CN101550579B - 大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法及装置，它涉及一种工件表面微弧氧化的处理方法及装置。本发明解决了现有的微弧氧化的处理方法及装置存在的阴阳电极间距离较大和电输出能量的利用率低的问题。本发明装置的导电栅网阴极设置在屏蔽套内，导电栅网阴极设置在屏蔽套的底端面上，屏蔽套的底端面上设有四个支脚，支脚的高度为0.5mm～5mm；本发明方法的主要步骤为：安装大尺寸待处理阳极工件；安装导电栅网阴极；安装阴极装置；连接往复运动装置；启动搅拌装置，同时进行微弧氧化。本发明通过导电栅网阴极与屏蔽套实现了微距微弧氧化，增大了电源输出能量的利用率，进而提高了微弧氧化技术的可操作性。

Description

大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法及装置

技术领域

本发明涉及一种工件表面微弧氧化的处理方法及装置，属于有色金属及其合金表面处理技术领域。

背景技术

微弧氧化是一种在Al、Mg和Ti等有色金属及其合金表面原位生长氧化物陶瓷的新技术。它是在传统阳极氧化的基础上发展而来，但又突破了阳极氧化对电压的限制，所施加的电压较高。其实质是当铝、镁、钛等阀金属放入溶液中，通电后在基体金属表面立即生成一层较薄的氧化物绝缘薄膜，随着电压的升高，电解液与金属界面处的电势急剧增加，致使已形成的氧化物绝缘薄膜的薄弱处被击穿，发生微弧放电现象。该技术通过微弧放电区域高温高压的产生，使常温下一些不可能发生的反应成为可能，最终在基体金属表面原位生长一层连续、均匀、结合力良好的陶瓷膜。此技术能实现耐磨、防腐、耐热冲击、耐电击穿以及具有生物活性等各种功能的陶瓷膜的制备，因此在许多领用具有广泛的应用前景。

微弧氧化技术虽具有上述众多优点，但它的技术劣势也大大限制了它的广泛应用，该技术的最大缺点是单位面积微弧氧化功耗太大、无法实现对大尺寸工件的微弧氧化处理，这是由于维持微弧放电需要的大电流和高电压固有特性所决定的。例如，一般情况下微弧氧化电压在500V左右，电流密度常约为10A/dm²，而对一个普通汽车活塞外表(汽车活塞外表面积大约为4dm²)的处理就需要至少20KW功率输出。因此，到目前为止微弧氧化技术的应用也多是集中在尺寸较小的一些零部件上，而对大尺寸工件的处理则很难实现。针对此问题，很多学者进行了大量研究，但无论是通过电源功率的增大或输出模式改变，还是通过电参数或溶液体系等方面的优化，一次性处理的最大面积也仅为3m²左右。另外，在对大尺寸工件处理时，由于工作电流较大，必须配备庞大的冷却系统对电解液的温度进行控制，同时，由于电流太大，也增大了配电要求，这些都增加了微弧氧化技术的难度及成本，从而制约了微弧氧化对大面积工件的处理的实现。

在对微弧氧化设备、电参数及电解液等方面研究的同时，还有人采用了非常规的微弧氧化方法，即并非将待处理工件整体浸入处理液中，而仅是使待处理工件的局部区域与电解液接触，从而实现待处理工件从局部到整体的处理。如公开号为CN 2789279Y、名称为“微弧氧化摩擦式阴极”的专利采用了一种类似于金属刷镀的摩擦式阴极结构，实现对大尺寸工件表面的微弧氧化处理。其工作原理是：采用尼龙网材料制成的阴极套将阴极包好，通过注液管把电解液注入阴极套，操作阴极，使含有电解液的阴极头及包套在欲被陶瓷化的工件表面以一定速度相对摩擦运动，从而实现工件表面的整体处理。此方法能够实现对大尺寸工件的处理，但也存在着不足。由于此方法采用了非整体浸没的工作方式，这将导致基体、电解液和空气三者的交界处放电剧烈，氧化物陶瓷膜层烧蚀严重，因此界面效应难以消除。此外，公开号为CN 101037782A、名称为“大面积工件表面的微弧氧化处理方法及其装置”的专利通过采用功能罩把工件的处理部位与外界完全隔开、使大面积工件的表面作为电解槽内壁组成部分的办法，来实现工件表面局部或由局部至整体的微弧氧化。此方法适合于大尺寸工件局部的定点陶瓷化，但在对大面积工件进行整体处理时却存在很多问题。鉴于公开号为CN 101037782A的专利存在着诸如生产效率低、难以实现自动连续化处理等不足，公开号为CN 101368286A、名称为“一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法及装置”的专利，公开了一种能够在电解液内实现对大面积工件微弧氧化处理的方法和装置。此专利简化了大面积轻合金工件的微弧氧化处理工艺，降低了生产成本、提高了生产效率。但由于该专利的阴极结构，必须保证“阳极工件与阴极电极装置间距离大于5cm”的条件，而较大的阴极/阳极间距会带来两方面的问题：1)因阴极电场具有自发散效应，当阴阳电极间距离较大时，使得阴极影响区很大(远大于阴极面积)，产生附加放电，放电电流仍然很大；2)由于较大的阴阳电极间距离也造成了较大的溶液阻抗，空耗能量，从而降低了电输出能量的利用率。但如果阴阳极间距离太小，将会影响到反应产物(胶体及气体等)的排出和电解液的交换，进而影响到所生成氧化物陶瓷膜层的质量，甚至会由于气障效应出现微弧中断现象。所以为了提高处理电源效率，需要减小阴极-阳极距离，因此阴极结构必须改进，提高阴极的通透性，以便于溶液流动和反应产物排除，进而实现微距微弧氧化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的微弧氧化的处理方法及装置存在的阴阳电极间距离较大和电输出能量的利用率低的问题，进而提供一种大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法及装置。

本发明的大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法所使用的装置由微弧氧化电源、大尺寸待处理阳极工件、阴极装置、往复运动装置、搅拌装置、阴极导线、阳极导线、电解液槽、微弧氧化电解液和绝缘滑块组成，所述微弧氧化电解液注入到电解液槽内，所述阴极装置由阴极接线柱、导电栅网阴极和屏蔽套组成，所述大尺寸待处理阳极工件整体浸入微弧氧化电解液内，大尺寸待处理阳极工件通过阳极导线与微弧氧化电源的正极连接，所述屏蔽套悬置于大尺寸待处理阳极工件的表面上且位于微弧氧化电解液内，所述导电栅网阴极设置在屏蔽套的内部，导电栅网阴极与大尺寸待处理阳极工件的表面之间的距离为0.5mm～5mm，所述阴极接线柱的一端与栅网阴极连接，阴极接线柱的另一端穿出屏蔽套通过绝缘滑块与往复运动装置连接，所述往复运动装置的滑道置于电解液槽的上方，所述微弧氧化电源的负极通过阴极导线与阴极接线柱连接，所述搅拌装置的出气喷头置于微弧氧化电解液内，所述搅拌装置的气泵置于电解液槽的外部。

本发明的大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法的步骤为：

步骤一：将大尺寸待处理阳极工件置于装有微弧氧化电解液的电解液槽内，并将大尺寸待处理阳极工件通过阳极导线与微弧氧化电源的正极相连接；

步骤二：将导电栅网阴极安装在屏蔽套内，导电栅网阴极与大尺寸待处理阳极工件的表面之间的距离为0.5mm～5mm；

步骤三：将阴极装置的屏蔽套置于大尺寸待处理阳极工件上，将屏蔽套完全浸入到微弧氧化电解液内，并将阴极装置的阴极接线柱通过阴极导线与微弧氧化电源的负极相连接；

步骤四：将阴极装置的阴极接线柱的上端通过绝缘滑块与往复运动装置连接；

步骤五：开启搅拌装置的气泵，通过搅拌装置的的出气喷头对微弧氧化电解液进行搅拌，同时启动微弧氧化电源，微弧氧化电源输出电压，导电栅网阴极下方的大尺寸待处理阳极工件局部表面出现微弱且细小的微弧放电斑点，继续增大微弧氧化电源1的输出电压至正常微弧放电条件，经放电的大尺寸待处理阳极工件的局部表面形成微弧氧化陶瓷膜；

步骤六：驱动往复运动装置，绝缘滑块带动阴极装置，调整阴极装置与大尺寸待处理阳极工件的相对位置；

步骤七：重复步骤六若干次，在大尺寸待处理阳极工件的整个表面形成微弧氧化陶瓷膜。

本发明具有以下有益效果：本发明的大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法及装置采用了导电栅网阴极，导电栅网阴极具有通透性和等效阴极效应，实现了大尺寸待处理阳极工件表面的微弧氧化局部放电的控制，另外，导电栅网设置在屏蔽套的内，导电栅网阴极与大尺寸待处理阳极工件的表面之间的距离为0.5mm～5mm，实现了对导电栅网阴极的约束，电场能够集中分布。本发明通过导电栅网阴极与屏蔽套实现了微距微弧氧化，增大了电源输出能量的利用率，进而提高了微弧氧化技术的可操作性。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图，图2是阴极装置的整体结构立体示意图，图3是具体实施方式二对复杂形状工件进行处理的阴极装置与大尺寸待处理阳极工件的立体示意图，图4是具体实施方式三对非平面型材工件进行处理的阴极装置与大尺寸待处理阳极工件的立体示意图，图5是对大尺寸管筒外表面处理立体示意图，图6是对大尺寸管筒内壁处理立体示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图2和图5～图6说明本实施方式，本实施方式的大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法所使用的装置由微弧氧化电源1、大尺寸待处理阳极工件2、阴极装置、往复运动装置4、搅拌装置5、阴极导线9、阳极导线10、电解液槽11、微弧氧化电解液12和绝缘滑块13组成，所述微弧氧化电解液12注入到电解液槽11内，所述阴极装置由阴极接线柱3、导电栅网阴极7和屏蔽套8组成，所述大尺寸待处理阳极工件2整体浸入微弧氧化电解液12内，大尺寸待处理阳极工件2通过阳极导线10与微弧氧化电源1的正极连接，所述屏蔽套8悬置于大尺寸待处理阳极工件2的表面上且位于微弧氧化电解液12内，所述导电栅网阴极7设置在屏蔽套8的内部，导电栅网阴极7与大尺寸待处理阳极工件2的表面之间的距离H为0.5mm～5mm，所述阴极接线柱3的一端与导电栅网阴极7连接，阴极接线柱3的另一端穿出屏蔽套8通过绝缘滑块13与往复运动装置4连接，所述往复运动装置4的滑道4-1置于电解液槽11的上方，所述微弧氧化电源1的负极通过阴极导线9与阴极接线柱3连接，所述搅拌装置5的出气喷头5-2置于微弧氧化电解液12内，所述搅拌装置5的气泵5-1置于电解液槽11的外部。所述搅拌装置5由气泵5-1和出气喷头5-2组成，气泵5-1与出气喷头5-2相连接，所述往复运动装置4包括电机4-2和滑道4-1，电机4-2安装在滑道4-1的一端。本发明采用了导电栅网阴极7，从而实现了电极距离的微小化，同时通过对导电栅网阴极7进行屏蔽处理，这样使得放电更为集中，导电栅网阴极7的栅网结构有利于电解液和反应产物的通透。本发明的原理为：因待大尺寸待处理阳极工件2整体浸入微弧氧化电解液12后，当缓慢增加微弧氧化电源1的输出电压时，在大尺寸待处理阳极工件2的基体金属表面很快就形成一层较薄的具有绝缘性能的氧化膜，而发生微弧氧化的前提是必须使施加到氧化膜上的电场强度达到其临界击穿值，此时微弧氧化才能发生。由于导电栅网阴极7具有通透性和等效阴极效应，从而很好地解决了因电极距离变小而带来的产物排放、溶液交换问题，使得微距微弧氧化成为可能，进而使得放电更集中、溶液发热无功损耗减小。通过阴极装置的移动实现了任意大面积的微弧氧化处理。该技术的最大优势在于通过具有屏蔽效果导电栅网阴极7的采用，实现了工件表面局部电场的控制、增大了电源输出能量的利用率，提高了小功率电源对大尺寸工件进行处理的可行性，大大拓宽了微弧氧化的应用。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的导电栅网阴极7的栅网线径为0.2mm～5mm。如此设置，更加有利于电解液和反应产物的通透。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的导电栅网阴极7为圆形导电栅网阴极，屏蔽套8的横截面为圆形。如此设置，阴极电极尺寸较少，相当于点状阴极，便于深入到复杂形状工件的待处理区域，尤其适合于复杂形状的大尺寸工件。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式的导电栅网阴极7的形状与大尺寸待处理阳极工件2的横截面形状相同。如此设置，尤其适合于大尺寸非平面的型材。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1～图2说明本实施方式，本实施方式的屏蔽套8由有机玻璃材料制成。如此设置，便于观察屏蔽套8内的放电情况。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1～图2和图5～图6说明本实施方式，本实施方式的大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法的步骤为：

步骤一：将大尺寸待处理阳极工件2置于装有微弧氧化电解液12的电解液槽11内，并将大尺寸待处理阳极工件2通过阳极导线10与微弧氧化电源的正极相连接；

步骤二：将导电栅网阴极7安装在屏蔽套8内，导电栅网阴极7与大尺寸待处理阳极工件2的表面之间的距离H为0.5mm～5mm；

步骤三：将阴极装置的屏蔽套8置于大尺寸待处理阳极工件2上，将屏蔽套8完全浸入到微弧氧化电解液12内，并将阴极装置的阴极接线柱3通过阴极导线9与微弧氧化电源1的负极相连接；

步骤四：将阴极装置的阴极接线柱3的上端通过绝缘滑块13与往复运动装置4连接；

步骤五：开启搅拌装置5的气泵5-1，通过搅拌装置5的出气喷头5-2对微弧氧化电解液12进行搅拌，同时启动微弧氧化电源1，微弧氧化电源1输出电压，导电栅网阴极7下方的大尺寸待处理阳极工件2局部表面出现微弱且细小的微弧放电斑点，继续增大微弧氧化电源1的输出电压至正常微弧放电条件，经放电的大尺寸待处理阳极工件2的局部表面形成微弧氧化陶瓷膜；

步骤六：驱动往复运动装置4，绝缘滑块13带动阴极装置，调整阴极装置与大尺寸待处理阳极工件2的相对位置；

步骤七：重复步骤六若干次，在大尺寸待处理阳极工件2的整个表面形成微弧氧化陶瓷膜。

例如：待处理面为圆筒外壁，将阴极装置置于圆筒外壁表面上，透过屏蔽套8监控微弧放电情况，通过阴极装置上下往复运动及圆筒自身的转动实现对大尺寸圆筒外表面的处理。待处理面为圆筒内壁，通过阴极装置沿轴向方向的往复运动，从而实现对其内表面的处理。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的屏蔽套8的上端面到微弧氧化电解液12水平面的距离K为1cm～20cm。如此设置，能够达到较好的屏蔽效果。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

Claims (7)

1.一种大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法所使用的装置，它由微弧氧化电源(1)、大尺寸待处理阳极工件(2)、阴极装置、往复运动装置(4)、搅拌装置(5)、阴极导线(9)、阳极导线(10)、电解液槽(11)、微弧氧化电解液(12)和绝缘滑块(13)组成，其特征在于：所述微弧氧化电解液(12)注入到电解液槽(11)内，所述阴极装置由阴极接线柱(3)、导电栅网阴极(7)和屏蔽套(8)组成，所述大尺寸待处理阳极工件(2)整体浸入微弧氧化电解液(12)内，大尺寸待处理阳极工件(2)通过阳极导线(10)与微弧氧化电源(1)的正极连接，所述屏蔽套(8)悬置于大尺寸待处理阳极工件(2)的表面上且位于微弧氧化电解液(12)内，所述导电栅网阴极(7)设置在屏蔽套(8)的内部，导电栅网阴极(7)与大尺寸待处理阳极工件(2)的表面之间的距离(H)为0.5mm～5mm，所述阴极接线柱(3)的一端与导电栅网阴极(7)连接，阴极接线柱(3)的另一端穿出屏蔽套(8)通过绝缘滑块(13)与往复运动装置(4)连接，所述往复运动装置(4)的滑道(4-1)置于电解液槽(11)的上方，所述微弧氧化电源(1)的负极通过阴极导线(9)与阴极接线柱(3)连接，所述搅拌装置(5)的出气喷头(5-2)置于微弧氧化电解液(12)内，所述搅拌装置(5)的气泵(5-1)置于电解液槽(11)的外部。

2.根据权利要求1所述大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法所使用的装置，其特征在于：所述导电栅网阴极(7)的栅网线径为0.2mm～5mm。

3.根据权利要求1所述大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法所使用的装置，其特征在于：所述导电栅网阴极(7)为圆形导电栅网阴极，屏蔽套(8)的横截面为圆形。

4.根据权利要求1所述大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法所使用的装置，其特征在于：所述导电栅网阴极(7)的形状与大尺寸待处理阳极工件(2)的横截面形状相同。

5.根据权利要求1、2、3或4所述大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法所使用的装置，其特征在于：所述屏蔽套(8)由有机玻璃材料制成。

6.一种大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法，其特征在于该方法的步骤为：

步骤一：将大尺寸待处理阳极工件(2)置于装有微弧氧化电解液(12)的电解液槽(11)内，并将大尺寸待处理阳极工件(2)通过阳极导线(10)与微弧氧化电源的正极相连接；

步骤二：将导电栅网阴极(7)安装在屏蔽套(8)内，导电栅网阴极(7)与大尺寸待处理阳极工件(2)的表面之间的距离(H)为0.5mm～5mm；

步骤三：将阴极装置的屏蔽套(8)置与大尺寸待处理阳极工件(2)上，将屏蔽套(8)完全浸入到微弧氧化电解液(12)内，并将阴极装置的阴极接线柱(3)通过阴极导线(9)与微弧氧化电源(1)的负极相连接；

步骤四：将阴极装置的阴极接线柱(3)的上端通过绝缘滑块(13)与往复运动装置(4)连接；

步骤五：开启搅拌装置(5)的气泵(5-1)，通过搅拌装置(5)的出气喷头(5-2)对微弧氧化电解液(12)进行搅拌，同时启动微弧氧化电源(1)，微弧氧化电源(1)输出电压，导电栅网阴极(7)下方的大尺寸待处理阳极工件(2)局部表面出现微弱且细小的微弧放电斑点，继续增大微弧氧化电源(1)的输出电压至正常微弧放电条件，经放电的大尺寸待处理阳极工件(2)的局部表面形成微弧氧化陶瓷膜；

步骤六：驱动往复运动装置(4)，绝缘滑块(13)带动阴极装置，调整阴极装置与大尺寸待处理阳极工件(2)的相对位置；

步骤七：重复步骤六若干次，在大尺寸待处理阳极工件(2)的整个表面形成微弧氧化陶瓷膜。

7.根据权利要求6所述大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法，其特征在于：所述屏蔽套(8)的上端面到微弧氧化电解液(12)水平面的距离(K)为1cm～20cm。

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