀、阳极氧化等表面处理中的研究较多。

微弧氧化技术目前仍存在一些不足之处，如工艺参数和配套设备的研究需进一步完善；氧化电压较常规铝阳极氧化电压高得多，操作时要做好安全保护措施；以及电解液温度上升较快，需配备较大容量的制冷和热交换设备，以上缺陷有待进一步改进，除此之外，我们发现铝合金材料在进行微弧氧化处理时，铝合金材料表面状态一般不需要经过抛光处理，对于粗糙的表面，经过微弧氧化，可修复的平整光滑；对于粗糙度低（即光滑）的表面，则会增加粗糙度，但是现有技术中虽然没有采取抛光处理，但是同样没有采取合适的糙化处理，使得微弧氧化的铝合金材料的膜层与铝合金材料结合力差，降低了铝合金材料的耐磨性能和耐热冲击性能。

技术实现要素：

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自形成质密膜的铝合金材料及其制备工艺，它使用微弧氧化技术对原铝合金材料本体进行表面强化处理，在微弧氧化处理之前增设糙化处理工序，利用两开式冷热拉毛板糙化原铝合金材料本体，再经过微弧氧化处理，可将成膜的原铝合金材料本体表面修复的平整光滑，从而使得微弧氧化处理后的原铝合金材料本体表面膜层与原铝合金材料本体结合力更强，进而极大提升了铝合金材料的耐磨和耐热冲击等性能。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种自形成质密膜的铝合金材料，包括原铝合金材料本体，其制备工艺包括：

步骤一、电解液配制，选用5g/l-10g/l氢氧化钠配合5g/l-20g/l偏铝酸钠作为电解液，待用；

步骤二、比例检测，使用金属成分检测仪检测原铝合金材料本体中的阀金属比例，选用阀金属比例至少为40%的原铝合金材料本体；

步骤三、糙化处理，使用两开式冷热拉毛板对原铝合金材料本体进行拉毛、糙化处理；

步骤四、微弧氧化，将原铝合金材料本体放于电解液中作为阳极，以碳钢板作为阴极，进行微弧氧化处理，得到表面生长微弧氧化膜层的铝合金材料。

本发明使用微弧氧化技术对原铝合金材料本体进行表面强化处理，具有工艺过程简单，占地面积小，处理能力强，生产效率高的优点，微弧氧化电解液不含有毒物质和重金属元素，且抗污染能力强和再生重复使用率高，环境污染小，满足优质清洁生产的需要，也符合我国可持续发展战略的需要，在微弧氧化处理之前增设糙化处理工序，利用两开式冷热拉毛板糙化原铝合金材料本体，再经过微弧氧化处理，可将成膜的原铝合金材料本体表面修复的平整光滑，从而使得微弧氧化处理后的原铝合金材料本体表面膜层与原铝合金材料本体结合力更强，进而极大提升了铝合金材料的耐磨和耐热冲击等性能。

进一步的，步骤四中，所述碳钢为悬挂式使用，易于更换。

进一步的，步骤四中，所述微弧氧化处理过程中配合有超声波发生装置进行超声搅拌，超声波可以起到搅拌溶液的作用，减少金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，使电流分布更加均匀，防止局部膜层的过快生长，与不加超声波相比，可以减小膜层厚度，并提高氧化膜抗交流电压击穿值，从而使膜层在干燥环境中的交流电击穿强度至少提高15%，在潮湿环境中的交流电击穿强度至少提高10%。

进一步的，所述微弧氧化处理时间为20-60min，氧化时间过短，成膜的致密性差，氧化时间过长，膜的致密性好，但其粗糙度也增加，故控制20-60min的微弧氧化处理时间可保证最佳的成膜效果；温度为30-60度，温度过低，成膜时间过长，温度过高，成膜的粗糙度增加，且会形成水气，影响成膜效果；且控制超声波发生装置的超声强度随温度的上升而降低，电解液温度的上升，其内部电解质分散速度变快，此时减小超声强度相当于匀速搅拌的效果，使得电解液内部电流分布均匀。

进一步的，所述电解液中掺有硅酸盐、磷酸盐和硼酸盐的混合液，增大电解液浓度，提高成膜速度。

进一步的，大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，故在步骤四中，所述微弧氧化处理时使用灭弧触头进行灭弧处理，且灭弧触头采用高性能铜钨合金材料，高性能铜钨合金材料具有熔点高、耐高温、导热系数和热容量大的优点，可减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，起到抑制游离的作用。

进一步的，所述两开式冷热拉毛板包括转动式安装头、热处理板、冷处理板和固定卡座，所述热处理板和冷处理板上端均与转动式安装头转动连接，且热处理板和冷处理板下端通过固定卡座卡接，所述热处理板内部设置有导热板，所述导热板侧端连接有多个导热管，多个所述导热管贯穿热处理板并连接有拉毛锚体，所述冷处理板内部设置有冷却板，所述冷处理板侧端开凿有第二冷却槽和第一冷却槽，且第二冷却槽和第一冷却槽分别位于冷却板两侧，接通电源，导热板通过导热管加热拉毛锚体，拉毛锚体接触原铝合金材料本体表面，原铝合金材料本体表面受热熔融，此时迅速移开两开式冷热拉毛板，完成原铝合金材料本体表面拉毛，打开固定卡座，转动热处理板和冷处理板，使得热处理板的拉毛锚体所在面与第二冷却槽相匹配，拉毛锚体接触冷却板可迅速冷却，将冷处理板上的第一冷却槽所在面扣放于原铝合金材料本体的拉毛面，第一冷却槽压制拉毛缩至第一冷却槽的深度，避免拉毛过长影响成膜效果。

进一步的，所述拉毛锚体表面经过抛光处理，不易反粘铝熔融物，且拉毛锚体上开凿有通孔，所述导热管中填充有催化块，催化块受热分解后的催化物质通过通孔进入原铝合金材料本体的拉毛处。

进一步的，所述催化块为硝酸钠颗粒物，硝酸钠颗粒物受热分解生成亚硝酸盐和氧气，亚硝酸盐可随着氧气进入原铝合金材料本体的拉毛处，可增加微弧氧化时电解液的浓度，特别是原铝合金材料本体的拉毛处的电解液浓度，提高成膜速度，且成膜更加均匀。

进一步的，所述拉毛锚体表面开凿有防堵导槽，且防堵导槽和导热管均与通孔相连通，防堵导槽可有效减小拉毛锚体表面完全被铝熔融物覆盖的几率，使得亚硝酸盐顺利随着氧气进入原铝合金材料本体的拉毛处。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本方案使用微弧氧化技术对原铝合金材料本体进行表面强化处理，具有工艺过程简单，占地面积小，处理能力强，生产效率高的优点，微弧氧化电解液不含有毒物质和重金属元素，且抗污染能力强和再生重复使用率高，环境污染小，满足优质清洁生产的需要，也符合我国可持续发展战略的需要，在微弧氧化处理之前增设糙化处理工序，利用两开式冷热拉毛板糙化原铝合金材料本体，再经过微弧氧化处理，可将成膜的原铝合金材料本体表面修复的平整光滑，从而使得微弧氧化处理后的原铝合金材料本体表面膜层与原铝合金材料本体结合力更强，进而极大提升了铝合金材料的耐磨和耐热冲击等性能。

（2）碳钢为悬挂式使用，易于更换。

（3）微弧氧化处理过程中配合有超声波发生装置进行超声搅拌，超声波可以起到搅拌溶液的作用，减少金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，使电流分布更加均匀，防止局部膜层的过快生长，与不加超声波相比，可以减小膜层厚度，并提高氧化膜抗交流电压击穿值，从而使膜层在干燥环境中的交流电击穿强度至少提高15%，在潮湿环境中的交流电击穿强度至少提高10%。

（4）微弧氧化处理时间为20-60min，氧化时间过短，成膜的致密性差，氧化时间过长，膜的致密性好，但其粗糙度也增加，故控制20-60min的微弧氧化处理时间可保证最佳的成膜效果；温度为30-60度，温度过低，成膜时间过长，温度过高，成膜的粗糙度增加，且会形成水气，影响成膜效果；且控制超声波发生装置的超声强度随温度的上升而降低，电解液温度的上升，其内部电解质分散速度变快，此时减小超声强度相当于匀速搅拌的效果，使得电解液内部电流分布均匀。

（5）电解液中掺有硅酸盐、磷酸盐和硼酸盐的混合液，增大电解液浓度，提高成膜速度。

（6）大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，故在步骤四中，微弧氧化处理时使用灭弧触头进行灭弧处理，且灭弧触头采用高性能铜钨合金材料，高性能铜钨合金材料具有熔点高、耐高温、导热系数和热容量大的优点，可减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，起到抑制游离的作用。

（7）两开式冷热拉毛板包括转动式安装头、热处理板、冷处理板和固定卡座，热处理板和冷处理板上端均与转动式安装头转动连接，且热处理板和冷处理板下端通过固定卡座卡接，热处理板内部设置有导热板，导热板侧端连接有多个导热管，多个导热管贯穿热处理板并连接有拉毛锚体，冷处理板内部设置有冷却板，冷处理板侧端开凿有第二冷却槽和第一冷却槽，且第二冷却槽和第一冷却槽分别位于冷却板两侧，接通电源，导热板通过导热管加热拉毛锚体，拉毛锚体接触原铝合金材料本体表面，原铝合金材料本体表面受热熔融，此时迅速移开两开式冷热拉毛板，完成原铝合金材料本体表面拉毛，打开固定卡座，转动热处理板和冷处理板，使得热处理板的拉毛锚体所在面与第二冷却槽相匹配，拉毛锚体接触冷却板可迅速冷却，将冷处理板上的第一冷却槽所在面扣放于原铝合金材料本体的拉毛面，第一冷却槽压制拉毛缩至第一冷却槽的深度，避免拉毛过长影响成膜效果。

（8）拉毛锚体表面经过抛光处理，不易反粘铝熔融物，且拉毛锚体上开凿有通孔，导热管中填充有催化块，催化块受热分解后的催化物质通过通孔进入原铝合金材料本体的拉毛处。

（9）催化块为硝酸钠颗粒物，硝酸钠颗粒物受热分解生成亚硝酸盐和氧气，亚硝酸盐可随着氧气进入原铝合金材料本体的拉毛处，可增加微弧氧化时电解液的浓度，特别是原铝合金材料本体的拉毛处的电解液浓度，提高成膜速度，且成膜更加均匀。

（10）拉毛锚体表面开凿有防堵导槽，且防堵导槽和导热管均与通孔相连通，防堵导槽可有效减小拉毛锚体表面完全被铝熔融物覆盖的几率，使得亚硝酸盐顺利随着氧气进入原铝合金材料本体的拉毛处。

附图说明

图1为本发明的两开式冷热拉毛板的立体图；

图2为图1中a处的结构示意图；

图3为本发明的原铝合金材料本体的结构示意图；

图4为本发明的两开式冷热拉毛板用于拉毛时的结构示意图；

图5为图4中b处的结构示意图；

图6为图5中填充催化块时的结构示意图；

图7为本发明的两开式冷热拉毛板用于压制拉毛时的结构示意图；

图8为图7中c处的结构示意图；

图9为本发明的主要工艺流程图。

图中标号说明：

1原铝合金材料本体、2热处理板、21导热板、3冷处理板、31冷却板、32第一冷却槽、33第二冷却槽、4转动式安装头、5固定卡座、6拉毛锚体、61防堵导槽、7导热管、71催化块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图9，一种自形成质密膜的铝合金材料，包括原铝合金材料本体1，其制备工艺包括：

步骤一、电解液配制，选用5g/l-10g/l氢氧化钠配合5g/l-20g/l偏铝酸钠作为电解液，待用；

步骤二、比例检测，使用金属成分检测仪检测原铝合金材料本体1中的阀金属比例，选用阀金属比例至少为40%的原铝合金材料本体1；

步骤三、糙化处理，使用两开式冷热拉毛板对原铝合金材料本体1进行拉毛、糙化处理；

步骤四、微弧氧化，将原铝合金材料本体1放于电解液中作为阳极，电解液中掺有硅酸盐、磷酸盐和硼酸盐的混合液，增大电解液浓度，提高成膜速度；以碳钢板作为阴极，进行微弧氧化处理，得到表面生长微弧氧化膜层的铝合金材料，碳钢为悬挂式使用，易于更换；微弧氧化处理过程中配合有超声波发生装置进行超声搅拌，超声波可以起到搅拌溶液的作用，减少金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，使电流分布更加均匀，防止局部膜层的过快生长，与不加超声波相比，可以减小膜层厚度，并提高氧化膜抗交流电压击穿值，从而使膜层在干燥环境中的交流电击穿强度至少提高15%，在潮湿环境中的交流电击穿强度至少提高10%；

微弧氧化处理时间为20-60min，氧化时间过短，成膜的致密性差，氧化时间过长，膜的致密性好，但其粗糙度也增加，故控制20-60min的微弧氧化处理时间可保证最佳的成膜效果；温度为30-60度，温度过低，成膜时间过长，温度过高，成膜的粗糙度增加，且会形成水气，影响成膜效果；且控制超声波发生装置的超声强度随温度的上升而降低，电解液温度的上升，其内部电解质分散速度变快，此时减小超声强度相当于匀速搅拌的效果，使得电解液内部电流分布均匀；

大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，故在微弧氧化处理时使用灭弧触头进行灭弧处理，且灭弧触头采用高性能铜钨合金材料，高性能铜钨合金材料具有熔点高、耐高温、导热系数和热容量大的优点，可减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，起到抑制游离的作用。

请参阅图1，两开式冷热拉毛板包括转动式安装头4、热处理板2、冷处理板3和固定卡座5，转动式安装头4内部按照现有技术安装有加热器和冷却器，转动式安装头4上设置有电源接口、电源开关和选择开关，操作人员通过选择开关控制加热器和冷却器的开启与关闭，热处理板2和冷处理板3上端均与转动式安装头4转动连接，且热处理板2和冷处理板3下端通过固定卡座5卡接；

请参阅图5和图6，热处理板2内部设置有导热板21，导热板21侧端连接有多个导热管7，多个导热管7贯穿热处理板2并连接有拉毛锚体6；

请参阅图8，冷处理板3内部设置有冷却板31，冷处理板3侧端开凿有第二冷却槽33和第一冷却槽32，且第二冷却槽33和第一冷却槽32分别位于冷却板31两侧，接通电源，导热板21通过导热管7加热拉毛锚体6，拉毛锚体6接触原铝合金材料本体1表面，原铝合金材料本体1表面受热熔融，此时迅速移开两开式冷热拉毛板，请参阅图3，完成原铝合金材料本体1表面拉毛，打开固定卡座5，转动热处理板2和冷处理板3，使得热处理板2的拉毛锚体6所在面与第二冷却槽33相匹配，拉毛锚体6接触冷却板31可迅速冷却，将冷处理板3上的第一冷却槽32所在面扣放于原铝合金材料本体1的拉毛面，第一冷却槽32压制拉毛缩至第一冷却槽32的深度，避免拉毛过长影响成膜效果。

请参阅图6，拉毛锚体6表面经过抛光处理，不易反粘铝熔融物，且拉毛锚体6上开凿有通孔，导热管7中填充有催化块71，催化块71为硝酸钠颗粒物，硝酸钠颗粒物受热分解生成亚硝酸盐和氧气，拉毛锚体6表面开凿有防堵导槽61，且防堵导槽61和导热管7均与通孔相连通，防堵导槽61可有效减小拉毛锚体6表面完全被铝熔融物覆盖的几率，使得亚硝酸盐顺利随着氧气进入原铝合金材料本体1的拉毛处，可增加微弧氧化时电解液的浓度，特别是原铝合金材料本体1的拉毛处的电解液浓度，提高成膜速度，且成膜更加均匀。

本发明使用微弧氧化技术对原铝合金材料本体1进行表面强化处理，具有工艺过程简单，占地面积小，处理能力强，生产效率高的优点，微弧氧化电解液不含有毒物质和重金属元素，且抗污染能力强和再生重复使用率高，环境污染小，满足优质清洁生产的需要，也符合我国可持续发展战略的需要，在微弧氧化处理之前增设糙化处理工序，利用两开式冷热拉毛板糙化原铝合金材料本体1，即：

首先，通过导热板21通过导热管7加热拉毛锚体6，拉毛锚体6接触原铝合金材料本体1表面，原铝合金材料本体1表面受热熔融，移开两开式冷热拉毛板，完成原铝合金材料本体1表面拉毛；

其次，催化块71受热分解生成亚硝酸盐和氧气，亚硝酸盐顺利随着氧气进入原铝合金材料本体1的拉毛处，可增加微弧氧化时电解液的浓度，特别是原铝合金材料本体1的拉毛处的电解液浓度，提高成膜速度，且成膜更加均匀；

再次，将冷处理板3上的第一冷却槽32所在面扣放于原铝合金材料本体1的拉毛面，第一冷却槽32压制拉毛缩至第一冷却槽32的深度，避免拉毛过长影响成膜效果；

最后，经过微弧氧化处理，可将成膜的原铝合金材料本体1表面修复的平整光滑，从而使得微弧氧化处理后的原铝合金材料本体1表面膜层与原铝合金材料本体1结合力更强，进而极大提升了铝合金材料的耐磨和耐热冲击等性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。