JP2003531302A - プラズママイクロアーク酸化用の電解法 - Google Patents
プラズママイクロアーク酸化用の電解法Info
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Abstract
Description
ックを得るため、マイクロアークプラズマを利用した電気酸化システムである。
示す全ての金属の特性は、有益な強度/重量の割合を有し、且つ航空機、自動車
及び機械エンジニアリング(特に可動パーツ用で、高い機械的負荷及び応力変形
にのある)などのような広範囲の装置に適している。
数、摩擦抵抗など)を有してないので、しばしばコーティングがそれらの材料に
おけるコーティングの制限された特徴を改善するため、用いられる。
能性、または誘電特性の獲得のような、複雑な要求に会う。
損及び/または腐食防止にため、殆どで使用されているプロセスは、ハードな陽
極酸化処理である。 しかしこれは非常に早くその動作限界に達する。
使用されている。しかし、この方法によって製造されたコーティングは、厚さに
関して制限され、適度な硬度(最大で約500Hv)のみを有している。
造するため、発展しており、サーバー操作の要求、すなわちアーク放出プラズマ
噴射、火炎噴射または真空蓄積技術に合うようにしている。
物質温度と表面を修復する従来のプロセスを必要とすることである。
関して、通常の陽極酸化処理に匹敵するものではない。
ク放出を利用して、発展しており、摩損及び腐食に対して役立つ防止手段として
、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム及びそれらの合金から作られる、製
造中の製品用にセラミックコーティングを得ている。
ような金属上に絶縁バリアフィルムを形成する。200V以上に陽極電位を増や
すことによって、バリアフィルムが破壊され、マイクロアークが生じる。高電圧
が維持されるていると、多量のマイクロアークが生じ、それらは試料の全体を浸
漬された表面にわたって急激に動く。
るトラックを形成する。複合成物は、それらのトラック内で合成される。それら
は、サブストレート材料、表面酸化物及び電解質による付加要素から合成される
。プラズマ相における化学的な相互作用が、複数の表面排出に発生し、サブスト
レートの表面からに方向へ生成するコーティングの形成を生じさせる。これによ
って、サブストレート内の金属合金から、コーティングの特性の合成物において
、逐次の変化が生じ、コーティング時に複合セラミック化合物になる。
zが、1932年に最初に記しており、陽極スパーク蓄積(ASD)プロセスで
ある。それらは金属が、陽極上で生成する絶縁フィルムの誘電ブレイクダウン中
に、電解質の蓄積を受けることは明らかである。
極の全体表面にかけて分配され、移動の効果そもたらす。
コーティングとして、それを使用し、それらは1936年の軍用明細書に含まれ
ている。
d Arsenal、Gruss、McNeillと同僚たち、そしてUrba
na−ChampaignのIllinois of Universityの
Brown、Wirtz、Kriven及び同僚たちが、眉をひそめていた。
ttrich及び同僚たちによって行われた。ドイツ語でのプロセスは、“スパ
ーク排出による陽極酸化”(そのドイツ語の頭文字はANOF)[Anodis
che Oxidation an Frankenanladung]である
。国際研究文献におけるこの研究のレポートは、ドイツ語の特許明細書を参照さ
れたい。
成されたコーティングの化合物は、(α−Al2O3とγ−Al2O3(OH)
(bohemite))だけが、エックス線回折によって確認されていることは
明らかである。
ウム上にコーティングするのに匹敵させるため、発達している。その方法はアル
ミニウムサブストレートを、カリウムケイ酸塩溶液において陽極として作用する
ことができ、オリーブグレイ色のアルミノケイ酸塩を、400V二分の一波長整
流直流電流を使用することによって塗布する。そのプロセスは、バリア層の誘電
ブレイクダウンによって行われ、陽極サブストレート上で可変な閃光またはスパ
ークを生じさせ、Bekovets、Dolgoveseva及びNikofo
rovaが、フィルム形成の間に、三つの並行機構、すなわち電気化学的、プラ
ズマ酸化及び科学的酸化機構を仮定している。
disant”と称され、カルボン酸及びバナジウム化合物を水槽に加えること
で成る。セラミックまたはテトラフルオロエチレン樹脂も、水槽に加えられて、
硬度または潤滑特性をコーティングに提供する。
AのDC電流を使用することである。これにより、数分後にスパークが止まる(
大部分の蓄積が最初の数分間で形成される)。そのような動作状態は、単に非常
に薄いコーティング厚を作り出し、ゆえにその物理的特性を制限し得る。
さった1,000Vを越えるAC電圧を使用している。
ことはできないことを、意味していることは明らかである。
、物理的及び摩擦学的特徴(高い硬度、熱抵抗、電気抵抗、摩損抵抗、腐食抵抗
など)、コーティングを目的とした広く様々なアルミノケイ酸塩混合物、コーテ
ィングが複雑な幾何学的な狭い表面内で行うことができることが、このプロセス
の多くの利点の中にある。
し、強要し、制御することができる、マイクロアークプロセスの別のタイプを下
記で説明する。様々なパラメータ(取り扱われる製造中の製品の金属のまたは合
金の性質が、得ようとするセラミックの特徴など)により、最適なプログラミン
グを達成するために、適切な装置が使用される。
文献と、一般的にマイクロアーク酸化及び上記のような手段移管する別の出版物
により、確認され得る。
には発電機によって送電される電気エネルギーが供給される。
とアルカリ金属の水酸化物の少なくとも一つの酸素酸塩を含んでいる。広い種種
の溶液は、その主題に関する多数の出版物に記載されている。
れた絶縁層が形成され、この薄い層は、誘電性である。
ーを増やす、マイクロアーク活動度で観察される。
ーティングの物理的特性は、この形成中に変化する。γ−Al2O3(bohe
mite)とα−Al2O3(corundum)の成分の優勢な存在は、エッ
クス線回折によって確認されている。
ス中の電流降下が観察され、オシロスコープで記録される電圧対電流の曲線の相
異で、観察される。
電特性と形成されるセラミック層の厚さである。
はDC電流またはシヌソイド単相または三相AC電流を送電する。直列コンデン
サーが、特に第二動作回路において電流を制限するため介在し、特別な波形の電
流が結果的に生じる。また記載されたAC発電機は、三相電流を供給し、サイリ
スタまたは同等の電子装置によって、次に三相を利用する。電流の波形は、単に
それ自体プロセスの結果であり、その形は変えることができない。
ングを製造するプロセスに関連しており、電極に供給される電圧は、少なくとも
700Vである。この電圧値以下では、コヒーレントセラミック(cohere
nt ceramic)ではなくパウダーを得ることが可能である。従って高エ
ネルギー消費が、特にセラミックでコーティングされた製造中の製品が大きなエ
リアを占めるときに生じる。
ルコニウム及び、その合金のような、半導体特性を有した金属の表面に、取り扱
う金属の物理化学的な変換反応によって、セラミックコーティングを行うことを
目的とした、プラズママイクロアーク酸化用の電解プロセスを提供することであ
る。その目的は、セラミック層の多孔性を増すことで、製造中の製品の全体の表
面にかけて、非常に密で不均一な厚い層を得ることである。更に、製造中の金属
性の製品の表面上で、セラミックを生成する時間を減らして、消費される電気エ
ネルギーを減らすことである。 この目的のために、本発明のプロセスは、 − コーティングする金属製のワークピースを、水酸化カリウムまたは水酸化ナ
トリウムのような水酸化アルカリ金属の水性溶液、また、アルカリ金属のオキソ
酸塩の水性溶液から成る電解槽に浸し、金属ワークピースが電極の1つを形成し
、 − 三角波形全体の信号電圧を電極に付加し、つまり、信号が、少なくとも立ち 上がりスロープと立ち下がりスロープを備え、プロセス中に変更できる形状因 子を備え、また、その強度、その波形、負の強度に対する正の強度の比率が制 御される電流を生成する、ことを特徴とする。 そのため、プロセスの様々な段階、合金のタイプ、多様な電解槽溶液に電圧波
形を適応させることが可能である。この波形は、さらに、また共通して、周波数
可変パラメータを有する。これにより、セラミックコーティングの質が、従来の
プロセスで得たものと比較して大幅に向上する。 このプロセスを実現するための様々な方法がある。そのため、電圧信号の立ち
上がりスロープと立ち下りスロープはほぼ対称的、または非対称的であり、プロ
セスの最中に変更する角度を有する。またさらに、プロセスの最中に、三角信号
の周波数を約100〜400Hzの間で変更することも可能である。 このプロセスを実現するある方法によれば、電気分解の最中に、三角電圧(?
triangular voltate)の値を300〜600Vrmsの間で
変更することが可能である。 電流の値も、電圧とは別に、変更または固定することができる。プロセスの最
中に、様々なパラメータ(形状因子、電位値、周波数、電流値、UA/IC比)
を、相互に対して同時または個別に変更することができる。 これら以外の特徴によれば、このプロセスは、正位相および/または負位相の
波形と、該位相内の電力VI値を個別に制御することから成る。 このプロセスを実現するための電流源タイプの電子発生器は、幹線(? ma
ins)から単相または三相電源に接続するためのユニットと、電解質タンクに
接続するためのユニットとを備え、 − 幹線によって伝播された正弦AC信号を、台形または鋸波信号に変換するた
めのモジュールと、 − 信号のスロープと波形因子を変更するためのモジュールと、 − 多様なタイプのサイクル中の周波数を変更するためのモジュールと、 − 電気エネルギーを、パラメータ化したエネルギーと私用するエネルギーに従
って取り扱うためのモジュールとを備えることを特徴とする。 有利なことに、この発生器は、一次または二次において(? in the
primary or the secondary)直列接続したコンデンサ
を具備する絶縁変圧器を出力部分に備え、これにより、磁気回路の飽和を防止す
るために、DCコンポーネントがフィルタリングされる一方で、電極の1つへの
接続または接地の際に、電気保護に関する最適な作動安全性が得られる。 本発明の別の特徴によれば、この発生器は、プロセスの実行中に、様々なパラ
メータの管理に使用されるPCタイプのプロセッサによって制御される。 信号および電流の周波数、電圧、形状因子における共役変化(? conju
gate variations)は、本発明によるプロセスにおいて重要な役
割を果たす。 我々の三角信号の立ち上がりスロープの変化に共役する周波数走査により、そ
れ程動的でない内部範囲と、高レベルの自然励起とを有する外部範囲を励起する
ことが可能になる。 急な立ち上がりスロープにより、主電圧を上昇することなく、非常に動的なマ
イクロアーク(?microarc)の始動を導入することが可能になる。なだ
らかなスロープは、プラズマ内での物理化学反応の実施に必要な時間にかけて、
均一な電流を維持する。立ち下がりスロープの制御も、負電流に影響を与える。
負電流ピークは、プロセスの特定の局面において、セラミック層形成の連続性に
必要なAlイオンの拡散を助ける。立ち上がりスロープの制御はさらに、プロセ
スの最後において、残余多孔率(?residual porosity)を減
少するべく機能する。 ワークピースの最適な使用のために得ることが望ましいセラミックコーティン
グの特徴によれば、信号の対称的なスロープは、セラミック層の急速且つ均一な
成長を促進し、また、電解槽に添加可能な添加要素の添加を可能にする。 この状況は、従来技術の書類に記述した正弦またはDC電流を用いて得たもの
よりもはるかに効率的である。 本発明によるプロセスの実現は、以下の主な利点を備える。すなわち、 − 水酸化層の最適形成と、 − 層表面の粗さの著しい減少と、 − コーティングの基板への接着の向上と、 − 酸化層の進行的な成長と、 − α−Al2O3(コロンダム)タイプのセラミック層の急速な成長と、 − 基本的なマイクロアークプロセス自体、とりわけ特定の合金に固有の残余レ
ベルの多孔率の効率的な制御と減少の可能性と、 − 合金度の高いアルミニウム品質の処理の向上と、 − より薄型で高密度の層の、50%より高くまで削減した短時間での形成と、 − 現存の層を破壊することなく、40〜300μm(合金によって変わる)よ
りも高い厚みを得るための、進行した処理局面でのマイクロアークの再開の可能
性と、 − エネルギー消費の50%よりも高い削減と、 − 発せられた熱電力の35%の因数だけの削減と、 − 処理するワークピースの角および高等のために、電流クリープパスに無関係
に得られる、より優れた同質性と、 − ディッピング、散布、または他の手段による、真空下での、エラストマ性ポ
リマ樹脂または他の有機化合物の飽和の可能性。 処理範囲の同一の比較容積/dm2について(?for an identi
cal compared capacity per dm2 of are
a treated,)、この新しいプロセスでは、50%小径の供給ケーブル
断面を使用することが可能である。 電源を伝播する幹線のエネルギー電力は、消費した電気エネルギーの固定のメ
ートル帯域電荷(?meter band charge)と共に、同じ割合で
減少する。 その結果、品質を向上しながら、処理の製造コストを大きく節約し、大幅に削
減することが可能になる。主な産業上の欠点がこうした高い電気エネルギー消費
にあることを理解すれば、このプロセスは、この分野に既に大きな利点を与えて
いる。 違った観点から見ると、この同一の後方は、電気エネルギーのある特定値に基
づいて、分配幹線(?distribution mains)の制限信号を用
いる従来型の発生器と比較して、処理能力を2倍にすることが可能である。結果
得られた電圧に対する電流の曲線は、該プロセスで得た正エネルギーピークと負
エネルギーピークの基本的な差を示す。これらのパラメータを完全に制御するこ
とは、処理中の層の成長のいかなる段階においても、所望の電流値と波形を得ら
れることを意味する。 本発明は、プロセスを説明するいくつかの曲線とともに、プロセスを実施する
ための装置の一実施例を示す添付図面を参照して下記に説明される。
ムまたは水酸化ナトリウムのようなアルカリ金属の水酸化物、またはアルカリ金
属の酸素酸塩の水溶液よりなる電界槽2を含んでいる。電界槽2に浸漬されたも
のは対向電極(陰極)4と金属自体の変態によってコーティングされるべき加工
物よりなる“陽極”5であり、この加工物は半導体特性を有する勤続または勤続
合金よりなる。図1にはまた、電流供給ユニット6、電圧発生装置7およびプロ
セスの振興に従って変化するパラメータを制御しかつ監視するマイクロコンピュ
ータ8が示されている。
給され、その位置に参照符号9が示されている。この発電装置はサイン状交流の
周期的信号50を、三角形または台形信号に変換するためのモジュール10を含
んでいる。モジュール12は、電圧信号の傾斜ならびに型要素を変更するための
ものである。モジュール13は、サイクルの種々な型の周波数の変更、たとえば
70から400Hzへの変更を制御する。
と実際に使用されるエネルギに従って電気エネルギを管理する。出力信号は参照
符号15によって示されている。それに対して、出力において、図示しない、飽
和から磁気回路を保護するように直列成分をフィルタするとともに、アースに対
する極の一つの接続によって、電気的保護に関して最善の作動上の安全性の導入
のため、一次回路または二次回路に容量を直列に接続された隔離された変成器を
含むことができる。
正および負の位相の分布における、上昇および下降の傾斜の変化の連続を示して
いる。電力が電圧信号の上昇および下降を変化することにより、容易に調節され
ることを指摘することは有意義である。
れた性質のセラミックコーティングの析出を可能にするきわめて安価なプロセス
を提供することにより、現存する技術において著しい改善を提供するものである
。
Claims (12)
- 【請求項1】 被処理金属の物理化学的変換反応によりアルミニウム、チタン、マグネシウム
、ハフニウム、ジルコニウム及びそれらの合金のような半導体性をもつセラミッ
ク被覆を金属の表面に形成するためのプラズママイクロアーク酸化用の電解法に
おいて、 水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムのようなアルカリ金属水酸化物と、アル
カリ金属の酸素酸塩との水溶液から成る電解層(3)に電極の一つを形成する被
覆すべき金属ワークピース(5)を浸漬すること;及び 全体として三角波形の信号電圧すなわち処理中変化し得る形状ファクタで少なく
とも立上り勾配及び立下り勾配をもち、強度、波形及び正の強度と負の強度との
比を制御される電流を発生する信号を電極に加えること から成ることを特徴とする電解法。 - 【請求項2】 電圧信号の立上り勾配及び立下り勾配がほぼ対称であることを特徴とする請求項
1に記載の電解法。 - 【請求項3】 電圧信号の立上り勾配及び立下り勾配が非対称であり、そして角度が電解中変化
することを特徴とする請求項1に記載の電解法。 - 【請求項4】 処理中に三角波電圧の値を300〜600Vrmsの間で変化させることから成
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解法。 - 【請求項5】 処理中に三角波信号の周波数を100〜400Hzの間で変化させることから成
ることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解法。 - 【請求項6】 処理中に電流の値を電圧の値に関係なく変化させる又は固定することから成るこ
とを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解法。 - 【請求項7】 処理中に種々のパラメータすなわち形状ファクタ、電位の値、周波数及び電流の
値を独立して変化させることから成ることを特徴とする請求項1〜6のいずれか
一項に記載の電解法。 - 【請求項8】 処理中に種々のパラメータの少なくとも幾つかすなわち形状ファクタ、電位の値
、周波数、電流の値及びUA/IC比を同時に変化させることから成ることを特
徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解法。 - 【請求項9】 正の位相及び(又は)負の位相における波形及び電力値VIを別個に制御するこ
とから成ることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解法。 - 【請求項10】 主給電線からの単相または三相電源に接続する単位装置(9)と、電解槽に接続
する単位装置とを有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電解法を実施す
る電流源型の電子発生装置において、 主給電線から供給される正弦波AC信号を台形波又は鋸歯状波信号に変換するモ
ジュール(10)と; 信号の勾配及び形状ファクタを変更するモジュール(12)と; 種々の形式のサイクルにおいて周波数を変化させるモジュール(13)と; パラメータ化したエネルギー及び使用したエネルギーに従って電気エネルギーを
管理するモジュール(14)と; を有することを特徴とする電子発生装置。 - 【請求項11】 磁気回路が飽和するのを防止するようにDC成分を濾波するために、一次側又は
二次側にコンデンサを直列接続した絶縁変圧器を出力に備えていることを特徴と
する請求項10に記載の電子発生装置。 - 【請求項12】 処理の実行中に種々のパラメータを管理するのに用いたPC型プロセッサ(8)
によって制御されることを特徴とする請求項10又は11に記載の電子発生装置
。
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