CN103184498B - 滚刷式微弧氧化处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滚刷式微弧氧化处理方法及装置。该方法是通过滚筒刷式阴极在阳极工件表面的来回滚刷，实现工件表面由局部到整体的微弧氧化处理。所述装置包括微弧氧化电源、阳极工件、滚筒刷式阴极、溶液回收装置、微弧氧化电解液、电解液箱、潜水泵和循环冷却水槽，滚筒刷式阴极包括不锈钢圆筒、胶棉套、导电部分、导液部分、塑料手柄。装置具有结构简单，便携，且操作灵活等特点，应用该方法及装置进行微弧氧化处理，易于以连续的方式实现对大体积大面积工件或难拆卸设备表面的微弧氧化处理，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。本发明涉尤其适合于由镁、铝、钛及其合金制造的工件的微弧氧化处理。

Description

滚刷式微弧氧化处理方法及装置

技术领域

本发明涉及微弧氧化表面处理方法和装置，具体地是一种用于大尺寸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。

背景技术

微弧氧化是一种在Al、Mg、Ti等有色金属表面原位生长陶瓷层的表面处理技术，它突破了传统阳极氧化技术工作电压的限制，将工作区域由法拉第区引到高压放电区，利用微弧区瞬间高温烧结作用直接在金属表面原位生长陶瓷膜。与普通阳极氧化技术相比，微弧氧化技术，把等离子体引入化学反应机制。在等离子体的介入作用下具有强烈的能量释放，呈现出较强的弧光放电现象，微弧氧化正是利用等离子体弧光放电过程增强了在阳极试样表面发生的电化学氧化反应，促使反应向产物生成方向进行，同时将化学反应的产物迅速熔融、凝固形成硬质陶瓷层，从而使陶瓷层的耐磨性能得到显著的提高，并明显优于硬质阳极氧化膜。微弧氧化工艺简单、处理效率高、成本低、无污染，生成的氧化膜具有均匀致密、与基体结合强度高、耐磨、耐蚀、耐高温，在航天、航空、汽车、电子和机械等行业中具有巨大的应用前景。

目前，微弧氧化的常规处理模式为浸入式，其基本操作是：将工件和对电极同时浸入电解液中，其中待处理工件与电源正极相连接、对电极与电源负极相连接，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及难以拆卸的大型设备时，浸入式处理就会遇到很多问题。比如，槽体的体积不够大，由于工件体积庞大，对槽体的容积要求必然很大，由此带来的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；另外，在对大尺寸工件处理时，由于工作电流较大，必然产生大量的热量，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，也增加了配备电要求，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处理的实现。

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。针对此问题，很多学者进行了大量研究，除了常规的通过电源功率的增大或输出模式改变，电参数或溶液体系等方面的优化。还有学者另辟蹊径，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，而是使待处理工件的局部区域与电解液接触，从而实现工件从局部到整体的处理。如申请号201020102896，名称为带有移动阴极的局部电场控制微弧氧化设备的专利，移动阴极固定于移动阴极座内，移动阴极座的开口通过吸盘与待处理工件密封、固定，移动阴极的隔墙隔开进液口和出液口，强制电解液流经阴极上端面与工件的间隙，阴极上端面与工件待微弧氧化面平行，并以大面积工件的表面作为电解槽内壁来实现工件表面局部或由局部至整体的微弧氧化。以吸盘吸附工件，虽较固化粘结剂方便，但随着微弧氧化反应的进行，工件表面将产生大量热量，通过电解液的循环能带走部分热量，而电解液流速的增大以及装置自身受热膨胀，将难以保证阴极吸附牢固；并且，以这种定点微弧氧化的方式，将增加工序，无法实现连续处理，生产效率低。

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，以及定点微弧氧化方式无法实现连续处理，生产效率低的不足，提供滚刷式微弧氧化处理方法。

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表面的微弧氧化处理变得灵活和高效。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种滚刷式微弧氧化处理方法，该方法通过滚筒刷式阴极在阳极工件表面的来回滚刷，实现工件表面由局部到整体的微弧氧化处理。

一种微弧氧化处理装置，其包括微弧氧化电源、大尺寸待处理阳极工件、滚筒刷式阴极、溶液回收装置、微弧氧化电解液、电解液箱、潜水泵和循环冷却水槽；所述滚筒刷式阴极包括不锈钢圆筒、胶棉套、导电部分、导液部分和塑料手柄；所述不锈钢圆筒为空心圆柱体，空心圆柱体侧面开有等间距通孔，方便电解液的传输，空心圆柱体两端面中心开孔，且空心圆柱体端面中心孔周围开有小孔，以便于导液部分和导电部分通过螺栓和螺母组合分别固定在不锈钢圆筒两个端面上；所述胶棉套包裹不锈钢圆筒，起储存和传输电解液作用，导通阴阳极，保证微弧氧化反应的进行；所述导电部分包括导电滑环，导电滑环法兰部分与不锈钢圆筒的一端面通过螺栓固定；所述导液部分包括导液管、滚珠轴承及固定座，导液管穿入滚珠轴承内圈，导液管与滚珠轴承内圈之间过渡配合，再以环氧树脂将滚珠轴承紧固于固定座的圆坑内，通过螺栓与螺母将固定座固定于不锈钢圆筒的另一端面上；所述塑料手柄包括伸缩手柄、支架、螺栓与吊环螺母，所述支架通过螺栓与吊环螺母的组合连接与固定导电滑轮和导液部分的导液管。

进一步优化的，所述不锈钢圆筒其上开有3排排列整齐的通孔，均布于不锈钢圆筒侧面。所述不锈钢圆筒材料为202不锈钢或304不锈钢。

进一步优化的，所述胶棉套为聚乙烯醇（PVA）胶棉，包裹在不锈钢圆筒侧面的聚乙烯醇胶棉厚度为1~4cm，包裹不锈钢圆筒端面的聚乙烯醇胶棉厚度为0.2~0.5cm，且两端面上的聚乙烯醇胶棉开有通孔，便于胶棉套套入不锈钢圆筒。

进一步优化的，所述导液管为不锈钢管或者硬质塑料管，导液管一端伸入不锈钢圆筒内，另一端穿入吊环螺母，螺栓旋入吊环螺母，并压紧导液管。

进一步优化的，所述固定座由绝缘材料制成，固定座为圆盘状，其中心开有圆坑，用于固定滚珠轴承，圆坑底面中心开孔，便于导液管伸入不锈钢圆筒内；圆坑边缘上开有通孔，以便通过螺栓与螺母的组合将固定座固定于不锈钢圆筒端面上。

进一步优化的，所述滚筒刷式阴极为通过人手操作或连接传动机构实现滚筒刷式阴极的往复运动，滚筒刷式阴极转速为40~70r/min。

本发明通过尺寸相对较小的滚筒刷式阴极，将电场集中于大面积工件表面的局部区域，通过开有小孔的不锈钢圆筒及包裹其上的胶棉套，实现电解液的储存和传输，保证微弧氧化反应的进行。同时通过调整胶棉套的厚度，实现对阴阳极间距的控制，通过阴极在阳极工件表面的来回滚刷，实现工件由局部到整体的处理。溶液回收装置回收多余的电解液，电解液经导管流回电解液箱，在冷却水槽进一步冷却后，电解液循环利用。与现有技术和装置相比，本发明的有益效果表现在以下四方面：

(1) 设备简单、便携，操作方便。只需在不锈钢圆管口焊接不锈钢法兰片即可制得不锈钢圆筒，而滚筒刷式阴极其余组件的连接固定，均采用螺栓与螺母的组合，无需额外加工；PVA胶棉套依靠自身优良的弹性和韧性即可裹紧不锈钢圆筒；滚筒刷式阴极大小与用于油漆滚刷的滚筒刷大小相当，具有便携性，且使用方便。

(2) 节能降耗。利用本发明的方法及装置，能够实现对大面积工件的微弧氧化处理和外场大面积构件局部修复；溶液回收装置回收多余的电解液，通过导管流回电解槽，实现电解液的循环利用；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。

(3) 灵活、高效。滚筒刷式阴极的自由滚动，易于实现连续化处理，提高了处理效率；滚筒刷式阴极与循环冷却系统结合，保证了电解液充分循环和散热，微弧氧化均匀、高效。通过调整胶棉套厚度以控制阴阳极间距，提高微弧氧化处理时的能量效率。

(4) 适用范围广。无需专门的电解液槽，不受零件尺寸的限制，滚筒刷式阴极能触及的地方都能进行处理。利用本发明的方法及装置，可用于大体积大面积工件的微弧氧化处理，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是实施方式中滚刷式微弧氧化处理装置的整体结构示意图。

图2是滚筒刷式阴极结构示意图。

图3a是滚筒刷式阴极不锈钢圆筒的结构示意图

图3b是筒刷式阴极不锈钢圆筒及胶棉套的轴截面示意图。

图4是滚筒刷式阴极塑料手柄结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1、2、3所示, 滚刷式微弧氧化处理装置包括微弧氧化电源1、大尺寸待处理阳极工件4、滚筒刷式阴极3、溶液回收装置5、微弧氧化电解液、电解液箱7、潜水泵8和循环冷却水槽9；所述滚筒刷式阴极3包括不锈钢圆筒11、胶棉套12、导电部分、导液部分和塑料手柄；所述不锈钢圆筒为空心圆柱体，空心圆柱体侧面开有等间距通孔，方便电解液的传输，空心圆柱体两端面中心开孔，且空心圆柱体端面中心孔周围开有小孔，以便于导液部分和导电部分通过螺栓和螺母组合分别固定在不锈钢圆筒两个端面上；所述胶棉套包裹不锈钢圆筒，起储存和传输电解液作用，导通阴阳极，保证微弧氧化反应的进行；所述导电部分包括导电滑环，导电滑环法兰部分与不锈钢圆筒的一端面通过螺栓固定；所述导液部分包括导液管、滚珠轴承及固定座，导液管穿入滚珠轴承内圈，导液管与滚珠轴承内圈之间过渡配合，再以环氧树脂将滚珠轴承紧固于固定座的圆坑内，通过螺栓与螺母将固定座固定于不锈钢圆筒的另一端面上；所述塑料手柄包括伸缩手柄、支架、螺栓与吊环螺母，所述支架通过螺栓与吊环螺母的组合连接与固定导电滑轮和导液部分的导液管。

如图3a、图3b，不锈钢圆筒11材料为202不锈钢，外径为5cm，长为7cm，其上均布3排整齐排列的通孔，孔径为0.2cm。以2.5cm厚的PVA胶棉套12包裹不锈钢圆筒11，PVA胶棉套12两端面胶棉厚度为0.2cm，起密封作用；以绝缘螺栓和螺母的组合，将导电滑环10和导液部分一同固定在包裹了PVA胶棉套12的不锈钢圆筒11上；塑料手柄上的支架17两端通过螺栓18与吊环螺母19的组合分别连接与固定导电滑环10和导液部分的导液管15。

如图1，一根导线2的一端与工件4表面电连接,另一端接DC电源1的阳极端或其它电源的任意端口。另一根导线2的一端经导电滑环10与滚筒刷式阴极3的不锈钢圆筒11电连接,另一端接DC电源1的阴极端或其它电源的任意端口。一段电解液管道6连接潜水泵8和滚筒刷式阴极3上导液管15，另一段电解液管道2连接溶液回收装置5与电解液箱7，通过潜水泵8实现微弧氧化电解液的循环。

工作时先开潜水泵8，电解液通过导液管15进入不锈钢圆筒11内，外层PVA胶棉起储存和传输电解液作用，打开电源开关，调整微弧氧化电源1的电压、频率等参数。推动手柄16，手柄16的直线运动通过导电滑环10及导液部分的滚珠轴承14转化为包裹了PVA胶棉的不锈钢圆筒11的旋转运动，实现滚筒刷式阴极3在工件4表面的连续滚刷式的微弧氧化处理。

实施例1

以该装置对一面积为50cm×50cm的镁合金板进行表面微弧氧化处理，采用工频交流电源，工件通过导线连接交流电源其中一个输出端，滚筒刷式阴极通过导电滑环经导线连接到电源另一输出端；启动潜水泵，电解液通过电解液管道传递，经导液管进入滚筒刷式阴极不锈钢筒体，电解液通过不锈钢筒体的通孔被PVA胶棉套吸收，PVA胶棉其吸水率能达到本身重量10倍以上，不受外力时保水性很好，受压时水份迅速排出。并且，在运动使用中，由于水的强吸附力，能形成一定的阻力，使滚筒刷式阴极在滚刷工件时不易打滑。推动塑料手柄，滚筒刷式阴极在工件上滚刷时电解液能及时排出，PVA胶棉套起到很好的吸水、保水及给水作用；启动工频交流电源，频率设为50Hz，操作滚筒刷式阴极，以50r/min的速度在工件表面来回滚刷，在微弧氧化处理过程中，在滚筒刷式阴极前进方向上，电解液在胶棉套与工件表面所形成的间隙短暂停留，可见到密集细小的黄色火花。约22min便可完成工件整个表面的微弧氧化处理，关闭电源与潜水泵，取出工件，并用清水进行清洗，在工件表面可见均匀膜层。

实施例2

以1.5cm厚的PVA胶棉套包裹不锈钢圆筒，胶棉套两端面胶棉厚度为0.2cm，其它同实施例1。效果同实施例1。

实施例3

以3.5cm厚的PVA胶棉套包裹不锈钢圆筒，胶棉套两端面胶棉厚度为0.2cm，滚筒刷式阴极以40r/min的速度在工件表面来回滚刷，其它同实施例1。结果在工件表面可见均匀光滑膜层。

Claims (4)

1.一种微弧氧化处理装置，其特征在于包括微弧氧化电源、大尺寸待处理阳极工件、滚筒刷式阴极、溶液回收装置、微弧氧化电解液、电解液箱、潜水泵和循环冷却水槽；所述滚筒刷式阴极包括不锈钢圆筒、胶棉套、导电部分、导液部分和塑料手柄；所述不锈钢圆筒为空心圆柱体，空心圆柱体侧面开有等间距通孔，方便电解液的传输，空心圆柱体两端面中心开孔，且空心圆柱体端面中心孔周围开有小孔，以便于导液部分和导电部分通过螺栓和螺母组合分别固定在不锈钢圆筒两个端面上；所述胶棉套包裹不锈钢圆筒，起储存和传输电解液作用，导通阴阳极，保证微弧氧化反应的进行；所述导电部分包括导电滑环，导电滑环法兰部分与不锈钢圆筒的一端面通过螺栓固定；所述导液部分包括导液管、滚珠轴承及固定座，导液管穿入滚珠轴承内圈，导液管与滚珠轴承内圈之间过渡配合，再以环氧树脂将滚珠轴承紧固于固定座的圆坑内，通过螺栓与螺母将固定座固定于不锈钢圆筒的另一端面上；所述塑料手柄包括伸缩手柄、支架、螺栓与吊环螺母，所述支架通过螺栓与吊环螺母的组合连接与固定导电滑轮和导液部分的导液管；所述导液管为不锈钢管或者硬质塑料管，导液管一端伸入不锈钢圆筒内，另一端穿入吊环螺母，螺栓旋入吊环螺母，并压紧导液管；所述胶棉套为聚乙烯醇（PVA）胶棉，包裹在不锈钢圆筒侧面的聚乙烯醇胶棉厚度为1~4cm，包裹不锈钢圆筒端面的聚乙烯醇胶棉厚度为0.2~0.5cm，且两端面上的聚乙烯醇胶棉开有通孔，便于胶棉套套入不锈钢圆筒。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述不锈钢圆筒其上开有3排排列整齐的通孔，均布于不锈钢圆筒侧面。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述固定座由绝缘材料制成，固定座为圆盘状，其中心开有圆坑，用于固定滚珠轴承，圆坑底面中心开孔，便于导液管伸入不锈钢圆筒内；圆坑边缘上开有通孔，以便通过螺栓与螺母的组合将固定座固定于不锈钢圆筒端面上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述滚筒刷式阴极为通过人手操作或连接传动机构实现滚筒刷式阴极的往复运动，滚筒刷式阴极转速为40~70r/min。