CN101037782A - 大面积工件表面的微弧氧化处理方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大体积或大面积工件表面的微弧氧化处理方法及装置。该方法是通过将大体积或大面积工件的待处理区域变为电解槽内壁的组成部分，实现工件表面局部或由局部至整体的微弧氧化。该装置由导液管、对电极和功能罩构成，具有体积小、重量轻、可拆卸、易携带等特点。应用该方法及装置进行微弧氧化处理，易于实现对大体积大面积工件或难拆卸设备表面的定点陶瓷化，以及对其中局部破损区域的快速修复，有利于节约资源、降低成本、提高效率，并最大限度地消除表面加工过程对环境的有害冲击，实现清洁作业。本发明涉及的方法及装置尤其适合于由镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)及其合金制造的工件的微弧氧化处理。

Description

大面积工件表面的微弧氧化处理方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种表面处理方法及装置，具体地是一种用于大体积或大面积工件表面的微弧氧化处理方法及实现该方法的便携式装置。属于表面工程技术和设备领域。

背景技术

目前国内外提法较多的″微弧氧化″，与″等离子体电解氧化″、″火花放电阳极氧化″、″火花放电沉积″等概念一样，就其实质而言，均属阳极氧化的范畴，是广义上的阳极氧化。电化学阳极氧化是Mg、Al、Ti等“阀金属”及其合金诸多表面改性技术中最经济、最有效和最受欢迎的一种。所谓阳极氧化，就是以欲处理的金属为阳极，以不锈钢、石墨等为阴极，在适当的电解液中，在控制电参数以及电解液组成、浓度、温度和pH值等的条件下进行电解，在金属或溶液界面产生火花或微弧放电，借助等离子体微区瞬间的高温高压，在电化学、热化学和等离子体化学等化学过程以及介电击穿、熔融、凝固、高温相变、电泳等物理过程的共同作用下，在金属及其合金表面原位生长兼具保护性、装饰性及功能性氧化物陶瓷膜的方法。微弧氧化实为发展的阳极氧化，但它突破了传统阳极氧化工艺在电参数幅值、波形等方面的制约，将更高密度的能量以更丰富的方式在组分更为复杂的电解液中施加于基体金属，从而实现其表面保护性、装饰性和功能性更加优异的陶瓷膜的原位生长。

与其它表面改性技术相比，微弧氧化具有如下突出优势。其一，它能实现金属和陶瓷两类材料的有机原位复合，在保持两者各自特有性能优势的前提下实现金属表面的强化，同时能有效克服由传统烧结工艺制备的陶瓷材料脆性大、易断裂、可加工性差等缺陷。其二，它工序简单，操作条件温和；成膜能力强，能处理几何形状复杂的工件，凡是能与电解液接触的地方都能实现表面陶瓷化；装置及运作成本低，生产效率高；可实现批量化、不间断生产。其三，通过对工艺参数如电解液配方、电参数等的优化，可以实现对陶瓷膜组成、结构和性能指标的调制；更为重要的是，通过对电解液组分的严格控制，可以实现真正意义上的“清洁生产”。

迄今为止，微弧氧化处理的常规模式仍为浸入式，其基本操作如下：将工件和对电极同时浸入装有电解液的槽体中；将工件、对电极与电源进行电连接；控制电压或电流以及其它工艺参数，进行表面陶瓷化处理。上述浸入式处理模式，对于体积小、几何形状复杂的工件的微弧氧化处理尤其是批量化处理而言，不仅可行，而且高效。但是，当遇到体积或表面积庞大的工件以及难以拆卸的大设备时，如导弹、火箭和人造卫星的外壳、建筑幕墙、船舶舰艇等等，浸入式处理就会遇到如下诸多难题：其一，槽体问题。首当其冲的是槽体的设计、制造问题。由于工件体积庞大，槽体的容积必然要求很大，由此带来诸如槽体材料用量增加，对其力学性能的要求提高等等一系列问题。其二，电解液问题。一方面，工件的大体积大面积直接导致电解液用量的剧增，包括化学试剂用量及用水量的剧增；另一方面，电解液用量的增加还会间接造成后续废液处理压力及成本的显著增加。其三，电源问题。工件的大体积大面积必然导致电能消耗的增加，以及由此带来的对电源参数要求的大幅度提高。其四，工件移动问题。由于完整的微弧氧化处理亦涉及前、后处理等多道工序，处理过程中工件从一个槽体到另一个槽体的移动时有发生。由于体积或面积大，工件的移动将会成为一个大问题。除此之外，上述罗列的四个方面的问题还会引发其它矛盾。

上述问题除直接导致资源(包括化学试剂、水和电等)的浪费外，相关操作成本也会居高不下，而工作效率也会由于诸多不便操作难以提高。此外，当出于装饰、修复等目的，仅需对工件的局部区域进行表面陶瓷化处理时，上述浸入式的处理模式无疑会遇到新的障碍。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的浸入式微弧氧化处理模式的缺陷，提供一种用于大体积或大面积工件表面的微弧氧化处理方法。

本发明的目的还在于提供一种用于实现所述方法的大体积、大面积工件表面的微弧氧化处理装置，从而使大体积或大面积工件的微弧氧化处理变得简单易行。

本发明的大体积大面积工件表面的微弧氧化处理方法，是将工件的待处理表面变为电解槽内壁的组成部分，对工件表面的局部或由局部至整体进行微弧氧化。

本发明的用于大体积大面积工件表面的微弧氧化装备，由导液管、对电极和功能罩构成。其中导液管为一端封闭另一端开口的空芯管，其开口端外壁加工有外螺纹；所述对电极置于导液管内；所述功能罩两端开口，一端为用于与导液管开口端密封联接和拆分的接口，其内侧的尺寸和形状与导液管开口端外侧的尺寸和形状相同，并加工有与导液管开口端匹配的内螺纹，另一端为用于与工件表面紧密结合的功能口，能与待处理表面形成闭合空间。

上述功能罩之功能口的形状，可根据欲处理工件表面的几何形状，加工成圆形、方形、弧形或者其它特殊的形状，以满足微弧氧化处理时功能罩与工件表面之间紧密结合的需要，或者实现达到特殊处理效果(如装饰)的目的。

上述导液管上有可封闭的开口，作为进液和排液或排气之用。上述开口与功能罩功能口之间在管、罩内部相通，以保证进液、排液或排气通畅。此外，导液管上可开有液位窗，作为观察槽内电解液液位情况之用。

上述导液管和功能罩由绝缘材料或表面经过绝缘处理的材料制成。所述对电极由导电性良好但在微弧氧化电解液中呈惰性的材料如不锈钢、石墨或铂等加工成棒状、片状、网状或环状等。

上述导液管和对电极可合为一体，即导液管直接由上述适于制作对电极的材料加工而成，与导线电连接后仅外部进行绝缘处理，其内部直接充当对电极的角色。

上述导液管可与功能罩合为一体，即两者之间不通过螺纹进行连接，而直接加工成为一个整体。

为实现功能罩与导液管之间的紧密结合，确保接界面不漏液，使用生料带或凡士林对接口进行密封处理。

本发明充分考虑微弧氧化表面改性技术自身的特点，以及传统模式在处理大体积大面积工件时存在的诸多难题，遵循“大而化小”的原则，使大体积大面积工件的微弧氧化处理变得简单易行。本发明采用导液管，使微弧氧化前电解液的填充和总量控制以及微弧氧化结束后电解液的回收方便快捷。采用内置对电极，简化了装置的结构。采用功能罩，目的在于将工件表面的待处理区域变为微弧氧化电解槽内壁的组成部分。一方面，该功能罩用于积聚电解液，使微弧氧化处理时工件与对电极之间存在适量的离子型导电介质；另一方面，功能罩的使用有效控制了微弧氧化处理时电解液的影响区域，使表面陶瓷化过程集中在指定区域进行，即实现对工件的定点陶瓷化，同时避免了对非处理区的污染。

利用本发明的方法及装置，除可用于大体积大面积工件表面的局部陶瓷化处理外，还可以通过多次局部化处理从而最终实现整体处理的目标。

与现有技术和装置相比，本发明的有益效果表现在以下三个方面：

(1)便携。本发明中的导液管和功能罩的总容积控制在500～5,000ml即可很好地满足一般实际需要，其制造材料可优选轻质合金或复合材料，因此其便携性毋庸置疑。尤其是导液管和功能罩之间可拆卸的结构设计，使装置的便携性特点更加突出。此外，同一导液管，可根据工件表面几何形状的不同，和具有不同几何形状的功能口的功能罩按需组合使用，即导液管和功能罩之间存在“一对多”的配伍关系，这种关系使得装置的组件更为精简、便携。

(2)节能降耗。利用本发明的方法及装置，能够实现对工件表面局部区域的定点陶瓷化，电能、电解液等资源的消耗以及电源装置的成本可大幅降低。由此带来的处理效率的提高显而易见。此外，也可避免微弧氧化处理时电流/电压对电子元器件的干扰或破坏。

(3)适用范围广。利用本发明的方法及装置，除用于大体积大面积工件的微弧氧化处理外，还可用于其电镀、化学镀等诸如此类的表面处理。尤其适合于由镁、铝、钛及其合金制造的工件的表面处理。

附图说明

图1是本发明的大面积工件表面微弧氧化装置结构示意图；

图2为图1中导液管4的结构示意图；

图3为图1中适用于工件表面为平面的功能罩7的结构示意图；

图4为图1中适用于工件表面为弧形的功能罩7的结构示意图；

图中：1-导线，2-导线，3-导线，4-导液管，5-对电极，6-微弧氧化电解液，7-功能罩，8-工件。

具体实施方式

如图1所示，导线1的一端与工件表面电连接，另一端接DC电源的阳极端或其它电源的任意端口。导线2的一端与对电极5的外接导线3电连接，另一端接DC电源的阴极端或其它电源的任意端口。导液管4一方面作为填充或回收电解液6的通道，另一方面用于存贮电解液6。功能罩7一方面用于存贮电解液，另一方面用于与工件8的待处理表面区域形成闭合空间。

如图2所示，为导液管的结构示意图，其连接口加工有外螺纹。

如图3所示，为适合于表面待处理区域呈平面的工件的微弧氧化装置的功能罩的结构示意图。其功能口呈圆形，整个功能罩的外形与常用圆形漏斗的外形相似。

如图4所示，为适合于表面待处理区域呈弧形的工件的微弧氧化装置的功能罩的结构示意图。其功能口呈圆弧状，能与圆柱体工件的外表面相契合，有利于形成闭合空间。

实施例1

以有机玻璃作为导液管和功能罩的制造材料。以内径2cm的有机玻璃管制成长30cm的导液管。该导液管一端封闭，靠近封闭端加工有一直径1cm的进液口，进液口中心距封闭端端面的距离为3.6cm。导液管的另一端开口，开口端外壁加工有外螺纹。以不锈钢片为对电极，将其与导线电连接后置于导液管内，导线通过导液管壁的小孔引出，孔口以环氧树脂或其它工业用粘接剂进行封堵。将功能罩加工成圆形漏斗的形状，以小口端作为连接口，其内径与导液管外径相同，其内侧加工有与导液管连接口相匹配的内螺纹；以大口端作为功能口，其内口直径为10cm。

以该装置对一面积为50cm×50cm的铝合金板进行表面微弧氧化处理，要求陶瓷化区域呈半径为10cm的圆。方法如下：先以功能罩的功能口罩于待处理区域的上方，然后以快速固化粘接剂对功能口与工件表面接界处的空隙进行密封处理。粘接剂同时起固定功能罩位置的作用。待粘接剂固化后，将导液管外螺纹缠上生料带后拧进功能罩的连接口。之后，通过导液管上的进液口将微弧氧化电解液导入由工件、功能罩与导液管组成的槽体内，当液面至进液口中心线的距离为5cm左右时停止进液。将对电极的外接导线和工件分别与电源电连接。之后接通电源进行表面陶瓷化处理。处理过程中未发现漏液现象。微弧氧化结束后先断开电源，并将电解液抽出，之后用清水进行清洗。清洗结束后先将导液管拧下，然后将功能罩取下，发现铝合金表面有一半径为10cm的覆膜区域，膜层外观非常均匀。

实施例2

以不锈钢管作为导液管的制造材料，以塑料作为功能罩的制造材料。除省去专用的对电极，以及在不锈钢管上电连接导线并对管外壁进行绝缘处理外，其它同实施例1。效果同实施例1。

实施例3

除功能罩加工成方形漏斗的形状，且处理的工件由镁合金制成外，其它同实施例1。最后在镁合金表面形成一规则的方形覆膜区域。

实施例4

除功能罩功能口加工成弧形外，装置的其它部分同实施例1。工件由镁合金加工而成，但其待处理区域为圆柱体的一部分。装置的安装和微弧氧化操作同实施例1。结果在圆柱体的指定区域形成一美观的覆膜区域。

实施例5

以无机玻璃作为制造材料，将导液管和功能罩作为一个整体进行加工。以不锈钢网作为对电极，将其以与实施例1相同的方法置于导液管内。将功能罩的功能口加工成与实施例1、3或4相同的形状。分别对大面积的钛合金进行局部微弧氧化处理，处理方法和效果与实施例1、3或4的相同。

Claims (9)

1、一种大面积工件表面的微弧氧化处理方法，其特征在于将工件的待处理表面变为电解槽内壁的组成部分，对工件表面的局部或由局部到整体进行微弧氧化。

2、一种实现权利要求1所述方法所用的大面积工件表面的微弧氧化处理装置，其特征在于由导液管、对电极、功能罩构成；所述导液管为一端封闭另一端开口的空芯管，其中开口端外壁加工有外螺纹；所述对电极置于导液管内；所述功能罩两端开口，一端为与导液管开口端密封联接和拆分的接口，其内侧的形状和尺寸与导液管开口端外侧的形状和尺寸相同，并加工有与导液管开口端匹配的内螺纹，另一端为与工件表面紧密结合的功能口，能与待处理表面形成闭合空间。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述功能罩的功能口呈圆形、方形或弧形。

4、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于所述导液管上设有用于进液和排液或排气的可封闭的开口，该开口与功能罩的功能口在管、罩内部相通。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述导液管上设有观察槽内电解液液位的液位窗。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述导液管、功能罩由绝缘材料或表面经绝缘处理的材料制成；

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述导液管和对电极为一整体。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于导液管与功能罩之间用生料带或凡士林密封。

9、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述导液管与功能罩为一整体。

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