專利名稱：微弧氧化鍍覆金屬表面的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在金屬上鍍覆陶瓷層的方法，特別是用微弧氧化鍍覆金屬的方法，以及采用所述的方法鍍覆的金屬零件，本發明還涉及一種采用該方法的裝置。
本發明所指的金屬，可以是鋁、鎂、鋯、鈹、鈦、鉭以及它們的合金。具體地說，本發明涉及一種在金屬表面鍍覆陶瓷層時采用不對稱的正負脈沖高電壓，使金屬表面出現微弧(等離子體)，從而形成陶瓷結構氧化層。在本發明中，在幾乎不改變金屬及其合金零件的機械尺寸的情況下，在其表面“生長”出堅硬、耐磨、耐腐蝕的陶瓷層。
鋁、鎂、鋯、鈹、鈦、鉭，尤其是鋁及鋁合金零件表面的處理，對于在汽車、航空、航天、紡織、機械、電子、醫療及輕工等工業部門中，都能找到廣泛的應用。有許多零件既需要輕、又需要具有堅硬、耐腐蝕、絕緣的性能。過去是在鋁或鋁合金零件表面用硬質陽極氧化或噴涂陶瓷方法進行硬化處理。其中硬質陽極氧化工藝在酸性溶液中進行，對環境有害，形成的氧化層為非晶相，厚度一般為30～50微米，其顯微硬度HV0.1300-500而噴涂陶瓷技術可以在零件表面形成厚度100微米以上的陶瓷層，硬度較高，但獲得好的表面光潔度困難，而且容易脫落，脫落的碎片易損傷機械設備。70年代前后，以原蘇聯為代表的一批科學工作者發現有些金屬在陽極氧化過程中，施以高壓電場(例如380V-420V)，金屬表面會產生弧光放電現象，從而對生成的氧化膜有可能引起相和結構的變化，以改善金屬表面的耐磨、耐蝕特性。并提出“微弧氧化概念”。例如俄羅斯專利SU 1775507中，公開了一種微弧氧化鍍覆金屬表面的方法，采用在硅酸鹽堿性溶液中，加入含泡沫的去污液，以減小氧化層的疏松度，實施例給出的氧化層的厚度不大于15微米，但沒有給出硬度或疏松度方面的指標。近年來，由于微弧氧化生成的陶瓷狀氧化層的良好物理、化學特性，該方法已得到世界各國學者的廣泛關注。
另外，US 5147515中公開了一種方法在電解槽中使用一種包含水溶性或酸性的硅酸鹽和/或含氧酸鹽的水溶液的懸浮液。在該專利的八個實施例中，給出的氧化層厚度都只有40微米以下。該專利未指出是否能得到厚度大于300微米的覆層。
最近公開的GB 97/00664，提供了一種在金屬表面形成的陶瓷鍍覆層，此方法特征在于采用一至少為700V的高壓交流電源(高壓電源是一種不超過1000V的升壓變壓器)的電流流經待鍍覆金屬的表面和另一相反的電極，從而引起在所述金屬表面上形成的氫氧化物膜發生(微弧氧化)介電擊穿、加熱、熔化，最終形成陶瓷覆層。GB97 00664中所用的電源是一至少為700V的經波形修正的交流電源，它是用電容器與變壓器串聯再輸出的，并且是直接從電網獲取大電流脈沖的單相交流電源。這種電源雖然簡單，但可能存在一些嚴重缺點，如很大的、經修正而嚴重畸變波形的單相交流脈沖電流，對電網造成嚴重的沖擊和污染，造成電網三相供電的不平衡，并帶來信號干擾的麻煩；串聯不同的電容器雖能對波形進行修正，但會影響到電壓值，并且電壓調節不能連續，給工作帶來不便。其次在GB 97 00664中，鍍覆方法本身存在缺點，當成批鍍覆時，為了獲取快速鍍覆，需在鍍覆過程中在電介槽中添加一種鹽，因而電介質的組成在不斷改變。為了使所加的鹽的濃度盡量降低，以適用于鍍覆下一批金屬件的方法是在電介槽中加入較多數量的新的電解質液體。這種方法帶來的缺點是會使電解槽中的溶液越來越多。用幾批后需處理一批溶液造成環境污染，也使成本相應提高。另外此方法的連續鍍覆陶瓷層的裝置中，需用三個電解槽，每個槽中的電解質的成份不同，而且在鍍覆期間基本保持不變，因而可重復使用。通過手動或自動操作裝置完成金屬部件從第一槽轉到第二槽再到第三槽的運送。但是這種操作裝置復雜(比只有一個槽)，操作方法復雜，也提高了成本。
因此，本發明的主要目的是消除現有技術中，微弧氧化方法的缺點，并提供一種獲得膜層厚、致密度高、硬度高、具有非常好的耐磨、耐蝕、耐壓絕緣和抗高溫沖擊特性的微弧氧化膜的方法。
本發明的另一目的是提供一種對電網沒有干擾，沒有沖擊和環境污染的微弧氧化的方法。
本發明的又一目的是提供一種裝置簡單，而又經濟，鍍覆操作簡便又穩定的方法，在整個微弧氧化過程中，不需改變電解質溶液的濃度。因而此溶液濃度基本不變，可重復使用，并可獲得膜層厚，致密度和硬度高的陶瓷氧化層。
本發明的上述的目的可以通過以下方法來實現。提供一種在鋁、鎂、鈦、鋯、鈹、鉭等金屬及其合金材料表面生成陶瓷氧化層的方法，所述的方法包括以下的步驟將所述的金屬或其合金浸在含有弱堿性水溶液的不銹鋼電解槽中，并作為微弧氧化的一個電極；不銹鋼氧化槽作為微弧氧化的另一電極；采用電網經變壓器隔離的三相平衡供電組成脈沖電源，在兩電極之間施加300-800V的正脈沖電壓和0-300V的負脈沖電壓，脈沖頻率為25Hz至300Hz，脈沖波形為方形，脈沖的幅度和寬度可單獨調節，通過對脈沖的幅度和寬度優化選擇，使微弧氧化層的物理、化學性能改善并有效地節省能源；在所述金屬或其合金表面生成氧化層薄膜，在高電壓作用下，氧化膜被擊穿，產生微弧放電現象，微弧的作用一方面使氧化膜發生相和結構的變化，另一方面氧化膜繼續生長，從而形成致密的，具有很高硬度的陶瓷鍍復層。
本發明還提供一種經濟而有效地實施上述方法的裝置。本發明所提供的裝置適用于鋁、鎂、鈦、鋯、鈹、鉭等金屬及其合金材料表面生成陶瓷結構微弧氧化層。所述的裝置包括一個大功率正、負脈沖寬度和幅度可單獨連續調節的方波脈沖產生器，它是由電網經變壓器隔離的三相平衡供電，先組成0→800V和0→-300V連續可調的兩路大功率直流電源，再在控制脈沖作用下，分別利用功率開關元件對直流電源進行斬波變換以獲得脈沖寬度連續可調的大功率正、負脈沖；一個含有弱堿性水溶液的不銹鋼電解槽，作為微弧氧化的一個電極，需鍍覆的金屬或其合金元件作為另一電極；一個懸掛并固定待鍍覆金屬或合金元件的裝置；一個溶液的冷卻攪拌系統。在兩電極之間施加300-800V的正脈沖電壓和0-300V的負脈沖電壓，通過對脈沖的幅度和寬度優化選擇，使微弧氧化層的物理、化學性能改善，并有效地節省能源。
本發明的方法可用于成批陶瓷層鍍覆或連續鍍覆，由于裝置簡單，只需一個電解槽，在成批鍍層時，只需將零件固定在支架上即可，整個鍍覆過程中電解液的成份基本不變，因而可連續重復使用，操作方法也十分簡單，易于掌握。
通過采用本發明的方法和裝置，以LY12鋁合金材料為例，獲得的微弧氧化層的主要特性如下氧化層生長厚度最大可達到300μm氧化層硬度顯微硬度HV0.5800～2000氧化層絕緣特性擊穿強度5KV/mm體絕緣電阻5×1010Ω-cm氧化層的耐磨特性，用碳化鎢為磨擦副摩擦系數為0.48，磨損率為4.9×10-7mm3/N·m氧化層的耐熱沖擊經受300℃-室溫水淬35次，無變化1300℃熱沖擊，5秒5次，氧化層不脫落。
氧化層可打磨拋光至V10-12，相當于粗糙度Ra 0.16-0.037μm下面結合本發明的最佳實施方案，對本發明作進一步的說明，
圖1為一種優選的微弧氧化電源給出的脈沖電壓和電流；圖2為一種優選的微弧氧化裝置的示意圖；圖3被鍍覆金屬(或合金)零件表面等離子體微弧放電現象(照片)。
現在，對本發明的方法進行描述。所述的方法用于在鋁、鎂、鈮、鈦、鋯、鈹、鉭等金屬及其合金材料表面生成陶瓷氧化層。在附圖2中1．樣品；2．樣品固定支架；3．氧化槽；4．不銹鋼電極；5．冷卻水進水口；6．冷卻水出水口；7．塑料槽；8．泵；9．電源；10．隔離變壓器；11．溶液攪拌系統；12．換熱器。本方法的具體操作過程是這樣的將鋁合金部件，即樣品1固定在樣品固定支架2上，浸在含有弱堿性水溶液的不銹鋼氧化槽3中，并作為微弧氧化的一個電極，不銹鋼氧化槽作為另一電極4，所述的弱堿性電解質溶液可采用偏硅酸鈉水溶液，也可用正硅酸鈉水溶液，其中偏硅酸鈉與水的重量比為0.05％-5％，弱堿性溶液中還添加有添加劑，其組份為氫氧化鉀。氫氧化鉀與偏硅酸鈉的重量比為5％-50％。
優選地將不銹鋼的氧化槽置放在塑料槽7中，在微弧氧化過程中，開啟泵8通過溶液攪拌系統11用以對電解質溶液起攪拌作用，同時通過有進水口5和出水口6的換熱器12使溶液冷卻。
所述的實施方案的電源，采用電網經隔離變壓器10隔離的三相平衡供電，組成0→+800V連續可調和0→-300V連續可調的兩路大功率直流電源，再在控制脈沖作用下分別利用功率開關器件斬波變換，以獲得脈沖寬度連續可調的大功率正、負脈沖。脈沖的電流電壓波形如圖1所示。是平頂的方波，有利于微弧氧化形成Al2O3-α相變。
在控制脈沖作用下，正功率開關閉合時，直流正電源給負載供電；正功率開關斷開時，正電源結束對負載供電。正功率開關合上的時間，即為正脈沖的持續時間；同理，作用負功率開關而形成負脈沖寬度。為了獲得理想的方波，除要求控制脈沖為上升和下降時間快的方波外，同時還要求正、負直流電源的濾波電容器的容量足夠大，以在大脈沖電流輸出的情況下，正負脈沖波形的平頂基本不下降。在微弧氧化過程中，通過對正、負脈沖幅度和寬度的優化選擇，使微弧氧化性能達到最佳，并能有效地節省能源。
所述的電源的優點還在于運行過程中在三相電中，各相輪流觸發，以取得三相平衡供電，并加設多重電網濾波器，以減小對電網的沖擊和干擾。另外，主回路供電采用慢啟動，并采用脈沖的漸變慢展開啟動和復位后漸變慢展開工作方式，對電網沖擊小。所述的電源還采用多重保護，例如在變壓器次級串接電流互感器取樣，以限制總功率，在負載中串接電流傳感器取樣，以限制功率開關管脈沖電流的幅度值，利用溫度開關，實現對功率開關斬波開關的過熱保護。以確保長期安全穩定工作。很顯然地，在需要時，所述的電源也可以輸出單極性大功率脈沖，還可以作大功率直流電源使用。
調節增加正脈沖電壓的寬度可以延長氧化時間，提高氧化膜的生長速率。采用負脈沖電壓可以促進氧離子滲透到鋁基體中去，增加鋁基體的質量密度。
采用正、負脈沖的作用是為了取得最佳的微弧氧化層，由于施加的高電壓大電流，使樣品表面出現許多微弧放電區，有許多微弧點在樣品表面游動(見圖3)，微弧區的溫度很高，一般可達幾千度，甚至上萬度，使樣品表面處在微弧形成的等離子體的高溫高壓作用下，使氧化層結構發生變化，結果形成牢固的，堅硬、耐磨的鍍層。最大氧化層厚度可達到200～300μm，而顯微硬度最高可達HV2500～3000。得到的樣品再經過清洗和表面拋光處理即可。根據不同金屬合金所需加工的具體要求，來決定微弧氧化的時間長短，一般1小時～6小時左右，為了取得良好的表面狀態，去掉疏松層，便于再加工，并得到光滑度高的樣品表面，微弧氧化的時間為1-3小時(100μm)是適宜的。所獲得的微弧氧化層的外表面為疏松層(占總氧化層的30％)，其余70％為致密層，已滲透到樣品的基體中去。由于滲透氧化，氧化層與基體間出現相當厚的過渡區，使氧化層與基體呈牢固的陶瓷狀結合，不易脫落。但如果氧化后得到的陶瓷層的表面狀態不好，由于很硬，使加工成光潔度高的表面會很困難的。本發明采用慢啟動，對表面狀態是有利的。
上述的實施方案中，對樣品固定支架是有要求的，由于施加的電壓高、電流大，要求所述的固定支架的固定點與樣品必須緊密接觸，接觸處不允許溶液流入，否則接觸處由于氧化，使接觸電阻加大，從而易產生火花，使接觸處受到損壞，嚴重時甚至會燒斷。另外，應注意的是，由于工業樣品中并非所有的區域都要求氧化，為了節省電功率，減少氧化時間，要將不需要氧化的區域保護起來。本發明所述的方法還可以添加著色的添加劑，使陶瓷氧化層具有所需顏色的覆層。
應當強調指出的是以上僅僅通過最佳實施方案對本發明的方法作了說明性描述，其目的也是對本發明的特征和概念作最必須的、易理解的描述，在這里沒有必要對一些繁瑣的細節作過多的描述，這些對于本領域的普通技術人員來講都是容易明白的。
下面是采用本發明的鋁合金微弧氧化的幾個實施例。
第一個實施例是紡杯。紡杯是紡機中高速旋轉的重要零部件，一般轉速為幾萬轉/分。紡杯是紡機中主要易損件之一，紡杯的溝區磨損最嚴重。樣品材料超硬鋁合金LC4微弧氧化條件工作溫度 室溫至45℃溶液配方 Na2SiO3∶H2O重量比0.3％KOH∶Na2SiO3重量比25％電壓 交流正脈沖電壓600V負脈沖電壓140V電流密度 10A/dm2時間 5小時結果氧化層厚度100μm硬度顯微厚度HV0.5 1500紡杯壽命＞2年第二個實施例是精密離心機支架，要求各平面之間的夾角精密度＜1角秒。樣品材料鋁合金LY12氧化條件工作溫度 室溫至45℃
溶液配方 Na2SiO3∶H2O重量比0.5％KOH∶Na2SiO3重量比25％電壓 交流正脈沖電壓640V負脈沖電壓140V電流密度 8A/dm2時間 6小時結果氧化層厚度100μm硬度顯微厚度HV0.5 1500第三個實施例是前列腺治療儀的窗口(該儀器的關鍵部件)。樣品材料鋁合金管LY12氧化條件工作溫度25至30℃溶液配方 Na2SiO3∶H2O重量比0.3％KOH∶Na2SiO3重量比20％電壓 交流正脈沖電壓480V負脈沖電壓80V電流密度 5A/dm2時間 1小時結果氧化層20μm硬度HV0.5 800本發明的方法除了以上的實施例外，還可以舉出許多。總之，已廣泛應用在國民經濟的各工業領域，尤其是航空工業和國防工業。綜上所述，本發明所述的微弧氧化的方法鍍覆金屬表面，已經在實際中得到了廣泛的應用和明顯的效果。本發明特有的優點是本方法對電網沒有干擾，沒有沖擊和環境污染，同時裝置簡單、成本低廉、操作簡便、電解質溶液可反復使用，并可獲得膜層厚、致密度和硬度高的陶瓷氧化層。
很顯然，以上的描述特別是對本發明的實施方案的描述只是說明性的，并非限制性的，本發明不受上述的實施方案的限制，只要不偏離本發明的目的及所給出的特征，在發明的權利要求的等價形成的范圍內的一切變化，都應包含在本發明范圍內。
權利要求
1．一種用微弧氧化在鋁、鎂、鋯、鈹、鈦、鉭等金屬及它們的合金上形成陶瓷氧化層的方法，所述的方法包括將所述的金屬或其合金浸在含有弱堿性水溶液的不銹鋼電解槽中，并作為微弧氧化的一個電極，不銹鋼氧化槽作為微弧氧化的另一電極；在兩電極之間施加300V-800V的正脈沖電壓和0-300V的負脈沖電壓，所述的正負脈沖電壓由一個采用電網經變壓器隔離的三相平衡供電組成的雙極性大功率脈沖電源供給，脈沖頻率為25Hz至300Hz，脈沖波形為方波，脈沖的幅度和寬度可獨立連續調節，通過對脈沖幅度和寬度的優化選擇，使微弧氧化層的物理、化學性能改善，并有效地節省能源；在所述的金屬或其合金表面生成氧化層薄膜，在高電壓作用下，氧化膜被擊穿，并在高溫下被熔化，產生微弧放電現象，結果形成陶瓷氧化層。
2．如權利要求1所述的方法，其中方波形的正負脈沖電壓是通過由電網經變壓器隔離的三相電，先組成直流電源，再在控制脈沖的作用下，利用功率開關元件，對直流電源斬波的方法獲得。
3．如權利要求1所述的方法，其中所述的雙極性大功率脈沖為平頂的方波，有利于在微弧氧化方法中，形成陶瓷氧化層。
4．如權利要求1所述的方法，其中所述的脈沖電源的主回路供電采用慢啟動，并采用脈沖的漸變慢展開啟動和復位后漸變慢展開的工作方式，以減小對電網的沖擊。
5．如權利要求1所述的方法，其中所述的脈沖電源采用對三相電中各相輪流觸發，以獲得正、負脈沖輸出電壓，電網三相平衡供電，使對電網沖擊小，對外界干擾小。
6．如權利要求1所述的方法，其中所述的脈沖電源采用電網經變壓器隔離的三相平衡供電。
7．如權利要求1所述的方法，其中所述的不銹鋼氧化槽中存放的弱堿性水溶液為偏硅酸鈉水溶液，也可以用正硅酸鈉水溶液、偏硅酸鈉與水的重量比為0.05％-5％。
8．如權利要求1所述的方法，其中所述的弱堿性溶液中所添加的添加劑為氫氧化鉀，氫氧化鉀與偏硅酸鈉的重量比為5％-50％。
9．如權利要求1所述的方法，其中還可以添加著色的添加劑，以使陶瓷氧化層具有所需顏色的覆層。
10．一種用微弧氧化在鋁、鎂、鋯、鈹、鈦、鉭等金屬及它們的合金上形成陶瓷氧化層的裝置，所述的裝置包括一個正脈沖為0-800V，負脈沖為0-300V的高壓脈沖電源；一個含有弱堿性水溶液的不銹鋼電解槽；一個浸在或包含電解質液體的電極；一個至少包括一個待微弧氧化的所述金屬或其合金部件，并作為另一電極懸掛在電解槽中；一個固定所述部件的固定懸掛支架，將所述的合金部件懸掛在電解槽中；和一個冷卻和攪拌系統。
11．根據權利要求10所述的裝置，其中所述的高壓脈沖電源也可以用作單極性脈沖電源或大功率直流電源。
12．根據權利要求10所述的裝置，其中所述的高壓脈沖電源是一種對電網沖擊小、對外界干擾小的大功率脈沖電源。
全文摘要
本發明公開了一種用微弧氧化鍍覆金屬表面的方法。所述的金屬包括鋁、鎂、鈦、鋯、鈹、鉭以及它們的合金。所述的方法包括:(1)將所述的金屬作為一個電極放入一氧化槽中,槽內含有硅酸鹽弱堿性溶液;(2)金屬和氧化槽分別為一對電極,施加300－800伏的正脈沖電壓和0－300伏的負脈沖電壓;(3)所述的脈沖電壓是由一個采用電網經變壓器隔離的三相平衡供電組成的脈沖電源供給;(4)在金屬表面產生微弧氧化并形成一陶瓷氧化層。本發明還提供了實施所述方法的裝置。
文檔編號C25D11/02GK1311354SQ0110226
公開日2001年9月5日 申請日期2001年1月20日 優先權日2001年1月20日
發明者來永春, 陳如意 申請人:來永春