CN103014802B - 一种超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法，所述超声微弧氧化装置包括电解池、电源和冷却水箱，所述电解池置于冷却水箱中，所述电解池与所述电源电连接，其中，所述超声微弧氧化装置还包括超声波信号发生器和超声波换能器，所述超声波信号发生器与所述超声波换能器电连接；所述超声波换能器置于电解池内；通过超声波换能器在微弧氧化工艺中加入超声波，既可以提高传质效率又提高陶瓷层的质量，增大了传热系数，有利于热量的传递，从而增加了传热效率。

Description

一种超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法

技术领域

本发明涉金属材料表面加工技术领域，尤其涉及一种超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法。

背景技术

微弧氧化又称等离子氧化，是通过微弧放电区域高压高温在金属表面原位生长一层连续、均匀的陶瓷膜层。金属基陶瓷膜层性能优异，具有耐腐蚀、耐磨、具有生物活性及硬度高等优点，广泛应用于航空航天、机械、纺织及医疗器械等领域。目前，常见的微弧氧化装置电解池一般都是立方体、长方体和圆柱体等外形，整个电解池置入冷却水箱中，冷却水箱体上、下分别设置冷却水进、出口。在电解池中内置电动搅拌棒、温度计等。

由于现有的微弧氧化装置系统搅拌过程基本为大股流搅拌过程，而微弧氧化是表面反应过程。这样，使得在微弧氧化过程中电解质传质效果不佳；导致金属工件表面的氧化物层形貌、厚度不均一等。并且由于在微弧氧化过程中存在高电压、高电流密度和放电过程激烈，会放出大量热量，而现有的微弧氧化装置导热能力较差，导致大量热量堆积，使得局部温度过高，跟所需要的工艺温度偏差较大，影响了陶瓷膜层质量，在微弧氧化过程中还会产生噪音，形成噪音污染对环境产生影响。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法，旨在解决现有的微弧氧化装置在微弧氧化过程中电解质传质效果不佳的问题。

本发明的技术方案如下：

一种超声微弧氧化装置，包括电解池、电源和冷却水箱，所述电解池置于冷却水箱中，所述电解池与所述电源电连接，其中，所述超声微弧氧化装置还包括超声波信号发生器和超声波换能器，所述超声波信号发生器与所述超声波换能器电连接；所述超声波换能器置于电解池内。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述冷却水箱的上端设置有用于冷却水进入的进水口，下端设置有用于排放冷却水的出水口。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述电解池为球状电解池；所述超声波换能器设置在球状电解池壁上。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述超声微弧氧化装置还包括：用于固定待微弧氧化处理的金属工件的夹具、用于测量球状电解池中电解质温度的测温器、用于控制进水口打开或关闭的进水口阀门、用于控制出水口打开或关闭的出水口阀门和用于控制进水口阀门及出水口阀门分别打开或关闭的温度控制器；所述测温器和夹具设置在球状电解池内腔中；所述进水口阀门设置在进水口上；所述出水口阀门设置在出水口上；所述温度控制器设置在所述球状电解池外；所述测温器通过温度控制器分别连接进水口阀门和出水口阀门；当温度控制器检测到测温器测量的球状电解池中电解质的温度高于一预定值时，温度控制器控制进水口阀门和出水口阀门打开，使冷却水流入。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述测温器为热电偶；所述热电偶设置在球状电解池内腔中。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述球状电解池的上端开口并设置有冷却水箱盖，所述冷却水箱盖设置有用于固定所述测温器和夹具的固定孔。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述夹具的一端与所述电源电连接，所述夹具的另一端与所述待微弧氧化处理的金属工件连接、置于所述球状电解池内腔中。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述冷却水箱盖为绝缘塑料盖。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述球状电解池为不锈钢球状电解池。

所述的超声微弧氧化装置，其中，所述冷却水箱为透明的塑料玻璃冷却水箱；所述冷却水箱的底部设置有用于支撑所述电解池的支座；所述冷却水箱的顶部设置有用于防止所述电解池浮动的环形固定板。

一种采用上述的超声微弧氧化装置的超声微弧氧化方法，其中，包括以下步骤：

A、在电解池中注入60%~80%容积的电解液，将待微弧氧化处理的金属工件放置在电解池内腔中；

B、开启超声波信号发生器和电源；超声波信号发生器产生振荡信号传输至超声波换能器，超声波换能器将振荡信号转换成机械振荡，在电解池中形成超声波；所述电解池对金属元件开始微弧氧化。

相较于现有技术，本发明提供的超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法，所述超声微弧氧化装置由于采用了包括电解池、电源和冷却水箱，所述电解池置于冷却水箱中，所述电解池与所述电源电连接，其中，所述超声微弧氧化装置还包括超声波信号发生器和超声波换能器，所述超声波信号发生器与所述超声波换能器电连接；所述超声波换能器置于电解池内；通过超声波换能器在微弧氧化工艺中加入超声波，既可以提高传质效率又提高陶瓷层的质量，增大了传热系数（滞流层变薄），有利于热量的传递，从而增加了传热效率。

附图说明

图1为本发明提供的超声微弧氧化装置的结构示意图。

图2为本发明提供的超声微弧氧化方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所提供的超声微弧氧化装置，是一种散热快、传质效果佳、微弧氧化所得到的金属氧化物层厚度均一的微弧氧化装置，其主要改进在于，所述超声微弧氧化装置还包括超声波信号发生器和超声波换能器，所述超声波信号发生器与所述超声波换能器电连接；所述超声波换能器置于电解池内，超声波信号发生器产生高频振荡信号通过超声波换能器转成每秒几万次的高频机械振荡，从而在电解池中形成超声波，提高了传质效率及陶瓷层的质量，增大了传热系数（滞流层变薄），有利于热量的传递，从而增加了传热效率。进一步地，所述微弧氧化装置的电解池为球状电解池，电解池采用表面积/体积（容积）最大的球状外形，传热面积最佳、散热效果最好，所述微弧氧化装置在微弧氧化过程中具有散热快，阴、阳极工作距离基本一致等优点，有利于在金属工件表面形成均一的氧化物层。进一步地，通过热电偶和温度控制器控制冷却水的注入可以保持冷却水箱体中水温恒定，并且整个微弧氧化过程在一密闭的腔体中进行，减弱了噪声污染。

请参阅图1，图1为本发明提供的超声微弧氧化装置的结构示意图，如图1所示，所述超声微弧氧化装置包括电解池、冷却水箱2和电源3，所述电解3池置于冷却水箱2中，所述电解池与所述电源3电连接。其中，所述超声微弧氧化装置还包括超声波换能器4和超声波信号发生器5，所述超声波信号发生器5与所述超声波换能器4电连接；所述超声波换能器4设置于电解池内。所述超声波信号发生器5产生的高频振荡信号通过所述超声波换能器4转成每秒几万次的高频机械振荡，从而在电解池腔体中的电解质中形成超声波，具体可设置在电解池底部的内壁或外壁上，可采用焊接连接的方式，或可拆卸式连接的方式。

进一步地，在所述冷却水箱2的上端设置有用于冷却水进入的进水口21，下端设置有用于排放冷却水的出水口22。在进水口21上设置有用于控制进水口打开或关闭的进水口阀门23，在出水口22上也设置有控制出水口打开或关闭的出水口阀门24。

优选地，所述电解池为球状电解池1，所述超声波换能器4设置在球状电解池1壁上。进一步地，请参阅图1，所述超声微弧氧化装置还包括：用于固定待微弧氧化处理的金属工件9的夹具8、用于测量球状电解池中电解质1的温度的测温器6、进水口阀门23、出水口阀门24和温度控制器7；所述温度控制器7用于分别控制进水口阀门23的打开或关闭及出水口阀门24的打开或关闭，从而分别控制进水口21和出水口22的打开或关闭。所述测温器6和夹具8设置在球状电解池1内腔中；所述进水口阀门23设置在进水口21上；所述出水口阀门24设置在出水口22上；所述温度控制器7设置在所述球状电解池1外；所述测温器6通过温度控制器7分别连接进水口阀门23和出水口阀门24。其工作原理如下：所述测温器6设置在球状电解池1内腔中，用于测量内腔的温度，在电解池中设置有电解质，所述测温器6也就是电解质的温度；当温度控制器7检测到测温器6测量的球状电解池1内腔的电解质的温度高于一预定值时，温度控制器7控制进水口阀门23打开，使冷却水流入，还控制出水口阀门24打开，让冷却水箱2里面的较高温度的水流出；相反地，当电解质的温度低于预定值时，温度控制器7则控制进水口阀门23和出水口阀门24关闭；从而保持了冷却水箱2中水温恒定。具体来说，温度控制器7控制进水口阀门23和出水口阀门24同时打开，从而形成水流通路。当温度低于预定值时，同时关闭。优选地，所述温度控制器7也可以只控制出水口阀门24的打开或关闭，而进水口阀门23则处于常开状态，当温度过高时，打开出水口阀门24使得较高温度的水流出，而冷却水流入，直至测温器6测量的温度值低于预定值时，关闭出水口阀门24。在具体应用时，所述测温器6可为温度计、热电偶或热敏电阻等。

优选地，所述球状电解池1的上端开口并设置有冷却水箱盖25，所述冷却水箱盖25设置有用于固定所述测温器6和夹具8的固定孔。所述冷却水箱盖25为绝缘塑料盖，优选为绝缘透明塑料盖。所述冷却水箱盖25和冷却水箱2形成了一密闭的腔体，使得整个超声微弧氧化过程在密闭的腔体中进行，减弱了噪声污染。

在本实施例中，所述夹具8的一端与所述电源3电连接，所述夹具8的另一端与所述待微弧氧化处理的金属工件9连接、置于所述球状电解池1内腔中。所述球状电解池1可通过导线穿过冷却水箱盖25与所述电源3电连接。当所述夹具8的一端连接电源3的正极时，所述球状电解池1连接所述电源3的负极；当所述夹具8的一端连接电源3的负极时，则所述球状电解池1连接所述电源3的正极。

优选地，所述球状电解池1为不锈钢球状电解池。所述冷却水箱2为透明的塑料玻璃冷却水箱，体积大于所述球状电解池1，底部设置有用于支撑所述球状电解池1的支座10。所述冷却水箱盖21设置有用于防止球状电解池1浮动的环形固定板，以防电解液液面过低导致球状电解池1浮动。所述环形固定板为可拆卸地设置在所述冷却水箱盖21上，这样既固定了所述球状电解池1，又可以灵活地拆卸。

以下以举一具体实施例来对微弧氧化过程进行详细说明：当要对金属工件9进行微弧氧化时，首先在球状电解池1中注入约60%~80%容积的电解液，将所述金属工件8固定于所述夹具8上。所述测温器6和夹具8均固定于冷却水箱盖25上，放置于所述球状电解池1的内腔中，通过所述环形固定板和支座10来固定所述球状电解池1。然后分别启动电源3、超声波信号发生器5和温度控制器7等，开始进行微弧氧化。超声波换能器4在球状电解池内腔的电解质中形成超声波，温度控制器7接收测温器6传递过来的温度数据。当球状电解池内腔中的温度高于设定的阈值时，温度控制器7控制进水口阀门23打开，使得冷却水进入，还控制出水口阀门24打开，使冷却水箱2中的高温度水流出；反之则关闭，这样循环从而保持了冷却水箱2中的水温恒定。

基于上述的超声微弧氧化装置，本发明还相应提供一种采用上述超声微弧氧化装置的超声微弧氧化方法，如图2所示，其包括：

S100、在电解池中注入60%~80%容积的电解液，将待微弧氧化处理的金属工件放置在电解池内腔中；

S200、开启超声波信号发生器和电源；超声波信号发生器产生振荡信号传输至超声波换能器，超声波换能器将振荡信号转换成机械振荡，在电解池中形成超声波；所述电解池对金属元件开始微弧氧化。

在具体实施例中，所述步骤S100具体包括：将电解液放入球状电解池中，将金属工件固定在夹具上，并将夹具均固定在冷却水箱盖上。当冷却水箱盖和冷却水箱盖合时，所述金属工件便位于在球状电解池内腔中。所述步骤S200具体包括：电解池和夹具分别连接电源的正极和负极，当电源开启时，开始对金属元件微弧氧化；当超声波信号发生器开始工作时，会产生高频振荡信号，经超声波换能器转换为高频机械振荡；由于超声波换能器设置在球状电解池中，或其壁上，会在球状电解池中形成超声波，从而提高电解质传质效率，提高了陶瓷层的质量。

进一步地，步骤S100还包括，将测温器固定在冷却水箱盖上，在盖合时，测温器便位于球状电解池内腔中。

进一步地，所述步骤S200还包括打开温度控制器，当测温器测量的电解池内腔的温度值高于设定值时，所述温度控制器控制进水口阀门打开，冷却水流入冷却水箱中，还控制出水口阀门打开，使冷却水箱中的高温度水流出；当测温器测量的温度值低于或等于设定值时，温度控制器控制进水口阀门关闭，冷却水停止流入冷却水箱中，还控制出水口阀门关闭，出水口停止出水，冷却水箱中的水停止流出。这样，循环往复，从而保持了冷却水箱中的水温恒定，保持了电解池内腔中的温度在一范围内。

综上所述，本发明提供的超声微弧氧化装置及其超声微弧氧化方法，借鉴超声波清洗器器原理，在微弧氧化工艺中加入超声波来增大电解质传质效率，提高陶瓷薄膜的形成速率；进一步地，采用了表面积/体积（容积）最大的球状作为电解池主体使所述微弧氧化装置在微弧氧化过程中具有散热快，阴、阳极工作距离基本一致等优点，有利于在金属工件表面形成均一的氧化物层；进一步地，通过热电偶和温度控制器控制冷却水的注入可以保持冷却水箱中水温恒定；进一步地，还可在电解池外表面设置有加快散热的翅片；进一步地，整个微弧氧化过程在密闭的腔体中进行，可减弱噪声污染。本发明提供的超声微弧氧化装置造型美观、使用方便，能够用于小金属工件的微弧氧化及实验室中的微弧氧化工艺的研究。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种超声微弧氧化装置，包括电解池、电源和冷却水箱，所述电解池置于冷却水箱中，所述电解池与所述电源电连接，其特征在于，所述超声微弧氧化装置还包括超声波信号发生器和超声波换能器，所述超声波信号发生器与所述超声波换能器电连接；

所述冷却水箱的上端设置有用于冷却水进入的进水口，下端设置有用于排放冷却水的出水口；

所述电解池为球状电解池；所述超声波换能器设置在球状电解池外壁上；

所述超声微弧氧化装置还包括：用于固定待微弧氧化处理的金属工件的夹具、用于测量球状电解池中电解质温度的测温器、用于控制进水口打开或关闭的进水口阀门、用于控制出水口打开或关闭的出水口阀门和用于控制进水口阀门及出水口阀门分别打开或关闭的温度控制器；所述测温器和夹具设置在球状电解池内腔中；所述进水口阀门设置在进水口上；所述出水口阀门设置在出水口上；所述温度控制器设置在所述球状电解池外；所述测温器通过温度控制器分别连接进水口阀门和出水口阀门；当温度控制器检测到测温器测量的球状电解池中电解质的温度高于一预定值时，温度控制器控制进水口阀门和出水口阀门打开，使冷却水流入；当电解质的温度低于预定值时，温度控制器则控制进水口阀门和出水口阀门关闭；

所述球状电解池的上端开口并设置有冷却水箱盖，所述冷却水箱盖设置有用于固定所述测温器和夹具的固定孔；所述冷却水箱盖和冷却水箱形成了一密闭的腔体。

2.根据权利要求1所述的超声微弧氧化装置，其特征在于，所述测温器为热电偶；所述热电偶设置在球状电解池内腔中。

3.根据权利要求1所述的超声微弧氧化装置，其特征在于，所述夹具的一端与所述电源电连接，所述夹具的另一端与所述待微弧氧化处理的金属工件连接、置于所述球状电解池内腔中。

4.根据权利要求1所述的超声微弧氧化装置，其特征在于，所述球状电解池为不锈钢球状电解池。

5.根据权利要求1所述的超声微弧氧化装置，其特征在于，所述冷却水箱为透明的塑料玻璃冷却水箱；所述冷却水箱的底部设置有用于支撑所述电解池的支座；所述冷却水箱的顶部设置有用于防止所述电解池浮动的环形固定板。

6.一种采用权利要求1所述的超声微弧氧化装置的超声微弧氧化方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、在电解池中注入60％～80％容积的电解液，将待微弧氧化处理的金属工件放置在电解池内腔中；

B、开启超声波信号发生器和电源；超声波信号发生器产生振荡信号传输至超声波换能器，超声波换能器将振荡信号转换成机械振荡，在电解池中形成超声波；所述电解池对金属元件开始微弧氧化。