使用微弧氧化工艺的合金表面色彩处理 |
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申请号 | CN201710301735.1 | 申请日 | 2017-05-02 | 公开(公告)号 | CN107435159A | 公开(公告)日 | 2017-12-05 |
申请人 | 纳米及先进材料研发院有限公司; | 发明人 | 陶宏; 苏敬豪; 李思越; 金秋; | ||||
摘要 | 示例实施方式包括 铝 (Al) 合金 或镁(Mg)合金的 表面处理 方法,使用 电解 液以获得具有均匀加强的着色表面。示例实施方式还包括由示例方法制得的表面处理的 铝合金 或镁合金。 | ||||||
权利要求 | 1.处理铝合金表面的方法,包括: |
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说明书全文 | 使用微弧氧化工艺的合金表面色彩处理技术领域背景技术[0002] 微弧氧化(MAO)处理是有希望和有效的来形成具有良好附着于基层的厚陶瓷层,其也是环保的,具有好的成本效益。然而,制造商通常不满意MAO工艺,因为它在处理表面上产生不希望的色彩。最近的方法尝试修饰表面颜色,但是需要额外工艺,其是低效且耗时的。 [0003] 因此,需要提供一种在合金上使用MAO工艺的表面色彩处理方法。 发明内容[0004] 一个示例实施方式是铝(Al)合金表面的处理方法,其包括:将铝合金浸入电解液;且以0.03-0.17A/cm2电流密度和500-2600Hz脉冲频率的电流施加在铝合金上,持续100- 720秒的时间。铝合金包括了至少90重量百分比的铝。电解液是去离子(deionized,DI)水中的10-30g/L硅酸盐、3-6g/L氢氧化物,以及8-40g/L钨酸盐的混合物。通过该方法处理的铝合金的表面色彩被均匀加强。 [0005] 另一个示例实施方式是镁(Mg)合金表面的处理方法,其包括:将镁合金浸入电解液;且以0.03-0.17A/cm2电流密度和500-2600Hz脉冲频率的电流施加在镁合金上,持续100-720秒的时间。镁合金包括至少90重量百分比的镁。电解液是去离子水中的20-30g/L硅酸盐、5-20g/L磷酸盐、3-6g/L氢氧化物、5-10g/L甘油(glycerol)、0.5-2g/L钨酸盐,以及5- 15g/L的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒(nanoparticle)的混合物。通过该方法处理的镁合金的表面色彩被均匀加强。 [0009] 图1C和图1D分别示出了,依照示例实施方式,MAO处理的镁合金表面及其截面的SEM图。 [0010] 图1E和图1F分别示出了,依照示例实施方式,通过EDX,MAO处理的镁合金表面及其截面的钛分布图。 [0011] 图2A示出了,依照示例实施方式,使用8g/L钨酸钠处理的MAO处理的铝合金样本的X射线衍射(XRD)峰值。 [0012] 图2B示出了,依照示例实施方式,使用30g/L钨酸钠处理的MAO处理的铝合金样本的XRD峰值。 [0013] 图2C示出了,依照示例实施方式,使用15g/L二氧化钛(TiO2)纳米颗粒的MAO处理的镁合金样本的XRD峰值。 [0014] 图3示出了,依照示例实施方式,MAO处理的镁合金的X射线光电子能谱(XPS)峰值,指示了分别在458.5eV和464.5eV的结合能中TiO2的Ti2p3/2峰值和Ti2p1/2的存在。 [0015] 图4A示出了,依照示例实施方式,黑MAO处理的铝合金,具有PANTONE 19-0823TCX的色码。 [0016] 图4B示出了,依照示例实施方式,黑MAO处理的镁合金,具有PANTONE 7540 C的色码。 [0017] 图5A和图5B分别示出了,依照示例实施方式,使用8g/L和40g/L钨酸钠MAO处理的铝合金样本的标准红绿蓝(sRGB)值。 [0018] 图5C和图5D分别示出了,依照示例实施方式,使用30g/L钨酸钠、加工480秒和595秒的MAO处理的铝合金样本的sRGB值。 [0019] 图5E和图5F分别示出了,依照示例实施方式,使用10g/L和15g/LTiO2纳米颗粒(金红石,30nm)MAO处理的镁合金样本的sRGB值。 [0020] 图5G和图5H分别示出了,依照示例实施方式,使用10g/L的TiO2纳米颗粒(金红石,2 2 30nm)、以0.08A/cm和0.17A/cm的电流密度加工的MAO处理的镁合金样本的sRGB值。 [0021] 图5I和图5J分别示出了,依照示例实施方式,使用5g/L的TiO2纳米颗粒(金红石,30nm)、加工140秒和200秒的MAO处理的镁合金样本的sRGB值。 [0022] 图6A示出了,依照示例实施方式,提供了商业等级的铝合金7075的化学组分的表。 [0023] 图6B示出了,依照示例实施方式,提供了商业等级的镁合金AZ31B和AZ91D的化学组分的表。 [0024] 图7示出了,依照示例实施方式,铝(Al)合金表面的处理方法。 [0025] 图8示出了,依照示例实施方式,镁(Mg)合金表面的处理方法。 具体实施方式[0027] 示例1:铝合金上的黑MAO处理 [0028] 由商业等级的铝合金7075制得的样本用于这些实验中。通过示例的方式,图6A中的表600示出了铝合金7075的化学组分。在一个示例实施方式中,本领域技术人员意识到,包括至少90%铝的其它铝合金还将适用于这些实验。 [0029] 铝合金样本使用微弧氧化(MAO)方法处理。首先,通过在不锈钢浴槽中将10-30g/L硅酸盐和3-6g/L氢氧化物溶解至去离子(DI)水中,制备用于MAO处理的电解液。随后,添加2 物8-40g/L钨酸盐被加入电解液。以0.03-0.17A/cm电流密度和500-2600Hz脉冲频率的电流施加至浸在电解液中的铝合金,持续100-720秒的时间。化学上和机械上保护的铝基陶瓷层在该工艺期间形成在铝合金样本的表面上,以获得MAO处理的铝合金。铝基陶瓷层的涂层厚度是5-40um。MAO处理的铝合金表面色彩被均匀加强。 [0030] 在一个示例实施方式中,硅酸盐是九水偏硅酸钠(sodium metasilicate nonahydrate),氢氧化物是氢氧化钠,且钨酸盐是钨酸钠。 [0031] 在一个示例实施方式中,电解液是DI水中的15g/L九水偏硅酸钠、3g/L氢氧化钠和40g/L钨酸钠的混合物;以0.08A/cm2电流密度和2600Hz脉冲频率的电流施加至铝合金上,持续540秒的时间。铝合金表面的色彩被均匀加强以匹配标准色码PANTONE 19-0823TCX。 [0032] 图7示出了,铝(Al)合金表面的处理方法。 [0033] 在框700中,提供铝合金。 [0034] 在框702中,铝合金浸入电解液。 [0035] 在框704中,以0.03-0.17A/cm2电流密度和500-2600Hz脉冲频率的电流施加至铝合金上,持续100-720秒的时间。 [0036] 图1A示出了,MAO处理的铝合金表面的SEM图。图1B示出了,附图1A的MAO处理的铝合金表面上的钨酸盐分布的EDX图。 [0037] 图2A示出了,使用8g/L钨酸钠处理的MAO处理的铝合金样本的XRD峰值。图2B示出了,使用30g/L钨酸钠处理的MAO处理的铝合金样本的XRD峰值。正如从这两幅图中观察的,当添加更多的钨酸钠时,在~23°处的非晶态(amorphous)WO3峰值被发现具有更高强度。该结果指示了,更多的钨酸盐添加至电解液,可获得更暗的MAO处理的铝合金的表面着色。 [0038] 图5A示出了,用于以8g/L钨酸钠处理持续540秒的MAO处理的铝合金样本的(148、137、125)的sRGB值。图5B示出了,用于以40g/L钨酸钠处理持续540秒的的MAO处理的铝合金样本的(93、83、72)的sRGB值。这两幅图还指示了,当添加更多的钨酸钠时,可形成更暗的MAO处理的铝合金的表面着色,正如较小的sRGB值所反映的。 [0039] 在另一个示例实施方式中,MAO处理的铝合金的色彩可通过MAO处理时间控制。图5C示出了用于以30g/L钨酸钠处理的、且持续480秒加工的MAO处理的铝合金样本的(128、 118、105)的sRGB值。图5D示出了用于以30g/L钨酸钠处理、且持续595秒加工的MAO处理的铝合金样本的(120、109、96)的sRGB值。该结果指示了,当MAO处理时间更长时,可形成更暗的MAO处理的铝合金的表面着色,正如较小的sRGB值所反映的。 [0040] 在另一个示例实施方式中,不需要额外的加工步骤,例如退火步骤,来形成具有增强表面着色的MAO处理的铝合金。 [0041] 在一个示例实施方式中,当40g/L钨酸钠被添加至用于MAO处理的电解液中时,可获得具有标准色码PANTONE 19-0823TCX的MAO处理的铝合金,如图4A中所示。 [0042] 示例2:镁合金上的黑MAO处理 [0043] 由商业等级的镁合金AZ31B或AZ91D制得的样本用于这些实验中。通过示例的方式,图6B中的表602示出了镁合金AZ31B和镁合金AZ91D的化学组分。在一个示例实施方式中,本领域技术人员意识到,包括至少90%镁的其它镁合金还将适用于这些实验。 [0044] 镁合金样本使用MAO方法处理。首先,通过在不锈钢浴槽中将20-30g/L硅酸盐、5-20g/L磷酸盐和3-6g/L氢氧化物溶解至DI水中,制备用于MAO处理的电解液。随后,添加物5- 10g/L甘油、0.5-2g/L钨酸盐和5-15g/L的TiO2纳米颗粒被添加至电解液中。通过示例的方式,添加的TiO2纳米颗粒是金红石二氧化钛,具有30nm的颗粒尺寸。以0.03-0.17A/cm2电流密度和500-2600Hz脉冲频率的电流施加至浸在电解液中的镁合金样本,持续100-720秒的时间。化学上和机械上保护的镁基陶瓷层在该工艺期间形成在镁合金样本的表面上,以获得MAO处理的镁合金。镁基陶瓷层的涂层厚度是5-40um。MAO处理的镁合金表面色彩被均匀加强。 [0045] 在一个示例实施方式中,硅酸盐是九水偏硅酸钠,磷酸盐是十水焦磷酸钠,氢氧化物是氢氧化钠,且钨酸盐是钨酸钠。 [0046] 在一个示例实施方式中,使用镁合金AZ31B。电解液是DI水中的30g/L九水偏硅酸钠、10g/L十水焦磷酸钠(sodium pyrophosphate decahydrate)、3g/L氢氧化钠、5g/L甘油、0.5g/L钨酸钠和10g/L的30nm颗粒尺寸的金红石二氧化硅的混合物;以0.17A/cm2电流密度和2600Hz脉冲频率的电流施加至镁合金样本上,持续150秒的时间。镁合金表面的色彩被均匀加强以匹配标准色码PANTONE 7540C。 [0047] 图8示出了,镁(Mg)合金表面的处理方法。 [0048] 在框800中,提供镁合金。 [0049] 在框802中,镁合金浸入电解液。 [0050] 在框804中,以0.03-0.17A/cm2电流密度和500-2600Hz脉冲频率的电流施加至镁合金上,持续100-720秒的时间。 [0051] 图1C和图1D分别示出了MAO处理的镁合金表面及MAO处理的镁合金表面的截面的SEM图。 [0052] 图1E和图1F分别示出了图1C和图1D分别的MAO处理的镁合金表面上的钛分布的EDX图。 [0053] 图2C示出了,使用15g/L的TiO2纳米颗粒处理的MAO处理的镁合金样本的XRD峰值。 [0054] 图3示出了MAO处理的镁合金的XPS峰值,指示了分别在458.5eV和464.5eV的结合能中TiO2的Ti2p3/2峰值和Ti2p1/2的存在。 [0055] 图5E示出了用于以10g/L的TiO2纳米颗粒(金红石、30nm)处理、0.17A/cm2的电流密度持续210秒的MAO处理的镁合金样本的(97、100、106)的sRGB值。 [0056] 图5F示出了用于以15g/L的TiO2纳米颗粒(金红石、30nm)处理、在0.17A/cm2电流密度和2600Hz脉冲频率的电流下持续170秒的MAO处理的镁合金样本的(69、71、80)的sRGB值。该结果指示了,当添加更多的TiO2纳米颗粒(金红石,30nm)时,可形成更暗的MAO处理的镁合金的表面着色,正如较小的sRGB值所反映的。 [0057] 图5G示出了用于以10g/L的TiO2纳米颗粒(金红石、30nm)处理且在0.08A/cm2电流密度和2600Hz脉冲频率的电流下持续600秒加工的MAO处理的镁合金样本的(104、107、111)的sRGB值。 [0058] 图5H示出了用于以10g/L的TiO2纳米颗粒(金红石、30nm)处理、且在0.17A/cm2电流密度和2600Hz脉冲频率的电流下持续210秒加工的MAO处理的镁合金样本的(97、100、106)的sRGB值。该结果指示了,当施加的电流密度增加时,可形成更暗的MAO处理的镁合金的表面着色,正如较小的sRGB值所反映的。 [0059] 图5I示出了用于以5g/L的TiO2纳米颗粒(金红石、30nm)处理、且在0.11A/cm2电流密度和2600Hz脉冲频率的电流下持续140秒加工的MAO处理的镁合金样本的(164、158、158)的sRGB值。 [0060] 图5J示出了用于以5g/L的TiO2纳米颗粒(金红石、30nm)处理、且在0.11A/cm2电流密度和2600Hz脉冲频率的电流下持续200秒加工的MAO处理的镁合金样本的(134、132、134)的sRGB值。该结果指示了,当处理时间更长时,可形成更暗的MAO处理的镁合金的表面着色,正如较小的sRGB值所反映的。 [0061] 在另一个示例实施方式中,不需要额外的加工步骤,例如退火步骤,来形成具有增强表面着色的MAO处理的镁合金。 [0062] 在一个示例实施方式中,当10g/L的TiO2纳米颗粒被添加至用于MAO处理的电解液中时,可获得具有标准色码PANTONE 7540 C的MAO处理的镁合金,如图4B中所示。 [0063] 正如在此使用的,术语“均匀加强”意味着在本发明中形成的MAO涂层的色彩比传统的白MAO色彩更暗,其中在本发明中形成的MAO涂层的色彩的sRGB值比传统的白MAO的色彩的sRGB值低。在本发明中形成的MAO涂层的色彩是均匀的,使得由测色计测量的PANTONE色码的结果在相同MAO样本中是可以重复的。 |