專利名稱：：一種輕金屬材料的表面處理方法
技術領域：
：本發明涉及一種輕金屬材料的表面處理方法。技術背景目前，輕金屬材料，例如鋁及鋁合金，鎂、鈦及其合金，以其重量輕、比強度高、輾性、延展性好、易于加工的特點廣泛用于航天、航空、汽車、建筑以及電子行業。但美中不足的是輕金屬的表面質軟、不耐磨損、不耐高溫，并且尤其是鋁的腐蝕電位較低，全面腐蝕比較嚴重。為了克服輕金屬表面性能方面的缺陷，擴大應用范圍，延長使用壽命，因此需要對輕金屬材料進行表面處理，用以解決或提高防護性、裝飾性和功能。目前，對于輕金屬材料表面的處理主要是電鍍、陽極氧化等。由于輕金屬材料，尤其是鋁及其合金本身的物理化學特性，使得在輕金屬基材上的電鍍比在鋼鐵基材上的電鍍要困難得多，而必須進行一些特殊的處理，因此，工藝非常復雜。對輕金屬材料陽極氧化是將輕金屬，例如鋁或鋁合金材料置于適當的電解液中作為陽極進行通電處理的過程。經過陽極氧化，鋁表面能生成厚度為幾微米至幾百微米的氧化膜。此氧化膜為多孔層，吸附性很強，易于染色或著色，著色鮮艷且不易退去，有很強的裝飾作用。而且，此氧化膜的表面為多孔蜂窩狀，較之鋁合金的天然氧化膜，耐蝕性、耐磨性均有提高。但在需要高硬度、高耐磨性的表面，例如閥芯、閥套、油缸、氣缸，需要減磨的表面，例如汽車、電動工具、機械，需要耐腐蝕性較高的表面，例如化工、船舶設備的防腐層，需要電絕緣性較高的表面，需要熱穩定性、絕熱、隔熱的表層，例如發動機的耐熱、隔熱部件，對輕金屬材料陽極氧化就遠遠不能滿足要求。
發明內容本發明的目的在于克服上述現有技術所處理的輕金屬表面硬度、耐刮性、耐磨性、耐腐蝕性、電絕緣性較低的缺陷，提供一種既可以使輕金屬表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、電絕緣性較高，而且可以使輕金屬表面易于著色、并具有美觀圖案的輕金屬材料的表面處理方法。本發明提供了一種輕金屬材料的表面處理方法，其中，該表面處理方法包括對輕金屬材料表面形成微弧氧化膜，并依次對形成有微弧氧化膜的輕金屬材料的表面進行激光雕刻和陽極氧化。微弧氧化技術是一種新興的表面處理技術，能在各種金屬表面上形成--層微弧氧化膜，該膜層具有很好的耐磨性以及耐腐蝕性，因此用于耐腐蝕性差、耐磨性差的材料的表面處理。根據本發明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，可以使輕金屬材料獲得具有優異的表面硬度、耐刮性、耐磨性、耐腐蝕性以及電絕緣性的微弧氧化膜，但采用該方法著色較差，也無法實現美觀的圖案。而通過本發明中的激光雕刻方法可以獲得美觀的圖案，而且再進行陽極氧化可以使輕金屬表面易于著色，并且可以染上色澤鮮艷且色彩多樣化的顏色。通過本發明提供的方法，對輕金屬材料表面先進行微弧氧化處理、然后進行激光雕刻、再進行陽極氧化處理，可以使得到的輕金屬材料表面既具有硬度、耐磨性、耐刮性、耐腐蝕性、電絕緣性均較高的優點，而且染色后的輕金屬表面外觀裝飾性很強，色彩鮮艷并且多樣化，圖案具有一定的立體感，從而大大提升了其附加價值。具體實施例方式本發明提供的一種輕金屬材料的表面處理方法，包括對輕金屬材料表面形成微弧氧化膜，并依次對形成有微弧氧化膜的輕金屬材料的表面進行激光雕刻和陽極氧化。根據本發明提供的處理方法，本發明所述對輕金屬材料表面形成微弧氧化膜是通過微弧氧化的方法形成。所述微弧氧化膜的形成方法包括將輕金屬材料置于盛有電解質溶液的電解槽中，以輕金屬材料為陽極，電解槽作為陰極，在高壓下微弧放電氧化，微弧氧化的條件使輕金屬材料表面形成的微弧氧化膜的厚度為5-300微米。根據本發明提供的處理方法，微弧氧化的條件包括電流密度為0.5-10安/分米2，電壓為從0伏至700-800伏，電解質溶液的溫度為10-50°C，微弧氧化的時間為5-50分鐘。根據本發明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，所用電解質溶液為含有堿金屬化合物的水溶液，所述堿金屬化合物選自堿金屬氫氧化物、堿金屬的硅酸鹽、堿金屬的磷酸鹽、堿金屬的硼酸鹽、堿金屬的鋁酸鹽、堿金屬的氟化物中的一種或幾種，以所述電解質溶液為基準，堿金屬化合物的含量為5-100克/升。根據本發明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，所述電解質溶液還優選含有有機添加劑和/或無機鹽添加劑，所述無機鹽添加劑選自與所述堿金屬化合物不形成沉淀的Fe、Cu、V、Ni、W、Mo、Sn和Co的無機鹽以及硫化物中的一種或幾種，有機添加劑為丙三醇和/或乙二胺，所述有機添加劑的含量為0.1-30毫升/升，所述無機鹽添加劑的含量為0.1-20克/升。添加所述有機添加劑和/或無機鹽添加劑可以提高微弧氧化膜的致密性、均勻性、耐污性和耐刮性。根據本發明提供的方法，在所述微弧氧化方法中，可以使輕金屬材料獲得具有優異的表面硬度、耐刮性、耐磨性、耐腐蝕性以及電絕緣性的微弧氧化膜，但采用該方法著色較差，也無法實現美觀的圖案。而通過本發明中的激光雕刻方法可以獲得美觀的圖案，而且再進行陽極氧化可以使輕金屬表面易于著色，并且可以染上色澤鮮艷且色彩多樣化的顏色。根據本發明提供的方法，所述激光雕刻方法為本領域技術人員公知。所述激光雕刻的條件使形成有微弧氧化膜的輕金屬材料的表面形成清晰的圖案。所述激光雕刻的條件包括雕刻設備的電流為2-20安，頻率為2000-50000赫茲，波長為5-1000納米，中間延遲為2-30毫秒。激光雕刻所使用的設備可以是本領域技術人員己知的各種激光雕刻機，例如HSLE-SP、HSLE-XP系列的激光雕刻機、激光標刻機。根據本發明提供的方法，所述陽極氧化方法為本領域技術人員所公知。所述陽極氧化包括硫酸陽極氧化、草酸和鉻酸陽極氧化或硬質陽極氧化。其中，硫酸陽極氧化方法中，電解液的成分簡單，操作維護簡便，一般只需將硫酸稀釋到一定的濃度即可，無需添加其它化學藥品，所以成本很低；硫酸陽極氧化膜是透明的，多孔層吸附性強，易于染色和著色，著色鮮艷且不易退去，有很強的裝飾作用，因此陽極氧化方法優選采用硫酸陽極氧化。根據本發明優選的實施方式，該硫酸陽極氧化的方法包括將進行激光雕刻后的輕金屬材料置于盛有硫酸溶液的電解槽中，以輕金屬材料為陽極，電解槽作為陰極，進行氧化，硫酸溶液的濃度為140-220克/升，電壓為10-12伏，溫度為18-22。C，時間為20-60分鐘。根據本發明提供的方法，所述表面處理方法還包括將陽極氧化后的輕金屬材料與染料溶液接觸，在輕金屬材料的表面著色，所述著色的方法為本領域技術人員所公知。在優選情況下，輕金屬材料與染料溶液接觸的溫度為40-80°C，時間為0.5-10分鐘，染料溶液的濃度為0.5-10克/升，pH值為5.0-7.0，染料溶液的用量為0.1-20克/米2基材。根據本發明提供的方法，所述染料可以采用任何已知的無機染料或有機染料，有機染料例如酸性染料、酸性絡合染料、酸性媒介染料、直接染料、弱酸性染料、分散染料、可溶性還原染料、活性染料、堿性染料、醇溶染料和油溶染料中的一種或幾種；無機染料例如高錳酸鉀溶液或鐵鹽溶液。本發明提供的方法適用于各種輕金屬材料，例如可以是鋁、鎂、鈦、鋁合金、鎂合金以及鈦合金等。按照本發明的一種優選實施方式，本發明提供的輕金屬材料的制備方法依次包括①對輕金屬基材進行打磨、拋光、脫脂、堿洗；②微弧氧化處理;③激光雕刻；④脫脂、化拋、堿咬、化拋；⑤硫酸陽極氧化；⑥著色；⑦封孔、烘干。下面的實施例將對本發明作進一步的說明。實施例1本實施例說明本發明提供的輕金屬材料的表面處理方法。(1)將鋁合金基材進行打磨、拋光、脫脂、堿洗。采用人工打磨的方法對鋁合金基材進行打磨，去掉鋁合金基材多余料頭和毛刺，再用砂紙進行拋光，直到用1200目的砂紙打磨平滑即可，然后用丙酮作為脫脂溶劑對經過打磨、拋光后的鋁合金基材進行清洗，反復2次。脫脂完畢后采用氫氧化鈉含量為30克/升、磷酸鈉含量為40克/升、硅酸鈉為20克/升的堿性溶液對鋁合金基材進行清洗。清洗的溫度為85。C，清洗的時間為10分鐘。然后水洗5分鐘。(2)微弧氧化處理將經過以上處理的鋁合金工件浸入含有三聚磷酸鈉10克/升、磷酸鈉20克/升、硅酸鈉10克/升、偏釩酸鈉10克/升、硫酸鈷10克/升、丙三醇1毫升/升的電解質溶液中，以鋁合金工件為陽極，采用電流密度2安/分米2，在溫度4(TC，將電壓從0伏升至700伏進行微弧氧化處理，其間用空氣攪拌對電解質溶液進行攪拌，處理時間為12分鐘。之后用純水清洗干凈并用風槍吹干，得到黑色微弧氧化膜層的鋁合金工件。微弧氧化膜的厚度(用德國PHYNIX公司，Pocket-Surfix的涂鍍層測厚儀測量)為20微米。(3)激光雕刻將上述微弧氧化處理過的鋁合金工件用激光雕刻機(型號為HSLE-SP)，在電流為5安，頻率為5000赫茲，波長為50納米，中間延遲為5毫秒條件下激光雕刻圖案。(4)脫脂、化拋、堿咬、化拋將激光雕刻好的鋁合金工件依次進行脫脂(R100:45克/升；70°C;5分鐘)、化拋(磷酸85-95重量％，余量為硝酸；常溫；0.2分鐘)、堿咬(濃度為10重量Q/。的NaOH;常溫；0.1-2分鐘)處理，每道工序完成后都需要用純水清洗干凈。(5)硫酸陽極氧化將經過上述處理后的鋁合金工件浸入盛有濃度為180克/升硫酸水溶液的電解槽中，將該鋁合金工件作為陽極，在電壓為12伏、溫度為22"C的條件下陽極氧化50分鐘，完成陽極氧化后取出并清洗干凈。(6)著色將陽極氧化后的鋁合金工件浸入已配制好的綠色酸性染料水溶液(日本奧野)中染色10分鐘，該酸性染料溶液的濃度為5克/升，PH值為5.6，該酸性染料溶液的用量為8克/米2基材，著色的溫度為50°C，完成后取出并清洗干凈。(7)封孔、烘干將著色后的鋁合金工件浸入鎳離子5克/升的封孔液中封閉10分鐘，溫度為85°C，完成封孔后用90。C的純水清洗干凈，并在60。C條件下烘烤15分鐘。經過對鋁合金工件進行上述處理，所得到的鋁合金工件用涂鍍層測厚儀(德國PHYNIX公司，Pocket-Surfix)測得所形成膜的厚度為20微米，基底為黑色，圖案為綠色。實施例2本實施例說明本發明提供的輕金屬材料的表面處理方法。(1)將鋁合金基材進行打磨、拋光、脫脂、堿洗。采用人工打磨的方法對鋁合金基材進行打磨，去掉鋁合金基材多余料頭和毛刺，再用砂紙進行拋光，直到用1200目的砂紙打磨平滑即可，然后用丙酮作為脫脂溶劑對經過打磨、拋光后的鋁合金基材進行清洗，反復2次。脫脂完畢后釆用氫氧化鈉含量為30克/升、磷酸鈉含量為40克/升、硅酸鈉為20克/升的堿性溶液對鋁合金基材進行清洗。清洗的溫度為85"C，清洗的時間為10分鐘。然后水洗5分鐘。(2)微弧氧化處理將上述處理好的鋁合金工件浸入含六偏磷酸鈉20克/升、氫氧化鈉5克/升、硅酸鈉5克/升、乙二胺25毫升/升的電解液中，將該鋁合金工件作為陽極。采用電流密度1.5安/分米2，在溫度35"C，將電壓從0伏升至800伏進行微弧氧化處理，其間用空氣攪拌對電解液進行攪拌，處理時間為10分鐘。處理結束后，用純水清洗干凈并用風槍吹干，得到形成有白色微弧氧化膜的鋁合金工件。微弧氧化膜的厚度(用德國PHYNIX公司，Pocket-Surfix的涂鍍層測厚儀測量)為10微米。(3)激光雕刻將上述經過微弧氧化處理的鋁合金工件用激光雕刻機(型號為HSLE-SP)，在電流為5安，頻率為10000赫茲，波長為100納米，中間延遲為2毫秒的條件下激光雕刻出圖案。(4)脫脂、化拋、堿咬、化拋將激光雕刻好的鋁合金工件依次進行脫脂(脫脂劑R100:45克/升；70。C;IO分鐘)、化拋(磷酸85-95重量％，余量為硝酸；常溫；2分鐘)、堿咬(濃度為10重量c/。的NaOH;常溫；2分鐘)處理，每道工序后都需要用純水清洗干凈。(5)硫酸陽極氧化將經過上述處理后的鋁合金工件浸入盛有濃度為180克/升的硫酸水溶液的電解槽中，將該鋁合金工件作為陽極，在電壓為12伏、溫度為2(TC的條件下，陽極氧化35分鐘，完成后取出并用純水清洗干凈。(6)著色將陽極氧化后的鋁合金工件浸入紅色酸性染料水溶液(重光)中染色8分鐘，將工件染成淺紅色，用于著色的酸性染料溶液的濃度為1克/升，PH值為5.0，酸性染料溶液的用量為12克/米2基材，著色的溫度為8(TC，完成著色后取出并用純水清洗干凈。(7)封孔、烘干將著色后的鋁合金工件浸入含鎳離子5克/升的封孔液中封閉10分鐘，溫度為85。C，完成封孔后用卯。C的純水清洗干凈，并在60。C條件下烘烤15分鐘。經過對鋁合金工件進行上述處理，所得到的鋁合金工件用涂鍍層測厚儀(德國PHYNIX公司，Pocket-Surfix)測得所形成膜的厚度為20微米，基底為白色，圖案為紅色。用涂鍍層測厚儀(德國PHYNIX公司，Pocket-Surfix)測得經過上述處理方法所得到的膜厚度為IO微米，基底為白色，圖案為淺紅色。性能測試(1)中性鹽霧測試將鋁合金材料樣品置于鹽霧箱內，在35。C下用5±0.5重量％的氯化鈉鹽水噴涂樣品8小時后，取出進行觀測，并記錄樣品表面的腐蝕面積占鍍層總面積的百分含量(鍍層總面積按金屬鍍層計算)。(2)RCA紙帶耐磨測試使用型號為F350008的RCA紙帶耐磨儀，在175克力下磨擦鋁合金材料表面涂層，鋁合金材料表面涂層磨至露底時，記錄橡膠輪轉動的圈數；(3)鉛筆硬度測試(ASTMD3363-74)儀器鉛筆硬度計F130027檢驗方法ASTMD3363，負荷750克，鉛筆三菱UNI(4)耐刮性用劃痕儀進行耐刮測試，測頭為直徑0.75毫米的金剛石，測試角度為90°，分別施加1N、2N、3N……的力于被測樣品表面，若施加3N(含)以下的力樣品表面無劃痕，則被測樣品耐刮性能合格，否則為不合格。(5)電絕緣性用萬用表對樣品表面的兩點測試電阻。將實施例1和實施例2所處理得到的鋁合金材料分別進行中性鹽霧測試、RCA紙帶耐磨測試、鉛筆硬度測試、耐刮性測試和電絕緣性測試，測試結果列于表l。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權利要求1.一種輕金屬材料的表面處理方法，其特征在于，該表面處理方法包括對輕金屬材料表面形成微弧氧化膜，并依次對形成有微弧氧化膜的輕金屬材料的表面進行激光雕刻和陽極氧化。2、根據權利要求1所述的方法，其中，所述微弧氧化膜的形成方法包括將輕金屬材料置于盛有電解質溶液的電解槽中，以輕金屬材料為陽極，電解槽作為陰極，將輕金屬材料氧化，微弧氧化的條件使輕金屬材料表面形成的微弧氧化膜的厚度為5-300微米。3、根據權利要求2所述的方法，其中，微弧氧化的條件包括電流密度為0.5-10安/分米2，電壓為從0伏至700-800伏，電解質溶液的溫度為10-50°C，微弧氧化的時間為5-50分鐘。4、根據權利要求2所述的方法，其中，所用電解質溶液為含有堿金屬化合物的水溶液，所述堿金屬化合物選自堿金屬氫氧化物、堿金屬的硅酸鹽、堿金屬的磷酸鹽、堿金屬的硼酸鹽、堿金屬的鋁酸鹽、堿金屬的氟化物中的一種或幾種，以所述電解質溶液為基準，堿金屬化合物的含量為1-100克/升。5、根據權利要求2所述的方法，其中，所用電解質溶液還含有有機添加劑和/或無機鹽添加劑，所述無機鹽添加劑選自與所述堿金屬化合物不形成沉淀的Fe、Cu、V、Ni、W、Mo、Sn禾BCo的無機鹽以及硫化物中的一種或幾種，有機添加劑為丙三醇和/或乙二胺，所述有機添加劑的含量為0.1-30毫升/升，所述無機鹽添加劑的含量為0.1-20克/升。6、根據權利要求1所述的方法，其中，所述激光雕刻的條件使形成有微弧氧化膜的輕金屬材料的表面形成清晰的圖案。7、根據權利要求6所述的方法，其中，所述激光雕刻的條件包括雕刻設備的電流為2-20安，頻率為2000-50000赫茲，波長為5-1000納米，雕刻時的中間延遲為2-30毫秒。8、根據權利要求1所述的方法，其中，所述陽極氧化為硫酸陽極氧化，該硫酸陽極氧化的方法包括將進行激光雕刻后的輕金屬材料置于盛有硫酸溶液的電解槽中，以輕金屬材料為陽極，電解槽作為陰極，進行氧化，硫酸溶液的濃度為140-220克/升，電壓為10-12伏，溫度為18-22°C，時間為20-60分鐘。9、根據權利要求1所述的方法，其中，所述表面處理方法還包括將陽極氧化后的輕金屬材料與染料溶液接觸，在輕金屬材料的表面著色，接觸的溫度為40-8(TC，時間為0.5-10分鐘，染料溶液的濃度為0.5-10克/升，pH值為5.0-7.0，染料溶液的用量為0.1-20克/米2基材。10、根據權利要求9所述的方法，其中，所述染料為酸性染料、酸性絡合染料、酸性媒介染料、直接染料、弱酸性染料、分散染料、可溶性還原染料、活性染料、堿性染料、醇溶染料和油溶染料中的一種或幾種。11、根據權利要求1所述的方法，其中，所述輕金屬為鎂、鋁、鈦、鎂合金、鋁合金或鈦合金。全文摘要一種輕金屬材料的表面處理方法，其中，該表面處理方法包括對輕金屬材料表面形成微弧氧化膜，并依次對形成有微弧氧化膜的輕金屬材料的表面進行激光雕刻和陽極氧化。通過本發明提供的方法得到的輕金屬材料具有硬度、耐磨性、耐腐蝕性、電絕緣性均很高優點，并且外觀裝飾性很強，色彩鮮艷并且多樣化，圖案具有一定的立體感，從而大大提升了其附加價值。文檔編號C25D11/04GK101210336SQ200610167400公開日2008年7月2日申請日期2006年12月31日優先權日2006年12月31日發明者清宮,軍林,梁陳申請人:比亞迪股份有限公司