工業純鈦TA2的陽極氧化工藝研究

王院生, 李海豐, 王 均, 熊 計

(四川大學制造科學與工程學院,四川成都 610065）

工業純鈦TA2的陽極氧化工藝研究

王院生, 李海豐, 王 均, 熊 計

(四川大學制造科學與工程學院,四川成都 610065）

通過對以C6H11O7Na,Na3PO4兩種成分為電解液所形成的陽極氧化膜性能的比較,選用Na3PO4為主要成分的電解液。采用正交實驗著重分析了Na3PO4的質量濃度、電壓及氧化時間對在工業純鈦 TA2上所形成的陽極氧化膜的顯微硬度和耐蝕性的影響。結果表明:隨Na3PO4的質量濃度的增大,其硬度和耐蝕性都呈增大趨勢。綜合陽極氧化膜的成膜速率和顏色的均勻性,得出工業純鈦 TA2陽極氧化的最佳工藝條件為:Na3PO4200 g/L,電壓20 V,氧化時間20 min。

工業純鈦 TA2;陽極氧化;正交實驗;顯微硬度;耐蝕性

0 前言

鈦及鈦合金由于具有比強度高、良好的高、低溫性能、密度低、質量輕、有良好的生物相容性和在海水及在氧化介質中具有極高的耐蝕性能等特點,被廣泛應用于船舶、醫療、體育器械、建筑等領域[1-3]。隨著其應用范圍的擴大,對表面顏色的要求也越來越高,通過陽極氧化法,可以制備具有不同色彩的彩色鈦,根據不同的應用目的賦予產品獨特的色調。而如何得到顏色均勻一致、耐蝕性良好的陽極氧化膜,實現美觀性和功能性的統一就成為了研究的關鍵。

本文通過對比2種電解液,分析其對陽極氧化膜層性能的影響,得出最佳的電解液配方。在最佳工藝條件下所得氧化膜層表面色彩鮮艷、均勻,成膜速率快,耐蝕性能好。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所用的材料為工業純鈦 TA2,試樣尺寸為30(15）mm×15 mm×3 mm。

1.2 工藝流程

1.3 主要工序說明

堿洗:Na3PO460 g/L,Na2CO315 g/L,NaOH 15 g/L,70～80 ℃,6～7 min。

1.4 主要設備

陽極氧化實驗用電源為QF1710-M型直流穩壓電源。電解液盛在燒杯中,放置在DK-600A型電熱恒溫水箱內進行氧化,以保證在實驗過程中保持溫度的恒定。用鋁合金片做陰極,接電源負極,試件做陽極,接電源正極,S陰∶S陽=2∶1。

1.5 電解液配方

配方一:Na3PO4+H2O2+H2O,Na3PO4的質量濃度分別為100 g/L,150 g/L。

配 方 二:C6H11O7Na+ H2O2+ H2O,C6H11O7Na的質量濃度分別為150 g/L,200 g/L。

兩種配方中的 H2O2的體積分數都為 100 mL/L,電壓為20 V,時間為15 min。在電解液中加入 H2O2可以簡化工藝,省去氧化前的酸洗和氧化后的封孔處理[4],還能達到在鈦表面均勻著色而不會產生色斑的目的。

1.6 正交實驗

設計正交實驗分析陽極氧化的最佳工藝,3因素3水平分別為:Na3PO4的質量濃度(100,150,200 g/L）,電解電壓(20,30,40 V）和陽極氧化時間(10,15,20 min）。

1.7 性能測試

用HXD-1000TMC型顯微硬度儀測表面氧化膜的硬度,載荷1.96 N,加載時間15 s。氧化膜層的耐蝕性采用點滴法進行測量,點滴實驗溶液配方:HNO3100 mL/L,HF 200 mL/L,H2O2100 mL/L,從點滴液接觸膜層到產生第一個氣泡為止,這段時間就是點滴時間,時間越長,耐蝕性越好。

2 結果及討論

2.1 電解液成分選擇

表1為工業純鈦 TA2在2種電解液下所得的陽極氧化膜性能。由表1可知:在Na3PO4電解液中進行陽極氧化所得的氧化膜的硬度和耐蝕性都要優于在C6H11O7Na電解液中所得的陽極氧化膜的,其成膜速率及膜層顏色的均勻性也比用C6H11O7Na作為電解液的好;從生產成本上考慮,C6H11O7Na的價格也遠高于Na3PO4,因此實驗選用Na3PO4作為電解液的主要成分進行陽極氧化研究。

2.2 Na3PO4及電壓對氧化膜著色的影響

2.2.1 陽極氧化膜外觀分析

由正交實驗結果發現:膜的顏色隨電壓、時間及Na3PO4的質量濃度的變化出現有規律的變化,其實驗結果,如表2所示。當電壓由20 V升到40 V后,氧化膜顏色由紫色,藍色,最后變為淺藍色。而在相同的電壓下,不同質量濃度的Na3PO4所得到的氧化膜的顏色差別不大,說明電壓是決定氧化膜顏色的主要因素。由薄膜干涉發色原理知,氧化膜層顏色的變化是膜厚的函數[5],即:通過改變電解電壓來影響氧化膜層的厚度,進而決定氧化膜層的顏色。Na3PO4的質量濃度雖對氧化膜層顏色的影響不大,但對成膜速率和膜層的均勻性有很大的影響,其質量濃度過小,成膜速率較慢,膜層均勻性較差;過大,陽極氧化膜的初始形成速率加快,膜層厚度較大,與基體的結合力較低,容易造成剝落,在槽液底部有微量未溶的晶體。因此,必須選擇一個適合的量,才能得到性能優異的膜層。本實驗在電解液中加入了 H2O2,實驗發現即使沒有封閉處理,氧化膜的顏色經污染后仍然能夠自我恢復,證明加入H2O2后可不用進行封閉處理。

表1 2種電解液所得陽極氧化膜的性能

表2 工藝參數對氧化膜層性能的影響

實驗結果還顯示:試樣在低電壓下陽極氧化得到鮮艷顏色后,可以在不加任何處理的條件下,重新在高電壓下氧化得到對應的顏色;但在高電壓下得到的氧化膜顏色則不能再在低電壓下被重新著色,這與劉美紅等[5]的研究一致。由于電壓是決定氧化膜層厚度的主要因素,在低電壓下陽極氧化,所得的氧化膜厚度薄;當增大電壓時,表面新生成的氧化膜將覆蓋低電壓時所形成的氧化膜,其厚度增大,經光的反射和折射,表現出不同的氧化膜顏色。而當一開始就在高電壓下進行陽極氧化,表面的氧化膜達到一定厚度,再在低電壓下進行陽極氧化,表面氧化膜不可能減薄,因此其氧化膜也不能再在低電壓下重新著色。

2.2.2 氧化膜層的顯微硬度及耐蝕性

表3為在各條件下所得陽極氧化膜的顯微硬度及點滴時間。TA2的硬度為3 070.9 MPa,經陽極氧化后,其硬度明顯提高,說明陽極氧化后在 TA2表面形成的TiO2氧化膜提高了 TA2表面的硬度;而且Na3PO4的質量濃度越大,其硬度也越大。原因可能是Na3PO4的質量濃度增大,TiO2氧化膜層的結構越致密完整,硬度也越大。而電壓對顯微硬度的影響不大。

TA2陽極氧化膜的耐蝕性隨電壓和Na3PO4的質量濃度的增加而增加,并且Na3PO4的質量濃度是主要影響因素,其越大,在試樣表面生成的氧化膜越致密,其耐蝕性也越好。

表3 鈦陽極氧化后氧化膜的顯微硬度及點滴時間

綜上分析,可以看出7號實驗樣品的色彩鮮艷、均勻,成膜速率快,耐蝕性能好,可以認為本實驗的最佳工藝條件為第 7組工藝,其工藝條件為:Na3PO4200 g/L,20 V,20 min。

3 結論

(1）在Na3PO4電解液中進行陽極氧化所得的氧化膜層的硬度、耐蝕性、成膜速率及膜層顏色的均勻性都要比用C6H11O7Na作為電解液的好。

(2）當電壓由20 V升到40 V,氧化膜的顏色由紫色,藍色,最后變為淺藍色。Na3PO4的質量濃度是影響陽極氧化膜的顯微硬度和耐蝕性的主要因素。

(3）TA2陽極氧化的最佳工藝條件為:Na3PO4200 g/L,20 V,20 min。

[1] 段良輝,劉亞萍,潘俊德,等.鈦合金表面雙層輝光離子滲鋁的研究[J].熱加工工藝,2005(6）:40-41.

[2] Pérez Del P,Fernández-Pradas J M,Serra P,et al.Coloring of titanium through laser oxidation:Comparative study with anodizing[J]. Surfaceand Coatings Technology,2004,187(1）:106-112.

[3] Park Y,Shin K H,Song H J.Effects of anodizing conditions on bond strength ofanodically oxidized film to titanium substrate[J].Applied Surface Science,2007,253(14）:6 013-6 018.

[4] 光松文雄,柴田英明.鈦的熱處理和著色[J].楊翠英,譯.國外金屬熱處理,1991,12(2）:36-40.

[5] 劉美紅.陽極氧化對鈦表面著色及其性能研究[D].武漢:武漢理工大學,2006:27-30.

[6] Chen J J,Feng Z S,Jiang M L,et al.The effect of anodizing voltage on the electrical properties of Al-Ti composite oxide film on aluminum[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2006,590(1）:26-31.

Anodization Process of Commercial-Purity Titanium TA2

WANGYuan-sheng, LI H ai-feng, WANGJun, XIONGJi
(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China）

By comparing the performance of the anodic oxide films formed in two electrolytes of C6H11O7Na and Na3PO4,an electrolyte mainly composed of Na3PO4was chosen.The effects of Na3PO4mass concentration,voltage and anodizing time on the microhardness and corrosion of the anodic oxide films formed on commercial-purity titanium TA2 were emphatically analyzed by means of orthogonal test.The results show that with higher mass concentration of Na3PO4,both of the hardness and corrosion resistance tend to be higher.Based on a comprehensive consideration of anodic oxide film forming speed and uniformity of color,optimal parameters for anodizing TA2 are obtained:Na3PO4200 g/L,voltage 20 V and oxidizing time 20 min.

commercial-purity titanium TA2;anodic oxidation;orthogonal test;microhardness;corrosion resistance

TG 174

A

1000-4742(2011）05-0025-04

四川省2009年第三批支撐計劃項目(2009GZ0101）

2010-11-10

·污染治理·