一种降低高硅铝合金微弧氧化单位能耗的方法

摘要

本发明公开了一种降低高硅铝合金微弧氧化单位能耗的方法，先在高硅铝合金的表面制备Ti/Zr预钝化膜，再进行微弧氧化处理；所述在高硅铝合金的表面制备Ti/Zr预钝化膜，具体包括以下步骤：(1)对高硅铝合金进行前处理；(2)在高硅铝合金的表面制备Ti/Zr钝化膜：(2-1)制备钝化液：每升去离子水中含有1-5g单宁酸、1-4g氟钛酸、1-2g氟锆酸、1-4g偏钒酸钠；(2-2)将高硅铝合金浸泡在钝化液中，处理时间为1-4min；处理温度为25℃。本发明降低了硅对微弧氧化的不利影响，且工艺简单、高效、环保的条件下，取得缩短铸造铝硅合金微弧氧化过程起弧时间，降低单位能耗的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金表面处理领域，特别涉及一种降低高硅铝合金微弧氧化 单位能耗的方法。

背景技术

Al-Si系合金具有比强度高、可焊性和热膨胀性好以及价格低廉等特点，被 广泛应用于机械设备、航空航天和电子封装等领域。但是其耐蚀、耐磨性差， 限制了其的进一步应用。随着现代工业的不断发展，对材料的性能要求也越来 越高。为此，在使用前通常需要对铸造铝合金进行表面处理，以提高其硬度、 耐磨性、耐蚀性等性能，延长其使用寿命。

微弧氧化作为一种从阳极氧化发展而来的新型表面处理技术，其具备非常 突出的优点，如所用电解液清洁环保、工艺设备简单、处理能力强等以及可制 备出综合性能优良的陶瓷膜层，使得微弧氧化技术得到了广泛关注，并在机械 制造、航空航天、通讯器材等领域有着广阔的应用潜景。

微弧氧化进行的必要条件是在微弧氧化第一阶段，样品表面能够形成高阻 抗的钝化膜来促进击穿放电。高硅铝合金(质量百分数>7％)中硅元素含量较高， 而硅在微弧氧化初期难以钝化，阻碍了试样表面形成高阻抗的钝化膜，导致其 起弧时间过长，膜层生长缓慢，整个过程单位能耗过高(远高于形变铝合金)。 因此缩短铸造铝硅合金微弧氧化过程起弧时间，降低单位能耗对于推动该技术 在工业生产中的实际应用具有重要意义。

目前研究中大多数都是通过对基材进行预处理来降低硅对微弧氧化的不利 影响。公开号为CN101880904A专利中采用阳极氧化方法进行预处理，但是该 方法进行预处理效率较低(阳极氧化处理时间长达50min)。另外预处理过程中 使用的浓硫酸溶液对环境污染较大。文献(王晓军,刘向东,刘永珍,等.预先热处 理对ZAlSi12Cu2Mg1铝合金微弧氧化层的影响[J].材料热处理学 报,2008,29(1):133-136.)中采用热处理方法进行预处理，但是热处理效率较低(热 处理时间达5小时)。因此寻求一种高效、清洁的预处理方法很有必要。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种降低高 硅铝合金微弧氧化单位能耗的方法，实现降低硅对微弧氧化的不利影响，且工 艺简单、高效、环保的条件下，取得缩短铸造铝硅合金微弧氧化过程起弧时间， 降低单位能耗的效果。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种降低高硅铝合金微弧氧化单位能耗的方法，先在高硅铝合金的表面制 备Ti/Zr预钝化膜，再进行微弧氧化处理；所述高硅铝合金中硅的质量百分 数>7％。

所述在高硅铝合金的表面制备Ti/Zr预钝化膜，具体包括以下步骤：

(1)对高硅铝合金进行前处理；

(2)在高硅铝合金的表面制备Ti/Zr预钝化膜：

(2-1)制备钝化液：每升去离子水中含有1-5g单宁酸、1-4g氟钛酸、1-2g 氟锆酸、1-4g偏钒酸钠；

(2-2)将高硅铝合金浸泡在钝化液中，处理时间为1-4min；处理温度为常 温(25℃左右)。

步骤(1)所述对高硅铝合金进行前处理，具体为：

(1-1)依次用100#、400#、600#、800#、1000#的SiC砂纸将高硅铝合金 连续打磨至表面光滑且划痕一致为止；

(1-2)将打磨后的高硅铝合金依次采用去离子水、丙酮在超声波清洗仪中 清洗，清洗时间为8-10min，温度为常温。

所述微弧氧化处理的工艺参数为：

频率为250-500HZ、正/负向电流密度为5-10/1-2.5A/dm²、正/负向占空比为 10％-40％/10％-40％、正负脉冲比为1:1-3:1，处理时间为10-15min；

微弧氧化电解液由去离子水、Na₂SiO₃和NaOH组成，其中每升去离子水中 含有6-12g Na₂SiO₃、1-3g NaOH。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过在高硅铝合金表面制备预钝化膜，覆盖基体表面的硅元素， 实现降低硅对微弧氧化的不利影响，取得缩短铸造铝硅合金微弧氧化过程起弧 时间，降低单位能耗的效果。

(2)本发明的方法操作简便易行，处理效率高(仅需1-3min)。

(3)本发明的方法使用的处理液清洁环保。

附图说明

图1为本发明实施例1中ZL104铝合金表面预钝化膜的扫描电镜照片；

图2为本发明实施例1中微弧氧化电压-时间曲线；

图3为本发明实施例1中未经预钝化处理的试样微弧氧化膜层截面图；

图4为本发明实施例1中经过预钝化处理的试样微弧氧化膜层截面图；

图5为本发明实施例1中基体与微弧氧化陶瓷膜极化曲线；

图6为本发明实施例2中微弧氧化电压-时间曲线；

图7为本发明实施例3中微弧氧化电压-时间曲线；

图8为本发明实施例4中微弧氧化电压-时间曲线。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不 限于此。

实施例1

本实施例以ZL104铝合金为例。ZL104铝合金表面各元素含量如表1所示。

表1 ZL104表面各元素含量

从表1中可看出，ZL104铝合金表面主要含有Al、Si和O，其表面硅含量 为15.24％。

本实施例的降低高硅铝合金微弧氧化单位能耗的方法，包括以下步骤：

(1)在高硅铝合金的表面制备Ti/Zr预钝化膜：

将ZL104铝合金依次用100#、400#、600#、800#、1000#的SiC砂纸连续 打磨至表面光滑且划痕一致为止；经过工业酸洗和混合酸洗，并用蒸馏水冲洗 干净表面后，浸泡在钝化液中制备钛/锆钝化膜；钝化液中，每升去离子水中含 有2g单宁酸、2g氟钛酸、1g氟锆酸、1g偏钒酸钠；成膜3min后取出吹干，可 观察到基体表面生成了平整均匀的金黄色预钝化膜。ZL104铝合金表面预钝化 膜经扫描电镜观测其形态如图1所示，从中可看出生成的预钝化膜致密平整， 能够很好的覆盖基体。预钝化膜表面各元素含量如表2所示。

表2 预钝化膜表面各元素含量

从表2中可看出，预钝化膜中主要含有C、O、Al以及极少量的Si、Ti、V、 Zr。经过钛/锆钝化膜处理后基体表层的硅已降低至2.13％，降幅达到86.02％， 这说明ZL104表面的硅大部分被钝化膜覆盖，这达到了通过化学转化处理来覆 盖基体表层硅的目的。

(2)进行微弧氧化处理：配制微弧氧化电解液，在室温下称取8g Na₂SiO₃、 2g NaOH溶入1L去离子水中，用磁力搅拌器使其充分溶解。溶液配制完毕后， 采用双极性脉冲电源分别对ZL104铝合金基体和覆有预钝化膜的ZL104铝合金 进行微弧氧化处理，相关参数设定为：正负向电流密度分别为10A/dm²和 2.5A/dm²，频率400Hz，正负占空比30％，正负向脉冲比1:1，处理时间为15min。 微弧氧化处理完毕后，取出试样，用去离子水反复冲洗并吹干，即可得到微弧 氧化陶瓷膜。微弧氧化过程中的电压-时间曲线如图2所示，从图2中可看出相 比无预钝化膜处理的试样，有预钝化膜的试样起弧时间缩短了约110秒。微弧 氧化膜层截面如图3和图4所示，从中可看出不经过预钝化膜处理的试样微弧 氧化15min膜层厚度为5.35μm，而经过预钝化膜处理后的试样微弧氧化膜层厚 度为10.56μm；单位能耗从7.7869kw·h/(m²·μm)降低为4.5448kw·h/(m²·μm)，相 比无预钝化膜处理的试样，经过预钝化膜处理后，微弧氧化过程单位能耗降低 了41.64％。微弧氧化膜层的极化曲线如图5所示，基体的腐蚀电流密度为 -7.3390μA·cm^-2，相比基体，有预钝化膜的试样腐蚀电流密度降低了24倍，无预 钝化膜的试样降低了10倍，这表明试样微弧氧化后，膜层的耐蚀性得到了显著 提高，且有预钝化膜试样制备出的微弧氧化膜耐蚀性提高的更多。

实施例2

本实施例以ZL104铝合金为例。本实施例的降低高硅铝合金微弧氧化单位 能耗的方法，包括以下步骤：

(1)在ZL104铝合金的表面制备Ti/Zr钝化膜：

将ZL104铝合金依次用100#、400#、600#、800#、1000#的SiC砂纸连续 打磨至表面光滑且划痕一致为止；经过工业酸洗和混合酸洗，并用蒸馏水冲洗 干净表面后，浸泡在钝化液中制备钛/锆钝化膜；钝化液中，每升去离子水中含 有4g单宁酸、4g氟钛酸、2g氟锆酸、1g偏钒酸钠；成膜3min后取出吹干；

(2)进行微弧氧化处理：配制微弧氧化电解液，在室温下称取12g Na₂SiO₃、 2g NaOH溶入1L去离子水中，用磁力搅拌器使其充分溶解。溶液配制完毕后， 采用双极性脉冲电源分别对ZL104铝合金基体和覆有预钝化膜的ZL104铝合金 进行微弧氧化处理，相关参数设定为：正负向电流密度分别为10A/dm²和 2.5A/dm²，频率600Hz，正负占空比30％，正负向脉冲比3:1，处理时间为15min。 微弧氧化处理完毕后，取出试样，用去离子水反复冲洗并吹干，即可得到微弧 氧化陶瓷膜。微弧氧化过程中的电压-时间曲线如图6所示，相比无预钝化膜的 试样，有预钝化膜的试样起弧时间缩短了约115秒；单位能耗为4.3125 kw·h/(m²·μm)。

实施例3

按照实施例1中的方法制备出表面覆有预钝化膜的高硅铝合金。

配制微弧氧化电解液，在室温下称取8g Na₂SiO₃、1g NaOH溶入1L去离子 水中，用磁力搅拌器使其充分溶解。溶液配制完毕后，采用双极性脉冲电源分 别对ZL104铝合金基体和覆有预钝化膜的高硅铝合金进行微弧氧化处理，相关 参数设定为：正负向电流密度分别为10A/dm²和1A/dm²，频率400Hz，正负占 空比30％，正负向脉冲比1:1，处理时间为15min。微弧氧化处理完毕后，取出 试样，用去离子水反复冲洗并吹干，即可得到微弧氧化陶瓷膜。微弧氧化过程 中的电压-时间曲线如图7所示，相比无预钝化膜处理的试样，有预钝化膜的试 样起弧时间缩短了约104秒；单位能耗为4.9342kw·h/(m²·μm)。

实施例4

按照实施例1中的方法制备出表面覆有预钝化膜的高硅铝合金。

配制微弧氧化电解液，在室温下称取8g Na₂SiO₃、2g NaOH溶入1L去离子 水中，用磁力搅拌器使其充分溶解。溶液配制完毕后，采用双极性脉冲电源分 别对ZL104铝合金基体和覆有预钝化膜的高硅铝合金进行微弧氧化处理，相关 参数设定为：正负向电流密度分别为10A/dm²和1A/dm²，频率600Hz，正负占 空比15％，正负向脉冲比1:1，处理时间为15min。微弧氧化处理完毕后，取出 试样，用去离子水反复冲洗并吹干，即可得到微弧氧化陶瓷膜。微弧氧化过程 中的电压-时间曲线如图8所示，相比无预钝化膜处理的试样，有预钝化膜的试 样起弧时间缩短了约100秒；单位能耗为5.2276kw·h/(m²·μm)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。