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CN110573660A - 处理具有氧化层的合金基材 - Google Patents

处理具有氧化层的合金基材 Download PDF

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CN110573660A
CN110573660A CN201780089556.4A CN201780089556A CN110573660A CN 110573660 A CN110573660 A CN 110573660A CN 201780089556 A CN201780089556 A CN 201780089556A CN 110573660 A CN110573660 A CN 110573660A
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titanium
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alloy substrate
titanium dioxide
anodized
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吴冠霆
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Hewlett Packard Development Co LP
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Abstract

本主题涉及处理具有氧化层的合金基材。使阳极化的合金基材与包含钛的碱性混合物接触以形成经处理的基材。该阳极化的合金基材包含在其表面上的氧化层。将经处理的基材烘烤以形成成品基材。该成品基材包含在氧化层中的二氧化钛粒子。

Description

处理具有氧化层的合金基材
发明背景
可以在合金基材的表面上提供氧化层以改善它们的耐腐蚀性、外观、硬度、耐磨性、胶粘性能、涂料附着力和其它性质。具有氧化层的合金基材可用于各种应用。例如，将具有氧化层的铝合金基材用于制造电子设备如智能手机、平板电脑和笔记本电脑的外壳。可以通过阳极化工艺在合金基材上提供氧化层。
附图概述
下面的详述参照附图，其中：
图1图解了根据本主题的一个示例性实施方式处理阳极化的合金基材的方法。
图2图解了根据本主题的一个示例性实施方式使用包含二氧化钛(TiO2)纳米粒子的浆料处理阳极化的合金基材。
图3图解了根据本主题的一个示例性实施方式处理合金基材的方法。
图4图解了根据本主题的一个示例性实施方式使用钛化合物溶液处理合金基材。
发明详述
合金基材，如铝合金基材可以经过阳极化以便在表面上形成氧化层。阳极化包括将合金基材作为电极放置在电解液中并在合金基材与另一电极之间施加电势。例如，铝合金基材的阳极化可以包括将铝合金基材作为阳极放置在酸性电解液中并在铝合金基材与另一电极(其充当阴极)之间施加电势。
一些合金，如铝6013(Al 6013)合金，在阳极化时会变得有色并形成反射性表面。这种有色和反射性的表面使得这些合金不适用于多种应用，例如不适用于电子设备的外壳。有时，在阳极化时变得有色和反射性的此类合金具有优异的性质。例如，Al 6013合金与用于制造电子设备外壳的其它铝合金(如Al 6063)相比具有更高的抗张强度。因此，尽管具有优异的强度，由于有色和反射性的表面，该合金在各种应用中的使用可能受到限制。
本主题涉及处理具有氧化层的合金基材，一个实例是阳极化的铝基材。本主题的实施方式提高了具有氧化层的合金基材的白度，并且还降低了其反射性。
根据本主题的一个示例性实施方式，使阳极化的合金基材与包含钛的碱性混合物接触以形成经处理的基材。该阳极化的合金基材包含在其表面上的氧化层。随后烘烤经处理的基材以形成成品基材，其包含在氧化层中的二氧化钛粒子。
在一个实例中，该碱性混合物是包含二氧化钛纳米粒子的浆料。将阳极化的合金基材浸没在碱性混合物中以便在氧化层中的多个孔隙中沉积二氧化钛纳米粒子。
在另一实例中，该碱性混合物是钛化合物溶液。当将阳极化的铝基材浸没在钛化合物溶液中时，该阳极化的铝基材被密封。浸没可以导致来自钛化合物溶液的钛金属配合物和二氧化钛粒子沉积在氧化层中的多个孔隙中。随后，可以烘烤阳极化的铝基材以形成成品基材。
在氧化层中沉积二氧化钛粒子提高了阳极化的合金基材的白度，并且还使其基本不具有反射性。如要指出的那样，本主题可用于处理阳极化的合金基材，如阳极化的Al6013基材，以使其适用于制造电子设备的外壳。此外，由于阳极化合金的氧化层的表面因在阳极化过程中与酸性电解液接触而是酸性的，来自碱性溶液的钛金属配合物或二氧化钛纳米粒子在氧化层中的沉积是快速和基本均匀的。因此，本主题提供了一种在阳极化的合金基材的氧化层中形成二氧化钛粒子的简单、有效和无源的方法。
下面的描述参照附图。在可能的任何情况下，在附图和以下描述中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。虽然在说明书中描述了多个实例，修改、调整和其它实施方式是可能的。因此，下面的详述不限制公开的实例。而是，公开的实例的适当范围可以由所附权利要求来限定。
在阳极化的铝合金基材中沉积二氧化钛粒子方面描述了本主题的示例性实施方式。尽管并未描述其它阳极化的合金基材，要理解的是，本主题的实施方式可与其它阳极化的合金基材一起使用。
图1图解了根据本主题的一个示例性实施方式处理阳极化的合金基材的方法100。
在方框102处，使阳极化的合金基材与包含钛的碱性混合物接触。由于阳极化，该阳极化的合金基材包含在其表面上的氧化层。阳极化的合金基材可以是例如铝合金基材。铝合金可以是2000、3000、5000、6000或7000系列铝合金。在一个实例中，该合金基材是Al6013合金基材。此外，包含钛的碱性混合物可以具有大约8-12的pH。
在一个实施方式中，包含钛的碱性混合物是包含二氧化钛(TiO2)纳米粒子的浆料。根据该实施方式，通过将阳极化的合金基材浸没在该浆料中，使阳极化的合金基材与碱性混合物接触。在一个实例中，该浆料以大约5-75％的重量百分比包含TiO2纳米粒子。该浆料还可以以大约0.1-2％的重量百分比包含至少一种分散剂。将参照图2更详细地解释来自该浆料的TiO2纳米粒子的沉积。
在另一实施方式中，包含钛的碱性混合物是钛化合物溶液。根据该实施方式，阳极化的合金基材与碱性混合物的接触包括将该阳极化的合金基材浸没在钛化合物溶液中，这导致使用钛化合物溶液密封氧化层中的多个孔隙。钛化合物溶液可以以大约1-30％的重量百分比包含至少一种钛化合物。该钛化合物溶液还可以以大约0.1-10％的重量百分比包含至少一种碱性试剂。将参照图4更详细地解释使用钛化合物溶液密封氧化层中的多个孔隙。
在进一步的实施方式中，阳极化的合金基材与碱性混合物的接触可以通过在阳极化的合金基材上喷涂包含二氧化钛的碱性溶液来实现。在一个实例中，该碱性溶液包含大约1-10％的重量百分比的碱(如氢氧化钠或氢氧化钾)、大约0.1-2％的重量百分比的分散剂(如聚丙烯酸钠、硅酸钠或磷酸钠)和大约5-30％的重量百分比的二氧化钛粒子。该二氧化钛粒子可具有大约2μm的原始尺寸，在碱性溶液中溶解后可具有大约20nm或更低的尺寸。
阳极化的合金基材与碱性混合物接触形成了经处理的基材。
在方框104处，将经处理的基材烘烤以形成成品基材。该成品基材包含在氧化层中或氧化层上的二氧化钛(TiO2)粒子。尽管在说明书和权利要求书中解释了二氧化钛粒子存在于氧化层中，要理解的是，二氧化钛粒子也可以存在于氧化层上。此外，说明书中教导二氧化钛粒子存在于氧化层中的部分也意图涵盖二氧化钛粒子存在于氧化层上的情况。
图2图解了根据本主题的一个示例性实施方式使用包含TiO2纳米粒子的浆料处理阳极化的合金基材。
合金基材200可以经过阳极化以形成阳极化的合金基材202。阳极化的合金基材202包含因阳极化而产生的氧化层204。此外，阳极化的合金基材202包含残余合金部分206，这是在阳极化后保持未氧化的合金基材200的部分。阳极化导致在氧化层204中多个孔隙的形成。例如，氧化层204包含孔隙208-1、208-2和208-3。在一个实例中，所述多个孔隙各自具有大约5-30nm的直径(也称为孔径)。
来自包含二氧化钛纳米粒子的浆料(可互换地称为浆料)的二氧化钛(TiO2)纳米粒子沉积在阳极化的合金基材202的表面中的多个孔隙中。在一个实例中，该浆料以大约5-75％的重量百分比包含TiO2纳米粒子。在一个实例中，TiO2纳米粒子具有3-50nm的尺寸。
除了TiO2纳米粒子外，该浆料还可以包含至少一种分散剂。在一个实例中，所述至少一种分散剂以大约0.1-2％的重量百分比存在于该浆料中。分散剂能够通过与氧化层204中的离子(如Al3+离子)和TiO2纳米粒子二者形成键将TiO2纳米粒子保留在多个孔隙中。在一个实例中，所述至少一种分散剂选自硅酸钠、六偏磷酸钠、磷酸钠、聚丙烯酸钠及其组合。如要理解的那样，通过强吸引力使TiO2纳米粒子固定在多个孔隙中，由此确保TiO2纳米粒子保留在多个孔隙中。
包含TiO2纳米粒子的浆料是碱性的。在一个实例中，该浆料具有大约8-9.5的pH。此外，由于在酸性环境中(即使用酸性电解液)进行合金基材200的阳极化，阳极化的合金基材202是酸性的。因此，由于酸-碱反应，TiO2纳米粒子在多个孔隙中的沉积是迅速的。此外，大量的TiO2纳米粒子得以沉积。因此，本主题使得能够在阳极化的合金基材202的多个孔隙中快速沉积大量TiO2纳米粒子，而无需采用复杂的技术如电解。换言之，本主题提供了一种在多个孔隙中沉积TiO2纳米粒子的简单、高效、有效和无源的方法。
在一个实施方式中，在多个孔隙中沉积TiO2纳米粒子包括将阳极化的合金基材202浸没在浆料中。由于该浆料中多个TiO2纳米粒子的尺寸小于所述多个孔隙的尺寸，来自该浆料的TiO2纳米粒子进入所述多个孔隙，并得以沉积在多个孔隙中以提供经处理的基材210。如所示那样，经处理的基材210包含多个TiO2纳米粒子，如分别在孔隙208-1、208-2和208-3中的TiO2纳米粒子212、214和216。
在一个实例中，经处理的基材210中的残余合金部分206的厚度为大约0.1-2mm。此外，具有多个孔隙和TiO2纳米粒子的氧化层204中的外层218可以跨越大约10-300nm的厚度。此外，氧化层204的其余部分(不包括外层218)可以具有大约5-25μm的厚度。
在多个孔隙中沉积TiO2纳米粒子后，可以密封并随后烘烤经处理的基材210。此外，在阳极化之前，可以预处理合金基材200。参照图3解释了所述预处理、烘烤和密封。
图3图解了根据本主题的一个示例性实施方式处理合金基材的方法300。
在方框302处，用碱性溶液清洗合金基材，如合金基材200。该碱性溶液可以包含碱，如氢氧化钠、氢氧化钾和氨。
在方框304处，清洗过的合金基材用酸性溶液中和。中和反应中和了合金基材表面上的碱。用于中和反应的酸性溶液可以例如是盐酸和硝酸。
在方框306处，将合金基材化学抛光。可以使用例如磷酸、硝酸、硫酸或其组合来进行抛光。
在方框308处，如参照图2所解释的那样，将合金基材阳极化。在一个实例中，该阳极化在10-120V的电压下进行大约40-50分钟的一段时间。如前所述，合金基材的阳极化形成了阳极化的合金基材，如阳极化的合金基材202。
在方框310处，用水洗涤阳极化的合金基材。
在方框312处，如参照图2所解释的那样，使TiO2纳米粒子由包含TiO2纳米粒子的碱性浆料沉积在阳极化的合金基材的表面中的多个孔隙中。
在方框314处，密封合金基材。合金基材的密封将多个孔隙密封，防止阳极化合金表面发粘，并使其不吸收灰尘、油脂、油渍、污渍等等。该密封可以例如是热水密封或化学密封。此外，该密封还可以从合金基材表面上除去不能进入所述多个孔隙的大尺寸二氧化钛纳米粒子。在一个实例中，该密封在包含0.6-5.0克/升的作为密封剂的乙酸镍和氟化镍的溶液中在大约25-95℃的温度下进行大约10-20分钟的一段时间。
在方框316处，烘烤经密封的合金基材。在一个实例中，该烘烤在大约105-110℃的温度下进行大约20-40分钟的一段时间。
在上文参照图2和图3描述的方法中，二氧化钛粒子经由二氧化钛粒子的碱性浆料沉积在阳极化的合金基材中。如前所述，在另一实施方式中，可以使用碱性钛化合物溶液沉积二氧化钛粒子。
图4图解了根据本主题的一个示例性实施方式使用钛化合物溶液处理合金基材200。
可以通过电解氧化在合金基材200的表面上形成氧化层204。该电解氧化可以例如是方框308处所解释的阳极化。在电解氧化之前，可以使用方框302-306处提及的步骤预处理合金基材200。电解氧化将合金基材200转化成阳极化的合金基材202。如前所述，氧化层204包含多个孔隙，如孔隙208-1、208-2和208-3。按照电解氧化，可以用水洗涤合金基材200。
随后使用钛化合物溶液密封多个孔隙。该钛化合物溶液包含至少一种钛化合物，其选自二氧化钛、氢氧化钛、磷酸钛、钛金属配合物及其组合。该钛化合物溶液可以以大约1-30％的重量百分比包含至少一种钛化合物。如果该钛化合物溶液包含二氧化钛粒子的话，由于溶解在钛化合物溶液中，二氧化钛粒子可具有降低的尺寸。在一个实例中，在溶解之前，二氧化钛粒子具有大约2μm的尺寸，在溶解之后，二氧化钛粒子具有小于20nm的尺寸。
使用钛化合物溶液密封多个孔隙包括将阳极化的合金基材202浸没在钛化合物溶液中。为了发生密封，除了至少一种钛化合物外，该钛化合物溶液还可以包含至少一种密封剂。所述至少一种密封剂可以包含0.6-5.0克/升的乙酸镍和氟化镍。将阳极化的合金基材202浸没在钛化合物溶液中大约10-20分钟的一段时间。可以使钛化合物溶液保持在大约25-95℃的温度下。
该钛化合物溶液是碱性的。在一个实例中，该钛化合物溶液具有大约9-12的pH。为了保持pH，该钛化合物溶液包含至少一种碱性试剂。所述至少一种碱性试剂可以以大约0.1-10％的重量百分比存在。所述至少一种碱性试剂可以选自氢氧化钠、氢氧化钾、磷酸钠和六偏磷酸钠。
将阳极化的合金基材202浸没在钛化合物溶液中导致钛金属配合物和二氧化钛粒子(其尺寸比多个孔隙的尺寸更小)从钛化合物溶液进入所述多个孔隙中。由于所述多个孔隙和阳极化的合金基材202的表面具有在其上的残余酸，而钛化合物溶液为碱性，因此钛金属配合物和二氧化钛粒子容易且快速地从钛化合物溶液沉积到所述多个孔隙中。
浸没还导致所述多个孔隙的密封以形成经密封的基材402，其也可以被称为经处理的基材402。如前所述，该密封可以通过在钛化合物溶液中包含至少一种密封剂并使钛化合物溶液保持在大约25-95℃的温度下来实现。
经密封的基材402可以包含分别在孔隙208-1、208-2和208-3中的钛金属配合物404、406和408。此外，经密封的基材402还包含在多个孔隙中的二氧化钛粒子。所述多个孔隙的密封防止二氧化钛粒子和钛金属配合物离开所述多个孔隙。
由于将阳极化的合金基材202浸没在钛化合物溶液中导致二氧化钛粒子和钛金属配合物进入多个孔隙中并密封所述多个孔隙，可以避免单独的密封步骤。
在另一实施方式中，替代将阳极化的合金基材202浸没在钛化合物溶液中，用包含二氧化钛的碱性溶液喷涂阳极化的合金基材202。该碱性溶液可以包含大约1-10％的重量百分比的碱(如氢氧化钠或氢氧化钾)、大约0.1-2％的重量百分比的分散剂(如聚丙烯酸钠、硅酸钠或磷酸钠)和大约5-30％的重量百分比的二氧化钛粒子。随后可以例如使用方框314处解释的密封工艺密封经喷涂的基材。
在密封后，可以烘烤经密封的基材402或经喷涂的基材。该烘烤可以在大约105-110℃的温度下进行大约20-40分钟的一段时间。该烘烤使得能够从多个孔隙中除去水，并仅将钛金属配合物和二氧化钛粒子保留在所述多个孔隙中。该烘烤导致形成了成品基材410。成品基材410包含在多个孔隙中的二氧化钛粒子。例如，成品基材410包含分别在孔隙208-1、208-2和208-3中的二氧化钛粒子412、414和416。
本主题提供了一种在阳极化的合金基材上的氧化层中提供二氧化钛粒子的简单、有效且高效的方法，由此使其为白色并基本不具有反射性。因此，本主题可用于具有高抗张强度但在阳极化后具有发黄和反射性外观的合金，如Al 6013，以使它们适于例如电子设备外壳的应用。本主题利用了阳极化的合金基材的氧化层的pH与碱性混合物的pH之间的差异，以便能够在阳极化的合金基材的氧化层的孔隙中沉积来自碱性混合物的大量钛金属配合物和二氧化钛粒子。因此，可以避免原本用于沉积粒子的复杂技术，如电解。再进一步地，该方法中涉及的步骤(如密封和烘烤)在不太剧烈的温度条件(如低于110℃)和常压下进行。因此，本主题的方法可以以简单的成本有效的方式进行。
尽管已经以专用于结构特征和/或方法的语言描述了处理具有氧化层的合金基材的实施方式，但要理解的是，本主题不一定限于所描述的特定特征或方法。而是，该特定特征和方法公开和解释为示例性实施方式。

Claims (15)

1.一种方法，其包括：
使阳极化的合金基材与包含钛的碱性混合物接触以形成经处理的基材，其中所述阳极化的合金基材包含在其表面上的氧化层；和
烘烤经处理的基材以形成成品基材，其中所述成品基材包含在所述氧化层中的二氧化钛粒子。
2.权利要求1的方法，其中所述包含钛的碱性混合物是包含二氧化钛纳米粒子的浆料，并且其中使所述阳极化的合金基材与所述碱性混合物接触包括将所述阳极化的合金基材浸没在包含二氧化钛纳米粒子的浆料中。
3.权利要求1的方法，其中所述包含钛的碱性混合物是钛化合物溶液，并且其中使所述阳极化的合金基材在所述碱性混合物中接触包括使用所述钛化合物溶液密封所述氧化层中的多个孔隙。
4.权利要求1的方法，其中使所述阳极化的合金基材与所述包含钛的碱性混合物接触包括在阳极化的合金基材上喷涂包含二氧化钛的溶液。
5.权利要求1的方法，其中所述合金基材是铝合金基材。
6.权利要求1的方法，其中所述包含钛的碱性混合物具有大约8-12的pH。
7.权利要求1的方法，其中所述经处理的基材的烘烤在大约105-110℃的温度下进行大约20-40分钟的一段时间。
8.一种方法，其包括：
将合金基材阳极化以形成阳极化的合金基材，所述阳极化的合金基材包含在其表面中的多个孔隙；和
将所述阳极化的合金基材浸没在包含二氧化钛纳米粒子的浆料中以便在所述多个孔隙中沉积二氧化钛纳米粒子，其中所述浆料是碱性的。
9.权利要求8的方法，其中所述包含二氧化钛纳米粒子的浆料包含大约5-75重量％的二氧化钛纳米粒子。
10.权利要求8的方法，其中所述包含二氧化钛纳米粒子的浆料还包含大约0.1-2重量％的至少一种分散剂，所述分散剂选自硅酸钠、六偏磷酸钠、磷酸钠、聚丙烯酸钠及其组合。
11.权利要求8的方法，其还包括：
在所述多个孔隙中沉积二氧化钛纳米粒子后，密封所述阳极化的合金基材；和
烘烤经密封的合金基材。
12.权利要求8的方法，其中所述浆料中的二氧化钛纳米粒子具有大约3-50nm的尺寸。
13.一种方法，其包括：
通过电解氧化在合金基材的表面上形成氧化层，所述氧化层包含多个孔隙；
使用钛化合物溶液密封所述多个孔隙，所述密封形成了经密封的基材，其中所述钛化合物溶液是碱性的；和
烘烤经密封的基材以形成成品基材，其中所述成品基材包含在所述多个孔隙中的二氧化钛粒子。
14.权利要求13的方法，其中所述钛化合物溶液以大约1-30的重量百分比包含钛化合物。
15.权利要求13的方法，其中所述钛化合物溶液包含至少一种选自二氧化钛、氢氧化钛、磷酸钛、钛金属配合物及其组合的钛化合物。
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