一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法
2023-07-13 05:08:26
專利名稱：：一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法
技術領域：
：本發明涉及一種鈦合金表面的陽極氧化著色，尤其是涉及一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色工藝。
背景技術：
：近年來，由於鈦合金具有獨特的性質而越來越受到人們的關注，因此被廣泛應用於國防尖端科技領域和民用工業方面。例如在航空航天方面，由於鈦合金比重小、重量輕、比強度高，而應用於新一代飛機生產；在醫學上，鈦合金生物相容性好，與人體排斥性低，廣泛應用於牙齒和骨骼的種植體，以及血管內支架等醫療器械方面，成為一種引人注目的生物金屬材料；在建築上，由於鈦合金獨特的特點，其用量逐年增加，一些發達國家也相繼建起了鈦材建築物；此外，在日常生活必需品如手錶、手機外殼、眼鏡框和鏡架等方面的應用也在不斷地擴大。但是，鈦合金也有一些不足之處，如耐磨性、電導率和熱導率低，不易承受釺焊，對氫及熔鹽應力腐蝕比較敏感，與其他金屬接觸易發生接觸腐蝕等，限制了其應用範圍。因此，為進一步擴大鈦合金的應用領域，必須對其表面進行改性處理。而對鈦合金表面進行陽極氧化處理是一種工藝簡單、效果顯著的表面處理技術。國外在20世紀6070年代就十分重視鈦陽極氧化工藝的研究，取得了較大進展，並應用於各行業。而國內關於鈦合金表面陽極氧化處理方面的研究相對較晚，至今仍未建立相應的國家標準。目前，一般工程上的鈦合金陽極氧化工藝中的酸腐蝕活化步驟所採用的主要物質為含氫氟酸(或氟化物)的溶液。如現有的陽極氧化工藝的行業標準(HB/Z347-2002)中所採用的兩種腐蝕液中均含氫氟酸。而氫氟酸是一種高毒物質，極易揮發到空氣中，在使用過程中易對設備、工人身體健康造成一定程度的危害；且在排放過程中只能對其進行稀釋後排放，而無其他處理方式，易對環境造成一定程度的汙染。因此開發出無氟環保型陽極氧化工藝新技術迫在眉睫。此外，採用傳統的鈦合金陽極氧化工藝所獲得的色膜容易被汙染，指紋汙染後會使顏色發生變化，且被汙染後不易恢復，嚴重影響了其裝飾效果，限制了其應用範圍。總而言之，鈦合金陽極氧化著色工藝存在以下的幾個問題和幾個難點。目前鈦合金陽極氧化著色工藝存在的問題(1)鈦合金隨著各種工藝條件的變化，氧化膜色澤很難保持一致。(2)傳統的陽極氧化工藝含有對環境有害的物質(如含鉻的化合物)。(3)採用磷酸和硫酸組成的陽極氧化可以通過控制電壓獲得一定的著色效果，但是，由於酸性太強導致可操作範圍低，溫度過高將導致膜層融解引起色澤不均勻。(4)公開的陽極氧化著色專利只能形成單一的著色效果(中國專利200310103374.8)。(5)目前文獻報導的鈦合金陽極氧化著色工藝中均採用高毒物氫氟酸(或氟化物)等對鈦合金表面進行酸洗活化處理。鈦合金陽極氧化著色工藝存在的難點(1)由於鈦合金化學性質活潑，經加工後的鈦合金零件表面不僅存在自然形成的氧化膜，而且還存在汙染層。這些膜層既妨礙了陽極氧化膜與基底結合，又導致了氧化膜色澤不均勻。(2)傳統的陽極氧化著色只能獲得單一的著色效果，當不同厚度的氧化膜疊加會導致色澤不均勻。(3)工藝條件的變動對著色效果影響較大，要獲得均勻的著色效果必須嚴格控制條件，包括溫度、電流密度、電壓、電解液成分等。(4)陽極氧化色膜表面能較高，膜表面易吸附髒汙物質而被汙染，易發生指紋汙染而使顏色發生變化；另外，色膜被汙染後難恢復，從而影響其美觀，影響裝飾效果。
發明內容本發明的目的在於針對現有的鈦合金陽極氧化著色工藝存在的上述難點和問題，提供一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法。本發明包括以下步驟1)將鈦合金工件鹼洗除油；2)將鹼洗除油後的鈦合金工件電解拋光；3)將電解拋光後的鈦合金工件進行陽極氧化著色，得不同色澤的鈦合金氧化膜；4)將陽極氧化著色後的鈦合金工件封閉處理；5)將封閉處理後的鈦合金工件烘乾，得表面陽極氧化著色的鈦合金工件。在步驟1)中，所述將鈦合金工件鹼洗除油最好在6085t:條件下，將鈦合金工件放入鹼洗除油溶液中處理1015min後取出，再流動水洗；所述鹼洗除油溶液的組成最好為2025gL-1碳酸鈉，2025gL-1磷酸鈉，1015gL-1矽酸鈉，餘為水。在步驟2)中，所述電解拋光最好在2030°C，電流密度5075A'dm—2下，將鹼洗除油後的鈦合金工件放入電解拋光液中電化學處理510min後取出，再流動水洗；所述拋光液的組成最好包括體積分數為35%50%冰乙酸、50%65%高氯酸和12g*L—1的高氯酸鈉，所述冰乙酸的質量百分比最好為99.5%，所述高氯酸的質量百分比最好為70%72%。在步驟3)中，所述陽極氧化著色最好在1535°C，電流密度510AWm—2，電壓896V下，將電解拋光後的鈦合金工件放入陽極氧化著色液中陽極氧化著色110min後取出，再流動水洗；所述的電解拋光最好是以鈦合金工件為陽極，不鏽鋼板或鉛板為陰極，陰極與陽極之間的工作距離最好為215cm，陽極與陰極的面積比最好為l:(14);所述陽極氧化著色液的組成最好為5060g*L—1磷酸鈉，2040g*L—1矽酸鈉，1015g'L一1酒石酸，28g'L—1丙三醇(甘油)，餘為去離子水。在步驟4)中，所述封閉處理最好將陽極氧化著色後的鈦合金工件放入90100°C的去離子水中，封閉處理1530min。在步驟5)中，所述烘乾最好將封閉處理後的鈦合金工件放入溫度11013(TC的烘箱中，烘乾處理3060min。在步驟2)和步驟3)中採用的電源可為直流穩壓電源。與現有的鈦合金表面陽極氧化著色方法相比，本發明工藝步驟少，各步驟操作簡4單，易於維護。本發明通過設定不同的電壓值可以獲得不同色澤的鈦合金氧化膜；氧化膜光彩奪目，色澤鮮豔、均勻無雜色，防指紋，抗汙性強，具有良好的裝飾效果，較高的表面硬度、良好的結合力和耐蝕性。各步驟中溶液易於維護，可實現批量化生產，具有良好的實際應用前景。圖1為實施例1中鹼洗除油處理後電解拋光前的鈦合金工件表面金相組織結構分析。圖2為實施例1中經電解拋光處理後的鈦合金工件表面金相組織結構分析。圖3為實施例1中經陽極氧化著色處理後的鈦合金工件表面金相組織結構分析。圖4為實施例2、3、4、6經本發明處理後獲得不同色澤氧化膜的鈦合金工件實物效果圖。具體實施方式實施例11)鹼洗除油室溫下，在1L去離子水溶液中依次加入碳酸鈉(20g)、磷酸鈉(20g)、矽酸鈉(10g)，待溶解完全後加熱至70°C，將尺寸大小為10mmX10mmX2mm的TC4鈦合金工件放入鹼洗溶液中持續超聲波攪拌，處理15min後取出，流動去離子水清洗2min，自然晾乾。光學顯微鏡觀察其表面金相組織結構如圖l所示。從圖中可以看到鈦合金工件表面粗糙、不均勻，且存在劃痕。2)電解拋光室溫下，在250mL燒杯中依次加入110mL冰乙酸(99.5%，質量百分比)，140mL高氯酸(7072%，質量百分比)以及1.5g高氯酸鈉配製成電解拋光液；將經過鹼洗處理後的鈦合金工件放入此拋光電解液中，以工件為陽極，不鏽鋼板為陰極，施加60Adm—2電流，通電處理5min後取出，流動去離子水清洗2min。經此步驟處理後的鈦合金工件表面金相組織結構如圖2所示，結果表明經過上述拋光處理後的鈦合金工件表面光滑、均一、平整。3)陽極氧化著色2(TC下，在800mL去離子水溶液中外加攪拌下依次加入50g磷酸鈉，32g矽酸鈉，12g酒石酸，6g丙三醇後，充分溶解後，補加去離子水至1L配製成陽極氧化著色液。然後將經上述處理後的鈦合金工件放入此溶液中，以不鏽鋼作為陰極，工件作為陽極，施加5A*血—2恆定電流升壓至50V後恆壓，處理2min後取出，流動去離子水清洗2min。4)封閉將經陽極氧化著色處理後的鈦合金工件放入IO(TC的去離子水中，封閉處理15min。5)烘乾最後將經上述處理的鈦合金工件放入13(TC烘箱中烘乾30min後取出。光學顯微鏡觀察工件表面金相組織結構如圖3所示，表明經過本陽極氧化著色方法處理後的鈦合金工件表面光滑緻密、均勻，無裂紋等表面缺陷。以下給出實施例1獲得的鈦合金氧化膜性能。1、氧化膜與基體結合性能a、按GB5270-85中的劃痕法測定氧化膜與基體結合力合格。b、按GB/T13913-92中的熱震法測定氧化膜與基體的結合力合格。tableseeoriginaldocumentpage6實施例21)鹼洗除油室溫下，在1L去離子水溶液中依次加入碳酸鈉(20g)、磷酸鈉(20g)、矽酸鈉(15g)，待溶解完全後加熱至70°C，將TC4鈦合金實際產品放入鹼洗溶液中持續超聲波攪拌，處理15min後取出，流動去離子水清洗2min。2)電解拋光25t:下，將經鹼洗除油處理後的鈦合金工件放入實施例1的電解拋光液中，以工件為陽極，鉛板為陰極，施加75Adm—2的電流，通電處理6min後取出，流動去離子水清洗2min。3)陽極氧化著色25t:下，在800mL去離子水溶液中外加攪拌下，依次加入55g磷酸鈉，30g矽酸鈉，15g酒石酸，5g丙三醇後，充分溶解後補加去離子水至1L配製成陽極氧化著色液。將經上述處理後的鈦合金工件放入此溶液中，以不鏽鋼為陰極，工件為陽極，施加6Adm—2恆定電流升壓至30V後恆壓，處理3min後取出，流動去離子水清洗2min;4)封閉將陽極氧化著色處理後的鈦合金工件放入沸騰的去離子水中，封閉處理20min;5)烘乾最後將經上述處理的鈦合金工件放入130。C烘箱中烘乾30min後取出。以下給出實施例2獲得的鈦合金氧化膜性能。1、氧化膜與基體結合性能測試方法和實驗結果同實施例1。2、氧化膜其它性能氧化膜其它性能見表2。鈦合金工件經實施例2中所述陽極氧化著色處理後獲得的實物效果如圖4所示(天藍色)。結果表明經過本陽極氧化著色方法處理後獲得的氧化膜色澤光亮鮮豔、均勻美觀。實施例31)鹼洗除油同實施例2。2)電解拋光20。C下，在250mL燒杯中，依次加入110mL冰乙酸(含量>99.5%)，140mL高氯酸(7072%)以及lg高氯酸鈉配製成電解拋光液；將經過鹼洗除油處理後的鈦合金工件放入此拋光電解液中，以工件為陽極，不鏽鋼板為陰極，施加60Adm—2電流，通電處理5min後取出，流動去離子水清洗2min。3)陽極氧化著色25t:下，在800mL去離子水溶液中外加攪拌下，依次加入50g磷酸鈉，40g矽酸鈉，10g酒石酸，2g丙三醇後，充分溶解後補加去離子水至1L配製成陽極氧化著色液。將經上述處理後的鈦合金工件放入此溶液中，以不鏽鋼為陰極，鈦合金工件為陽6極，施加7Adm—2恆定電流升壓至54V後恆壓，處理5min後取出，流動去離子水清洗2min。4)封閉將陽極氧化著色處理後的鈦合金工件放入95t:的去離子水中，封閉處理30min。5)烘乾同實施例2。以下給出實施例3獲得的鈦合金氧化膜性能。1、氧化膜與基體結合性能測試方法和實驗結果同實施例1。2、氧化膜其它性能氧化膜其它性能見表2。鈦合金工件經實施例3中所述陽極氧化著色方法處理後獲得的實物效果如圖4所示(金黃色)。結果表明經過本陽極氧化著色方法處理後獲得的氧化膜色澤光亮鮮豔、均勻美觀。實施例41)鹼洗除油室溫下，在1L去離子水溶液中依次加入碳酸鈉(25g)、磷酸鈉(25g)、矽酸鈉(15g)，待溶解完全後加熱至65°C，將TC4鈦合金工件放入鹼洗除油溶液中持續超聲波攪拌，處理10min後取出，流動去離子水中清洗2min後取出。2)電解拋光3(TC下，將經過鹼洗除油處理後的鈦合金工件放入實施例1的電解拋光液中，以工件為陽極，鉛板為陰極，施加50Adm—2電流，處理5min後取出，流動去離子水清洗2min。3)陽極氧化著色3(TC下，在800mL去離子水溶液中外加攪拌下，依次加入60g磷酸鈉，20g矽酸鈉，16g酒石酸，8g丙三醇後，充分溶解後補加去離子水至1L配製成陽極氧化著色液。將經上述處理後的鈦合金工件放入此溶液中，以不鏽鋼為陰極，工件為陽極，施加8Adm—2電流升壓至69V後恆壓，處理3min後取出，流動去離子水清洗2min後。4)封閉將陽極氧化著色處理後的鈦合金工件放入95t:的去離子水中，封閉處理25min。5)烘乾最後將經上述方法處理後的鈦合金工件放入ll(TC烘箱中，烘乾處理60min後取出。以下給出實施例4獲得的鈦合金氧化膜性能。1、氧化膜與基體結合性能測試方法和實驗結果同實施例1。2、氧化膜其它性能氧化膜其它性能見表2。鈦合金工件經實施例4中所述陽極氧化著色方法處理後獲得的實物效果如圖4所示(紫紅色)。結果表明經過本陽極氧化著色方法處理後獲得的氧化膜色澤光亮鮮豔、均勻美觀。實施例51)鹼洗除油同實施例4。2)電解拋光25t:下，在250mL燒杯中依次加入80mL冰乙酸(99.5%，質量百分比)，170mL高氯酸(7072%，質量百分比)以及2g高氯酸鈉以及0.5g添加劑配製成電解拋光液；將經過鹼洗除油處理後的鈦合金工件放入此拋光電解液中，以工件為陽極，不鏽鋼板為陰極，施加60Adm—2電流密度，處理7min後取出，流動去離子水清洗2min。3)陽極氧化著色25t:下，在800mL去離子水溶液中外加攪拌，依次加入55g磷酸鈉，30g矽酸鈉，15g酒石酸，5g丙三醇後，充分溶解後補加去離子水至1L配製成陽極氧化著色液。將經上述處理後的鈦合金工件放入此溶液中，以不鏽鋼為陰極，工件為陽極，施加9Adm—2恆定電流升壓至82V後恆壓，處理10min後取出，流動去離子水清洗2min。4)封閉將陽極氧化著色處理後的鈦合金工件放入9(TC的去離子水中，封閉處理30min。5)烘乾同實施例4。以下給出實施例5獲得的鈦合金氧化膜性能。1、氧化膜結合性能測試方法和實驗結果同實施例1。2、氧化膜其它性能氧化膜其它性能見表2。鈦合金工件經實施例5中所述陽極氧化著色方法處理後獲得的氧化膜為深綠色，色澤光亮鮮豔、均勻美觀。實施例61)鹼洗同實施例4。2)電解拋光同實施例3。3)陽極氧化著色35t:下，在800mL去離子水溶液中外加攪拌，依次加入50g磷酸鈉，40g矽酸鈉，13g酒石酸，4g丙三醇後，充分溶解後補加去離子水至1L配製成陽極氧化著色液。將經上述處理後的鈦合金工件放入此溶液中，以不鏽鋼為陰極，工件為陽極，施加10Adm—2恆定電流升壓至92V後恆壓，處理5min後取出，流動去離子水清洗2min。4)封閉同實施例4。5)烘乾同實施例4。以下給出實施例6獲得的鈦合金氧化膜性能。1、氧化膜與基體結合性能測試方法和實驗結果同實施例1。2、氧化膜其它性能鈦合金工件經實施例6中所述陽極氧化著色方法處理後獲得的實物效果見圖4(草綠色)。結果表明經過本陽極氧化著色方法處理後獲得的氧化膜色澤光亮鮮豔、均勻美觀。氧化膜其它性能見表2。表2實施例2、3、4、5、6氧化膜顏色和性能tableseeoriginaldocumentpage9權利要求一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於包括以下步驟1)將鈦合金工件鹼洗除油；2)將鹼洗除油後的鈦合金工件電解拋光；3)將電解拋光後的鈦合金工件進行陽極氧化著色，得不同色澤的鈦合金氧化膜；4)將陽極氧化著色後的鈦合金工件封閉處理；5)將封閉處理後的鈦合金工件烘乾，得表面陽極氧化著色的鈦合金工件。2.如權利要求1所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於在步驟1)中，所述將鈦合金工件鹼洗除油在6085t:條件下，將鈦合金工件放入鹼洗除油溶液中處理1015min後取出，再流動水洗。3.如權利要求2所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於所述鹼洗除油溶液的組成為2025gL-1碳酸鈉，2025gL-1磷酸鈉，1015gL-1矽酸鈉，餘為水。4.如權利要求1所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於在步驟2)中，所述電解拋光是在2030°C，電流密度5075Adm—2下，將鹼洗除油後的鈦合金工件放入電解拋光液中電化學處理510min後取出，再流動水洗。5.如權利要求4所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於所述拋光液的組成包括體積分數為35%50%冰乙酸、50%65%高氯酸和12gL—1的高氯酸鈉，所述冰乙酸的質量百分比為99.5%，所述高氯酸的質量百分比為70%72%。6.如權利要求1所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於在步驟3)中，所述陽極氧化著色是在1535°C，電流密度510Adm—2，電壓896V下，將電解拋光後的鈦合金工件放入陽極氧化著色液中陽極氧化著色110min後取出，再流動水洗。7.如權利要求6所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於所述電解拋光是以鈦合金工件為陽極，不鏽鋼板或鉛板為陰極，陰極與陽極之間的工作距離為215cm，陽極與陰極的面積比為1:14。8.如權利要求6所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於所述陽極氧化著色液的組成為5060gL-1磷酸鈉，2040gL-1矽酸鈉，1015gL-1酒石酸，28gL—1丙三醇，餘為去離子水。9.如權利要求1所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於在步驟4)中，所述封閉處理是將陽極氧化著色後的鈦合金工件放入90IO(TC的去離子水中，封閉處理1530min。10.如權利要求1所述的一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，其特徵在於在步驟5)中，所述烘乾是將封閉處理後的鈦合金工件放入溫度110130°C的烘箱中，烘乾處理3060min。全文摘要一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法，涉及一種鈦合金表面的陽極氧化著色。提供一種無氟環保型鈦合金表面陽極氧化著色方法。將鈦合金工件鹼洗除油，電解拋光；將電解拋光後的鈦合金工件進行陽極氧化著色，得不同色澤的鈦合金氧化膜；將陽極氧化著色後的鈦合金工件封閉處理；將封閉處理後的鈦合金工件烘乾，得表面陽極氧化著色的鈦合金工件。工藝步驟少，各步驟操作簡單，易於維護。通過設定不同的電壓值可以獲得不同色澤的鈦合金氧化膜；氧化膜光彩奪目，色澤鮮豔、均勻無雜色，防指紋，抗汙性強，具有良好的裝飾效果，較高的表面硬度、良好的結合力和耐蝕性。各步驟中溶液易於維護，可實現批量化生產，具有良好的實際應用前景。文檔編號C25D11/26GK101717982SQ20091011305公開日2010年6月2日申請日期2009年12月16日優先權日2009年12月16日發明者劉忙仔,彭淑合,王周成申請人:廈門大學