本發(fā)明涉及一種金屬陽極氧化表面處理方法，尤其涉及一種鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法。

背景技術(shù)：

鈦及鈦合金高光陽極氧化會(huì)在金屬表面產(chǎn)生一種氧化膜層，通用膜層厚度在15-30μm之間，膜層硬度基于鈦材料基底290-300hv提高至300-400hv。工業(yè)用途上，可以提高表層涂覆物的結(jié)合力、增加零件的潤滑性、耐磨性以及提高在復(fù)雜環(huán)境(酸性、堿性)中耐腐蝕的性能，同時(shí)膜層可呈現(xiàn)多種顏色，是比較理想的裝飾層。醫(yī)療用途上，膜層組分為氧化鈦及二氧化鈦，可有效增加鈦及鈦合金植入物與人體之間的相容性，減少術(shù)后排異反應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，能夠生成結(jié)合牢固、致密性均勻的膜層，且外觀光亮，不易脫落，從而提高材料表面硬度，增加耐磨性，耐熱性及抗腐蝕性。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，包括如下步驟：s1)提供鈦或鈦合金材質(zhì)工件；s2)采用去離子水加熱，并用超聲清洗去除工件表面浮塵及可見污漬；s3)然后將工件置于配置好的堿性預(yù)處理溶液中浸沒攪拌，繼續(xù)除去工件表面殘留的油污；s4)再將工件取出清水沖洗之后置于室溫狀態(tài)下的酸性拋光溶液中，腐蝕去除工件表面不均勻的氧化膜層，裸露材料基底；s5)最后將工件放入陽極氧化槽液中進(jìn)行陽極氧化，在工件裸露的基底表面形成氧化膜層。

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述步驟s2)采用去離子水加熱至50～70℃，并超聲清洗3min～5min；所述步驟s3)控制堿性預(yù)處理溶液的溫度為60～80℃，浸沒攪拌時(shí)間為3min～5min。

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述步驟s3)中堿性預(yù)處理溶液包含水、氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、水玻璃和表面活性劑，各組分的重量百分比如下：

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述步驟s4)中酸性拋光溶液包含水、硝酸、氫氟酸和光亮劑，各組分的重量百分比如下：

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述步驟s4)中化學(xué)拋光時(shí)間為10～30s。

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述步驟s5)中陽極氧化槽液包含水、磷酸、草酸、對(duì)苯磺酸鈉、磺基水楊酸和穩(wěn)定劑；各組分重量百分比如下:

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述陽極氧化槽中設(shè)有不銹鋼網(wǎng)為負(fù)極，所述工件接正極，所述不銹鋼網(wǎng)和工件外接高頻交流脈沖電源，在室溫條件下，控制電壓為5～110v,電流密度為0.1～10a/平方分米，氧化反應(yīng)時(shí)間為3-5min。

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述步驟s5)還包括將氧化完成的工件置于封閉溶液中，控制封閉溶液溫度為40～50℃，靜置3～5min；然后取出工件置于70℃烘箱中烘烤3min。

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述封閉溶液包含水、磷酸氫二鈉和封閉劑；各組分重量百分比如下：

水94～97％

磷酸氫二鈉2～5％

封閉劑0.5～1％。

上述的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，其中，所述封閉劑為醫(yī)藥級(jí)聚乙烯吡咯烷酮。

本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明提供的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法，通過超聲清洗、堿性預(yù)處理、酸性拋光后進(jìn)行陽極氧化，從而基于基底原位生成的結(jié)合牢固、致密性均勻的氧化膜層，且外觀光亮，不易脫落，大大提高材料表面硬度，增加耐磨性，耐熱性及抗腐蝕性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理過程示意圖；

圖2a為本發(fā)明鈦及鈦合金高光彩色陽極處理前工件表面在顯微鏡下的放大示意圖；

圖2b為本發(fā)明鈦及鈦合金高光彩色陽極處理后工件表面在顯微鏡下的放大示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

圖1為本發(fā)明鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理過程示意圖。

請(qǐng)參見圖1，本發(fā)明提供的鈦及鈦合金高光彩色陽極氧化表面處理方法,其具體工藝步驟為：工件初檢→超聲清洗→預(yù)處理→水洗→化學(xué)拋光→水洗→陽極氧化→水洗→封閉→烘干→檢驗(yàn)包裝。

超聲清洗：3-5min，50-70℃，洗去零件表面浮油及灰塵；

預(yù)處理：預(yù)處理溶液60～80℃，直至零件表面潔凈為止；

化學(xué)拋光：室溫下將工件置于化學(xué)拋光溶液中，10～30s；

陽極氧化：需要外接高頻交流脈沖電源，工件接正極，以不銹鋼網(wǎng)為負(fù)極，在室溫條件下，電壓5～110v,電流密度0.1～10a/平方分米，時(shí)間3-5min,工件產(chǎn)生有色澤的均勻膜層，根據(jù)各個(gè)電壓值及電流密度不同可產(chǎn)生不同的顏色，可產(chǎn)生香檳色、褐色、藍(lán)色、金色、粉色、紫色、靛藍(lán)色及綠色等不同顏色，其膜層厚度有稍許變化，實(shí)際生產(chǎn)按要求決定；

封閉：氧化完成的工件置于封閉溶液40～50℃，時(shí)間3～5min。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：

1)鈦及鈦合金工件加工過程中，需要接觸大量工業(yè)油脂拋光膏等，本方法采用以氫氧化鈉為主的堿性預(yù)處理溶液，能夠有效除去工件表面殘留的油污；

2)鈦及鈦合金本身材料的特性使其易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生不均勻的氧化膜層，以硝酸為主的酸性拋光溶液能夠使其表面的不均勻氧化膜層被腐蝕，而氫氟酸具有的緩蝕效應(yīng)會(huì)是腐蝕不至于過快發(fā)展從而損壞工件尺寸，兩者結(jié)合是材料基底裸露，更便于后期參與反應(yīng)；

3)陽極氧化選用含磷酸的酸性溶液，再輔以草酸等少量添加物，對(duì)磷酸進(jìn)行緩沖，避免反應(yīng)速度過快而不受控制。生成氧化膜層的反應(yīng)：ti+2h20＝tio2+4i-r+4e。同時(shí)，在正極施加一定的電壓值使反應(yīng)向右進(jìn)行。實(shí)際生產(chǎn)中膜層厚度取決于實(shí)際電壓、電流和氧化時(shí)間，以及槽液具體成分、溫度、操作方法的影響。

下面給出上述鈦及鈦合金高光陽極氧化金屬表面處理具體過程：

步驟s1：提供鈦合金材質(zhì)(ti6al4v)工件，工件尺寸長(zhǎng)約40mm，寬5mm，厚3mm，重量約為5g；

步驟s2：首先采用去離子水加熱至50℃超聲清洗5min，去除表面浮塵及可見污漬；

步驟s3：然后將工件置于配置好的70℃堿性預(yù)處理溶液中浸沒，并不斷攪拌，約需要3min；

步驟s4：將工件取出清水沖洗之后置于室溫狀態(tài)下的化學(xué)拋光溶液中，約15s之后取出清水沖洗；

步驟s5：之后裝掛放入陽極氧化槽液中，設(shè)定電壓為50v，電流密度為0.1～2a,反應(yīng)時(shí)間4min,初始時(shí)可以肉眼可見的工件表面逐漸開始變色，此時(shí)即為膜層不斷生成，待設(shè)定電壓值達(dá)到，工件表面顏色逐漸固定，待高頻脈沖電源停止運(yùn)行之后取出工件清水沖洗，放入50℃的封閉溶液中靜置封閉3min,之后取出工件置于70攝氏度烘箱中3min,選用上述的工藝參數(shù)可產(chǎn)生金黃色表面膜層效果，然后取出工件檢驗(yàn)包裝即可完成本次處理。

為了提高堿性預(yù)處理效果，本發(fā)明還提供一種鈦及鈦合金預(yù)處理溶液，主要包括如下組分：水、氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、水玻璃和表面活性劑，所述預(yù)處理溶液中各組分的重量百分比如下：

本發(fā)明還提供一種鈦及鈦合金化學(xué)拋光溶液，主要包括如下組分：水、硝酸、氫氟酸和光亮劑，所述化學(xué)拋光溶液中各組分的重量百分比如下：

本發(fā)明還提供一種鈦及鈦合金陽極氧化溶液,主要包括如下組分：水、磷酸、草酸、對(duì)苯磺酸鈉、磺基水楊酸和穩(wěn)定劑；所述陽極氧化溶液各組分的重量百分比如下：

本發(fā)明還提供一種鈦及鈦合金陽極氧化膜層封閉溶液，主要包括如下組分：水、磷酸氫二鈉和封閉劑，所述封閉劑可以為醫(yī)藥級(jí)聚乙烯吡咯烷酮(pvp)；所述封閉溶液各組分的重量百分比如下：

水94～97％

磷酸氫二鈉2～5％

封閉劑0.5～1％。

對(duì)處理前后零件加熱發(fā)現(xiàn)，處理前的零件加熱至200℃，表面開始出現(xiàn)黑化層；處理后的零件加熱至200℃，表面顏色無明顯變化；在500倍率顯微鏡下觀察工件表面，對(duì)比于未處理的零件，零件表面更為光滑平整，對(duì)比效果如圖2a和圖2b所示。

經(jīng)過冷切割，并使用金相顯微鏡觀察，取多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，區(qū)別于鈦合金材料基底的膜層厚度在20-25μm。

稀釋酸性化學(xué)拋光液10倍，并將工件置于溶液中浸泡，處理前的工件5min后即產(chǎn)生肉眼可見的氣泡，說明工件開始被腐蝕；處理后的工件5min未有任何變化，至13min開始金色氧化膜層開始明顯脫落；證明陽極氧化膜層能夠有效的防止腐蝕的發(fā)生。

使用維氏硬度儀，對(duì)工件表面硬度進(jìn)行檢測(cè)，處理前表面硬度均值為293hv，處理后表面硬度均值為348hv，說明陽極氧化能夠在一定程度上提高工件表面硬度；

使用能譜檢測(cè)分析，對(duì)比處理前后，膜層能夠?yàn)楣ぜ砑s3.5％的氧含量提升，基于此對(duì)于鈦及鈦合金類醫(yī)療植入物能夠有效的增加人體相容性。

綜合各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：1)基于基底原位生成的氧化膜層，結(jié)合牢固，致密性均勻，提高材料表面硬度，增加耐磨性；提高材料潤滑性；良好的耐熱性及抗腐蝕性等，很大程度上克服了鋁、鎂及鈦基礎(chǔ)材料在應(yīng)用中的缺點(diǎn)；2)本發(fā)明工藝穩(wěn)定，易于掌握，可重復(fù)性穩(wěn)定，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，各反應(yīng)溶液屬于可重復(fù)利用型，成本低廉，多次使用之后可通過添加主要成分繼續(xù)使用，符合環(huán)保排放要求。3)本發(fā)明與同類技術(shù)相比，生成的膜層，不會(huì)如電鍍膜層一般發(fā)生膜層脫落；外觀光亮，均勻，同時(shí)擁有良好的裝飾性。4)本發(fā)明對(duì)零件進(jìn)行處理，廣泛的應(yīng)用于民生、工業(yè)以及醫(yī)療等行業(yè)，有良好的實(shí)際運(yùn)用前景。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。