CN104404591B - 基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置 - Google Patents
基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置 Download PDFInfo
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Abstract
基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置，涉及工件表面微弧氧化领域。解决了现有微弧氧化技术中存在工件氧化膜层厚度不均匀以及电解液等效阻抗导致的能量利用率低的问题。上阴极架为“U”型结构，且架设在微弧槽上，上阴极架的底板上开设有阵列通孔，绝缘架通过螺栓固定在上阴极架的上表面，阳极杆为长方体长杆，阳极杆的两端通过螺栓固定在绝缘架上，工件挂杆的一端位于微弧槽中，且设有弯钩，工件挂杆的另一端穿过上阴极架的底板上的通孔，并通过阳极夹固定在阳极杆上，补偿阴极挂杆的一端设有弯钩，补偿阴极挂杆通过该弯钩架在上阴极架的底板上，补偿阴极板与补偿阴极挂杆的另一端固定连接。本发明适用于微弧氧化。
Description
技术领域
本发明涉及工件表面微弧氧化领域，具体涉及基于溶液放电的材料表面处理技术领域。
背景技术
微弧氧化是一种非常有效的铝、钛、镁、锆等金属基于在溶液中火花放电形成表面功能涂层的技术。该氧化层可以有效提高材料表面的耐磨性、耐腐蚀性、高温氧化性、电气绝缘性等等。微弧氧化基本原理是：按照一定的比例和成分配制电解液，倒入微弧槽中，把需要处理的工件浸没在电解液中，对工件施加正电。在电解液和电学参数合适的条件下，材料表面就会形成火花放电，该火花放电使得材料表面发生高温氧化和烧结，进而形成一层有效的功能层。由于这层氧化层是原位生长，膜层与基体结合好；而且由于该技术不涉及真空，因此该技术涉及到的装置成本较低。
微弧氧化有很多优点，但是该技术推广和应用还不是很好。原因之一是膜层厚度不均匀。微弧放电的强弱与回路等效电阻有关。由于微弧电压直接加在被处理工件和微弧槽之间。这样工件各个表面与微弧槽之间的电压相等。但是每个面相对于微弧槽壁之间的路径却会随着工件的几何形状及放置位置发生变化。于是各个表面微弧放电的等效电阻就会不同。结果放电电流就会造成差异，于是膜层厚度就会不同(膜层生长速率与微弧电流有关)。但是微弧槽的几何尺寸是固定的，不可能随着工件的形状发生变化。因此膜层厚度不均匀是必然的。更为严重的是：目前市售的微弧槽均没有上阴极，为敞开式(为了放置工件方便)。这样工件的其他表面均可看到微弧槽(阴极)，而上表面没有阴极存在，如图1所示，结果上表面电流行走路径将会增大，增加溶液等效电阻，最终的结果就是上表面一般比其他表面薄，有时达20％左右。还有在实际工程中存在工件批量处理，这也一定会存在相互遮挡问题，如图2所示。在这些零件中，有些零件可以看到微弧槽，这样溶液等效电阻会可能小一些。而被遮挡表面的电流流动需要绕过其他的工件，这样电流行走路径变长，等效电阻加大，综合结果：被遮挡的部分微弧涂层的厚度较小。
从另外一个角度看，由于微弧槽没有上阴极，相当于工件顶部离微弧槽壁很远；对于一个固定的微弧槽，大工件离槽壁可以很近，小工件无论怎样摆放总有一些表面离微弧槽壁较远。综合起来，工件整体或局部有可能离开微弧槽壁很远。电解液的等效电阻就会变得很大，这样在微弧氧化恒流源的作用下，大电流流过溶液等效电阻产生焦耳热，而且为了保证电解液温度不能过高还需要另外一套冷却系统将产生的热量散失掉，结果加剧了能量的消耗。可见微弧氧化目前的主要问题是：1)厚度不均匀；2)过程功耗大，专利ZL200910071792.0“大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法和装置”采用网状约束阴极的方法，利用在工件表面近距离移动约束阴极有效提高了能量利用率，但这对于规则形状是可行的，而对于三维工件件或批量处理工件不合适，尤其是对于批量处理不可能逐个进行扫描微弧氧化。所以微弧氧化槽的阴极结构必须改进。
发明内容
本发明为了解决现有微弧氧化技术中存在工件氧化膜层厚度不均匀以及电解液等效阻抗导致的能量利用率低的问题，提出了一种基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置。
基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置包括微弧槽、上阴极架、阳极杆、工件挂杆、补偿阴极挂杆、补偿阴极板、绝缘架和阳极夹，
所述上阴极架为“U”型结构，且架设在微弧槽上，上阴极架的底板上开设有阵列通孔，绝缘架通过螺栓固定在上阴极架的上表面，阳极杆为长方体长杆，所述阳极杆的两端通过螺栓固定在绝缘架上，工件挂杆的一端位于微弧槽中，且设有弯钩，工件挂杆的另一端穿过上阴极架的底板上的通孔，并通过阳极夹固定在阳极杆上，补偿阴极挂杆的一端设有弯钩，补偿阴极挂杆通过该弯钩架在上阴极架的底板上，补偿阴极板与补偿阴极挂杆的另一端固定连接，且所述补偿阴极板位于微弧槽中。
有益效果：本发明提出的微弧氧化装置在实际使用时，将微弧槽与外部微弧氧化电源的负极相连，由于上阴极架直接架设在微弧槽上，因此，上阴极架等效于与外部微弧氧化电源的负极相连，并且上阴极架的底板要浸没在电解液中，阳极杆与外部微弧氧化电源的正极相连，在上阴极架与阳极杆之间通过增加绝缘架进行电气隔离，通过阳极夹使工件挂杆固定在阳极杆上，待氧化的工件挂在阳极杆的底部，使工件完全浸没在电解液中，补偿阴极板通过补偿阴极挂杆挂在上阴极架的通孔中，补偿阴极板的放置位置可根据待氧化工件所需氧化膜层的厚度决定，这样，补偿阴极板、微弧槽以及上阴极架就组成了阴极系统，能够有效的提高待氧化工件的氧化膜层均匀性；同时，由于减小了工件与周围阴极之间的距离，使得电解液的等效电阻减小，大大减少了电解液无功产热，同时也减少了为将这部分能量散出而增加的额外散热功率，进而也降低了微弧氧化的总功耗。
附图说明
图1和图2所示为现有微弧氧化装置；
图3为本发明所述的微弧氧化装置的结构示意图；
图4为补偿阴极板6的结构示意图；
图5-图7为其他形状的补偿阴极板的结构示意图；
图8为绝缘架7的结构示意图；
图9为工件挂杆4的结构示意图；
图10为阳极杆3的结构示意图；
图11为上阴极架2的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图3-图11说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置包括微弧槽1、上阴极架2、阳极杆3、工件挂杆4、补偿阴极挂杆5、补偿阴极板6、绝缘架7和阳极夹8，
所述上阴极架2为“U”型结构，且架设在微弧槽1上，上阴极架2的底板上开设有阵列通孔，绝缘架7通过螺栓固定在上阴极架2的上表面，阳极杆3为长方体长杆，所述阳极杆3的两端通过螺栓固定在绝缘架7上，工件挂杆4的一端位于微弧槽1中，且设有弯钩，工件挂杆4的另一端穿过上阴极架2的底板上的通孔，并通过阳极夹8固定在阳极杆3上，补偿阴极挂杆5的一端设有弯钩，补偿阴极挂杆5通过该弯钩架在上阴极架2的底板上，补偿阴极板6与补偿阴极挂杆5的另一端固定连接，且所述补偿阴极板6位于微弧槽1中。
本实施方式所述的微弧氧化装置在实际使用时，将微弧槽1作为下阴极与外部微弧氧化电源的负极相连，由于上阴极架2直接架设在微弧槽1上，因此，上阴极架2等效于与外部微弧氧化电源的负极相连，并且上阴极架2的底板要浸没在电解液中，阳极杆3与外部微弧氧化电源的正极相连，在上阴极架2与阳极杆3之间通过增加绝缘架7进行电气隔离，通过阳极夹8使工件挂杆4固定在阳极杆3上，待氧化的工件挂在阳极杆3的底部，使工件完全浸没在电解液中，补偿阴极板6通过补偿阴极挂杆5挂在上阴极架2的通孔中，补偿阴极板6的放置位置可根据待氧化工件所需氧化膜层的厚度决定，这样，补偿阴极板6、微弧槽1以及上阴极架2就组成了阴极系统，能够有效的提高待氧化工件的氧化膜层均匀性；同时，由于减小了工件与周围阴极之间的距离，使得电解液的等效电阻减小，大大减少了电解液无功产热，同时也减少了为将这部分能量散出而增加的额外散热功率，进而也降低了微弧氧化的总功耗。
本实施方式中，将上阴极架2的底板开设矩阵通孔，不仅能够方便补偿阴极板6的摆放，同时也有利于电解氧化过程中产生的气体和热量的排出。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，绝缘架7上加工有多个螺栓安装孔。
本实施方式中，将绝缘架7上加工多个螺栓安装孔，使得阳极杆3能够根据工件实际的氧化需要进行位置调节。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述微弧槽1、上阴极架2、阳极杆3、工件挂杆4、补偿阴极挂杆5、补偿阴极板6和阳极夹8均为导电材料实现。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，工件挂杆4上与上阴极架2底板通孔接触的部位黏贴有绝缘胶皮。
由于在实际安装和使用过程中，由于人为或者电解液流动的因素，工件挂杆4与上阴极架2底板的通孔之间容易发生接触，因此，需要将工件挂杆4上与上阴极架2底板的通孔接触的部位处包覆绝缘体，用于阴极与阳极之间的电气隔离。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述工件挂杆4、补偿阴极挂杆5、补偿阴极板6和阳极夹8为多个，且所述多个工件挂杆4与补偿阴极挂杆5依次交替放置。
本实施方式所提出的微弧氧化装置能够同时对多个工件进行微弧氧化，同时可以通过在工件周围摆放多个补偿阴极板6以达到更好的氧化膜层的均匀性。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述补偿阴极板6上开有多个通孔。
本实施方式中，在补偿阴极板6上开设多个通孔，能够保证电解液的能量和物质交换，保证氧化膜层的均匀性。
具体实施方式七、结合图4-图7说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式六所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述补偿阴极板6可以以多种形状实现，如球状、棒状、饼状或管状等，同时，在上述形状的补偿阴极板6的表面也要开设通孔，以便电解液能量和物质的交换，具体的形状选取可根据实际待氧化工件而定。
补偿阴极板6可以采用不锈钢或石墨等导体材料实现。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述补偿阴极挂杆5以万向节结构实现。
通过万向节的便捷性，可以使补偿阴极挂杆5在实际微弧氧化过程中自由弯曲，更加适用于形状复杂的工件进行微弧氧化，也可以根据实际需要的待氧化工件的氧化膜层厚度来调节补偿阴极板6的位置。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述阳极杆3为多个，并且多个阳极杆3并联连接，相互之间有间隙，便于物质和能量的交换以及气体的散发。
具体实施方式十、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述阳极杆3可以为圆柱体、三棱柱、长方体、多棱柱等形状实现，可根据实际使用时的具体情况而定。
具体实施方式十一、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，上阴极架2通过吊具吊在微弧槽1的上方，使上阴极架2、阳极杆3、工件挂杆4、补偿阴极挂杆5、补偿阴极板6、绝缘架7和阳极夹8一同吊起。
具体实施方式十二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，补偿阴极挂杆5穿过上阴极架2底板的通孔并通过螺栓固定在上阴极架2上。
具体实施方式十三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，所述上阴极板2的阵列通孔为矩形间隙，工件挂杆4穿过所述矩形间隙与阳极杆3固定连接，补偿阴极挂杆5穿过所述矩形间隙固定在上阴极架2上。
具体实施方式十四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置的区别在于，微弧槽1的底部和侧壁上均固定有补偿阴极板6。
Claims (5)
1.基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置，其特征在于，它包括微弧槽(1)、上阴极架(2)、阳极杆(3)、工件挂杆(4)、补偿阴极挂杆(5)、补偿阴极板(6)、绝缘架(7)和阳极夹(8)，
所述上阴极架(2)为“U”型结构，且架设在微弧槽(1)上，上阴极架(2)的底板上开设有阵列通孔，绝缘架(7)通过螺栓固定在上阴极架(2)的上表面，所述阳极杆(3)的两端通过螺栓固定在绝缘架(7)上，工件挂杆(4)的一端位于微弧槽(1)中，且设有弯钩，工件挂杆(4)的另一端穿过上阴极架(2)的底板上的通孔，并通过阳极夹(8)固定在阳极杆(3)上，补偿阴极挂杆(5)的一端设有弯钩，补偿阴极挂杆(5)通过该弯钩架在上阴极架(2)的底板上，补偿阴极板(6)与补偿阴极挂杆(5)的另一端固定连接，且所述补偿阴极板(6)位于微弧槽(1)中，
所述补偿阴极板(6)上开有多个通孔，
待氧化的工件挂在阳极杆(3)的底部，使工件完全浸没在电解液中，补偿阴极板(6)通过补偿阴极挂杆(5)挂在上阴极架(2)的通孔中，补偿阴极板(6)的放置位置根据待氧化工件所需氧化膜层的厚度决定，这样，补偿阴极板(6)、微弧槽(1)以及上阴极架(2)就组成了阴极系统，能够有效的提高待氧化工件的氧化膜层均匀性。
2.根据权利要求1所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置，其特征在于，绝缘架(7)上加工有多个螺栓安装孔。
3.根据权利要求1所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置，其特征在于，所述微弧槽(1)、上阴极架(2)、阳极杆(3)、工件挂杆(4)、补偿阴极挂杆(5)、补偿阴极板(6)和阳极夹(8)均为导电材料实现。
4.根据权利要求3所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置，其特征在于，工件挂杆(4)上与上阴极架(2)底板通孔接触的部位包覆绝缘体。
5.根据权利要求1所述的基于分离式补偿阴极提高膜层厚度均匀性和能量利用率的微弧氧化装置，其特征在于，所述工件挂杆(4)、补偿阴极挂杆(5)、补偿阴极板(6)和阳极夹(8)为多个，且所述多个工件挂杆(4)与补偿阴极挂杆(5)依次交替放置。
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