兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜。该阳极氧化膜具有三层结构，从铝合金基体往外依次为屏蔽层、多孔亚表层与耐磨表层。该阳极氧化膜大大提高了铝合金的耐磨性能，拓宽了铝合金的应用领域。另外，本发明专利技术采用阳极氧化法，将铝合金作为阳极氧化过程的阳极和阴极，电解液包含硫酸，宽温氧化剂，铝离子，通过控制阳极氧化电流密度，电解液配方控制阳极氧化膜的生长速度和溶解速度，从而获得表面兼具多孔亚表层和耐磨表层的阳极氧化膜层。

Anodic oxide film of aluminum alloy with porous subsurface and wear-resistant surface and its preparation method

The invention provides an anodic oxide film of aluminum alloy with a porous subsurface and a wear-resistant surface. The anodic oxide film has three layers of structure, from the matrix of the aluminum alloy to the shielding layer, the porous subsurface and the wear-resistant surface. The anodic oxide film greatly improves the wear resistance of aluminum alloy and widens the application field of aluminum alloy. In addition, the invention adopts the anodic oxidation method will be Aluminum Alloy as anode and cathode anode oxidation process, the electrolyte contains sulfuric acid, wide temperature oxidizing agent, aluminum ion, by controlling the anodic current density, electrolyte composition control of anodic oxide film growth and dissolution rate, so as to obtain the surface of both sub surface and porous anodic oxide film wear resistant surface.

【技术实现步骤摘要】
兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜及其制备方法
本专利技术涉及铝合金表面处理领域，具体涉及一种兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜及其制备方法。
技术介绍
铝合金具有密度小、比强度高、塑性好、易加工成型等优点，是工业中应用仅次于钢的金属材料，铝合金具有优良的导电性、导热性和耐蚀性，因而广泛应用于航空、航天、汽车、海洋、机械制造、核工业、兵器工业等领域。但是，目前铝合金在服役过程中仍然存在不足之处，例如：容易受到磨损和腐蚀而失效，给工程应用带来很大的安全隐患和经济损失；经过机械加工的铝合金表面都会存在各种缺陷而不能直接投入到实际应用中；铝合金在自然条件下表面会生成一层氧化膜，约为0.01μm-0.10μm，这层氧化膜为非晶态，薄而多孔，力学强度低。这些问题使铝合金无法满足应用领域的实际工况要求，故而需要对铝合金基体进行表面处理。铝合金的表面处理方法有很多，阳极氧化法是目前应用最广且最成功的。阳极氧化是一种电解氧化过程，在这个过程中铝合金基体表面会形成一层氧化膜层。这层氧化膜是位于铝合金基体上的具有屏蔽层(阻挡层)和多孔层结构的膜层，具有高硬度、绝缘绝热性好、耐蚀性优、结合性强、且有很好的吸附特性和良好的光学特性。然而，利用阳极氧化过程在铝合金表面通过电化学反应形成的氧化膜虽然可以提高铝合金的耐蚀性能，但对铝合金的耐磨性能没有很大改善。并且这层氧化膜在服役过程中受到腐蚀后，表面硬度降低，导致耐磨性下降。
技术实现思路
本专利技术提供了一种铝合金基体表面的具有新型结构的阳极氧化膜，如图1所示，该阳极氧化膜在现有的具有屏蔽层和多孔层的铝合金阳极氧化膜表面构筑了耐磨表层，提高了铝合金阳极氧化膜的耐磨损性能。即，本专利技术所提供的技术方案为：一种兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜，该阳极氧化膜从基体往外依次为屏蔽层，多孔亚表层与耐磨表层。作为优选，所述的阳极氧化膜的厚度为40μm-50μm。作为优选，所述的耐磨表层的厚度为2μm-5μm。所述耐磨表层具有较高的硬度和较好的韧性，其显微硬度大于250Hv，甚至高达450Hv，因此大大提高了阳极氧化膜的耐磨性能，经UMT-3摩擦磨损试验机测得磨损率低于6.41×10-4mm3/Nm，相比同实验条件下铝合金基体的磨损率为1.24×10-2mm3/Nm，显著提高了铝合金基体的耐磨性，拓宽了铝合金的应用领域。本专利技术还提供了一种制备上述兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜的方法，采用阳极氧化法，将铝合金基体作为阳极，将铝合金作为阴极，电解液包括硫酸、宽温氧化剂与铝离子，通过控制阳极氧化电流密度，电解液配方而控制阳极氧化膜的生长速度和溶解速度，从而获得表面兼具多孔亚表层和耐磨表层的阳极氧化膜。作为优选，阳极氧化处理前将铝合金基体进行清洗预处理以去除表面杂质。作为一种实现方式，首先将铝合金基体表面机械抛光，然后进行脱脂处理，以去除表面油脂，接着进行水洗，之后进行中和反应，中和脱脂过程残留在铝合金表面的碱性溶液，再在无水乙醇中进行超声清洗，使铝合金表面无其他杂质残留，最后将清洗干净的铝合金用氮气吹干，吹干过程中应防止与铝合金表面的接触以防止污染表面。作为优选，阳极氧化电流为直流恒流，进一步优选，调整氧化电流密度为4-10A/dm2。作为优选，氧化时间30-60min。作为优选，氧化温度为室温。作为优选，阳极氧化过程中，电解液配方为：45-180g/L硫酸、10-16g/L宽温氧化剂、5-10g/L铝离子。所述的宽温氧化剂不限，包括磷酸、草酸、酒石酸、丙酮酸等中的一种或者两种以上的组合。所述的铝离子源不限，包括氢氧化铝、硫酸铝、偏铝酸盐等中的一种或者两种以上提供。作为优选，阳极氧化反应后还应采用去离子水水洗，再进行烘干处理。综上所述，本专利技术采用阳极氧化法，一方面在阳极氧化过程中，将铝合金作为阴极以及在电解液中加入铝离子，控制阳极氧化过程中氧化膜的溶解过程；另一方面，在电解液中加入宽温氧化剂，扩宽了阳极氧化的温度区间，使得阳极氧化过程中温度对阳极氧化膜生长的影响降低。二者相结合，实现了在铝合金基体表面制得兼具多孔亚表层和耐磨表层的阳极氧化膜层。该方法简单易操作，得到的阳极氧化膜的结合良好、摩擦系数低、具有良好的力学性能，能够显著提高铝合金的耐磨性能。附图说明图1是本专利技术兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜的结构示意图；图2是图1所示结构的立体结构示意图；图3是本专利技术实施例1中制得的铝合金阳极氧化膜的扫描电镜图；图4是图3中方框区域的放大图；图5是本专利技术实施例1中制得的铝合金阳极氧化膜的纵向截面扫描电镜图；图6是图5中方框部分的放大图。具体实施方式下面结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。图1-2中的附图标记为：1-耐磨表层；2-多孔亚表层；3-屏蔽层。实施例1：本实施例中，铝合金基体表面的阳极氧化膜具有三层结构，如图1所示，自铝合金基体向表面依次为屏蔽层3、多孔亚表层2、耐磨表层1。图2是该阳极氧化膜的立体结构示意图。上述铝合金基体表面的阳极氧化膜的制备方法包括以下步骤：(1)机械抛光将铝合金基体进行三段式抛光，首先将铝合金进行粗抛光，然后进行细抛光，最后进行精抛光，最终获得镜面效果。(2)脱脂处理将抛光后的铝合金进行脱脂处理，脱脂剂为质量分数为10％的碱液，此碱液为氢氧化钠、碳酸钠和磷酸钠中的至少一种，在20℃下处理15分钟。(3)阳极氧化将脱脂处理后的铝合金基体放入阳极氧化槽液中进行阳极氧化处理，阴极为铝合金，氧化电流密度为4A/dm2，氧化电流为直流恒流，氧化温度为室温，氧化时间为60min；所述电解液成分如下：硫酸45g/L；宽温氧化剂15g/L；铝离子5g/L；其余为水。(4)水洗、烘干将阳极氧化处理后的铝合金基体用去离子水清洗，水洗后进行烘干处理，烘干处理温度为80℃，烘干处理时间为30分钟。上述处理后的铝合金基材表面的阳极氧化膜的扫描电镜图如图3所示，图4是图3中方框区域的放大图。图5是上述处理后的铝合金基材表面的阳极氧化膜的纵向截面的扫描电镜图，图6是图5中方框部分的放大图。从图3可以看出，采用本实施例的阳极氧化方法制备的阳极氧化膜的表层均匀平整，并且具有良好的光泽。从图4可以看出，该阳极氧化膜耐磨表层下方是蜂窝状的多孔亚表层。通过扫描电镜测得该阳极氧化膜具有三层结构，分别是屏蔽层、多孔亚层，以及耐磨表层。通过XPS谱图和XRD谱图分析上述处理后在铝合金表面制备的阳极氧化膜的表层为非晶Al2O3。通过显微硬度计测出该阳极氧化膜的显微硬度达到250-300Hv、磨损率为3.2×10-4-6.41×10-4mm3/Nm、耐磨耐蚀性好，此时阳极氧化膜颜色较深，同时还具有良好的光泽。实施例2：本实施例中，铝合金基体表面的阳极氧化膜具有三层结构，即，自铝合金基体向表面依次为屏蔽层、多孔亚表层、耐磨表层。上述铝合金基体表面的阳极氧化膜的制备方法包括以下步骤：(1)机械抛光将铝合金基体进行三段式抛光，首先将铝合金进行粗抛光，然后进行细抛光，最后进行精抛光，最终获得镜面效果。(2)脱脂处理将抛光后的铝合金进行脱脂处理，脱脂剂为质量分数为15％的碱液，此碱液为氢氧化钠、碳酸钠和磷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜，其特征是：所述的阳极氧化膜从基体往外依次为屏蔽层、多孔亚表层与耐磨表层。

【技术特征摘要】
1.一种兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜，其特征是：所述的阳极氧化膜从基体往外依次为屏蔽层、多孔亚表层与耐磨表层。2.如权利要求1所述的兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜，其特征是：所述的阳极氧化膜的厚度为40μm-50μm。3.如权利要求1或2所述的兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜，其特征是：所述的耐磨表层的显微硬度大于250Hv，经UMT-3摩擦磨损试验机测得磨损率为6.41×10-4mm3/Nm以下。4.如权利要求1或2所述的兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜的制备方法，其特征是：采用阳极氧化法，将铝合金基体作为阳极，将铝合金作为阴极，电解液包括硫酸、宽温氧化剂与铝离子，通过控制阳极氧化电流密度，电解液配方控制阳极氧化膜的生长速度和溶解速度。5.如权利要求4所述的兼具多孔亚表层和耐磨表层的铝合金阳极氧化膜的制备方法，其特征是：阳极氧化处理前...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文杰，吴英豪，张彦彦，秦立光，王立平，薛群基，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33