專利名稱：鎂、鋁合金在鋁酸鹽體系中微弧氧化表面處理電解液的制作方法
技術領域：
本發明屬于鎂、鋁合金表面改性技術，具體涉及鎂、鋁合金零件進行微弧氧化表面處理的電解溶液。
背景技術：
當前，汽車工業正向著高速、節能的方向發展，汽車的輕量化是汽車的發展方向，其主要途徑是采用密度小的有色金屬，如鋁、鎂合金。由于鎂、鋁元素都很活潑，其制品在加工和使用過程中極容易發生氧化，因此限制鎂、鋁合金在汽車等領域中廣泛應用的主要問題是耐蝕性問題。其次，鎂、鋁合金常溫力學性能，特別是強度和塑韌性不高，尚不能用在重要結構部件上；其高溫強度、蠕變性能較低，限制了鎂、鋁合金零件在高溫(150～350℃)場合的應用。因此，提高鎂、鋁合金件的耐腐蝕和強度問題被提到研究與應用日程上來。通常采用化學轉化膜和陽極氧化技術來改善鎂、鋁合金的耐腐蝕性。然而化學轉化膜和陽極氧化技術對于提高鎂、鋁合金的耐蝕性的程度非常有限，并且這兩種工藝都存在嚴重的環境污染問題。
改善鎂合金的防腐性，微弧氧化技術是一個新的途徑。它是在陽極氧化技術的基礎上發展起來的，又突破了陽極氧化的低電壓、小電流的限制。微弧氧化過程中由于等離子體的高溫高壓作用在鎂、鋁等輕合金表面原位生成一層結構致密的陶瓷層，該陶瓷層硬度高、耐腐蝕、與基體結合力強、耐高溫氧化、絕緣性好，特別適用于高速運動且需要高耐磨、耐腐蝕、抗高溫沖擊的輕金屬合金零部件。另外，微弧氧化技術屬于清潔加工工藝，不會造成環境污染。
國內有許多科研機構正致力于微弧氧化技術的研究開發，就可查到的專利和其他文獻來看，大多數研究單位采用了硅酸鹽、磷酸鹽和氫氧化鈉體系作為微弧氧化電解液，個別單位將鋁酸鹽作為添加劑或以很少的量加入到電解液中，沒有對鋁酸鹽體系進行系統而深入的研究。
發明內容
本發明目的在于提供一種能夠顯著提高鎂、鋁合金零件耐蝕性和力學性能的鋁酸鹽體系微弧氧化處理電解液。
本發明的上述目的是這樣實現的該電解液是鋁酸鈉體系，按重量與總體積比它包括鋁酸鈉及各種輔助成分，鋁酸鈉4～40g/L，氫氧化鈉0～10g/L。
使用本電解液處理鎂、鋁合金表面的工藝流程包括表面除油、水洗、裝夾、微弧氧化、水洗、封孔、吹干。采用直流脈沖微弧氧化設備，將零件置于電解溶液中，連接電源正極作為氧化反應的陽極；將作為電解槽的不銹鋼連接電源負極，作為氧化反應的陰極。當電壓值超過金屬陽極表面生長的鈍化氧化膜的擊穿電壓時，許多弧光就會在處理的樣品表面上快速游動，在弧光放電產生的瞬時高溫高壓作用下在合金表面生長出一層厚的陶瓷氧化膜。電源終止電壓值控制在300V-650V之間。根據對陶瓷層厚度和性能的要求，將氧化時間和電流密度分別確定為10-30分鐘和2-10A/dm2。微弧氧化處理后在鎂合金零件表面就會均勻生成一種厚達5-40微米的陶瓷層。制備的陶瓷層既有高的耐腐蝕性及較好的力學性能，又保持了陶瓷層與基底良好的結合力。
本發明處理的微弧氧化陶瓷層主要技術指標特點是耐腐蝕經37小時直接鹽霧腐蝕實驗，腐蝕率僅為0.036mm/a，按照金屬耐蝕性十級標準，屬于4級耐蝕類，經涂漆等后續處理后耐蝕性更好。
抗電化學腐蝕能力強。經過微弧氧化處理后試樣的電化學阻抗比未經處理原始試樣的電化學阻抗高3個數量級。
強度高，斷裂強度可達250兆帕，比基體的斷裂強度(230兆帕)提高8.7％。
彈性好，延伸率達10％以上(基體僅為6.5％)，斷裂后膜層不開裂、不脫落。
絕緣性好。
耐污性好，未經涂裝也不易被污染。膜層生長速率高。根據生產的實際需要，氧化30分鐘以內，膜層厚度可達5～40微米。
膜層表面粗糙度低未經拋光即可達Ra0.39。
膜層表面致密，孔隙均勻，孔隙率最小的僅為0.029％。
通過改變鋁酸鹽體系中的輔助成分，可以改變膜層表面顏色和微觀形貌。
本發明對幾乎所有鎂、鋁合金件均適用，是解決鎂、鋁合金應用的一個至關重要的限制性環節，將隨著鎂、鋁合金的推廣應用而獲得大量的產業化應用，具有十分廣闊的市場和巨大的經濟、社會效益。
圖1是使用本發明處理的試樣表面微弧氧化層SEM照片。
圖2是使用本發明對試樣進行微弧氧化處理過程電壓-時間曲線。
圖3是使用本發明處理的試樣表面微弧氧化層SEM照片。
圖4是使用本發明處理的試樣表面微弧氧化層SEM照片。
圖5是使用本發明處理的試樣經中性鹽霧腐蝕后SEM照片。
圖6是使用本發明處理的試樣表面微弧氧化層SEM照片。
圖7是使用本發明處理的試樣表面微弧氧化層SEM照片。
圖8是使用本發明處理的試樣表面微弧氧化層的極化曲線圖。
具體實施例方式
下面以使用本發明的電解液進行微弧氧化處理鎂、鋁合金表面生成陶瓷層的方法，進一步說明本發明的具體內容。
實施例1電解溶液為單一鋁酸鈉體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉4g/L。將試樣置于電解液中，連接電源正極，不銹鋼槽連接電源負極。采用恒流法控制微弧氧化過程，電流密度恒定為3A/dm2。從實驗現象看，反應平穩，但由于溶質濃度低，電流密度也小，成膜速率很小，氧化20min，膜厚僅為3微米。電壓升到500V時才起弧，火花呈藍色，實驗過程中發出極微弱的爆鳴聲，終止時電壓達580V。氧化后經沸水封孔，吹干。可以看到試樣表面均勻生成一層淺灰白色的光滑致密的微弧氧化陶瓷層，其微觀表面形貌的SEM照片參閱圖1。
實施例2電解溶液為單一鋁酸鹽體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉40g/L。電流密度恒定為5A/dm2，20分鐘后電壓保持在424伏，其余操作同前例。由于電解質濃度大，微弧氧化處理后試樣表面生成的陶瓷層較前例厚但粗糙度增加。
實施例3電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉4g/L，氫氧化鈉10g/L。電流密度恒定為3A/dm2，氧化20分鐘，其余操作同前例。
實施例4電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉40g/L，氫氧化鈉10g/L，其余操作同前例。
實施例5電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉4g/L，氫氧化鈉4g/L。將試樣置于電解液中，連接電源正極，不銹鋼槽連接電源負極。采用恒流法控制微弧氧化過程。反應過程比較穩定，起弧電壓和終止電壓分別為350V和471V，整個過程中電壓對時間變化情況參閱圖2。氧化20min后試樣經沸水封孔，吹干。陶瓷層的微觀表面形貌的SEM照片參閱圖3。
實施例6電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉20g/L，氫氧化鈉6g/L。將試樣置于電解液中，連接電源正極，不銹鋼槽連接電源負極。采用恒流法控制微弧氧化過程，電流密度保持在5A/dm2，起弧電壓和終止電壓分別為160V和305V，氧化10min。在試樣表面生成的陶瓷層厚約為10微米，陶瓷層非常光滑致密，表面微孔細小均勻(其表面形貌的SEM照片見圖4)，因此該膜層的耐蝕性好，經37小時鹽霧腐蝕，腐蝕率僅為0.036mm/a(該膜層腐蝕后表面形貌的SEM照片參閱圖5)。
實施例7電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉4g/L，檸檬酸鈉3g/L，其余操作同前例。
實施例8電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉40g/L，氫氧化鈉10g/L，檸檬酸鈉8g/L，其余操作同前例。
實施例9電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉5g/L，氫氧化鈉1g/L，檸檬酸鈉5g/L。電流密度保持在3A/dm2，氧化15min，起弧電壓和終止電壓分別為380V和520V。在試樣表面生成的陶瓷層厚約為15微米，陶瓷層顏色變為深灰白色。由于檸檬酸鈉的加入，使反應過程平穩了許多，但從其表面的微觀形貌來看，局部的表面微孔直徑增大。
實施例10電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉4g/L，檸檬酸鈉3g/L，磷酸鈉3g/L，將試樣置于電解液中，連接電源正極，不銹鋼槽連接電源負極。采用恒流法控制微弧氧化過程，電流密度保持在4A/dm2。試樣表面成膜均勻，電火花呈黃色。
實施例11電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉40g/L，氫氧化鈉10g/L，檸檬酸鈉8g/L，磷酸鈉8g/L，電流密度3A/dm2，其余操作同前例。起弧電壓明顯降低，反應較穩定沒有爆鳴聲。
實施例12電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉5g/L，氫氧化鈉1g/L，檸檬酸鈉5g/L，磷酸鈉5g/L。電流密度保持在1.5A/dm2，氧化15min，其余操作同前例。微弧氧化處理后的試樣表面顏色為深灰白色，陶瓷層的微觀表面形貌發生較大變化(參閱圖6)。
實施例13電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉4g/L，高錳酸鉀2g/L，其余操作同前例。加入高錳酸鉀后的微弧氧化試樣表面呈棕色。
實施例14電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉40g/L，氫氧化鈉10g/L，高錳酸鉀8g/L，其余操作同前例。反應后試樣表面的陶瓷層厚度達40微米，顏色為深棕色，但整個試樣表面的顏色不如前例均勻。
實施例15電解溶液為鋁酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取鋁酸鈉30g/L，氫氧化鈉6g/L，高錳酸鉀3g/L，將試樣置于電解液中，連接電源正極，不銹鋼槽連接電源負極。采用恒流法控制微弧氧化過程，電流密度保持在8A/dm2，氧化15min。氧化3分鐘后開始起弧，此后電壓一直穩定在320～330V之間，整個反應過程火花非常細密，終止時電壓為330V。在試樣表面生成的陶瓷層顏色為淺棕色，其微觀表面形貌的SEM照片表明，微孔細小而均勻(參閱圖7)。
上述實施方案中，要求樣品緊密固定在電解槽的支架上。否則會在接觸處產生強烈火花放電，嚴重影響試件表面陶瓷層的質量，甚至會使微弧氧化過程無法繼續。
權利要求
1.鎂、鋁合金在鋁酸鹽體系中微弧氧化處理電解液，其特征在于該電解液是鋁酸鈉體系，按重量與總體積比它包括鋁酸鈉4～40g/L，氫氧化鈉0～10g/L。
2.根據權利要求1所述的鎂、鋁合金在鋁酸鹽體系中微弧氧化處理電解液，其特征在于所說的電解溶液還包括檸檬酸鈉3-8g/L。
3.根據權利要求1所述的鎂、鋁合金在鋁酸鹽體系中微弧氧化處理電解液，其特征在于所說的電解溶液還包括高錳酸鉀2-8g/L。
4.根據權利要求2所述的壓鑄鎂合金在鋁酸鹽體系中微弧氧化處理電解液，其特征在于所說的電解溶液還包括磷酸鈉3-8g/L。
全文摘要
本發明屬于鎂、鋁合金表面改性技術，具體涉及鎂、鋁合金零件進行微弧氧化表面處理的電解溶液。該電解液包括鋁酸鈉及各種輔助成分按重量與總體積比它包括鋁酸鈉4～40g/L，氫氧化鈉0～10g/L。本發明目的在于提供一種能夠顯著提高鎂、鋁合金零件耐蝕性和力學性能的鋁酸鹽體系微弧氧化處理電解液。利用本發明制備的鎂、鋁合金微弧氧化陶瓷層表面光滑細膩，具有很好的耐污性、耐蝕性以及較好的力學性能。
文檔編號C25D11/30GK1737210SQ20051001695
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月12日 優先權日2005年7月12日
發明者劉耀輝, 李頌, 劉海峰, 龐磊, 朱先勇 申請人:吉林大學