CN101851770A - 阳极氧化物涂层和阳极氧化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阳极氧化物涂层和阳极氧化方法。所述方法包括：设置一对负极板，使得所述负极板面对所述处理部件；和通过使用供电装置反复进行对处理部件施加正电压的过程和除去电荷的过程，所述电源装置包括：阳极化直流电源、放电直流电源、被构造为将处理部件和一对负极板与阳极化直流电源和放电直流电源的任何一个端子连接的开关(所述端子具有彼此相反的极性)和与处理部件和一对负极板并联连接于各自的电源的电容器和再生电路。此处，除去电荷的过程中所使用的电压被调整在-22V～-7V的范围内。

Description

阳极氧化物涂层和阳极氧化方法

技术领域

本发明涉及涂布在铝或铝合金表面上的阳极氧化物涂层，并涉及用于获得所述涂层的阳极氧化方法。

背景技术

在用于诸如铝铸料(AC料)或铝压铸料(ADC料)等铝合金材料的常规直流阳极化工艺中，适当的是将目标物体浸入阳极化流体(例如硫酸浴)中，并对目标物体每1dm²的表面积施加3A以下的电流。然而，对于AC料和ADC料而言，此工艺方法的阳极氧化物涂层的生长速率都低至1.0μm/分钟以下。此外，直流阳极氧化物涂层包含大量的凹凸，因此具有不均匀的膜厚。这种不均一性已经成为涂层质量劣化的主要因素。

例如，日本专利第4075918号(专利文献1)公开了一种阳极氧化方法，其中，对浸入阳极化流体中的目标物体反复进行施加正电压的步骤和除去电荷的步骤。该方法的涂层生长速率高于直流阳极氧化工艺的涂层生长速率。更精确地说，对于AC料而言，该方法实现了7.5μm/分钟以上的生长速率，对于含有7.5％以上的Si的ADC料的作业面而言，实现了4.0μm/分钟以上的生长速率。此外，根据该方法制造的涂层很平滑，并且具有均匀的膜厚。因此，从涂层品质方面来看，该涂层也优于直流阳极氧化物涂层。

然而，如果对于AC料而言涂层的生长速率达到13.0μm/分钟以上，或者对于含有7.5％以上的Si的ADC料的作业面而言涂层的生长速率达到6.0μm/分钟以上，该方法则会具有下述问题，即，与直流阳极氧化物涂层的情况相似，阳极氧化物涂层包含大量凹凸并且具有不均匀的膜厚。

发明内容

鉴于上述情况进行了本发明。本发明的目的是提供具有较少凹凸并具有均匀膜厚的阳极氧化物涂层，和提供用于获得所述涂层的阳极氧化方法。

为达到上述目的，本发明提供了通过对浸入处理浴中的处理部件施加电压的用于铝或铝合金构材的阳极氧化方法，所述处理部件由任何铝或铝合金构材制成，所述构材至少含有任何一种杂质和添加剂。所述方法包括设置一对负极板，使所述负极板面对处理部件；和通过使用供电装置反复进行对处理部件施加正电压的过程和除去电荷的过程。供电装置包括阳极化直流电源、放电直流电源、被构造为将处理部件和一对负极板与阳极化直流电源和放电直流电源的任何一个端子连接的开关(所述端子具有彼此相反的极性)以及与处理部件和一对负极板并联连接于各自电源的电容器和再生电路。在该方法中，除去电荷的过程中所用的电压被控制在-22V～-7V的范围内。

根据本发明的阳极氧化方法，可以获得具有较少凹凸并具有均匀膜厚的阳极氧化物涂层。

附图说明

图1是用于实施本发明的阳极氧化方法的电解装置的示意图。

图2是用于实施本发明的阳极氧化方法的电解装置的改进实施方式的示意图。

图3A是显示用于实施本发明的阳极氧化方法的电解装置的另一改进的实施方式的示意图，图3B是如图3A所示的该电解装置中所用的供电电路图，并且图3C是显示由该供电电路提供的电压和电流的波形的图。

图4是用于实施本发明的阳极氧化方法的电解装置的又一改进实施方式的示意图。

图5是显示材料ADC 12的涂层生长速率与膜厚分布的标准偏差之间的关系的图。

图6是显示材料ADC 12的负电压与膜厚分布的标准偏差之间的关系的图。

图7是显示材料AC 8A的负电压与膜厚分布的标准偏差之间的关系的图。

具体实施方式

下面将描述本发明的阳极氧化方法。

本发明的实施方式的阳极氧化方法可以通过使用配备有处理浴和电源的电解装置来实施。图1显示了用在该实施方式的阳极氧化方法中的电解装置的实例。图1所示的装置包括处理浴2、阳极传输线3、一对负极板4和4a、阴极传输线5和电源6，并且允许主要由铝或铝合金构材制成的处理部件1可附着于其上。

处理部件1是阳极化的目标。目标物体为铝或铝合金构材。取决于所需用途，目标物体可以含有诸如Si等添加剂或者其它杂质，也可以既含有添加剂又含有杂质，还可以不含任何所述添加剂和杂质。铝合金构材例如可以是铝铸料、铝压铸料和铝延伸性材料。此外，所述铝或铝合金构材的形状例如可以是板状或棒状，但不特别限于这些形状。

处理浴2例如可以是稀硫酸、草酸、磷酸或铬酸，但不仅限于这些酸。处理浴2可以是采用用于常规阳极化的处理流体，例如二元酸浴、二元酸浴与有机酸的混合浴，或者碱浴。碱浴可以含有碱土金属化合物。作为另外一种选择，碱浴可以含有适当选择的硼化物或氟化物。

处理浴2包含可进行充分搅拌的机构。所述机构的提供用于防止因其中产生的气泡等所造成的局部灼烧。通过充分搅拌处理流体，可以有助于涂层的均匀生长。

一对负极板4和4a设置在处理浴2的内部，彼此面对，并且处理部件1被设置在中间。浸入处理流体2中的负极板4和4a优选具有能够浸入处理流体中的下述表面积，所述表面积的大小至少为处理部件1的表面积的20倍。这种构造适于获得均匀涂层。

阳极传输线3被构造为将由铝或铝合金构材制成的处理部件1与电源6的阳极侧连接，而阴极传输线5被构造为将负极板4与电源6的阴极侧连接。分别用于向阳极和阴极送电的阳极传输线3和阴极传输线5可以采用下述材料，所述材料对于处理部件1及负极板4和4b的1dm²的表面积，可以传输大于或等于20A的电流而不会产生应力。更精确地说，传输线可以采用铜线和铜板等。

电源6被构造为向处理部件1供应正电荷以在非常短的时段内实现阳极化，和在非常短的时段内释放阳极化过程中在涂层上积聚的电荷。因此，用在电解装置中的电源6优选具有在施加正电压和除去电荷之间高速切换的功能。

下面将描述使用图1中所示的装置的阳极氧化方法的各个步骤。

首先，在施加正电压的步骤中，将阴极传输线5连接于由铝或铝合金构材制成的处理部件1，然后将处理部件1浸入处理浴2中，并通过对其施加正电压而进行电解处理。

在除去电荷的步骤中，正电压的施加被临时打断，随后电极被短路或者对电极施加负电压。更精确地说，电极的短路既可以通过将阳极传输线3直接连接于阴极传输线5而进行，也可以通过使处理部件1与负极板4进行接触而进行。此处优选施加负电压，因为这可使积聚的电荷迅速流动，由此缩短释放电荷所需的时段。

在相似地短时间施加正电压后，打断正电压的施加并再次除去积聚的电荷。通过重复上述步骤连续进行该过程，直至涂层达到所需厚度。此处，涂层厚度根据所需用途而不同，并且可以在例如5μm～50μm范围内。然而，涂层厚度不限于此范围。在该实施方式中，为高速地重复施加正电压和除去电荷可应用以下方法。

例如，可以通过使用交流电源作为电源6，来交替地进行正电压的施加和负电压的施加。此外，还可以在下述两个连接之间切换连接，所述两个连接为在阳极化时与用于阳极化的直流电源的连接，以及在放电时与用于放电的另一直流电源的连接。在此情况下，电源6包括被构造为可在用于阳极化的直流电源与用于放电的直流电源之间高速切换的开关，并且用于阳极化的直流电源、用于放电的直流电源和开关一起构成了AC/DC双重电源。

施加电压波形不受特别限制，可以是正弦波、矩形波(脉冲波)和三角形波等。此外，优选所反复施加的电压为恒定的，因为采用这种恒定的电压，涂层会均匀生长，从而可以通过处理时间来控制涂层厚度。

虽然施加正电压的适当值随目标物体的表面积的尺寸而不同，但是所述值可以针对AC料设定为优选在约20V～150V范围内，或更优选在约30V～100V的范围内，针对ADC料优选在约30V～150V范围内，或更优选在约40V～100V的范围内。

可以在防止出现诸如烧损涂层或熔融涂层等外观缺陷的阳极化范围内选择正电压的施加。

施加的负电压可以调整为在-22V～-7V范围内。具体而言，可以将针对AC料的电压优选设定为在约-21V～-7V范围内，更优选为在约-17V～-11V范围内，或者最优选为在约-16V～-14V范围内，将针对ADC料的电压优选设定为在约-22V～-11V范围内，更优选为在-18V～-13V范围内，或最优选为在约-16V～-14V范围内。

随着电荷在阳极氧化物涂层与铝合金构材之间积聚，铝被熔融和氧化，引起涂层的生长。然而，铝的熔融和氧化较不易在含有诸如Si等大量合金成分的部分发生，并且涂层较少在所述部分生长。现在，施加负电压以除去积聚的电荷，使得在另一次施加正电压下，涂层生长在涂层的较薄部分发生的更加显著。这是因为相对于涂层的较厚部分，在涂层的较薄部分电荷会更迅速地积聚。通过按此方式反复以非常短的周期施加用于使涂层生长的正电压和施加用于除去电荷的负电压，涂层的膜厚变得均匀。然而，当涂层生长速率进一步提高时，涂层会因于其上流动的电流增加而积聚更多电荷，因而电荷的除去可能变得不充分。结果，涂层可能包含许多凹凸，并且膜厚变得不均匀。另一方面，如果过度施加负电压，则在涂层的电荷容易积聚的较薄部分将积聚更多负电荷，由此积聚的电荷将抑制涂层的生长(涂层生长受到抑制是因为当涂层上积聚有负电荷时，需要在施加正电压之前除去积聚的负电荷，以引起阳极氧化反应)。结果，涂层的膜厚将变得不均匀。因此，为获得具有均匀膜厚的涂层，施加最佳的负电压是非常重要的。

作为使用交流电源的实例，图2显示了包括AC/DC双电源6a作为组成部分的电解装置，所述双电源6a经构造可进行直流和交流相结合的AC/DC双重电解处理。AC/DC双电源6a向处理部件1供应正电荷以在非常短的时段内进行阳极化，并使阳极化时在涂层上积聚的电荷于非常短的时段内释放。因此，AC/DC双电源6a适于用作实施本发明的方法的电解装置的电源。具体而言，如图2所示，AC/DC双电源6a(其中交流电源61与直流电源62彼此串联连接)的优点还在于，还可以消除电源切换时的电涌。在该电解装置中，优选使阳极传输线3和阴极传输线5彼此缠绕或者彼此紧密附着并于二者之间***绝缘体，以防止因频率造成的功率损耗。

图3A显示了包括电源6b作为组成部分的电解装置，所述电源6b经构造可进行直流电解处理。所述电源6b包含阳极化直流电源63、放电直流电源64和开关65，并且能够通过使用开关65，在正电压的施加和电荷的除去之间切换。与图2所示的装置相比，该电解装置的优点在于，其需要数量少很多的组成部分，因此其制造加工成本较低。

图3B显示了图3A中的装置的具体电源电路构造。电源6e包含阳极化直流电源67、放电直流电源68和开关(换流器)69，并且能够通过使用开关69，在正电压的施加和电荷的除去之间切换。图3A中的电源6b对应于电源6e，其中的阳极化直流电源63对应于阳极化直流电源67，放电直流电源64对应于放电直流电源68，并且开关65对应于开关69。附图标记81、82、84和85表示高速半导体开关，各个所述高速半导体开关由诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)或功率MOS-FET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等形成。

在阳极化时，开关81被打开，由此通过使用来自阳极化直流电源67和电容器83的电荷进行阳极化。然后，开关81被关闭，同时通过打开开关82再生电流，由此为切换至放电直流电源68做准备。该操作还具有在切换前提供时间延迟的作用，使得阳极化直流电源67和放电直流电源68不会短路。放电时，开关84被打开，由此通过使用来自放电直流电源68和电容器86的电荷来释放积聚在涂层上的电荷。然后，开关84被关闭，同时通过打开开关85再生电流，由此为切换至阳极化直流电源67做准备。阳极氧化处理通过重复这些操作而进行。通过这种方式，可以获得如图3C所示的电压和电流的波形。

该电解装置是图3A中的构造的具体形式，其优点在于，与图2所示的装置相比，其需要数量少得多的组成部分，由此其制造加工成本较低，其优点还在于，通过使用高容量的电容器83和86以及构成再生电路的开关82和85可以实现微秒级别的瞬时切换，由此可降低因过电流而引起的冲击，电容器83和86以及开关82和85如图3B中所示。

图4显示了包括电源6c作为组成部分的电解装置，所述电源6c经构造可进行直流电解处理。电源6c包括直流电源66、两对以上阴极和阴极切换器件7，并可在工件上通过电荷转移实现正电压的施加和电荷的除去。负极板4和4a经由切换器件7连接于阴极传输线5a。切换器件7用于在负极板4和4b之间交替地切换电流。随着电荷向具有电流的负极板4或4a转移，可以形成本发明的阳极氧化物涂层。该电解装置特别具有以下优点，即，当处理部件1为大型部件并因此而在阳极氧化处理过程中有大电流流动时，在处理部件1的内部有大的交流电流持续流动。结果，电流载荷可保持较低。

当通过使用交流电源或AC/DC双电源等来进行正电压施加和负电压施加时，可以根据目标物体的表面积大小适当地将每次施加正电压的各电流流动时间段设置在25μs～500μs的范围内。

如果以相同的时间段来反复施加正电压和施加负电压，则优选以50μs～1000μs的周期进行该处理。

通过进行反复施加正电压和除去电荷的电解处理，可以抑制涂层的局部生长，由此使涂层均匀生长。此外，通过调整在施加正电压与除去电荷之间切换的频率，可以控制阳极氧化物涂层在一个方向上的生长长度和其支化频率。需要这种控制是因为在除去电荷后再次施加正电压时，生长方向可能被改变或者支化。本发明的阳极氧化方法可以实现对于AC料而言为13.0μm/分钟以上的涂层生长速率，和对于含有7.5％以上的Si的ADC料的作业面而言为6.0μm/分钟以上的涂层生长速率。因此，涂层生长速率对于AC料而言可提高至约为20μm/分钟，对于含有7.5％以上的Si的ADC料的作业面而言可提高至约14μm/分钟(参见表2和表4)。

下面将利用实施例更加详细地描述本发明。但应注意，本发明不仅限于这些实施例。

实施例

评价涂层平滑度的方法

在通过使用本发明的阳极氧化方法制造阳极化涂层时，通过施加各种负电压来制造数种阳极氧化物涂层。随后，垂直切割阳极氧化物涂层，以暴露并观察涂层的断面。使用各个断面，以约20μm的间隔在30个位置测量涂层膜厚，以获得膜厚分布。评价各个涂层，并将膜厚分布的标准偏差认作平滑度。膜厚分布的标准偏差σ由以下方程1表示：

方程1

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2$

(其中，n指所测量位置的数目(30个位置)，x_i指测量的膜厚，

指平均膜厚。)

具体而言，随着标准偏差σ的减小，涂层具有较小偏离平均膜厚的膜厚(膜厚均匀)，并且涂层平滑。此处，涂层的平滑度被视为是标准偏差σ，并且有效范围(在所述范围内涂层被认为具有均匀膜厚并且是平滑的)被定义为“等于或低于直流阳极氧化物涂层的标准偏差σ与根据专利文献1中所公开的阳极氧化方法的涂层(具有均匀膜厚的常规涂层)的标准偏差σ之间的中值”。

实施例1

根据本发明的阳极氧化方法，对铝合金压铸料ADC12进行阳极氧化处理。制备在20℃含有10体积％硫酸的处理浴。将正电压设定为+60V，并将施加正电压的时间段设定为56μs。同时，将负电压设定为-15V，并将施加负电压的时间段设定为56μs。反复施加正电压和负电压1分钟，直至阳极氧化物涂层的膜厚生长为7μm～10μm的厚度。实施例1的结果显示在图5和表1中。

比较例1

根据常规直流阳极氧化方法(方法1)，对铝合金压铸料ADC12进行阳极氧化处理。制备在20℃含有10体积％硫酸的处理浴。以1.5A/dm²的电流密度执行该处理10分钟，直至阳极氧化物涂层的膜厚生长为7μm～10μm的厚度。比较例1的结果显示在图5和表1中。

比较例2

根据专利文献1中公开的阳极氧化方法(方法2)，对铝合金压铸料ADC12进行阳极氧化处理。制备在20℃含有10体积％硫酸的处理浴。将正电压设定为+45V，并将施加正电压的时间段设定为30μs。同时，将负电压设定为-2V，并将施加负电压的时间段设定为30μs。反复施加正电压和负电压4分钟，直至阳极氧化物涂层的膜厚生长为7μm～10μm的厚度。比较例2的结果显示在图5和表1中。

比较例3

根据改进专利文献1公开的阳极氧化方法所获得的、其中涂层生长速率得到提高的方法(方法3)，对铝合金压铸料ADC12进行阳极氧化处理。制备在20℃含有10体积％硫酸的处理浴。将正电压设定为+60V，并将施加正电压的时间段设定为56μs。同时，将负电压设定为0V，并将施加负电压的时间段设定为56μs。反复施加正电压和负电压1分钟，直至阳极氧化物涂层的膜厚生长为7μm～10μm的厚度。比较例3的结果显示在图5和表1中。

表1

图5和表1显示，比较例1具有非常低的涂层生长速率和较差的膜厚均匀性。然而，涂层生长速率和膜厚均匀性在比较例2(图5中的(a))中得到了显著改善。比较例3具有相对于比较例2进一步提高的涂层生长速率。随着涂层生长速率的提高，膜厚分布的标准偏差变大，由此表明膜厚均匀性劣化(图5中的(b))。在实施例1中，为解决此问题，适当地调整了负电压。实施例1成功地获得了等同于比较例2获得的涂层的膜厚均匀性同时具有等同于比较例3的涂层生长速率(图5中的(c))。

实施例2

将铝合金压铸料ADC12用作试样，并分别根据方法1～3进行阳极氧化处理。以与比较例1相似的方式执行方法1，并以与比较例2相似的方式执行方法2。同时，以与比较例3相似的方式执行方法3，不同之处在于施加不同的负电压。由此，在施加不同电压的同时测量膜厚的均匀性。此外，将具有相互不同的表面形状的三种不同类型的试样(A、B和C)用于本实施例。改变负电压时的膜厚分布的标准偏差显示在图6和表2中，断面的摄影图像显示在表3中。

表2

*试样A的处理面积：2.7dm²

*试样B的处理面积：3.6dm²

*试样C的处理面积：11dm²

表3

图6、表2和表3显示了当负电压被设定在-22V～-11V范围内时膜厚的均匀性得到改善的结果。在施加的负电压较小(接近0V)的情况下，电荷只能得到不充分的除去。另一方面，在施加的负电压过大的情况下，大量的负电荷积聚在涂层的电荷容易积聚的较薄的部分，由此抑制涂层生长。这种电荷的不充分除去和负电荷的积聚可以是膜厚不均匀的因素。

实施例3

使用AC8A材料作为试样，并根据与实施例2中的方法相似的方法进行阳极氧化处理，以确定负电压的有效范围。其中使用一种类型的试样。此外，还调查了改变正电压时负电压的最佳范围是否保持不变。改变负电压时膜厚分布的标准偏差如图7和表4所示。

表4

图7和表4显示了当负电压被设定在-21V～-7V范围内时膜厚的均匀性得到改善的结果。与实施例2的结果相似，在施加的负电压较小(接近0V)的情况下，电荷只能得到不充分的除去。另一方面，在施加的负电压过大的情况下，大量的负电荷积聚在涂层的电荷容易积聚的较薄的部分，由此抑制涂层生长。这种电荷的不充分除去和负电荷的积聚可以是膜厚不均匀的因素。

通过援引将日本专利申请第2009-086503号包括说明书、权利要求和摘要及附图在内的内容全部并入本说明书中。

Claims (5)

1.一种通过对浸入处理浴中的处理部件施加电压进行的铝或铝合金构材的阳极氧化方法，所述处理部件由含有至少一种杂质和添加剂的任何铝和铝合金构材制成，所述方法包括：

设置一对负极板，使得所述负极板面对所述处理部件；和

通过使用供电装置反复进行对所述处理部件施加正电压的过程和除去电荷的过程，所述供电装置包括

阳极化直流电源，

放电直流电源，

被构造为将所述处理部件和所述一对负极板与所述阳极化直流电源和所述放电直流电源的任何一个端子连接的开关，所述端子具有彼此相反的极性，和

与所述处理部件和所述一对负极板并联连接于各自电源的电容器和再生电路，

其中，除去电荷的过程中所使用的电压被调整在-22V～-7V的范围内。

2.如权利要求1所述的阳极氧化方法，

其中，所述铝合金构材是铝铸料和铝压铸料中的任何一种。

3.如权利要求1所述的阳极氧化方法，

其中，在除去所述电荷的步骤中对由铝铸料制成的所述处理部件施加的所述电压在-21V～-7V的范围内。

4.如权利要求1所述的阳极氧化方法，

其中，在除去所述电荷的步骤中对由铝压铸料制成的所述处理部件施加的所述电压在-22V～-11V的范围内。

5.一种阳极氧化物涂层，所述阳极氧化物涂层通过如权利要求1～4中的任一项所述的阳极氧化方法形成。

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