镁的阳极氧化系统及方法 【技术领域】
本发明是关于镁的阳极氧化系统和方法。在本说明书中，词语“镁”，“镁金属”和“镁材料”，是可以互换使用的，它们都应被理解为特指或包括镁金属和/或镁合金和/或它们的混合物，和/或包含或包括镁的物体或化合物。
背景技术
镁是一种很轻但强度很高的金属，它越来越多地被用于金属模具的铸造，特别是在需要减轻重量的地方。此外，它的防护电磁辐射的特性使它在一些应用如计算机、手机等方面成为替代塑料的材料。但是，它在正常状态或通过电流作用时是一种反应性金属，并且具有腐蚀作用，这是它的一个主要问题。
现在有许多在镁材料上施加一层保护性阳极氧化物膜的方法，这些都是用来模仿现有的成熟的包被铝及其合金的方法，但是在镁物体上获得相同的结果十分困难。
镁及其合金的阳极氧化通常在硫酸中进行，在其中形成的氧化物层是轻微可溶的。当膜从金属底物上向外增加时，其生长速度下降。因此最终会达到一个平衡点，这时溶解速度与膜的进一步生长速度相等。膜的溶解导致孔的形成，通过这些孔发生了金属电化学氧化必需的离子迁移。没有这些孔只可能形成非常薄的膜。在电化学氧化过程完成后，这些孔被密封。可以用热水或简单地无机化学溶液完成阳极氧化的铝的密封。
显然能够尝试涉及镁的类似过程来模拟这些特性。但是，因为施加的张力强度使得形成的膜容易裂缝和破碎，这产生了难题。而且用酸溶液阳极氧化的镁充满了严重的困难，因为镁被大多数常见的酸快速降解。因此，镁的阳极氧化最好在碱性溶液中进行。
一种阳极氧化镁的方法依赖于这种特性来形成一个粗糙的，多孔的层，可以形成一个后来用于喷涂或其它表面包被的基础。一般来说，这种阳极氧化的膜可以在一种高pH，包括碱性氢氧化物的电解质中进行。这个过程通过电火花方法进行，当金属底物被包被时，电火花形成一种烧结陶瓷氧化物膜。
但是，通过电火花形成的烧结陶瓷氧化物膜不总是需要的。因为这种膜通常是易碎、不平、和/或缺乏均一性的。
有许多专有的方法用来进行镁的阳极氧化以避免这种问题，从而形成一个强的和/或更均一的膜。
在PCT/NZ96/00016(WO 96/28591)(Barton)中公开了一种可行的方法，用于阳极氧化镁或镁合金。它包括在含氨的电解质溶液中对材料进行阳极氧化。也公开了在溶液中存在的一些磷酸盐化合物。PCT/NZ98/00040(WO98/42892)中公开了对这种Barton方法的改进(MacCulloch等)。
由于氨的挥发物产生环境问题，并且考虑到与含氨电解质及工艺洗涤中与处理有关的潜在问题，需要一种超过前述方法的工艺，其中的电解质中不含氨或氨盐。但是缺乏氨化合物会给阳极极化、重复性及膜的质量的带艺但来困难。
在PCT/NZ01/00215(WO 02/28838 A2)中公开了另一种可行的阳极氧化镁或镁合金的方法，其中不使用含氨的电解质。该方法包括将镁材料浸在一种pH大于9并且存在磷酸盐(或磷酸离子)的液体电解质溶液中。该溶液还优选地包括一种缓冲试剂，如一种四硼酸盐以保持溶液的pH大于9。也介绍了阳极氧化前的预处理步骤。
在PCT/NZ01/00215中介绍的方法和器械形成一个可行的方法对镁进行阳极处理。溶液中含有硼(或一种硼酸盐)，由于它如果在使用后处理不当会造成环境危害，所以一般不太适合。另外，也涉及一部分预处理步骤。因此，希望有一种最好是采用不含氨和/或/硼酸盐的电解质和/或不需要使用这种预处理步骤的阳极氧化镁或镁合金的可行方法。
而且，许多用来阳极氧化镁的方法需要包括使用脉冲直流电，这需要采用特殊和昂贵的整流器。因此也希望有一种采用直流或平波直流电(这里称作“直流电”)的可行方法来产生需要的或希望的结果。
因此，本发明的目的是解决上述问题，或者至少给公众提供一个有用的选择。
本发明的进一步的内容及优势将仅通过实施例方式，以后续描述阐述清楚。
发明的公开
根据本发明的一个方面，这里提供了一种包括阳极氧化镁材料的方法，包括对镁材料进行阳极氧化，将其浸入到一种pH高于7并且有磷酸的存在液体电解质溶液中，电解质溶液还包含一种多价螯合剂。
按照本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的磷酸盐是一种碱金属磷酸盐。
按照本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的pH在10.2-11.0范围内。
按照本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的电解质溶液含有一种碱金属氢氧化物。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的碱金属氢氧化物是KOH。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的电解质进一步包括一种等离子抑制物。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的电解质进一步包括一种胺。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的胺是TEA。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中的多价螯合剂是以乙烯二氨四甲烯磷酸的形式存在的。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中通过电解质溶液的电流是一种脉冲直流电。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中通过电解质溶液的电流是一种直流电。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中镁材料的阳极氧化按照为制备阳极氧化镁材料设计的预处理方法进行。
根据本发明的另一个方面，这里提供了一种方法，基本如上文所述，其中镁材料的预处理按照WO 02/28838 A2中描述一步或多步预处理步骤进行。
在本发明中，词语“磷酸盐”被理解为包括或指：合起来地或单个地，一种磷酸盐或磷酸离子的来源。进一步，词语TEA被理解为指叔胺-三乙醇胺。
阳极氧化镁材料的方法可以包括这样的阳极处理的步骤，其中它被浸入到一种pH大于7、并有一种磷酸盐和一种多价螯合剂存在的液体电解质溶液中。
磷酸盐可以包括一种正磷酸盐和/或一种焦磷酸盐。
任何一种合适来源的磷酸盐可以被用于溶液中。例如一种碱金属磷酸盐如正磷酸二氢钠。或者，额外地，磷酸盐可以由一种磷酸或其盐来提供。
如果需要或者想要，可以采用任何合适浓度的磷酸盐，并且实验的尝试和错误使得需要的或最佳的浓度范围被确定。一般来说，磷酸盐的浓度在0.02M到0.1M可能是特别合适的。应当理解及认识到该范围仅仅是通过实施例的方式给出。不在这个范围内的磷酸盐的浓度也包括在本发明的范围内。
pH值最好是大于9，并且更特别地，pH范围在10.2-11+被认为是特别适合的。
任何适当的碱可以被用来达到和保持需要的pH。例如，电解质溶液可以用一种氢氧根离子源来提供。例如一种碱金属氢氧化物如KOH或NaOH。
任何适当浓度的碱可以被用来达到优选的或需要的pH。
电解质溶液也可以包括一种等离子抑制物。等离子抑制物的作用主要是减少等离子释放在阳极处理的物体的缺陷位置形成等离子放电。一个适当的等离子抑制物的实例可以是一种丙烯酸修饰的马来酸。进一步的例子是P80产品，这是一种由美国Cyamid公司生产的化合物。
可以根据需要或希望采用任何适当浓度的等离子抑制物。例如，100-400ppm范围内的浓度是合适的，尽管不在这个范围的等离子抑制物的浓度也在本发明的范围之内。
电解质溶液可以优选地包括一种多价螯合剂。多价螯合剂的一个作用是结合任何疏离的或过剩离子(通常是金属离子)，使得它们不能反应，并且，例如形成例如白色粉末状沉淀及其类似物。
进一步，我们发现采用一种多价螯合剂与一种胺例如TEA合用产生一种令人惊讶的和有利的结果，因为发现镁材料的阳极处理只用一个直流电流就可以满意地进行。
可以采用任何合适的多价螯合剂，例如乙烯二胺四甲基烯磷酸或由美国Henkel公司生产的DEQUEST2066。可以采用任何适当的浓度范围，并且这可以由尝试和实验来确定。但是，在0.002M-0.02M的浓度范围是特别合适的。不在该范围内的浓度也应被认为是在本发明的范围内。
电解质溶液可能也包括一种胺，更特别地是一种二胺或三胺。
发现TEA是特别合适的，因为它似乎与多价螯合剂一起工作来产生前面所述的令人惊讶的结果。
再有，TEA的浓度可以是任何需要的或想要的水平，尽管在40-150g/l范围内的浓度可能是特别合适的，再有，不在该范围内的浓度也应被认为是在本发明的范围内。
采用直流电流对镁进行阳极氧化是众所周知的。例如在WO02/28838 A2中作了详细的描述。
应用于电解质溶液的电压可以特别是一种连续直流电流(DC)。发现一种脉冲或DC电流适用于本发明的方法。但是，当电解质溶液既包含一种胺如TEA又包含一种多价螯合剂如DEQUEST2066时，发现镁材料的阳极氧化只用连续的直流电(DC current)就可以进展得很好。这是有优势的，并且具有商业意义。因为直流电流不需要采用昂贵的和/或特殊的整流器和类似的设备，而这些在产生脉冲电流时是需要的。
优选地，镁材料在阳极氧化处理前可以进行预处理及或清洗。任何适当地预处理和/或对镁材料的清洗可以按需要或希望进行，或按镁材料的条件或状况进行。优选地，例如，镁材料的阳极氧化可以按照WO02/28838 A2中介绍的预处理步骤中的一步或几步进行。
但是应该理解和认识到WO/02/28838 A2中介绍的预处理步骤决不是唯一可能的预处理工艺或步骤。例如，当镁材料被严重污染的情况下，例如，润滑油或表面腐蚀，需要额外的或可选的清洗或预处理步骤，和/或这些步骤可能需要重复进行。类似地，如果镁材料特别清洁和/或质量很好，它可能需要较低或较少地严格清洗或预处理步骤。
我们也发现采用TEA和/或多价螯合剂可以使预处理或清洁步骤较少，就可以达到满足镁材料阳极氧化地目的。
能够更好地对镁材料进行阳极化的设备种类和/或条件已经有很多报道。例如在现有技术中提到的工艺。但是，将要采用的设备及技术的一般性概况如下：
阳极氧化反应在一个容器中进行，其中将需要阳极氧化的物体被连接到一个导电性的架子上，并浸入电解质中。一般地，除了需要与待阳极氧化的物体接触形成电接触的小区域之外，架子被塑料包裹。当架子由一种在阳极氧化工艺的电条件下发生钝化的材料组成时，不需要用一种绝缘材料来包裹架子，但为了提高效率，可能会需要这样做。
一般地，含有电解质和阳极处理物体的器皿最好是用绝缘塑料制成地，如果将导电的反电极插入到池子中，最常见的是在侧面。希望这些是化学惰性的，优选地是316型不锈钢，尽管可以采用由其它物质组成的反电极，例如铝，这是不希望的，因为对工艺的其它改变，一个反极性电压被施加到物体上，导致简短的阳极极化。不锈钢的优点是在这种条件下是惰性的，而铝则会发生极化，阻碍了标准循环的正常功能。
电解质在一个广泛的温度范围内是可用的，从大约0度到其沸点，但本工艺的最适范围在20-60℃。施加到电解质上的电压通常是直流电。由一个整流的三相电源产生的输出包括一个波动幅度在大约5％的连续极性电压是合适的，如平稳的直流电一样。也可以采用校正的波形，例如脉冲的或双重的交流电压，尽管与正常的由直流阳极氧化得到的相比，这导致不同的膜厚度及其它特性。
当最初在物品上施加阳极电压时，电阻是低的，但会逐渐增加，因为在表面形成了一个绝缘的阳极膜。当保持阳极氧化电流保持恒定时，这导致电压的增加。这一工艺通常是采用恒定电流的方法来控制，优选地在50A/m2至500A/m2之间，最适合的是在200A/m2左右。当在200A/m2操作时，施加的电压在2-3分钟后可望达到200伏，对于一个商业上有用的包膜，电压可能达到最高限度的230-270伏。适用于一些用途的非常薄的膜可以用较低的电压来实现。如果电压保持恒定在一个确定的限度，例如220伏，并且如果在这种条件下，电流会减小。
通常工艺只需不到5分钟。当电压达到200-270伏的范围时，局部等离子放电的产生是很常见的。特别在有缺陷的部位。这些等离子的特征是包膜形态的改变，并且在下面的金属结构上可能存在相关的热效应。通过加入前面提到的等离子抑制物，可以实现对这种等离子放电的抑制。
由于电源供应在它们的特征上有所不同，以及达到相同膜厚度的最终电压非常依赖于诸如波纹百分比、脉冲的有无以及其它的电流特征等方面。上述的电压仅仅是一种代表，本工艺可以在广泛的电压范围及电流密度下进行。
在对前一段的标准工艺的改进中，可以在阳极氧化物体之前施加一个短暂的电压，这通常是控制电流并形成相对低的电压，通常低于20伏，并且对电解质中的物体进行相当的气体处理。已知这样的阴极循环不会影响待阳极氧化的物体表面的化学成份，但是可以有助于制备用于阳极氧化的清洁的和均一的表面。
由于镁或镁合金物体的市场主要是模具铸件，需要进行阳极氧化的物体的特征与铝相当不同，后者中阳极氧化组分通常是凸出或是平坦的。许多模具铸件物体的特点是复杂形状和表现出大量的表面缺陷，包括凹陷、多孔、液流痕迹和由于空气存留或液流阻滞给电化学处理带来困难。
希望阳极氧化电解质能够有效的循环，不仅是因为要保持均一的电解质成分还要除去热量。阻滞的液流可以在阳极氧化中通过采用超声清洗设备来消除。在阳极氧化中采用超声清洗产生清洁的、光洁的阳极氧化膜。超声能量似乎减少了形成的膜表面的边界层，并提高了离子向电解质储液的转移。这是一个额外的好处，因为疏松贴附的物体例如模具铸件中的内含物更容易被去除。
超声波的使用不限于阳极氧化电解质，并也可以用于改进冲洗或清洗工艺的效率。但是，在清洗工艺中超声波的应用是早就确定了的。
当可能有液流阻滞或在凹陷淹没中产生的空气口袋相关的问题时，其它改进电解质循环的方法包括采用液流收敛或内建有转动或运动循环的架子。这些技术有时会在其它的电化学过程中见到。通常用于电镀或化学镀膜工艺的旋转桶系统是不适合的，因为这里公开的工艺中形成的阳极膜不是导电性的。
含有许多层的复合包膜存在许多潜在的问题，包括几个处理阶段的高昂代价，以及这些步骤中每一步骤的失败可能积累的可能性。通常希望尽可能用尽量少的步骤产生最终的结果。因为总体的生产率是由最慢的工艺步骤的时间确定的，工艺中的时间节省导致总体效率的提高。
Barton和MacCulloch公开的方法最好在低于10℃的温度下进行，因此需要采用压缩冷冻机来去除从工艺溶液中产生的废气的热量。这带来相当大的资金花费和额外的能量消耗。对于本发明的目的，一个冷却塔足够进行商业化生产，结果是显著的节省。
镁物体阳极氧化遇到的常见问题来自这样的事实：即许多镁物体是铸造的模具，而不是挤压的、锻造的或碾压的。铸件经常存在许多缺陷，包括多孔、裂缝、液流线、内含物、外来硬物及其他物质形成的斑。作为一种工具，不锈钢模具老化缺陷来自工艺的磨损。模具铸件合金通常是异质的，与通常用于挤压的同质固体解决方法不同。
相应地，不常见的阳极氧化作用有时在缺陷位点也会出现。发现当将阻隔试剂加入到电解质溶液中时，抑制了白色粉末状沉淀形成的趋势。
在本发明的一些具体实例中，电解质溶液可能包括一种缓冲试剂以维持pH及需要的水平和范围。可以采用任何适当的缓冲试剂，尽管一种四-硼酸盐可能是特别适合的。另外，一种碱金属四硼酸盐如四硼酸钠可能是特别适合的。
实施本发明的最佳方式
实施本发明的最佳方式的一些例子如描述如下。
1.电解质按下列方法制备：
正磷酸二氢钠(NaH2PO4.2H2O)——6g/l
四硼酸钠(Na2B4O7.5H2O)——30g/l
氢氧化钠(NaOH)——大约10g/l
乙烯二胺四甲基烯磷酸(C6H16O12N2P4)——3g/l
磷酸盐溶解在去离子水中，在大约40℃时缓慢加入硼酸盐。本实施例中使用的五水四硼酸钠的溶解很慢，因为它容易形成大的溶解较慢的晶体。然后加入氢氧化钠溶液调节将pH调高至11.0。最后，加入有机酸。预清洗步骤包括在3.5％硝酸中室温下处理2分钟，在80℃和25％的NaOH溶液中5分钟，以及40℃下0.03M二氟化铵5分钟。阳极氧化在200A/m2下进行，电压从0上升到大约230伏，随后工艺终止。在AZ91D、AM60和AZ31B镁合金物体的表面形成一个大约3-4μm厚的均一、平滑、无粉末的膜。
2.按照以下方法制备电解质：
正磷酸二氢钠(NaH2PO4.2H2O)——6g/l
四硼酸钠(Na2B4O7.5H2O)——30g/l
氢氧化钠(NaOH)——大约10g/l
乙烯二胺四甲基烯磷酸(C6H16O12N2P4)——3g/l
丙烯酸修饰的马来酸(P80，美国Cyanamid公司的专利化合物)——200ppm
电解质按照上述实施例1制备。在有机酸之后加入P80组分。预处理按照上述实施例进行。阳极氧化在200A/m2进行，电压从0达到大约250伏。尽管实验中故意选择了质量较差的模具铸件，没有发现等离子放电的趋势。阳极氧化膜平滑和均一，与上述的类似。
3.我们随后用不含硼或硼酸盐而采用TEA的电解质溶液进行了实验。特别地，该电解质包括：
正磷酸离子
TEA
合适的碱使pH大于10
发现该工艺仅在采用苛性碱除油作为预处理步骤时方可工作。但是，在这种电解质中阳极氧化特别地需要采用特定的脉冲直流电流。
3.沉积的包膜是Mg3PO4。按照下面制备电解质：
磷酸75％——100g/L
三乙醇胺99％——85g/L
氢氧化钾溶液45％——210g/L(pH＝11.2)
电导——20℃为70mS
用脉冲波形(10ms开，10ms关)在45℃和200A/m2进行阳极氧化3分钟。平均电压是90伏，峰值电压为195伏。
沉积的阳极氧化层是浅灰色的并且厚度为14μm。
尝试在相同的电解质、相同的条件下(除了电源是连续三相、未过滤、全波整流电流以外)对一块测试镁板进行阳极氧化，没有产生任何有意义的阳极极化，因而没有出现膜的沉积。
但是，当向相同的溶液中加入4g/L的“DEQUEST 2066”后，进一步实验表明，用等价的连续直流电流可使12-15μm的良好的膜沉积。随后，当采用脉冲电流时，采用DEQUEST的溶液产生了与上述实施例3相似的结果。
4.电解质制备如下：
磷酸85％——90g/L
三乙醇胺99％——90g/L
Dequest 2066——2g/L
氢氧化钠——使pH＝11.0
电导——20℃下为75mS
阳极氧化在45℃下和300A/m2用过滤的直流电处理2分钟。平均电压是70伏，最终电压是155伏。
沉积的阳极层是浅灰色的，厚度为10mm。
三乙醇胺是一种优选的叔胺，它无味，具有良好的溶解度，较高的沸点以及满意的解离常数。通常发现高粘度的阳极氧化溶液对膜的形成是有益的，特别是如果这来自于采用高分子量取代的叔胺或仲胺。一个例子是采用75g/L的1-2-乙氨基2-丙醇。膜在低电压和良好的电流效率下容易形成。
向阳极氧化溶液中加入少量的磷酸盐如“DEQUEST”2066或2041可以使阳极氧化过程在脉冲波形和过滤及未过滤的直流电中进行。
下面的预处理步骤被用于AZ91和AM50合金，并发现对获得良好的极化和平滑的包膜是有益的。
a.在70℃的热NaOH和去污剂中除油5分钟。
b.在水中漂洗3分钟。
c.在2％的二氟化铵中浸泡5分钟。
d.水漂洗。
包膜的厚度和多孔性可以在一定程度上通过选择不同的电流密度和时间的组合加以控制。例如，如果两种条件下膜的厚度相同，与低电流密度加长时间相比，高电流密度加短时间将产生较少孔的膜。
当采用与实施例3中相似的脉冲波形时，峰值电流与平均电流的比值可以高达10∶1。这在一些情况下是不利的。因为对于相对小的平均电流，电源供应必须超量设计。
氢氧化钾是优选的碱。
发现较低的电解质pH值与磷酸盐添加剂的组合有利于促进阳极膜在由于隔离而具有高铝含量的底物上的形成。尤其是采用氟化物进行预处理。
本发明的各个方面通过实施例的方法作了介绍，并且应该认识到，其它可能的修改和增加没有偏离发明的范围，如权利要求中所限定的。