CN101845653A - 一种磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，具体按照以下步骤实施：对工件表面进行去污除油；在磁场作用下对得到的去污除油后的工件进行微弧氧化处理，得到微弧氧化膜层。本发明磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，减小了氧化液溶差极化倾向，加速溶质传递过程，促进微弧氧化反应的进行，提高膜层生长速率，可以改善微弧氧化膜层的外观、提高膜层生长速率，进而提高膜层性能。
Description
技术领域
本发明属于材料表面工程技术领域，涉及一种氧化膜层的制备方法，具体涉及一种磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法。
背景技术
微弧氧化是将Al、Mg、Ti、Ta、Nb等阀金属及其合金置于一定的电解液体系中，利用电化学方法，使材料表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，在阀金属表面生成陶瓷膜层的方法。这样得到的膜层，其耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击等性能均明显高于传统阳极氧化膜。其显微硬度最高可达2000Hv，厚度可达200-300μm且与基体呈冶金结合。
微弧氧化过程中，溶液中的阴离子在工件（阳极）表面吸附、消耗、离子间相互反应而使得工件表面附近溶液层中的阴离子浓度减小、容差极化程度增加，膜层生长速率下降。在一定方向磁场作用下，溶液中运动的带电离子会受到垂直于磁力线方向的洛仑兹力，所以在微弧氧化过程中施加特定参数的磁场，可促进溶液中的阴离子向工件表面移动，从而改善工件表面附近溶液层的溶差极化现象，加速溶质传递过程，促进微弧氧化反应的进行。微等离子弧相当于一根根带电的微导线，会在一定的外加磁场作用下发生偏移，导线在磁场中切割磁力线会在其中产生电动势，等离子弧产生并在工件移动时切割磁力线，则其中也会产生额外的电动势，对膜层的生长产生有利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，解决了现有的微弧氧化膜层制备方法工件表面附近溶液层中的阴离子浓度减小、容差极化程度增加，膜层生长速率下降的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：对工件表面进行去污除油；
步骤2：在磁场作用下对步骤1得到的去污除油后的工件进行微弧氧化处理，得到微弧氧化膜层。
本发明的特点还在于，
其中的步骤2中微弧氧化处理，设置磁感应强度为500-5000Gs，微弧氧化频率为400-1000Hz，电流密度为10-20A/dm2，占空比为30-80%，氧化时间为30-60min，氧化液温度为0-50℃。
其中的步骤2中微弧氧化处理，采用一种磁场氧化装置，包括氧化槽，氧化槽的一侧设置有溶液冷却系统，氧化槽上连接有微弧氧化电源，氧化槽内设置有铁芯，铁芯上缠有线圈，线圈上连接有可调电磁铁电源，将步骤1得到的处理过的工件置于铁芯两极之间，工件和微弧氧化电源的正极连接，所述的氧化槽和微弧氧化电源的负极连接。
其中的工件采用6-18rpm的速度匀速旋转。
本发明的有益效果是：
（1）减小氧化液溶差极化倾向，加速溶质传递过程，促进微弧氧化反应的进行，提高膜层生长速率。
（2）适当参数的磁场不断作用于氧化过程中的微等离子弧，可以改善微弧氧化膜层的外观、提高膜层生长速率，进而提高膜层性能。
（3）在外加磁场作用下进行微弧氧化时，溶液中带电离子运动方向与磁场方向不平行时，带电离子会受垂直于磁力线方向的洛仑兹力作用而改变方向，在特定方向的磁场作用下，可以促使电解液中阴离子向阳极运动，使溶差极化现象得到改善，促进溶液中的溶质传递过程，提高膜层生长速率。微等离子弧相当于一根根带电的微导线，会在一定的外加磁场作用发生偏移，导线在磁场中切割磁力线会在其中产生电动势，等离子弧产生并在工件移动时切割磁力线，则其中也会产生额外的电动势，对膜层的均匀生长产生有利影响。
附图说明
图1是本发明磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法所采用的磁场发生装置的结构示意图；
图2是采用本发明方法制备得到的LC9微弧氧化膜层成份分析；
图3是无磁场作用制备得到的LC9微弧氧化膜层成份分析；
图4是采用本发明方法制备得到的LC9微弧氧化膜层表面形貌；
图5是无磁场作用制备得到的LC9微弧氧化膜层表面形貌。
图中，1.氧化槽，2.铁芯，3.工件，4.可调电磁铁电源，5.微弧氧化电源，6.溶液冷却系统，7.线圈。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：对工件3表面进行去污除油；
步骤2：采用一种磁场氧化装置，该磁场氧化装置的结构如图1所示，包括氧化槽1，氧化槽1内放有氧化液，氧化槽1上连接有微弧氧化电源5，氧化槽1内设置有铁芯2，铁芯2上缠有线圈7，线圈7上连接有可调电磁铁电源4，氧化槽1的一侧设置有溶液冷却系统6，将步骤1得到的处理过的工件3置于铁芯2两极之间，工件3和微弧氧化电源5的正极连接，氧化槽1和微弧氧化电源5的负极连接，开启可调电磁铁电源4，设置磁感应强度为500-5000Gs，微弧氧化频率为400-1000Hz，电流密度为10-20A/dm2，占空比为30-80%，开启微弧氧化电源5进行氧化处理，氧化时间为30-60min，通过溶液冷却系统6保证氧化温度为0-50℃，得到微弧氧化膜层。
对此磁场作用下的微弧氧化工件膜层与无磁场作用的微弧氧化工件膜层进行检测对比，结果发现：
（1）当工件表面与磁力线垂直时，表面光洁度有所提高；当工件表面与磁力线平行时，膜层厚度明显提高。两个方向的表面膜厚有所差别是因为运动方向垂直和平行于磁力线的带电粒子所受的洛仑兹力不同，相当于微导体的微弧游动时切割磁力线的方向不同，产生的附加电动势大小不同，因此膜层在不同方向上的生长速率不同。在处理过程中将工件匀速旋转可消除不同表面膜厚及粗糙度的差别，旋转速度为6-18rpm。
（2）对膜层用X射线衍射仪进行成份分析，结果如图2及图3所示，同样氧化30min时，无磁场作用的工件膜层中只有γ-Al2O3。而有磁场作用的工件膜层中含有γ-Al2O3及α-Al2O3两相。这不是说无磁场作用的试验膜层中不会产生α-Al2O3，随着氧化时间的延长及膜层的增厚，内部的致密层中也会产生α-Al2O3，但同样氧化30min时，有磁场作用的工件膜层中已经出现α-Al2O3。α-Al2O3相具有较高的硬度和很好的化学稳定性，对膜层的耐磨、耐蚀性能具有重要的作用，一般情况下铝合金微弧氧化膜层中希望α-Al2O3相比例高。因此，有磁场作用膜层中α-Al2O3的含量较高，膜层的耐磨耐蚀性能也随之提高。
（3）对膜层表面用扫描电镜进行观察发现，相对于无磁场作用时膜层表面，垂直于磁力线的工件表面膜层表面较为平整，宏观上即表现为粗糙度降低。膜层的孔隙率也相对较低（如图4、图5所示），耐蚀性能得到提高。
（4）相对于无磁场作用的工件，当工件表面与磁力线平行时，膜层厚度明显提高，当工件表面与磁力线垂直时，膜厚相当，如表1所示，1#、2#的数据是两个LC9铝合金工件微弧氧化膜层的测量结果，处理的工艺参数为：磁感应强度为2300Gs，正向电流密度为15A/dm2，频率为400Hz，占空比为50%，氧化时间为40min。微弧氧化处理的同时将工件匀速旋转即可得到均匀的膜层。可见附加磁场的作用有利于提高微弧氧化膜层的生长速率。
表1有磁场作用及无磁场作用的微弧氧化对比
实施例1
步骤1：对ZM5100×60×5mm工件表面进行去污除油；
步骤2：采用一种磁场氧化装置，该磁场氧化装置的结构如图1所示，包括氧化槽1，氧化槽1内放有氧化液，其成份为5g/lNa2SiO3，氧化槽1上连接有微弧氧化电源5，氧化槽1内设置有铁芯2，铁芯2上缠有线圈7，线圈7上连接有可调电磁铁电源4，氧化槽1的一侧设置有溶液冷却系统6，将步骤1得到的处理过的工件3置于电磁铁两极之间，工件接正极，氧化槽接负极，设置磁感应强度为2500Gs，微弧氧化频率为500Hz，电流密度为15A/dm2，占空比为40%，开启微弧氧化电源5进行氧化处理，氧化时间为60min，通过溶液冷却系统6保证氧化温度为0-50℃，得到微弧氧化膜层。
实施例2
步骤1：对LY1280×60×5mm工件表面进行去污除油；
步骤2：采用一种磁场氧化装置，该磁场氧化装置的结构如图1所示，包括氧化槽1，氧化槽1内放有氧化液，其成份为：3g/lNa2SiO3+2g/lNaAlO2+0.6g/lNa2B4O7+0.01g/lLaCl3，氧化槽1上连接有微弧氧化电源5，氧化槽1内设置有铁芯2，铁芯2上缠有线圈7，线圈7上连接有可调电磁铁电源4，氧化槽1的一侧设置有溶液冷却系统6，将步骤1得到的处理过的工件3置于电磁铁两极之间，工件接正极，氧化槽接负极，设置磁感应强度为500Gs，微弧氧化频率为800Hz，电流密度为10A/dm2，占空比为80%，开启微弧氧化电源5进行氧化处理，氧化时间为50min，通过溶液冷却系统6保证氧化温度为0-50℃，得到微弧氧化膜层。
实施例3
步骤1：对LD7φ60×5mm工件表面进行去污除油；
步骤2：采用一种磁场氧化装置，该磁场氧化装置的结构如图1所示，包括氧化槽1，氧化槽1内放有氧化液，成份为：3g/lNa2SiO3+1g/lNaAlO2+1g/lKOH，氧化槽1上连接有微弧氧化电源5，氧化槽1内设置有铁芯2，铁芯2上缠有线圈7，线圈7上连接有可调电磁铁电源4，氧化槽1的一侧设置有溶液冷却系统6，将步骤1得到的处理过的工件3置于电磁铁两极之间，工件接正极，氧化槽接负极，设置磁感应强度为4200Gs，微弧氧化频率为400Hz，电流密度为20A/dm2，占空比为50%，开启微弧氧化电源5进行氧化处理，氧化时间为40min，通过溶液冷却系统6保证氧化温度为0-50℃，得到微弧氧化膜层。
实施例4
步骤1：对ZL10460×60×5mm工件表面进行去污除油；
步骤2：采用一种磁场氧化装置，该磁场氧化装置的结构如图1所示，包括氧化槽1，氧化槽1内放有氧化液，成份为：6g/l（NaPO3）6+2g/lKOH，氧化槽1上连接有微弧氧化电源5，氧化槽1内设置有铁芯2，铁芯2上缠有线圈7，线圈7上连接有可调电磁铁电源4，氧化槽1的一侧设置有溶液冷却系统6，将步骤1得到的处理过的工件3置于电磁铁两极之间，工件接正极，氧化槽接负极，设置磁感应强度为5000Gs，微弧氧化频率为1000Hz，电流密度为10A/dm2，占空比为60%，开启微弧氧化电源5进行氧化处理，氧化时间为30min，通过溶液冷却系统6保证氧化温度为0-50℃，得到微弧氧化膜层。
实施例5
步骤1：对TC450×40×5mm工件表面进行去污除油；
步骤2：采用一种磁场氧化装置，该磁场氧化装置的结构如图1所示，包括氧化槽1，氧化槽1内放有成份为：10g/lNa2SiO3+0.5g/lKOH+0.1g/lNaF，氧化槽1上连接有微弧氧化电源5，氧化槽1内设置有铁芯2，铁芯2上缠有线圈7，线圈7上连接有可调电磁铁电源4，氧化槽1的一侧设置有溶液冷却系统6，将步骤1得到的处理过的工件3置于电磁铁两极之间，工件接正极，氧化槽接负极，设置磁感应强度为3600Gs，微弧氧化频率为1000Hz，电流密度为15A/dm2，占空比为30%，开启微弧氧化电源5进行氧化处理，氧化时间为60min，通过溶液冷却系统6保证氧化温度为0-50℃，得到微弧氧化膜层。
Claims (4)
1.一种磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：对工件（3）表面进行去污除油；
步骤2：在磁场作用下对步骤1得到的去污除油后的工件（3）进行微弧氧化处理，得到微弧氧化膜层。
2.根据权利要求1所述的磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中微弧氧化处理，设置磁感应强度为500-5000Gs，微弧氧化频率为400-1000Hz，电流密度为10-20A/dm2，占空比为30-80%，氧化时间为30-60min，氧化液温度为0-50℃。
3.根据权利要求1所述的磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中微弧氧化处理，采用一种磁场氧化装置，包括氧化槽（1），氧化槽（1）的一侧设置有溶液冷却系统（6），氧化槽（1）上连接有微弧氧化电源（5），氧化槽（1）内设置有铁芯（2），铁芯（2）上缠有线圈（7），线圈（7）上连接有可调电磁铁电源（4），将步骤1得到的处理过的工件（3）置于铁芯（2）两极之间，工件（3）和微弧氧化电源（5）的正极连接，所述的氧化槽（1）和微弧氧化电源（5）的负极连接。
4.根据权利要求1所述的磁场作用下微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，所述的工件（3）采用6-18rpm的速度匀速旋转。
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Granted publication date: 20120509 |
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