CN101724879B - 一种等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置及方法，包括电极系统和电解液系统，其中电极系统包括带有集液槽的阴极，集液槽与电解液系统相通连接，集液槽底部设置有通孔，并在其外表面上包覆有阴极绝缘包覆层，电解液通过通孔向阴极的绝缘包覆层渗透。本发明打破了常规PEO浸入式工艺技术处理的限制，提出一种适合于处理不规则零部件表面和零部件内表面及大面积工件局部的PEO成膜新方法；同时设计了一类具有刷镀模式的PEO表面处理装置，从而使处理大面积工件局部、不规则零部件表面和零部件内表面的工艺操作简单易行，成膜效率提高。

Description

一种等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体电解氧化工艺技术领域，尤其是一种等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置及方法。

背景技术

等离子体电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation，PEO)又被称为“微弧氧化”或“火花放电阳极沉积”等，它是将金属或合金置于电解液中，通过高电压、大电流的作用在电极表面原位烧结生成陶瓷层的一种电化学表面处理技术。通过该技术可以在铝、镁及钛等合金表面获得具有良好膜基结合强度、高硬度的陶瓷层，从而克服合金基体质软、耐蚀和耐磨性差等缺点。与其他表面处理技术相比，该技术具有成膜效率高、工艺过程简单、膜层性能可控及绿色环保等优点。

目前，常规的处理方法是将待处理的试样与电源的正极相连并浸于电解液中，以石墨或不锈钢等惰性电极为对电极并与电源负极相连。虽然这种常规的处理方法操作简单，但仅适用于对一定面积的、结构规则的零部件进行整体处理。而当需要对工件局部进行PEO处理时，必须对不需要处理的表面进行良好的密封设计，从而使工件局部隔绝电解液，避免因氧化成膜而使表面性质及状态发生改变；同样，当需要对形状不规则的零部件或零部件内表面进行PEO处理时，必须设计合适的对电极，从而保证PEO处理过程中的成膜速率和所得膜层质量；另外，当对具有较大面积的零部件进行PEO处理时，则要求电源具有较高的输出功率并配置具有更大体积的电解槽。

上述这些问题的存在，大大增加了PEO技术在实际工业化生产中使用的难度和限制了技术的推广，并将造成资源的不必要浪费和工作效率的下降。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种适合于处理不规则零部件表面和零部件内表面及大面积工件局部的等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置及方法，以使得处理大面积工件、不规则零部件表面和零部件内表面的工艺操作简单易行，成膜效率提高。

为实现上述目的，本发明一种等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，包括电极系统和电解液系统，其中电极系统包括带有集液槽的阴极，集液槽与电解液系统相通连接，集液槽底部设置有通孔，并在其外表面上包覆有阴极绝缘包覆层，电解液经通孔向阴极绝缘包覆层渗透。

进一步，所述集液槽采用惰性电极材料制成。

进一步，所述集液槽采用不锈钢、铂及其合金或金材料制成。

进一步，所述集液槽上设置有进液管和出液管，进液管和出液管均通过管路与所述电解液系统相连通。

进一步，所述电解液系统包括电解液回流槽和循环泵，电解液回流槽内预装有PEO电解液，所述进液管通过管路与循环泵相连通，以使得电解液在所述集液槽和循环槽之间循环流通。

进一步，所述阴极绝缘包覆层采用氟树脂、耐热纤维毡、陶瓷纤维毡制成，所述阴极绝缘包覆层的外形根据实际工作需要进行设置，其设置为圆弧型下表面结构、平板状结构或条型结构。

进一步，所述集液槽的上部设置有电极连接杆，该电极连接杆的上部设置有手持用绝缘手柄。

进一步，所述集液槽、电极连接杆、进液管和出液管的外表面上均包覆密封设置有绝缘材料。

一种采用权利要求1所述装置进行刷镀成膜的方法，具体为：

1)将待处理试样进行清洗和除油预处理；

2)将电极系统的阴极与PEO电源的负极连通，将待处理试样连接电源的正极；

3)启动循环泵使集液槽内充满电解液；

4)启动PEO电源，手持绝缘手柄，将阴极绝缘包覆层靠近待处理试样的表面，并以设定速度在待处理试样表面上匀速移动；

5)根据设定的镀膜厚度，来确定刷涂的次数，以完成刷镀成膜。

进一步，所述阴极在待处理试样的表面上的移动速度为2～20m/min，所述阴极绝缘包覆层与待处理试样表面之间的间距为1～5mm。

本发明等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置及方法打破了常规PEO浸入式工艺技术处理的限制，提出一种适合于处理不规则零部件表面和零部件内表面及大面积工件局部的PEO成膜新方法；同时设计了一类具有刷镀模式的PEO表面处理装置，从而使处理大面积工件局部、不规则零部件表面和零部件内表面的工艺操作简单易行，成膜效率提高。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为平板状电极系统的结构示意图；

图3为长条状电极系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明一种等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置中将阴极系统设计成可以手持的笔式电极，该电极系统主要包括集液槽3、阴极绝缘包覆层2、电极连接杆6、绝缘手柄7。

集液槽3采用不锈钢、铂合金等惰性电极材料制成，其功能是在PEO处理过程中作为阴极，维持PEO过程中连续的电流；同时，集液槽3还具有储存电解液的功能，在集液槽3的底部表面上设计有一定量的通孔，以维持电解液向阴极绝缘包覆层2的渗透。

在集液槽3上部设置有进液管4和出液管5，进液管4和出液管5均通过塑料导管13与电解槽3相连通，其中进液管4与电解液回流槽12中的微型循环泵11相连，而出液管5则将电解液引回电解液回流槽12。工作中循环泵11可以使PEO电解液循环流动，这样不但将PEO过程中产生的大量的热效应带走，同时也可以通过电解液的循环保证参与成膜反应的电解液组分恒定。

阴极绝缘包覆层2采用具有良好吸水性的耐热材料制成，阴极绝缘包覆层2的存在避免了阴极与工件的直接接触；为了吸附和保存PEO电解液，阴极绝缘包覆层2具有适当的厚度，太厚则会使电阻增大，电解氧化效率降低；阴极绝缘包覆层2太薄则PEO电解液贮存量太少，不利于反应热的扩散及氧化反应的充分进行，造成过热，影响氧化膜质量。阴极绝缘包覆层2一般采用氟树脂、耐热纤维毡、陶瓷纤维毡等制成。

电极连接杆6采用紫铜等导电性好的材料制成，用于在实验过程中连接导线和手持；其下端通过螺母固定并密封于集液槽3的上部；在电极连接杆6的上端外面设置有绝缘手柄7，绝缘手柄7常用塑料或胶木制作，电极连接杆6通过导线与PEO电源负极相连。

考虑到在PEO过程中，存在高电压和大电流，因此，阴极系统的外部非工作面均采用绝缘树脂、硅橡胶等材料进行密封，即在集液槽3外表面、进液管4外表面、出液管5外表面及电极连接杆6外表面均包覆密封性绝缘材料，以避免电流的泄露及阴阳极之间短接，保证施工的安全性。

在实际工作中，阴极系统在待处理试样1的表面的移动速度可以在2～20m/min，具体情况可以根据PEO处理过程中的电流大小和涂层生长速度做适当调整。另外，阴极系统与待处理试样1之间的距离一般在1～5mm，极间距可以通过阴极绝缘包覆层2的厚度进行调整。极间距过大则容易造成PEO成膜速率下降；极间距过小则易影响PEO成膜反应的充分性。

在PEO处理过程中，阴极绝缘包覆层2的形状和面积可以依据实际需要而进行相应调整，例如对零部件内表面进行处理时，可以将包裹膜设计为圆弧型的外表面；当对零部件凹槽部分进行处理时，可以将包裹膜设计为尺寸适中的条状；当对大面积工件进行处理时，可以将电极包裹膜设计为一定尺寸的长方形或正方形的平板状结构。

本发明等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜方法如下：

1)将待处理试样进行清洗和除油预处理；

2)将电极系统的阴极与PEO电源的负极连通，将待处理试样连接电源的正极；

3)启动循环泵使集液槽内充满电解液；

4)启动PEO电源，手持绝缘手柄，将阴极绝缘包覆层靠近并轻触待处理试样的表面，并以设定速度在待处理试样表面上匀速移动；

5)根据设定的镀膜厚度，来确定刷涂的次数，以完成刷镀成膜。

实施例1

如图1所示，以不锈钢板为材料制成笔式阴极的集液槽3(10×5×5cm)、进液管4和出液管5，在集液槽外顶面中心处焊接铜材质的电极连接杆6，用于手持和导线的连接端。在电极连接杆6上半部安装有绝缘材料制成的绝缘手柄7，电极连接杆6的导线9自绝缘手柄顶部穿出并连接在PEO电源的负极上。不锈钢集液槽3的下表面包裹有一定厚度的阴极绝缘包覆层2，阴极绝缘包覆层2采用绝缘耐热纤维制成，用于吸附和保留电解液，且阴极绝缘包覆层2的下表面制成圆弧型表面。在集液槽3的下表面，均匀开有一定数量的微孔，使集液槽3中的电解液能够流出并渗入到阴极绝缘包覆层2中，从而构建类电解池的局部环境。不锈钢集液槽3、电极连接杆6、进液管4和出液管5的裸露外表面均采用硅橡胶绝缘材料8密封。集液槽3的进液管经塑料导管13与置于电解液回流槽12中的循环泵11相连，出液管5经塑料导管13把回流液引流到电解液回流槽12中。

在进行PEO处理前，首先将圆桶状铝合金待处理试样1的内表面进行清洗和除油等前处理，之后将铝试样与PEO电源的正极通过导线10相连，电极系统的连线7与PEO电源负极相连；之后启动循环泵11，使集液槽3及阴极绝缘包覆层2中充满PEO电解液，且电解液在集液槽3与电解液回流槽12之间循环。之后启动PEO电源，手持绝缘手柄7并使其在铝合金圆桶内表面匀速运动，控制阴极绝缘包覆层2与试样表面的距离在2～3mm，移动速度为5～10m/min。PEO处理结束后，将电极系统在铝合金试样表面移开，切断PEO电源，关闭循环泵。以清水清洗铝合金试样内表面，并以吹风机吹干，发现圆桶状铝合金内表面形成均匀的PEO涂层，膜层厚度为10～15μm，膜层外观均匀，无边缘效应造成的破坏和不均匀烧蚀现象。

实施例2

对大面积平板状镁合金试样的局部进行PEO处理时，将不锈钢集液槽3下表面包裹的阴极绝缘包覆层2制成平板状(如图2所示)。进行PEO处理前首先对待处理试样1的待处理表面进行清洗和除油预处理。采用与上述实施例1相似的装置和操作方法，使电极系统在待处理的平面区域以5～10m/min的速度往复运动。经过20分钟的刷镀式PEO处理后，便在平板状镁合金试样的处理区生成了均匀的白色陶瓷涂层，涂层厚度为8～12μm。

实施例3

对铝合金部件的条状凹槽内部进行局部PEO处理时，将不锈钢集液槽3下表面包裹的阴极绝缘包覆层2制成与凹槽尺寸相当的条形结构，(如图3所示)。进行PEO处理前首先对试样待处理的凹槽内表面进行清洗和除油预处理。采用与上述实施例1相似的装置和操作方法，使带有条状阴极绝缘包覆层2的电极系统在待处理的凹槽区域以8～12m/min的速度往复运动。经过15分钟刷镀式的PEO处理后，便在铝合金试样凹槽区域形成了均匀的灰白色陶瓷涂层，涂层厚度为10μm左右。

本发明中综合考虑了PEO技术自身的特点及常规PEO处理方法的局限性，基于简化工艺、增加普适性的设计思想，本发明具有以下优点：

(1)改变了将待处理工件全部浸入电解液中的PEO处理方式，由于电解液只接触待处理试样表面的局部，而不处理的表面不被氧化，减少了单位工件的处理面积，节约了能源；

(2)适用范围广泛，可以用于不同基体、不同形状及结构等部件，特别在处理不规则零部件的内壁、凹槽及大工件的局部处理方面具有很好的优势；特别适合于大型部件的现场抢修和野外维修。

(3)设备简单，操作方便，环境污染小对于不需要处理的表面不必进行封闭处理，节省了密封保护的工序；

(4)可以避免在PEO处理过程中接线处因产生边缘效应而造成的破坏；同时也可以避免PEO处理过程中，试样边缘及棱角部分因边缘效应造成的烧蚀现象。

Claims (9)

1.一种等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，其特征在于，该装置包括电极系统和电解液系统，其中电极系统包括带有集液槽的阴极，集液槽与电解液系统相通连接，集液槽底部设置有通孔，并在其底部下表面上包覆有阴极绝缘包覆层，电解液经通孔向阴极绝缘包覆层渗透；所述阴极绝缘包覆层采用氟树脂、耐热纤维毡、陶瓷纤维毡制成，所述阴极绝缘包覆层的外形根据实际工作需要进行设置，其设置为圆弧型下表面结构、平板状结构或条型结构。

2.如权利要求1所述的等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，其特征在于，所述集液槽采用惰性电极材料制成。

3.如权利要求2所述的等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，其特征在于，所述集液槽采用不锈钢、铂及其合金或金材料制成。

4.如权利要求1所述的等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，其特征在于，所述集液槽上设置有进液管和出液管，进液管和出液管均通过塑料导管与所述电解液系统相连通。

5.如权利要求4所述的等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，其特征在于，所述电解液系统包括电解液回流槽和循环泵，电解液回流槽内预装有等离子体电解氧化反应所需的电解液，所述进液管通过管路与循环泵相连通，以使得电解液在所述集液槽和电解液回流槽之间循环流通，以保证所述集液槽中电解液充分及组成恒定。

6.如权利要求1所述的等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，其特征在于，所述集液槽的上部设置有电极连接杆，该电极连接杆的上部设置有手持用绝缘手柄。

7.如权利要求1至6中任一所述的等离子体电解氧化陶瓷涂层的刷镀成膜装置，其特征在于，所述集液槽、电极连接杆、进液管和出液管的非工作外表面上均包覆密封设置有绝缘材料。

8.一种采用权利要求1所述装置进行刷镀成膜的方法，具体为：

1)将待处理试样进行清洗和除油预处理；

2)将电极系统的阴极与等离子体电解氧化电源的负极连通，将待处理试样连接电源的正极；

3)启动循环泵使集液槽内充满电解液；

4)启动等离子体电解氧化电源，手持绝缘手柄，将阴极绝缘包覆层靠近待处理试样的表面，并以设定速度在待处理试样表面上匀速移动；

5)根据设定的镀膜厚度，来确定刷镀的次数及处理时间，以完成刷镀成膜。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阴极在待处理试样的表面上的移动速度为2～20m/min，所述阴极绝缘包覆层与待处理试样表面之间的间距为1～5mm。

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