[发明专利]一种微弧氧化过程电参数的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种对微弧氧化过程电参数的控制方法。

背景技术

与其它表面改性技术相比，微弧氧化具有如下突出优势：其一，能实现金属和陶瓷材料的有机原位复合，在保持两者各自特有性能优势的前提下实现金属表面的陶瓷化，同时能有效克服由传统烧结工艺制备的陶瓷材料脆性大、易断裂、可加工性差等缺陷。其二，成膜能力强，对前处理无严格要求，能处理几何形状复杂的工件，凡是能与电解液接触的表面都能实现陶瓷化。其三，通过对工艺参数的优化，可以实现对陶瓷膜组成、结构和性能指标的调控，获得耐腐蚀、耐磨损、结合力强、绝缘、美观的表面改性层。其四、工序简单，设备条件无特殊要求，易实现批量化、不间断生产。其五，通过对电解液组分的严格控制，可以实现真正意义上的“清洁生产”。

由于上述技术优势，微弧氧化作为Mg、Al、Ti等“阀金属(valve metals)”及其合金诸多表面强化技术中最经济、最有效的一种，受到学术界和企业界空前的关注。在国内外广大学者、专家的不懈努力下，微弧氧化基础研究和应用开发取得了长足进展，并且已经在工业上实现规模化应用。尽管如此，现有微弧氧化技术依然存在缺陷和不足，突出表现为效率低、能耗大、综合成本(尤其是电源成本)高等。如薛文斌等人在《电镀与精饰》1998年第20卷第3期第1-4页，发表题为“铝微弧氧化电流效率的测定”的文章，报道了铝微弧氧化电流效率仅为10-30％的研究结果。薛文斌等人在《金属热处理》2001年第1期1-3页发表题为“有色金属表面微弧氧化技术评论”的文章，指出微弧氧化使用的高电压和大电流密度消耗大量电能，限制了单个工件的加工面积。上述缺陷和不足，已成为制约微弧氧化技术推广应用的主要瓶颈之一。

微弧氧化是一个电极和电解液共同参与的“阶段性”特征鲜明的界面反应过程，是一个电化学强极化过程。极化条件必然影响陶瓷膜的生长过程(包括生长速率及能量利用率)及其组分、结构和性能，而极化条件完全依赖于电源输出电参数的种类(包括波形、幅值、频率和占空比等)以及输出控制方式。因此，在其它参数维持不变的前提下，电参数种类的选择以及输出方式(对电极而言，即为电参数的施加方式)的控制变得至关重要。

迄今为止，通过提高电源输出电流/电压幅值、优化输出波形、频率和/或占空比等参数，实现增强微弧氧化处理效果目标的研发工作，已经取得了大量成果/结果。然而，对于上述途径(尤其是提高输出电流/电压的途径)直接导致的一系列成本增加的问题及其带来的负面影响，却鲜见关注。微弧氧化成套设备通常由电源、电解槽、水洗槽、搅拌装置、循环冷却装置和干燥装置等组成。电源作为其中的核心部分，其成本在设备总成本中占有相当大的比重。提高对电源输出参数的要求，将使电源的制造成本和采购价格大幅攀升。另一方面，由于热损耗及一系列的副反应，高电压、强电流的操作方式必然带来更大的能量损失。热损耗带来的直接后果是致使电解液温度升高。过高的溶液温度既会对陶瓷膜的生长产生不利影响，又会加重电解液的蒸发损失，因此，必须对电解液进行强制冷却，这必然加重循环冷却装置的负荷及相应的成本。综上所述，对电参数种类的优选和控制，虽然是增强微弧氧化处理效果的有效途径，但无法解决微弧氧化技术中存在的高成本、高能耗和低效率等问题，甚至在一定程度上使上述问题更为突出。

基于上述原因，电参数施加方式对微弧氧化成膜效果的影响引起部分学者的关注。根据微弧氧化过程的特点，对电参数的施加过程进行优选和控制，不仅可以利用现有设备及工艺，在提高电能利用率、降低热损耗的同时，获得高质量的微弧氧化陶瓷膜，而且可以降低对设备技术参数的要求，节约新设备的制造和/或采购成本。就电参数的施加方式而言，研究和实际应用最多的是控流法和控压法。以控流法为例，现有的方法可以分为两类，即普通控流法(也就是恒流控制法)和阶段控流法。在恒流控制的微弧氧化过程中，当电流密度满足膜层生长的最低要求时，由于膜层不断长厚，理论上电压将随处理时间延长而逐渐升高，微弧氧化依次经历Faraday阶段、火花/微弧放电阶段和/或二次放电阶段。在微弧氧化的后期，当电压升高到某一临界值时，由于高电压对膜层的破坏作用，往往出现膜层质量恶化的现象。由此产生膜层厚度和致密性要求之间的矛盾。