專利名稱：一種低能耗微弧氧化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料表面加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微弧氧化(MAO-Micro-arc Oxidation)又稱微等離子體氧化(MPO-MicroPlasma Oxidation)或陽極火花沉積(ASD-Anodic Spark Deposition)，該技術(shù)在導(dǎo)電溶液中利用微等離子體放電，能直接在鋁、鈦、鎂輕金屬表面通過復(fù)雜的電化學(xué)、等離子體化學(xué)和熱化學(xué)過程原位生長氧化物陶瓷膜層。微弧氧化技術(shù)是在陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但與傳統(tǒng)的陽極氧化法相比，微弧氧化技術(shù)工藝簡單、效率高、無污染、處理工件能力強。利用微弧氧化技術(shù)生成的氧化陶瓷膜具有很好的物理化學(xué)性能，如結(jié)合力強、硬度高，耐磨性、耐蝕性、抗熱震性高，膜層電絕緣性好，擊穿電壓高等，具有很大的實用價值，是一項很有前途的材料表面處理新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
雖然微弧氧化技術(shù)和一般陽極氧化技術(shù)相比較具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，但是也有其不足之處，主要是其電能消耗高于陽極氧化。一般情況下微弧氧化電壓在500V左右，電流密度大約為10A/dm2，而一個普通轎車活塞外表面積大約為4dm2，因此，微弧氧化電源的功率至少需要大于20kW。這是限制其應(yīng)用推廣的主要因素。此外，目前在處理大型工件時還存在處理表面質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。本發(fā)明針對目前微弧氧化技術(shù)中存在的主要問題，提出低能耗微弧氧化技術(shù)工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種確保加工質(zhì)量、大幅度降低了功率消耗、使溶液溫度的精確控制變得更加容易的低能耗微弧氧化方法和裝置。
本發(fā)明的工作原理是(1)采用純方波窄脈沖直流電源，波形準(zhǔn)確失真?。浑娫吹碾妷涸?～700V連續(xù)可調(diào)；電源的平均電流通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來控制，占空比在0～50％可連續(xù)調(diào)節(jié)，保證單脈沖放電時間小于50μs；電源的頻率范圍50～2 000Hz連續(xù)可調(diào)；電源的電流(0～100A)、頻率(50～2 000Hz)和電壓(0～700V)均可調(diào)節(jié)，平均電流的大小通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來控制。
(2)研制適合于低能耗的微弧氧化電解液和工藝參數(shù)，適用于鋁合金、鈦合金等金屬表面的處理。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，一種低能耗微弧氧化裝置由脈沖電源1和微弧氧化槽2兩部分構(gòu)成。電源1的電流為0～100A，頻率為50～2 000Hz，電壓為0～700V，均能夠調(diào)節(jié)，平均電流的大小通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來控制。工件3作為試驗陽極，微弧氧化槽2是作為陰極的不銹鋼板，兼作冷卻水腔。因為采用窄脈沖電源，產(chǎn)生熱量少，一般可不開啟冷卻裝置。電源1的正極與工件3連接，電源1的負極與微弧氧化槽2連接，電路上還連接有電壓表和電流表，電解液4置于微弧氧化槽2內(nèi)，微弧氧化槽2外壁上設(shè)置有觀察孔5、冷卻水入口6和冷卻水出口7，壓縮空氣管8接入置于微弧氧化槽2底部。
一種低能耗微弧氧化方法(1)改進電源放電模式，采用純方波窄脈沖直流脈沖電源。由于脈沖電壓特有的“針尖”作用，使得放電擊穿局部面積小，膜層平整均勻，氧化效果大大提高。采用窄脈沖放電，還能使能量利用率顯著提高，微弧氧化過程中的能量更主要地用于表面氧化，散失到溶液中的熱量大大減少，使得工藝溫度控制更加容易，溶液壽命顯著延長。在300Hz條件下，放電時間為50μs以下，平均電流密度控制在2A/dm2以下，大幅度降低了功率消耗，降低功率消耗約4/5。在窄脈沖放電條件下，工件表面成膜質(zhì)量更加平整、穩(wěn)定和均勻，確保了加工質(zhì)量。
(2)研制開發(fā)低起弧電壓的溶液。配制微弧氧化電解液是獲得合格膜層的關(guān)鍵之一。不同的溶液成分對應(yīng)的工藝參數(shù)以及獲得的膜層結(jié)構(gòu)和質(zhì)量特性也不相同。例如NaAlO2添加劑可使膜層中鋁含量增加；Na2SiO3添加劑可降低膜層起弧電壓；Na2WO4添加劑可增加膜層的耐磨性；用NaH2PO4添加劑可使膜層的孔隙率降低等。目前，一般微弧氧化溶液正常工作的電壓在500V左右。我們通過大量的實驗研究，目前研究的系列新型微弧氧化溶液起弧電壓在210～250V，因此工作電壓至少可以控制在310～350V以下，采用這種溶液使得功率消耗進一步降低，降低功率消耗約1/3。通過加入改性劑，表面膜層結(jié)構(gòu)更加致密均勻，和基體結(jié)合更加緊密。
(3)精確控制合理的處理時間及工藝條件。膜層厚度隨時間的增加而增加，但有一極限值，這是由于隨著時間延長，所施加的電壓升高，氧化膜厚度隨之增加，擊穿變得困難；同時由于接近弧光放電電壓，電火花對膜的破壞作用增大，使膜層剝落、厚度減薄。因此每種工藝都對應(yīng)一最佳處理時間，微弧氧化時間一般控制在30～60min以內(nèi)，過多的處理時間將顯著降低電能的利用效率。此外研究表明，提高溶液溫度到30～50℃，有利于降低起弧電壓，和10℃時比較降低約10～20V，并增加放電均勻性，但溫度過高會造成大量電解液汽化，膜的粗糙度也增加。因此實際溶液溫度一般控制在60℃以下。采用純方波窄脈沖電源和合理溶液配方可以有效控制產(chǎn)生的熱量，使對溶液溫度的精確控制變得更加容易。
本發(fā)明所達到的有益效果是(1)鋁、鈦等合金表面微弧氧化電弧更加細小和均勻，工件表面成膜質(zhì)量更加平整、穩(wěn)定和均勻，確保了加工質(zhì)量。
(2)在300Hz條件下，放電時間為50μs以下，平均電流密度控制在2A/dm2以下，大幅度降低了功率消耗，降低功率消耗4/5。
(3)微弧氧化過程中散失至溶液中的熱量顯著減少，使溶液溫度的精確控制變得更加容易，降低了對冷卻裝置的要求。
所制備的氧化鋁陶瓷層在相結(jié)構(gòu)、厚度、粗糙度和硬度等參數(shù)和通常微弧氧化技術(shù)制備的陶瓷膜相似。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明的微弧氧化裝置簡圖。
圖中1.電源，2.微弧氧化槽，3.工件，4.電解液，5.觀察孔，6.冷卻水入口，7.冷卻水出口，8.壓縮空氣管。
具體實施例方式
一種低能耗微弧氧化裝置由脈沖電源1和微弧氧化槽2兩部分構(gòu)成。電源1的電流為0～100A，頻率為50～2 000Hz，電壓為0～700V，均能夠調(diào)節(jié)，平均電流的大小通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來控制。工件3作為試驗陽極，微弧氧化槽2是作為陰極的不銹鋼板，兼作冷卻水腔。因為采用窄脈沖電源，產(chǎn)生熱量少，一般可不開啟冷卻裝置。電源1的正極與工件3連接，電源1的負極與微弧氧化槽2連接，電路上還連接有電壓表和電流表，電解液4置于微弧氧化槽2內(nèi)，微弧氧化槽2外壁上設(shè)置有觀察孔5、冷卻水入口6和冷卻水出口7，壓縮空氣管8接入置于微弧氧化槽2底部。
一種低能耗微弧氧化方法(1)采用純方波窄脈沖直流脈沖電源。在300Hz條件下，放電時間為50μs以下，平均電流密度控制在2A/dm2以下。
(2)研制開發(fā)低起弧電壓的溶液。配制微弧氧化電解液是獲得合格膜層的關(guān)鍵之一。不同的溶液成分對應(yīng)的工藝參數(shù)以及獲得的膜層結(jié)構(gòu)和質(zhì)量特性也不相同。例如NaAlO2添加劑可使膜層中鋁含量增加；Na2SiO3添加劑可降低膜層起弧電壓；Na2WO4添加劑可增加膜層的耐磨性；用NaH2PO4添加劑可使膜層的孔隙率降低等。微弧氧化溶液起弧電壓在210～250V，因此工作電壓控制在310～350V。
(3)微弧氧化時間控制在30～60min，溶液溫度30～50℃。
權(quán)利要求
1.一種低能耗微弧氧化裝置，其特征在于，由脈沖電源(1)和微弧氧化槽(2)兩部分構(gòu)成；電源(1)的電流為0～100A，頻率為50～2000Hz，電壓為0～700V；電源(1)的正極與作為試驗陽極的工件(3)連接，電源(1)的負極與作為陰極的微弧氧化槽(2)連接，電路上還連接有電壓表和電流表，電解液(4)置于微弧氧化槽(2)內(nèi)，微弧氧化槽(2)外壁上設(shè)置有觀察孔(5)，壓縮空氣管(8)接入置于微弧氧化槽(2)底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低能耗微弧氧化裝置，其特征在于，微弧氧化槽(2)是冷卻水腔，微弧氧化槽(2)外壁上設(shè)置有冷卻水入口(6)和冷卻水出口(7)。
3.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低能耗微弧氧化裝置進行低能耗微弧氧化的方法，其特征在于，采用純方波窄脈沖直流脈沖電源，在300Hz條件下，放電時間為0-50μs，平均電流密度控制在0-2A/dm2；微弧氧化溶液起弧電壓210～250V，工作電壓310～350V；微弧氧化時間控制在30-60min，溶液溫度30-50℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低能耗微弧氧化方法，其特征在于，微弧氧化電解液添加劑為NaAlO2。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低能耗微弧氧化方法，其特征在于，微弧氧化電解液添加劑為Na2SiO3。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低能耗微弧氧化方法，其特征在于，微弧氧化電解液添加劑為Na2WO4。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低能耗微弧氧化方法，其特征在于，微弧氧化電解液添加劑為NaH2PO4。
全文摘要
一種低能耗微弧氧化方法和裝置屬于金屬材料表面加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在導(dǎo)電溶液中利用微等離子體放電，能直接在鋁、鈦、鎂輕金屬表面通過復(fù)雜的電化學(xué)、等離子體化學(xué)和熱化學(xué)過程原位生長氧化物陶瓷膜層。采用純方波窄脈沖直流電源，波形準(zhǔn)確失真小；研制適合于低能耗的微弧氧化電解液和工藝參數(shù)，適用于鋁合金、鈦合金等金屬表面的處理。本發(fā)明所達到的有益效果是，確保加工質(zhì)量、大幅度降低了功率消耗、使溶液溫度的精確控制變得更加容易。主要適用于金屬材料表面加工技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號C25D11/02GK101092730SQ20071001189
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
發(fā)明者嚴(yán)志軍, 朱新河, 程東, 劉一梅, 徐久軍 申請人:大連海事大學(xué)