CN110453261B - 一种基于电化学的材料表面改性方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电化学的材料表面改性方法与装置，属于材料加工领域。本发明的材料表面改性方法包括，设置待加工工件，在待加工工件表面喷涂电解液，在待加工工件与喷涂的电解液之间施加电场，使所述待加工工件与所述电解液之间形成电解环境。基于射流电化学加工原理，通过电解极性接法的不同，在目标电极上发生氢脆、着色、沉积反应。本发明的射流电化学材料表面改性方法具有操作便捷性好、高效且加工位置可控的好处。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工领域，尤其是涉及一种基于电化学的材料表面改性方法与装置。
背景技术
表面改性是指在保持材料的原始性能的前提下，对材料表面添加新的性能，例如润湿性、生物相容性、抗静电性、染色性等。目前常用的表面改性技术有材料热处理、表面涂层、表面镀层、表面喷丸等，通过这些技术可以使材料表现出更好的耐高温、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳、导电及导磁等特性，使材料适用高温、高速、高压环境，同时，利用这些改性技术还能提高产品可靠性，延长产品使用寿命。
目前常用的表面改性方法中，材料热处理应用量最大，尤其是在金属材料领域，热处理后的工件实质上可以认为是一种特殊复合材料，心部为原始成分的钢，表面则是渗入合金元素，心部与表层之间为紧密的晶体型结合，它比电镀等表面技术所获得的心、表部的结合要强得多。但是，热处理时间较长，工艺较复杂，同时，该技术辅助材料消耗多、费用大、成本高，因此在应用上具有一定的局限性。
表面涂层技术为涂料一次施涂得到固态连续膜，是以防护、绝缘、装饰等为目的的一项技术。涂料可以为气态、液态、固态，通常根据需要喷涂的基质决定涂料的种类和状态，应用范围非常广泛，可应用于金属及非金属材料。但是，表面涂层技术为提高涂层粘附力首先要对工件表面进行毛化，毛化后进行涂层、烘干等，总体来说步骤繁琐，并且存在涂层不完全覆盖或涂层厚度不均匀问题，长时间使用后容易产生剥落现象。
表面镀层技术一般是在镀液中加入一种或数种不溶性固体颗粒，通过物理或化学的方法将固体颗粒与金属离子共沉积在材料表面的过程，从而形成功能表面的技术。表面镀层具有结构稳定、结合力好、性能优越的特点，近年来一直是人们研究的焦点。但表面镀层技术与表面涂层技术一样，工艺复杂，设备投入成本高，同时镀液存在一定污染，因此在应用上具有一定的局限性。
表面喷丸技术为工厂广泛应用的一种表面强化工艺，即使用丸粒轰击工件表面并植入残余压应力，提升工件表面疲劳强度的冷加工工艺，广泛应用于提高零件机械强度及耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性等。随着近年来喷丸技术的高速发展，逐渐出现了激光喷丸等技术手段。虽然这些表面喷丸技术在目前的表面处理工艺中发挥着重要作用，但同样存在一些不足，例如丸粒喷丸操作便捷性差，容易出现钢珠泄露，同时容易出现喷丸效果不均匀问题；激光喷丸设备投入非常高，并且工艺参数还未完全探索明白。
因此，有必要提供一种新的材料表面改性装置及材料表面改性方法。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明实施例提供一种基于电化学的材料表面改性方法与装置。
本发明实施例解决上述技术问题所采取的技术方案为：提供一种基于电化学的材料表面改性方法，包括：设置待加工工件，在待加工工件表面喷涂电解液，在待加工工件与喷涂的电解液之间施加电场，使所述待加工工件与所述电解液之间形成电解环境。
作为上述技术方案的进一步改进，施加电场的方法为：设置电源与喷嘴，将所述电源的正极与所述喷嘴电连接，将所述电源的负极与待加工工件电连接，用所述喷嘴在待加工工件表面喷涂电解液。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电解液为硝酸钠溶液或氨基磺酸镍混合溶液或硫酸铜混合溶液。
作为上述技术方案的进一步改进，施加电场的方法为：设置电源与喷嘴，将所述电源的负极与所述喷嘴电连接，将所述电源的正极与待加工工件电连接，用所述喷嘴在待加工工件表面喷涂电解液。
作为上述技术方案的进一步改进，所述待加工工件为惰性导电材料。
作为上述技术方案的进一步改进，向所述喷嘴提供电解液的方法为：设置电解液槽，使所述喷嘴与所述电解液槽连通。
作为上述技术方案的进一步改进，使电解液循环使用的方法为：设置电解槽，将待加工工件安装于所述电解槽中，使所述电解槽与所述电解液槽通过回流管路连通。
作为上述技术方案的进一步改进，调节所述喷嘴与待加工工件之间的相对位置的方法为：设置位移部件，通过所述位移部件调节所述喷嘴与待加工工件之间的相对位置。
本发明还提供一种基于电化学的材料表面改性装置，包括喷嘴、电解液槽以及电源，所述喷嘴与电解液槽连通，通过所述电解液槽向所述喷嘴提供电解液，所述电源的一极与所述喷嘴电连接，在加工时，所述电源的另一极与待加工工件电连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电源的正极与所述喷嘴电连接，所述电源的负极与待加工工件电连接。
本发明的有益效果：
本发明的材料表面改性方法，通过电解液槽向喷嘴提供电解液，喷嘴将电解液喷涂在待加工工件的表面，并将喷嘴与待加工工件与电源的两极电连接，从而在喷嘴与待加工工件之间形成电场，在电解液环境下，待加工工件被喷涂电解液的部位发生氧化还原反应，达到对材料表面改性的目的。本发明的材料表面改性方法，基于电化学反应对材料表面改性，具有高效性，同时利用喷嘴向待加工工件喷涂电解液，改性过程便捷性好，且改性位置很容易进行控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明材料表面改性装置一个实施例的结构示意图；
图2为一个实施例的喷嘴与待加工工件的连接结构示意图；
图3为待加工工件表面加工区一个实施例的加工示意图；
图4为一个实施例中对金属铌表面进行改性的试验结果示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
参照图1与图2，本发明实施例提供一种材料表面改性装置，包括电解液槽1、喷嘴2、电源3，电解液槽1与喷嘴2连通，电解液槽1内盛装有电解液，通过电解液槽1向喷嘴2提供加工所需的电解液，喷嘴2将电解液喷涂到待加工工件4的表面，在加工时，电源3的两极分别与喷嘴2与待加工工件4连接，从而喷嘴2、喷嘴2与待加工工件4之间的电解液、待加工工件4三者形成电解环境，待加工工件4作为该电解环境的一个电极发生反应，从而使待加工工件4表面被喷涂电解液的部位发生改性。
在一个实施例中，电解液槽1与喷嘴2之间设置电解液循环泵10，通过电解液循环泵10提供电解液从电解液槽1流入喷嘴2的动力，优选的，电解液槽1与喷嘴2之间还设置有过滤器11，过滤器11过滤掉电解液槽1提供的电解液中的杂质，过滤器11优选为设置在电解液循环泵10与喷嘴2之间。
在一个实施例中，材料表面改性装置还包括电解槽5，电解槽5为待加工工件4提供安装环境，并且用于收集从待加工工件4处流出的电解液，电解槽5与电解液槽1之间通过回流管路50连通，通过回流管路50将电解槽5收集到的电解液送回至电解液槽1，使电解液能够被循环使用，降低加工过程中电解液的消耗。其中，回流管路50的入口优选为设置在电解槽5的底部。
电解槽5内固设有工件夹具6，待加工工件4固定安装在工件夹具6上，通过工件夹具6固定待加工工件4，以避免待加工工件4在加工时的位置发生偏移。
在一个实施例中，材料表面改性装置还包括机台7，在机台7上固设有喷嘴夹具8，喷嘴2固定安装在喷嘴夹具8上。优选的，喷嘴2位于待加工工件4的正上方，喷嘴2的头部与待加工工件4正对。
为了便于调节待加工工件4与喷嘴2之间的相对位置，保证加工的精准性，本发明实施例的材料表面改性装置还包括位移部件，通过位移部件，能够调节待加工工件4与喷嘴2之间的相对位置。
在一个实施例中，位移部件包括X轴移动部件90、Y轴移动部件91以及Z轴移动部件92，Y轴移动部件91安装于机台7上，X轴移动部件90安装于Y轴移动部件91上，电解槽5安装于X轴移动部件90上，通过X轴移动部件90与Y轴移动部件91对电解槽5在水平方向上的位置进行调节，进而使待加工工件4与喷嘴2水平方向上的相对位置得到调节，Z轴移动部件92安装于机台7，并位于电解槽5的上方，喷嘴夹具8固定安装在Z轴移动部件92上，通过Z轴移动部件92可以在竖直方向上调节喷嘴2的位置，进而在竖直方向使喷嘴2与待加工工件4之间的相对位置得到调节。
当然，在其他不同的实施例中，位移部件也可以采用其他不同的结构，如三轴机械手，将喷嘴2固定在三轴机械手上，通过三轴机械手可以对喷嘴2水平方向、竖直方向上的位置进行调节；又如：位移部件包括水平移动平台与竖直移动平台，水平移动平台与喷嘴2连接，调节喷嘴2在水平方向上的位置，竖直移动平台与待加工工件4连接，调节待加工工件4在竖直方向上的位置。本领域技术人员在不需要付出创造性劳动的情况下，可以简单的变换出很多种位移部件的不同结构，这些应在本发明的保护范围之内。
优选的，在加工前，使用万用表的测导通档将待加工工件4与喷嘴2连接，通过位移部件调节待加工工件4与喷嘴2之间的间距，当待加工工件4与喷嘴2之间的间距调整至万用表发出响声，此时设定该距离为初始加工间距，根据实际加工工艺的不同要求，可以进一步对初始加工间距进行调整。
以上对本发明实施例的材料表面改性装置的结构进行了详细的描述，除此之外，针对电源的正负极与喷嘴、待加工工件不同的连接方法，可以实现两种不同的加工方式。
实施例1：
电源的正极与喷嘴连接，电源的负极与待加工工件连接。
实施例1的加工适用于低硬度、高韧性金属材料的表面改性。针对这类金属材料表面改性处理，喷嘴2连接电源3的正极，待加工工件4连接电源3的负极，待加工工件4的表面发生还原反应，在电解液溶液中，待加工工件4的表面的氢离子被还原产生氢气，氢离子的直径非常小，能够渗透到待加工工件4的表面，随着气泡的形成与长大，待加工工件4的表面被氢脆，同时在待加工工件4的表面形成微裂纹，硬度及脆性的提升使材料表面可加工性提升。进一步的，在电解加工铝、钛、钨等金属时，材料表面极易形成致密氧化膜，阻碍内层材料的电解加工，利用阴极氢化作用，能够在材料表面持续产生氢气气泡，破坏表面氧化层，为易氧化材料的持续电解加工创造有利条件。
除此之外，通过调整电解液的成分，利用阴极沉积效果，可在材料表面得到合金层，使材料表面强化。如本实施例中，材料为阴极，在特定电解液成分下发生还原反应，得到阴极沉积层，使特定元素渗入到材料表面或覆盖在材料表面，从而提高表面耐高温、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等特性。如，在一个实施例中，电解液为氨基磺酸镍混合溶液，氨基磺酸镍混合溶液的成分包括氯化镍、润湿剂、十二烷基硫酸钠、硼酸，在该电解液喷涂在工件表面，工件接阴极，可在工件表面沉积出金属镍层，用于制作电子器件或模芯；又如：电解液为添加硫酸铜混合溶液作为介质，硫酸铜混合溶液的成分包括光亮剂、硫酸，将该电解液喷涂在工件表面，工件接阴极，可在工件表面沉积出铜层，用于制作电子器件；在另一个实施例中，电解液也可以为硝酸钠溶液。
如图3与图4，示出了利用射流电化学在金属铌表面进行改性的试验结果。试验条件为：喷嘴接电源正极，待加工工件接电源负极，初始加工间隙0.05mm，喷嘴内径1.11mm，电解液为20％的硝酸钠溶液，恒流0.4A，加工65s。加工开始后喷嘴下方的待加工工件的表面随即产生氢脆现象，图4中I区为非加工面，由于该区域没有被喷射电解液，可以发现该区域表面完好，无氢脆现象；图4中II区为已加工面，该区域被喷射了电解液，在其表面明显有氢脆开裂现象，经纳米压痕仪检测，表面硬度为原来的两倍。在机械加工领域，一定范围内表面硬度及脆性的提升有利于刀具切削，所以认为利用射流电化学表面改性方法对低硬度、高韧性金属材料提升机械加工特性有显著效果。
当然，图4仅仅示意在一定条件下对金属铌表面进行改性的数据，实际上，使用本发明实施例的材料表面改性装置也可以适用于其他的低硬度、高韧性金属材料的表面改性，根据实际加工工况及材料的不同，也可以对加工的条件进行调整，不必限定为本发明实施例所给出的条件。
实施例2：
电源的负极与喷嘴电连接，电源的正极与待加工工件电连接。
实施例2的加工适用于惰性导电材料，包括但不限于铂金、钯金、石墨。此时，待加工工件为阳极，待加工工件的表面发生氧化反应，通过本发明实施例的材料表面改性装置可以实现对待加工工件的表面着色。
本发明实施例的材料表面改性装置的优点为：
1、利用射流电化学的加工方法，能够快速、有效在工件表面进行选择性改性，并且所用设备操作便捷、加工灵活性好、设备造价成本低。
2、能针对低硬度、高韧性的金属材料进行氢脆改进，提高材料的机械加工特性。
3、能去除电解加工中工件表面的氧化层，且去除方法与工件表面的硬度无关。
4、能根据应用要求，调整电解液成分，从而在工件表面沉积出不同金属层来满足表面要求。
5、能利用射流电化学加工原理，实现阳极表面着色加工。
基于以上对材料表面改性处理的原理，本发明实施例还提供一种材料表面改性方法，其处理过程为：设置待加工工件，在待加工工件的表面喷射电解液，施加电场，使待加工工件表面喷射电解液的区域形成电解环境，同时，使待加工工件作为电解的阴极或阳极。
在一个实施例中，待加工工件作为电解的阴极，此时，适用于对低硬度、高韧性金属材料表面的改性处理，加工时，待加工工件作为电解的阴极，如上述材料表面加工装置的描述，待加工工件的表面发生还原反应，待加工工件表面的氢离子被还原产生氢气，氢原子直径非常小能渗透待加工工件表面，随着气泡的形成与长大，待加工工件表面被氢脆，形成微裂纹，从而提升待加工工件的机械加工特性，同时，针对铝、钛、钨等金属材料，阴极氢化作用能在待加工工件表面持续产生氢气气泡，破坏其表面产生的氧化层，为持续电解加工创造有利条件。
在另一个实施例中，待加工工件作为电解的阳极，此时，适用于惰性导电材料，如铂金、钯金、石墨等，待加工工件表面产生氧化反应，能够实现对待加工工件表面的着色。
以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种基于电化学的材料表面改性方法，其特征在于，设置待加工工件与喷嘴，所述待加工工件的材料选择铝、钛、钨或铌，通过所述喷嘴在待加工工件表面喷涂电解液，将所述待加工工件和所述喷嘴接入电源以在待加工工件与喷涂的电解液之间施加电场，使所述待加工工件与所述电解液之间形成电解环境，并利用阴极氢化作用，以所述待加工工件为阴极、所述喷嘴为阳极，使待加工工件的材料表面或待加工工件的表面氧化膜被喷射电解液的部位发生还原反应而产生氢气，设置位移部件，通过所述位移部件调节所述喷嘴与待加工工件之间的相对位置,进行设定区域的选择性表面改性。
2.根据权利要求1所述的基于电化学的材料表面改性方法，其特征在于，施加电场的方法为：设置电源，将所述电源的正极与所述喷嘴电连接，将所述电源的负极与待加工工件电连接，用所述喷嘴在待加工工件表面喷涂电解液。
3.根据权利要求2所述的基于电化学的材料表面改性方法，其特征在于，所述电解液为硝酸钠溶液或氨基磺酸镍混合溶液或硫酸铜混合溶液。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的基于电化学的材料表面改性方法，其特征在于，向所述喷嘴提供电解液的方法为：设置电解液槽，使所述喷嘴与所述电解液槽连通。
5.根据权利要求4所述的基于电化学的材料表面改性方法，其特征在于，使电解液循环使用的方法为：设置电解槽，将待加工工件安装于所述电解槽中，使所述电解槽与所述电解液槽通过回流管路连通。
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