CN215799968U - 一种新型热电化学氧化设备 - Google Patents

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李昊旻
雷厉
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Abstract

本申请提供一种新型热电化学氧化设备，包括高频电源、感应线圈部、电解液池、冷却系统，所述高频电源与感应线圈部连接，电解液池与冷却系统连接，所述电解液池用于盛装电解液，电解液池中的电解液循环流入冷却系统对电解液降温，感应线圈部由多匝感应线圈在电解液池的外壁外绕制成圈而形成，并且感应线圈与电解液池的外壁之间具有间隙，因此，感应线圈部的高度和宽度均大于电解液池的外壁的高度和宽度，所述感应线圈部的长度小于电解液池的外壁的长度，所述感应线圈的两端与高频电源连接，工件浸入电解液中，工件穿过感应线圈部时发生热电化学氧化，所述工件为阀金属或者为外表面为阀金属的导电金属。

Description

一种新型热电化学氧化设备
技术领域
本实用新型涉及热电化学氧化技术领域，具体的，本实用新型涉及一种新型热电化学氧化设备。
背景技术
热电化学氧化是近几年国内外发展较快的一种新的表面处理技术，它是在阳极氧化基础上发展起来的，又称为微等离子体氧化、等离子热电化学氧化、等离子体增强电化学表面陶瓷化等。热电化学氧化采用较高的工作电压，阀金属工件作为阳极，电解池作为阴极，通过专门的电源在阴极和阳极施加电压，将电压的工作区域由普通的阳极氧化法的法拉第区域，引入到高压放电区域，利用弧光放电产生的瞬时高温高压作用下，使阳极上发生的反应，致使在阀金属工件表面出现电晕、辉光、微弧放电、甚至火花斑，在阀金属表面原位形成一层致密的氧化陶瓷膜/层，进而达到工件表面改性强化。
热电化学氧化的突出特点是大幅度提高了材料的表面硬度、具有良好的耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘的性能，但是其电源需要专门定制，要求电压在 300-700V之间，特别是热电化学氧化时，阀金属工件、电解池和电解液均导电，能源消耗大。热电化学氧化后的材料性能大幅度提高，理应得到广泛的应用，但是在现实中该工艺的产品并没有得到理应的广泛应用，主要原因在于工艺成本高，具体在于，电源为阀金属工件、电解池和整个电解池的电解液提供高压电源，电能耗巨大，并且需要维持电解液的温度在10℃-50℃之间，需要采用冷却体系对电解液进行冷却，冷却功耗大，因此成本居高不下。但是需要达到弧光放电的效果，就必须施加高压电源，并且需要冷却电解液防止火花放电失控，因此，这是本领域一直未能够攻克的难题，产业的推广应用也一直没有得到突破性的进展。
有鉴于此，本实用新型提供一种新型热电化学氧化设备，极大的降低热电化学氧化的电能耗等工艺成本，颠覆现有的热电化学氧化的理念，使得产品性能好并且成本低，实现突破性的进展。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种新型热电化学氧化设备，极大的降低热电化学氧化的电能耗等工艺成本，颠覆现有的热电化学氧化的理念，使得产品性能好并且成本低，实现突破性的进展。
本申请人实验时意外发现，当几匝感应线圈围着电解池的外壁绕成圈，感应线圈与电解池之间具有间隙(感应线圈部)，感应线圈接通高频电源之后，铝线在电解液池中穿过感应线圈时，感应线圈上的高频电压在铝线上产生高频电流，高频电流由于趋肤效应，会集中在铝线表面，迅速在铝线表面产生高温，铝线表面在高温、电流、电解液的共同反应下，发生了热电化学氧化，合成了α-Al2O3陶瓷层；并且经过反复验证，铝线及其他阀金属或外表面为阀金属的导电金属工件均能够进行热电化学氧化。更重要的是，由于感应线圈部的电流集中，因此反应速度快，比现有技术的热电化学氧化的速度快了10-15倍；并且，由于只有感应线圈带电，导线、电解池和电解液不带电，并且热电化学氧化速度快，因此电能耗极低，同时电解池和电解液不带电，不产生热量，只有工件经过感应线圈部的部分有热量产生，相比现有技术热量较小很多很多，因此冷却功耗也极低，经过计算总损耗和总功耗比现有技术减少约90％。进一步优化的，感应线圈与电解池之间需要有间隙，如果没有间隙，电解池和电解液就会带电，并且间隙不能太大，影响效果，因此本申请进一步提供了优选的间距限制。由于热量小，电解池的大小可以是现有常规电解池大小的1/6-1/3，就能够达到冷却的效果，进一步减少冷却功耗。因此本申请从根本上攻克了热电化学氧化电功耗和冷却功耗大的问题 (总功耗比现有技术减少约90％)，并且损耗也比现有技术减少约90％，取得突破性的进展，必将极大的推进产业的发展应用。本申请人在此基础上完成了本申请。
一种热电化学氧化的设备，包括高频电源1、感应线圈部2、电解液池3、冷却系统4，所述高频电源1与感应线圈部2连接，电解液池3与冷却系统4 连接，所述电解液池3用于盛装电解液，电解液池3中的电解液循环流入冷却系统4对电解液降温，感应线圈部2由多匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈而形成，并且感应线圈21与电解液池3的外壁之间具有间隙，因此，感应线圈部2的高度和宽度均大于电解液池3的外壁的高度和宽度，所述感应线圈部2的长度小于电解液池3的外壁的长度，所述感应线圈21的两端与高频电源1连接，工件浸入电解液中，工件穿过感应线圈部2时发生热电化学氧化，所述工件为阀金属或者为外表面为阀金属的导电金属。
在一些实施方式中，所述感应线圈21与电解液池3的外壁之间的间距为 1-10mm。
进一步优选的，所述感应线圈21与电解液池3的外壁之间的间距为 3-7mm。
在一些实施方式中，所述感应线圈部2的长度小于等于电解液池3的外壁的1/2的长度。
进一步的，所述感应线圈部2由3-6匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈而形成。
在一些实施方式中，所述电解液池的长度为0.4-2m，电解液池的宽度为 30-150mm，电解液池的深度为30-150mm。
进一步的，所述电解液池的长度为0.6-1.2m，电解液池的宽度为 50-80mm，电解液池的深度为50-80mm。
在一些实施方式中，高频电源1的频率为50-100kHz，电压为200-600V，电流为0-200A。
在一些实施方式中，一个电解液池3上设置有一个或者多个感应线圈部 2，一个高频电源1与一个或者多个感应线圈部2连接，所述电解液池3有一个或者多个。
进一步优选的，一个电解液池3上设置有多个感应线圈部2，一个高频电源1与一个感应线圈部2连接，所述电解液池3多个，多个电解液3之间进行串联连接。
在一些实施方式中，所述电解液采用：硅酸盐体系、硼酸盐体系、或者铝酸盐体系中的一种，优选的，电解液为硅酸盐体系。
进一步的，所述电解液包括18-22％的Ka2CO3、23-27％的KClO3、4％-6％的 KaOH。
在一些实施方式中，电解液通过冷却系统4的阀门41控制循环流入冷却系统，使得电解液的温度为10℃-50℃，优选的电解液的温度为20℃-50℃，优选的，电解液的温度为35℃-45℃。
在一些实施方式中，工件进行热电化学氧化时是固定的或者移动的。
进一步的，热电化学氧化时，工件的移动速度为0.1m/min-5m/min，优选的，工件的移动速度为0.2m/min-0.8m/min，更优选的，工件的移动速度为0.3m/min-0.5m/min。
在一些实施方式中，所述外表面为阀金属的导电金属，其导电金属包括：铝、铝合金、锆、锆合金、铜、铜合金、锌、或者锌合金中的一种，阀金属包括：Al、Ti、Mg、Zr、Nb、Ta、Al合金、Ti合金、Mg合金、Zr合金、Nb 合金、或者Ta合金中的一种。
进一步优选的，阀金属为Al、Ti、Mg、Al合金、Ti合金、或者Mg合金中的一种。
一种热电化学氧化的方法，包括：
将多匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈，并且保持感应线圈 21与电解液池3的外壁之间具有间隙，形成感应线圈部2，感应线圈部2的长度小于电解液池3的外壁的长度，感应线圈21的两端与高频电源1连接；
将工件浸入电解池3中的电解液中，工件穿过感应线圈部2时，感应线圈21上的高频电压在工件上产生高频电流，高频电流集中在工件表面迅速在工件表面产生高温，工件表面在高温、电流和电解液的共同作用下，发生了热电化学氧化，所述工件为阀金属或者为外表面为阀金属的导电金属；
电解液池3中的电解液循环流入冷却系统4对电解液降温。
在一些实施方式中，所述感应线圈21与电解液池3的外壁之间的间距为 1-10mm。
进一步优选的，所述感应线圈21与电解液池3的外壁之间的间距为 3-7mm。
在一些实施方式中，所述感应线圈部2的长度小于等于电解液池3的外壁的1/2的长度。
进一步的，所述感应线圈部2由3-6匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈而形成。
在一些实施方式中，所述电解液池的长度为0.4-2m，电解液池的宽度为 30-150mm，电解液池的深度为30-150mm。
进一步的，所述电解液池的长度为0.6-1.2m，电解液池的宽度为 50-80mm，电解液池的深度为50-80mm。
在一些实施方式中，高频电源1的频率为50-100kHz，电压为200-600V，电流为0-200A。
在一些实施方式中，一个电解液池3上设置有一个或者多个感应线圈部 2，一个高频电源1与一个或者多个感应线圈部2连接，所述电解液池3有一个或者多个。
进一步优选的，一个电解液池3上设置有多个感应线圈部2，一个高频电源1与一个感应线圈部2连接，所述电解液池3多个，多个电解液3之间进行串联连接。
在一些实施方式中，所述电解液采用：硅酸盐体系、硼酸盐体系、或者铝酸盐体系中的一种，优选的，电解液为硅酸盐体系。
进一步的，所述电解液包括18-22％的Ka2CO3、23-27％的KClO3、4％-6％的 KaOH。
在一些实施方式中，电解液通过冷却系统4的阀门41控制循环流入冷却系统，使得电解液的温度为10℃-50℃，优选的电解液的温度为20℃-50℃，优选的，电解液的温度为35℃-45℃。
在一些实施方式中，工件进行热电化学氧化时是固定的或者移动的。
进一步的，热电化学氧化时，工件的移动速度为0.1m/min-5m/min，优选的，工件的移动速度为0.2m/min-0.8m/min，更优选的，工件的移动速度为0.3m/min-0.5m/min。
在一些实施方式中，所述外表面为阀金属的导电金属，其导电金属包括：铝、铝合金、锆、锆合金、铜、铜合金、锌、或者锌合金中的一种，阀金属包括：Al、Ti、Mg、Zr、Nb、Ta、Al合金、Ti合金、Mg合金、Zr合金、Nb 合金、或者Ta合金中的一种。
进一步优选的，阀金属为Al、Ti、Mg、Al合金、Ti合金、或者Mg合金中的一种。
与现有技术相比，本申请的优点在于：
1、热电化学氧化时高频电流仅仅集中在工件表面，工件内部不存在损耗。
2、高频电流仅仅出现感应线圈内部，工件在感应线圈部以外的部分不产生反应也不产生损耗，总损耗比现有技术减少约90％。
3、电解池和电解液都没有导电，不消耗电能，也不产生热能，电能耗和冷却功耗极大的减少，总功耗比现有技术减少约90％。
4、由于电流集中，工件反应位置温度高，反应速度块，较现有技术的方式本申请的热电化学反应的速度快了10～15倍。
附图说明
图1为本申请的实施例1的热电化学氧化的设备的结构示意图。
图2为本申请的感应线圈部和电解液池的右视图。
图3为本申请的热电化学氧化的设备一个电解液池具有多个感应线圈部的结构示意图。
图4为本申请的热电化学氧化的设备具有多个电解液池的结构示意图。
主要元件符号说明：
高频电源1、感应线圈部2、电解液池3、冷却系统4、感应线圈21。
具体实施方式
描述以下实施例以辅助对本申请的理解，实施例不是也不应当以任何方式解释为限制本申请的保护范围。
在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功能单元(可包括子单元)，但是本领域的技术人员将认识到，各种组件或其部分可划分成单独组件，或者可整合在一起(包括整合在单个的系统或组件内)。
同时，附图内的组件或系统之间的连接并不旨在限于直接连接。相反，在这些组件之间的数据可由中间组件修改、重格式化、或以其它方式改变。另外，可使用另外或更少的连接。还应注意，术语“联接”、“连接”、或“输入”“固定”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间媒介来进行的间接的连接或固定。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
实施例1：
一种热电化学氧化的设备，如图1-图2所示，包括高频电源1、感应线圈部2、电解液池3、冷却系统4，所述高频电源1与感应线圈部2连接，电解液池3与冷却系统4连接，所述电解液池3用于盛装电解液，电解液池3 中的电解液循环流入冷却系统4对电解液降温，感应线圈部2由多匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈而形成，并且感应线圈21与电解液池 3的外壁之间具有间隙，因此，感应线圈部2的高度和宽度均大于电解液池3 的外壁的高度和宽度，所述感应线圈部2的长度小于电解液池3的外壁的长度，所述感应线圈21的两端与高频电源1连接，工件浸入电解液中，工件穿过感应线圈部2时发生热电化学氧化，所述工件为阀金属或者为外表面为阀金属的导电金属。
所述感应线圈21与电解液池3的外壁之间的间距为5mm。所述感应线圈部2由4匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈而形成。所述电解液池的长度为1m，电解液池的宽度为50，电解液池的深度为50mm。高频电源1 的频率为50-100kHz，电压为200-600V，电流为0-200A。一个电解液池3上设置有一个感应线圈部2，一个高频电源1与一个感应线圈部2连接，所述电解液池3有一个。所述电解液为20％的Ka2CO3、25％的KClO3、5％的KaOH。电解液通过冷却系统4的阀门41控制循环流入冷却系统，使得电解液的温度为35℃-45℃。外表面为阀金属的导电金属进行热电化学氧化时是移动的。所述工件为铝线，铝线由两端的导轮控制匀速运动的速度，铝线的移动速度为0.4m/min。
该铝线热电化学氧化时，高频电流仅仅集中在工件表面，工件内部不存在损耗。高频电流仅仅出现感应线圈内部，铝线在感应线圈部以外的部分不产生反应也不产生损耗，总损耗比现有技术减少约90％。电解池和电解液都没有导电，不消耗电能，也不产生热能，电能耗和冷却功耗极大的减少，总功耗比现有技术减少约90％。由于电流集中，工件反应位置温度高，反应速度块，较现有技术的方式本申请的热电化学反应的速度快了10～15倍。
本申请人采用铝线进行对比试验，实验组采用上述本申请的热电化学氧化的设备和条件，对照组采用传统的热电化学氧化的设备和条件。
对照组进行热电化学氧化时，铝线和电解液一直导电，因此电流作用的长度为整卷铝线的长度，整卷铝线的长度为300-4500m，并且，电流作用的深度为整个铝线，即铝线完整截面的直径，具体为1-8mm，最终其损耗为整体铝线和电解液，具体的，导线的损耗为85％，电解液的损耗为15％。
实验组进行热电化学氧化时，铝线和电解液是不导电的，因此电流作用的长度为螺旋线圈的宽度，并且，电流作用的深度仅为铝线表面0.6-0.8mm，最终其损耗为铝线表面，具体的，导线的损耗仅为10％。
表1：对照组与实验组的损耗对比表
Figure DEST_PATH_GDA0003344004570000081
实施例2：
一种热电化学氧化的方法，包括：将多匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈，并且保持感应线圈21与电解液池3的外壁之间具有间隙，形成感应线圈部2，感应线圈部2的长度小于电解液池3的外壁的长度，感应线圈21的两端与高频电源1连接；将工件浸入电解池3中的电解液中，工件穿过感应线圈部2时，感应线圈21上的高频电压在工件上产生高频电流，高频电流集中在工件表面迅速在工件表面产生高温，工件表面在高温、电流和电解液的共同作用下，发生了热电化学氧化，所述工件为阀金属或者为外表面为阀金属的导电金属；电解液池3中的电解液循环流入冷却系统4对电解液降温。
所述感应线圈21与电解液池3的外壁之间的间距为4.5mm。所述感应线圈部2由5匝感应线圈21在电解液池3的外壁外绕制成圈而形成。所述电解液池的长度为0.8m，电解液池的宽度为60mm，电解液池的深度为60mm。高频电源1的频率为50-100kHz，电压为200-600V，电流为0-200A。其中电解液池、高频电源1和感应线圈部2的个数不受限制，一个电解液池3上设置有一个或者多个感应线圈部2，一个高频电源1与一个或者多个感应线圈部2 连接，所述电解液池3有一个或者多个。如图3所述，电解液池3有一个，感应线圈部2和有两个高频电源1，并且一个感应线圈部2与一个高频电源1 连接，不同的高频电源1提供不同的电源参数。如图4所述，电解液池3有两个，两个电解液池3串联连接，电解液池3内盛装有不同的电解液，每个电解液池3上各设置有一个感应线圈部2和高频电源1。所述电解液为21％的Ka2CO3、24％的KClO3、5％的KaOH。电解液通过冷却系统4的阀门41控制循环流入冷却系统，使得电解液的温度为39℃。工件进行热电化学氧化时是固定的。所述外表面为阀金属的导电金属，其导电金属为锆合金，阀金属为Ti。
尽管本申请已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。本申请公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本申请，本申请的实际保护范围以权利要求为准。

Claims (6)

1.一种热电化学氧化的设备，其特征在于，包括高频电源(1)、感应线圈部(2)、电解液池(3)、冷却系统(4)，所述高频电源(1)与感应线圈部(2)连接，电解液池(3)与冷却系统(4)连接，所述电解液池(3)用于盛装电解液，电解液池(3)中的电解液循环流入冷却系统(4)对电解液降温，感应线圈部(2)由多匝感应线圈(21)在电解液池(3)的外壁外绕制成圈而形成，并且感应线圈(21)与电解液池(3)的外壁之间具有间隙，因此，感应线圈部(2)的高度和宽度均大于电解液池(3)的外壁的高度和宽度，所述感应线圈部(2)的长度小于电解液池(3)的外壁的长度，所述感应线圈(21)的两端与高频电源(1)连接，工件浸入电解液中，工件穿过感应线圈部(2)发生热电化学氧化，所述工件为阀金属或者为外表面为阀金属的导电金属。
2.如权利要求1所述的热电化学氧化的设备，其特征在于，所述感应线圈(21)与电解液池(3)的外壁之间的间距为1-10mm。
3.如权利要求2所述的热电化学氧化的设备，其特征在于，所述感应线圈(21)与电解液池(3)的外壁之间的间距为3-7mm。
4.如权利要求1所述的热电化学氧化的设备，其特征在于，所述感应线圈部(2)的长度小于等于电解液池(3)的外壁的1/2的长度。
5.如权利要求4所述的热电化学氧化的设备，其特征在于，所述感应线圈部(2)由3-6匝感应线圈(21)在电解液池(3)的外壁外绕制成圈而形成。
6.如权利要求1所述的热电化学氧化的设备，其特征在于，所述设备包括选自下组的一个或多个特征：
(a)所述电解液池的长度为0.4-2m，电解液池的宽度为30-150mm，电解液池的深度为30-150mm；
(b)高频电源(1)的频率为50-100kHz，电压为200-600V，电流为0-200A；
(c)所述电解液采用：硅酸盐体系、硼酸盐体系、或者铝酸盐体系中的一种；
(d)电解液通过冷却系统(4)的阀门(41)控制循环流入冷却系统，使得电解液的温度为10℃-50℃；
(e)工件进行热电化学氧化时是固定的或者移动的；
(f)所述外表面为阀金属的导电金属，其导电金属包括：铝、铝合金、锆、锆合金、铜、铜合金、锌、或者锌合金中的一种，阀金属包括：Al、Ti、Mg、Zr、Nb、Ta、Al合金、Ti合金、Mg合金、Zr合金、Nb合金、或者Ta合金中的一种。
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