專利名稱：陽極氧化物涂層和陽極氧化方法
技術領域：
本發明涉及涂布在鋁或鋁合金表面上的陽極氧化物涂層，并涉及用于獲得所述涂 層的陽極氧化方法。
背景技術：
在用于諸如鋁鑄料(AC料)或鋁壓鑄料(ADC料)等鋁合金材料的常規直流陽極 化工藝中，適當的是將目標物體浸入陽極化流體(例如硫酸浴)中，并對目標物體每ldm2的 表面積施加3A以下的電流。然而，對于AC料和ADC料而言，此工藝方法的陽極氧化物涂層 的生長速率都低至1. 0 y m/分鐘以下。此外，直流陽極氧化物涂層包含大量的凹凸，因此具 有不均勻的膜厚。這種不均一性已經成為涂層質量劣化的主要因素。例如，日本專利第4075918號(專利文獻1)公開了一種陽極氧化方法，其中，對浸 入陽極化流體中的目標物體反復進行施加正電壓的步驟和除去電荷的步驟。該方法的涂層 生長速率高于直流陽極氧化工藝的涂層生長速率。更精確地說，對于AC料而言，該方法實 現了 7. 5 y m/分鐘以上的生長速率，對于含有7. 5%以上的Si的ADC料的作業面而言，實現 了 4. 0 y m/分鐘以上的生長速率。此外，根據該方法制造的涂層很平滑，并且具有均勻的膜 厚。因此，從涂層品質方面來看，該涂層也優于直流陽極氧化物涂層。然而，如果對于AC料而言涂層的生長速率達到13.0 ym/分鐘以上，或者對于含有 7. 5%以上的Si的ADC料的作業面而言涂層的生長速率達到6. 0 y m/分鐘以上，該方法則 會具有下述問題，即，與直流陽極氧化物涂層的情況相似，陽極氧化物涂層包含大量凹凸并 且具有不均勻的膜厚。
發明內容
鑒于上述情況進行了本發明。本發明的目的是提供具有較少凹凸并具有均勻膜厚 的陽極氧化物涂層，和提供用于獲得所述涂層的陽極氧化方法。為達到上述目的，本發明提供了通過對浸入處理浴中的處理部件施加電壓的用于 鋁或鋁合金構材的陽極氧化方法，所述處理部件由任何鋁或鋁合金構材制成，所述構材至 少含有任何一種雜質和添加劑。所述方法包括設置一對負極板，使所述負極板面對處理部 件；和通過使用供電裝置反復進行對處理部件施加正電壓的過程和除去電荷的過程。供電 裝置包括陽極化直流電源、放電直流電源、被構造為將處理部件和一對負極板與陽極化直 流電源和放電直流電源的任何一個端子連接的開關(所述端子具有彼此相反的極性)以及 與處理部件和一對負極板并聯連接于各自電源的電容器和再生電路。在該方法中，除去電 荷的過程中所用的電壓被控制在-22V -7V的范圍內。根據本發明的陽極氧化方法，可以獲得具有較少凹凸并具有均勻膜厚的陽極氧化 物涂層。
圖1是用于實施本發明的陽極氧化方法的電解裝置的示意圖。圖2是用于實施本發明的陽極氧化方法的電解裝置的改進實施方式的示意圖。圖3A是顯示用于實施本發明的陽極氧化方法的電解裝置的另一改進的實施方式 的示意圖，圖3B是如圖3A所示的該電解裝置中所用的供電電路圖，并且圖3C是顯示由該 供電電路提供的電壓和電流的波形的圖。圖4是用于實施本發明的陽極氧化方法的電解裝置的又一改進實施方式的示意圖。圖5是顯示材料ADC 12的涂層生長速率與膜厚分布的標準偏差之間的關系的圖。圖6是顯示材料ADC 12的負電壓與膜厚分布的標準偏差之間的關系的圖。圖7是顯示材料AC 8A的負電壓與膜厚分布的標準偏差之間的關系的圖。
具體實施例方式下面將描述本發明的陽極氧化方法。本發明的實施方式的陽極氧化方法可以通過使用配備有處理浴和電源的電解裝 置來實施。圖1顯示了用在該實施方式的陽極氧化方法中的電解裝置的實例。圖1所示的 裝置包括處理浴2、陽極傳輸線3、一對負極板4和4a、陰極傳輸線5和電源6，并且允許主 要由鋁或鋁合金構材制成的處理部件1可附著于其上。處理部件1是陽極化的目標。目標物體為鋁或鋁合金構材。取決于所需用途，目標 物體可以含有諸如Si等添加劑或者其它雜質，也可以既含有添加劑又含有雜質，還可以不 含任何所述添加劑和雜質。鋁合金構材例如可以是鋁鑄料、鋁壓鑄料和鋁延伸性材料。此 外，所述鋁或鋁合金構材的形狀例如可以是板狀或棒狀，但不特別限于這些形狀。處理浴2例如可以是稀硫酸、草酸、磷酸或鉻酸，但不僅限于這些酸。處理浴2可 以是采用用于常規陽極化的處理流體，例如二元酸浴、二元酸浴與有機酸的混合浴，或者堿 浴。堿浴可以含有堿土金屬化合物。作為另外一種選擇，堿浴可以含有適當選擇的硼化物 或氟化物。處理浴2包含可進行充分攪拌的機構。所述機構的提供用于防止因其中產生的氣 泡等所造成的局部灼燒。通過充分攪拌處理流體，可以有助于涂層的均勻生長。一對負極板4和4a設置在處理浴2的內部，彼此面對，并且處理部件1被設置在 中間。浸入處理流體2中的負極板4和4a優選具有能夠浸入處理流體中的下述表面積，所 述表面積的大小至少為處理部件1的表面積的20倍。這種構造適于獲得均勻涂層。陽極傳輸線3被構造為將由鋁或鋁合金構材制成的處理部件1與電源6的陽極側 連接，而陰極傳輸線5被構造為將負極板4與電源6的陰極側連接。分別用于向陽極和陰 極送電的陽極傳輸線3和陰極傳輸線5可以采用下述材料，所述材料對于處理部件1及負 極板4和4b的1dm2的表面積，可以傳輸大于或等于20A的電流而不會產生應力。更精確 地說，傳輸線可以采用銅線和銅板等。電源6被構造為向處理部件1供應正電荷以在非常短的時段內實現陽極化，和在 非常短的時段內釋放陽極化過程中在涂層上積聚的電荷。因此，用在電解裝置中的電源6 優選具有在施加正電壓和除去電荷之間高速切換的功能。下面將描述使用圖1中所示的裝置的陽極氧化方法的各個步驟。
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首先，在施加正電壓的步驟中，將陰極傳輸線5連接于由鋁或鋁合金構材制成的 處理部件1，然后將處理部件1浸入處理浴2中，并通過對其施加正電壓而進行電解處理。在除去電荷的步驟中，正電壓的施加被臨時打斷，隨后電極被短路或者對電極施 加負電壓。更精確地說，電極的短路既可以通過將陽極傳輸線3直接連接于陰極傳輸線5 而進行，也可以通過使處理部件1與負極板4進行接觸而進行。此處優選施加負電壓，因為 這可使積聚的電荷迅速流動，由此縮短釋放電荷所需的時段。在相似地短時間施加正電壓后，打斷正電壓的施加并再次除去積聚的電荷。通過 重復上述步驟連續進行該過程，直至涂層達到所需厚度。此處，涂層厚度根據所需用途而不 同，并且可以在例如5i!m 50i!m范圍內。然而，涂層厚度不限于此范圍。在該實施方式 中，為高速地重復施加正電壓和除去電荷可應用以下方法。例如，可以通過使用交流電源作為電源6，來交替地進行正電壓的施加和負電壓的 施加。此外，還可以在下述兩個連接之間切換連接，所述兩個連接為在陽極化時與用于陽極 化的直流電源的連接，以及在放電時與用于放電的另一直流電源的連接。在此情況下，電源 6包括被構造為可在用于陽極化的直流電源與用于放電的直流電源之間高速切換的開關， 并且用于陽極化的直流電源、用于放電的直流電源和開關一起構成了 AC/DC雙重電源。施加電壓波形不受特別限制，可以是正弦波、矩形波(脈沖波)和三角形波等。此 外，優選所反復施加的電壓為恒定的，因為采用這種恒定的電壓，涂層會均勻生長，從而可 以通過處理時間來控制涂層厚度。雖然施加正電壓的適當值隨目標物體的表面積的尺寸而不同，但是所述值可以針 對AC料設定為優選在約20V 150V范圍內，或更優選在約30V 100V的范圍內，針對ADC 料優選在約30V 150V范圍內，或更優選在約40V 100V的范圍內。可以在防止出現諸如燒損涂層或熔融涂層等外觀缺陷的陽極化范圍內選擇正電 壓的施加。施加的負電壓可以調整為在-22V -7V范圍內。具體而言，可以將針對AC料的 電壓優選設定為在約-21V -7V范圍內，更優選為在約-17V -11V范圍內，或者最優選 為在約-16V -14V范圍內，將針對ADC料的電壓優選設定為在約-22V _1 IV范圍內，更 優選為在-18V -13V范圍內，或最優選為在約-16V -14V范圍內。隨著電荷在陽極氧化物涂層與鋁合金構材之間積聚，鋁被熔融和氧化，引起涂層 的生長。然而，鋁的熔融和氧化較不易在含有諸如Si等大量合金成分的部分發生，并且涂 層較少在所述部分生長。現在，施加負電壓以除去積聚的電荷，使得在另一次施加正電壓 下，涂層生長在涂層的較薄部分發生的更加顯著。這是因為相對于涂層的較厚部分，在涂層 的較薄部分電荷會更迅速地積聚。通過按此方式反復以非常短的周期施加用于使涂層生長 的正電壓和施加用于除去電荷的負電壓，涂層的膜厚變得均勻。然而，當涂層生長速率進一 步提高時，涂層會因于其上流動的電流增加而積聚更多電荷，因而電荷的除去可能變得不 充分。結果，涂層可能包含許多凹凸，并且膜厚變得不均勻。另一方面，如果過度施加負電 壓，則在涂層的電荷容易積聚的較薄部分將積聚更多負電荷，由此積聚的電荷將抑制涂層 的生長(涂層生長受到抑制是因為當涂層上積聚有負電荷時，需要在施加正電壓之前除去 積聚的負電荷，以引起陽極氧化反應)。結果，涂層的膜厚將變得不均勻。因此，為獲得具有 均勻膜厚的涂層，施加最佳的負電壓是非常重要的。
作為使用交流電源的實例，圖2顯示了包括AC/DC雙電源6a作為組成部分的電解 裝置，所述雙電源6a經構造可進行直流和交流相結合的AC/DC雙重電解處理。AC/DC雙電 源6a向處理部件1供應正電荷以在非常短的時段內進行陽極化，并使陽極化時在涂層上積 聚的電荷于非常短的時段內釋放。因此，AC/DC雙電源6a適于用作實施本發明的方法的電 解裝置的電源。具體而言，如圖2所示，AC/DC雙電源6a (其中交流電源61與直流電源62 彼此串聯連接)的優點還在于，還可以消除電源切換時的電涌。在該電解裝置中，優選使陽 極傳輸線3和陰極傳輸線5彼此纏繞或者彼此緊密附著并于二者之間插入絕緣體，以防止 因頻率造成的功率損耗。圖3A顯示了包括電源6b作為組成部分的電解裝置，所述電源6b經構造可進行直 流電解處理。所述電源6b包含陽極化直流電源63、放電直流電源64和開關65，并且能夠 通過使用開關65，在正電壓的施加和電荷的除去之間切換。與圖2所示的裝置相比，該電解 裝置的優點在于，其需要數量少很多的組成部分，因此其制造加工成本較低。圖3B顯示了圖3A中的裝置的具體電源電路構造。電源6e包含陽極化直流電源 67、放電直流電源68和開關(換流器)69，并且能夠通過使用開關69，在正電壓的施加和電 荷的除去之間切換。圖3A中的電源6b對應于電源6e，其中的陽極化直流電源63對應于陽 極化直流電源67，放電直流電源64對應于放電直流電源68，并且開關65對應于開關69。 附圖標記81、82、84和85表示高速半導體開關，各個所述高速半導體開關由諸如IGBT (絕 緣柵雙極晶體管)或功率M0S-FET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)等形成。在陽極化時，開關81被打開，由此通過使用來自陽極化直流電源67和電容器83 的電荷進行陽極化。然后，開關81被關閉，同時通過打開開關82再生電流，由此為切換至 放電直流電源68做準備。該操作還具有在切換前提供時間延遲的作用，使得陽極化直流電 源67和放電直流電源68不會短路。放電時，開關84被打開，由此通過使用來自放電直流 電源68和電容器86的電荷來釋放積聚在涂層上的電荷。然后，開關84被關閉，同時通過 打開開關85再生電流，由此為切換至陽極化直流電源67做準備。陽極氧化處理通過重復 這些操作而進行。通過這種方式，可以獲得如圖3C所示的電壓和電流的波形。該電解裝置是圖3A中的構造的具體形式，其優點在于，與圖2所示的裝置相比，其 需要數量少得多的組成部分，由此其制造加工成本較低，其優點還在于，通過使用高容量的 電容器83和86以及構成再生電路的開關82和85可以實現微秒級別的瞬時切換，由此可 降低因過電流而引起的沖擊，電容器83和86以及開關82和85如圖3B中所示。圖4顯示了包括電源6c作為組成部分的電解裝置，所述電源6c經構造可進行直 流電解處理。電源6c包括直流電源66、兩對以上陰極和陰極切換器件7，并可在工件上通 過電荷轉移實現正電壓的施加和電荷的除去。負極板4和4a經由切換器件7連接于陰極 傳輸線5a。切換器件7用于在負極板4和4b之間交替地切換電流。隨著電荷向具有電流 的負極板4或4a轉移，可以形成本發明的陽極氧化物涂層。該電解裝置特別具有以下優 點，即，當處理部件1為大型部件并因此而在陽極氧化處理過程中有大電流流動時，在處理 部件1的內部有大的交流電流持續流動。結果，電流載荷可保持較低。當通過使用交流電源或AC/DC雙電源等來進行正電壓施加和負電壓施加時， 可以根據目標物體的表面積大小適當地將每次施加正電壓的各電流流動時間段設置在 25u s ~ 500u s的范圍內。
如果以相同的時間段來反復施加正電壓和施加負電壓，則優選以50 ii s 1000 的周期進行該處理。通過進行反復施加正電壓和除去電荷的電解處理，可以抑制涂層的局部生長，由 此使涂層均勻生長。此外，通過調整在施加正電壓與除去電荷之間切換的頻率，可以控制陽 極氧化物涂層在一個方向上的生長長度和其支化頻率。需要這種控制是因為在除去電荷后 再次施加正電壓時，生長方向可能被改變或者支化。本發明的陽極氧化方法可以實現對于 AC料而言為13.0 ym/分鐘以上的涂層生長速率，和對于含有7. 5%以上的Si的ADC料的作 業面而言為6. 0 y m/分鐘以上的涂層生長速率。因此，涂層生長速率對于AC料而言可提高 至約為20 iim/分鐘，對于含有7. 5%以上的Si的ADC料的作業面而言可提高至約14 ym/ 分鐘(參見表2和表4)。下面將利用實施例更加詳細地描述本發明。但應注意，本發明不僅限于這些實施 例。實施例評價涂層平滑度的方法在通過使用本發明的陽極氧化方法制造陽極化涂層時，通過施加各種負電壓來制 造數種陽極氧化物涂層。隨后，垂直切割陽極氧化物涂層，以暴露并觀察涂層的斷面。使用 各個斷面，以約20 y m的間隔在30個位置測量涂層膜厚，以獲得膜厚分布。評價各個涂層， 并將膜厚分布的標準偏差認作平滑度。膜厚分布的標準偏差o由以下方程1表示方程1
2
| n—‘cr2-x)
M(其中，n指所測量位置的數目(30個位置)，Xi指測量的膜厚j指平均膜厚。)具體而言，隨著標準偏差o的減小，涂層具有較小偏離平均膜厚的膜厚(膜厚均 勻)，并且涂層平滑。此處，涂層的平滑度被視為是標準偏差o，并且有效范圍(在所述范 圍內涂層被認為具有均勻膜厚并且是平滑的)被定義為“等于或低于直流陽極氧化物涂層 的標準偏差o與根據專利文獻1中所公開的陽極氧化方法的涂層(具有均勻膜厚的常規 涂層)的標準偏差o之間的中值”。實施例1根據本發明的陽極氧化方法，對鋁合金壓鑄料ADC12進行陽極氧化處理。制備在 20°C含有10體積％硫酸的處理浴。將正電壓設定為+60V，并將施加正電壓的時間段設定為 56us0同時，將負電壓設定為-15V，并將施加負電壓的時間段設定為56 iis。反復施加正 電壓和負電壓1分鐘，直至陽極氧化物涂層的膜厚生長為7 ym 10 ym的厚度。實施例1 的結果顯示在圖5和表1中。比較例1根據常規直流陽極氧化方法(方法1)，對鋁合金壓鑄料ADC12進行陽極氧化處理。 制備在20°C含有10體積％硫酸的處理浴。以1. 5A/dm2的電流密度執行該處理10分鐘，直 至陽極氧化物涂層的膜厚生長為7 y m 10 y m的厚度。比較例1的結果顯示在圖5和表 1中。比較例2
根據專利文獻1中公開的陽極氧化方法(方法2)，對鋁合金壓鑄料ADC12進行陽 極氧化處理。制備在20°C含有10體積％硫酸的處理浴。將正電壓設定為+45V，并將施加正 電壓的時間段設定為30 ys。同時，將負電壓設定為-2V，并將施加負電壓的時間段設定為 30uso反復施加正電壓和負電壓4分鐘，直至陽極氧化物涂層的膜厚生長為7 y m 10 y m 的厚度。比較例2的結果顯示在圖5和表1中。比較例3根據改進專利文獻1公開的陽極氧化方法所獲得的、其中涂層生長速率得到提高 的方法(方法3)，對鋁合金壓鑄料ADC12進行陽極氧化處理。制備在20°C含有10體積％ 硫酸的處理浴。將正電壓設定為+60V，并將施加正電壓的時間段設定為56 ys。同時，將負 電壓設定為0V，并將施加負電壓的時間段設定為56 y s。反復施加正電壓和負電壓1分鐘， 直至陽極氧化物涂層的膜厚生長為7 y m 10 y m的厚度。比較例3的結果顯示在圖5和 表1中。表 1 圖5和表1顯示，比較例1具有非常低的涂層生長速率和較差的膜厚均勻性。然 而，涂層生長速率和膜厚均勻性在比較例2(圖5中的(a))中得到了顯著改善。比較例3 具有相對于比較例2進一步提高的涂層生長速率。隨著涂層生長速率的提高，膜厚分布的 標準偏差變大，由此表明膜厚均勻性劣化(圖5中的(b))。在實施例1中，為解決此問題， 適當地調整了負電壓。實施例1成功地獲得了等同于比較例2獲得的涂層的膜厚均勻性同 時具有等同于比較例3的涂層生長速率(圖5中的(c))。實施例2將鋁合金壓鑄料ADC12用作試樣，并分別根據方法1 3進行陽極氧化處理。以 與比較例1相似的方式執行方法1，并以與比較例2相似的方式執行方法2。同時，以與比 較例3相似的方式執行方法3，不同之處在于施加不同的負電壓。由此，在施加不同電壓的 同時測量膜厚的均勻性。此外，將具有相互不同的表面形狀的三種不同類型的試樣(A、B和 C)用于本實施例。改變負電壓時的膜厚分布的標準偏差顯示在圖6和表2中，斷面的攝影 圖像顯示在表3中。表 2 *試樣A的處理面積2. 7dm2 *試樣B的處理面積3. 6dm2 *試樣C的處理面積11dm2 表3 圖6、表2和表3顯示了當負電壓被設定在-22V -11V范圍內時膜厚的均勻性 得到改善的結果。在施加的負電壓較小(接近0V)的情況下，電荷只能得到不充分的除去。 另一方面，在施加的負電壓過大的情況下，大量的負電荷積聚在涂層的電荷容易積聚的較 薄的部分，由此抑制涂層生長。這種電荷的不充分除去和負電荷的積聚可以是膜厚不均勻 的因素。實施例3使用AC8A材料作為試樣，并根據與實施例2中的方法相似的方法進行陽極氧化處 理，以確定負電壓的有效范圍。其中使用一種類型的試樣。此外，還調查了改變正電壓時負 電壓的最佳范圍是否保持不變。改變負電壓時膜厚分布的標準偏差如圖7和表4所示。表 4 圖7和表4顯示了當負電壓被設定在_2IV -7V范圍內時膜厚的均勻性得到改 善的結果。與實施例2的結果相似，在施加的負電壓較小(接近0V)的情況下，電荷只能得 到不充分的除去。另一方面，在施加的負電壓過大的情況下，大量的負電荷積聚在涂層的電 荷容易積聚的較薄的部分，由此抑制涂層生長。這種電荷的不充分除去和負電荷的積聚可 以是膜厚不均勻的因素。通過援引將日本專利申請第2009-086503號包括說明書、權利要求和摘要及附圖 在內的內容全部并入本說明書中。
權利要求
一種通過對浸入處理浴中的處理部件施加電壓進行的鋁或鋁合金構材的陽極氧化方法，所述處理部件由含有至少一種雜質和添加劑的任何鋁和鋁合金構材制成，所述方法包括設置一對負極板，使得所述負極板面對所述處理部件；和通過使用供電裝置反復進行對所述處理部件施加正電壓的過程和除去電荷的過程，所述供電裝置包括陽極化直流電源，放電直流電源，被構造為將所述處理部件和所述一對負極板與所述陽極化直流電源和所述放電直流電源的任何一個端子連接的開關，所述端子具有彼此相反的極性，和與所述處理部件和所述一對負極板并聯連接于各自電源的電容器和再生電路，其中，除去電荷的過程中所使用的電壓被調整在-22V～-7V的范圍內。
2.如權利要求1所述的陽極氧化方法，其中，所述鋁合金構材是鋁鑄料和鋁壓鑄料中的任何一種。
3.如權利要求1所述的陽極氧化方法，其中，在除去所述電荷的步驟中對由鋁鑄料制成的所述處理部件施加的所述電壓 在-21V -7V的范圍內。
4.如權利要求1所述的陽極氧化方法，其中，在除去所述電荷的步驟中對由鋁壓鑄料制成的所述處理部件施加的所述電壓 在-22V -11V的范圍內。
5.一種陽極氧化物涂層，所述陽極氧化物涂層通過如權利要求1 4中的任一項所述 的陽極氧化方法形成。
全文摘要
本發明提供一種陽極氧化物涂層和陽極氧化方法。所述方法包括設置一對負極板，使得所述負極板面對所述處理部件；和通過使用供電裝置反復進行對處理部件施加正電壓的過程和除去電荷的過程，所述電源裝置包括陽極化直流電源、放電直流電源、被構造為將處理部件和一對負極板與陽極化直流電源和放電直流電源的任何一個端子連接的開關(所述端子具有彼此相反的極性)和與處理部件和一對負極板并聯連接于各自的電源的電容器和再生電路。此處，除去電荷的過程中所使用的電壓被調整在-22V～-7V的范圍內。
文檔編號C25D11/04GK101851770SQ20101015869
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月30日 優先權日2009年3月31日
發明者山本友晴, 田中洋臣, 藤田昌弘 申請人:鈴木株式會社