CN201053038Y - 一种低能耗微弧氧化装置 - Google Patents
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Abstract
一种低能耗微弧氧化装置属于金属材料表面加工技术领域。本实用新型在导电溶液中利用微等离子体放电，能直接在铝、钛、镁轻金属表面通过复杂的电化学、等离子体化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层。采用纯方波窄脉冲直流电源，波形准确失真小；研制适合于低能耗的微弧氧化电解液和工艺参数，适用于铝合金、钛合金等金属表面的处理。本实用新型所达到的有益效果是，确保加工质量、大幅度降低了功率消耗、使溶液温度的精确控制变得更加容易。主要适用于金属材料表面加工技术领域。
Description
技术领域
本实用新型属于金属材料表面加工技术领域。
背景技术
微弧氧化(MAO-Micro-arc Oxidation)又称微等离子体氧化(MPO-MicroPlasma Oxidation)或阳极火花沉积(ASD-Anodic Spark Deposition)，该技术在导电溶液中利用微等离子体放电，能直接在铝、钛、镁轻金属表面通过复杂的电化学、等离子体化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层。微弧氧化技术是在阳极氧化基础上发展起来的，但与传统的阳极氧化法相比，微弧氧化技术工艺简单、效率高、无污染、处理工件能力强。利用微弧氧化技术生成的氧化陶瓷膜具有很好的物理化学性能，如结合力强、硬度高，耐磨性、耐蚀性、抗热震性高，膜层电绝缘性好，击穿电压高等，具有很大的实用价值，是一项很有前途的材料表面处理新技术，具有广阔的应用前景。
虽然微弧氧化技术和一般阳极氧化技术相比较具有显著的技术优势，但是也有其不足之处，主要是其电能消耗高于阳极氧化。一般情况下微弧氧化电压在500V左右，电流密度大约为10A/dm2，而一个普通轿车活塞外表面积大约为4dm2，因此，微弧氧化电源的功率至少需要大于20kW。这是限制其应用推广的主要因素。此外，目前在处理大型工件时还存在处理表面质量不稳定等问题。本实用新型针对目前微弧氧化技术中存在的主要问题，提出低能耗微弧氧化技术工艺。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种确保加工质量、大幅度降低了功率消耗、使溶液温度的精确控制变得更加容易的低能耗微弧氧化装置。
本实用新型的工作原理是：
(1)采用纯方波窄脉冲直流电源，波形准确失真小；电源的电压在0～700V连续可调；电源的平均电流通过调节脉冲的占空比来控制，占空比在0～50％可连续调节，保证单脉冲放电时间小于50μs；电源的频率范围：50～2000Hz连续可调；电源的电流(0～100A)、频率(50～2000Hz)和电压(0～700V)均可调节，平均电流的大小通过调节脉冲的占空比来控制。
(2)研制适合于低能耗的微弧氧化电解液和工艺参数，适用于铝合金、钛合金等金属表面的处理。
本实用新型的技术解决方案是，
一种低能耗微弧氧化装置由脉冲电源1和微弧氧化槽2两部分构成。电源1的电流为0～100A，频率为50～2000Hz，电压为0～700V，均能够调节，平均电流的大小通过调节脉冲的占空比来控制。工件3作为试验阳极，微弧氧化槽2是作为阴极的不锈钢板，兼作冷却水腔。因为采用窄脉冲电源，产生热量少，一般可不开启冷却装置。电源1的正极与工件3连接，电源1的负极与微弧氧化槽2连接，电路上还连接有电压表和电流表，电解液4置于微弧氧化槽2内，微弧氧化槽2外壁上设置有观察孔5、冷却水入口6和冷却水出口7，压缩空气管8接入置于微弧氧化槽2底部。
一种低能耗微弧氧化方法：
(1)改进电源放电模式，采用纯方波窄脉冲直流脉冲电源。由于脉冲电压特有的“针尖”作用，使得放电击穿局部面积小，膜层平整均匀，氧化效果大大提高。采用窄脉冲放电，还能使能量利用率显著提高，微弧氧化过程中的能量更主要地用于表面氧化，散失到溶液中的热量大大减少，使得工艺温度控制更加容易，溶液寿命显著延长。在300Hz条件下，放电时间为50μs以下，平均电流密度控制在2A/dm2以下，大幅度降低了功率消耗，降低功率消耗约4/5。在窄脉冲放电条件下，工件表面成膜质量更加平整、稳定和均匀，确保了加工质量。
(2)研制开发低起弧电压的溶液。配制微弧氧化电解液是获得合格膜层的关键之一。不同的溶液成分对应的工艺参数以及获得的膜层结构和质量特性也不相同。例如NaAlO2添加剂可使膜层中铝含量增加；Na2SiO3添加剂可降低膜层起弧电压；Na2WO4添加剂可增加膜层的耐磨性；用NaH2PO4添加剂可使膜层的孔隙率降低等。目前，一般微弧氧化溶液正常工作的电压在500V左右。我们通过大量的实验研究，目前研究的系列新型微弧氧化溶液起弧电压在210～250V，因此工作电压至少可以控制在310～350V以下，采用这种溶液使得功率消耗进一步降低，降低功率消耗约1/3。通过加入改性剂，表面膜层结构更加致密均匀，和基体结合更加紧密。
(3)精确控制合理的处理时间及工艺条件。膜层厚度随时间的增加而增加，但有一极限值，这是由于随着时间延长，所施加的电压升高，氧化膜厚度随之增加，击穿变得困难；同时由于接近弧光放电电压，电火花对膜的破坏作用增大，使膜层剥落、厚度减薄。因此每种工艺都对应一最佳处理时间，微弧氧化时间一般控制在30～60min以内，过多的处理时间将显著降低电能的利用效率。此外研究表明，提高溶液温度到30～50℃，有利于降低起弧电压，和10℃时比较降低约10～20V，并增加放电均匀性，但温度过高会造成大量电解液汽化，膜的粗糙度也增加。因此实际溶液温度一般控制在60℃以下。采用纯方波窄脉冲电源和合理溶液配方可以有效控制产生的热量，使对溶液温度的精确控制变得更加容易。
本实用新型所达到的有益效果是：
(1)铝、钛等合金表面微弧氧化电弧更加细小和均匀，工件表面成膜质量更加平整、稳定和均匀，确保了加工质量。
(2)在300Hz条件下，放电时间为50μs以下，平均电流密度控制在2A/dm2以下，大幅度降低了功率消耗，降低功率消耗4/5。
(3)微弧氧化过程中散失至溶液中的热量显著减少，使溶液温度的精确控制变得更加容易，降低了对冷却装置的要求。
所制备的氧化铝陶瓷层在相结构、厚度、粗糙度和硬度等参数和通常微弧氧化技术制备的陶瓷膜相似。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的微弧氧化装置简图。
图中1.电源，2.微弧氧化槽， 3.工件，4.电解液，5.观察孔，6.冷却水入口，7.冷却水出口，8.压缩空气管。
具体实施方式
一种低能耗微弧氧化装置由脉冲电源1和微弧氧化槽2两部分构成。电源1的电流为0～100A，频率为50～2000Hz，电压为0～700V，均能够调节，平均电流的大小通过调节脉冲的占空比来控制。工件3作为试验阳极，微弧氧化槽2是作为阴极的不锈钢板，兼作冷却水腔。因为采用窄脉冲电源，产生热量少，一般可不开启冷却装置。电源1的正极与工件3连接，电源1的负极与微弧氧化槽2连接，电路上还连接有电压表和电流表，电解液4置于微弧氧化槽2内，微弧氧化槽2外壁上设置有观察孔5、冷却水入口6和冷却水出口7，压缩空气管8接入置于微弧氧化槽2底部。
一种低能耗微弧氧化方法：
(1)采用纯方波窄脉冲直流脉冲电源。在300Hz条件下，放电时间为50μs以下，平均电流密度控制在2A/dm2以下。
(2)研制开发低起弧电压的溶液。配制微弧氧化电解液是获得合格膜层的关键之一。不同的溶液成分对应的工艺参数以及获得的膜层结构和质量特性也不相同。例如NaAlO2添加剂可使膜层中铝含量增加；Na2SiO3添加剂可降低膜层起弧电压；Na2WO4添加剂可增加膜层的耐磨性；用NaH2PO4添加剂可使膜层的孔隙率降低等。微弧氧化溶液起弧电压在210～250V，因此工作电压控制在310～350V。
(3)微弧氧化时间控制在30～60min，溶液温度30～50℃。
Claims (2)
1.一种低能耗微弧氧化装置，其特征在于，由脉冲电源(1)和微弧氧化槽(2)两部分构成；电源(1)的电流为0～100A，频率为50～2000Hz，电压为0～700V；电源(1)的正极与作为试验阳极的工件(3)连接，电源(1)的负极与作为阴极的微弧氧化槽(2)连接，电路上还连接有电压表和电流表，电解液(4)置于微弧氧化槽(2)内，微弧氧化槽(2)外壁上设置有观察孔(5)，压缩空气管(8)接入置于微弧氧化槽(2)底部。
2.根据权利要求1所述的一种低能耗微弧氧化装置，其特征在于，微弧氧化槽(2)是冷却水腔，微弧氧化槽(2)外壁上设置有冷却水入口(6)和冷却水出口(7)。
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| CN106435681A (zh) * | 2016-10-23 | 2017-02-22 | 深圳合技术科技发展有限公司 | 氧化铝纳米层的制作方法和装置 |
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2007
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