[发明专利]大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种工件表面微弧氧化的处理方法及装置，属于有色金属及其合金表面处理技术领域。

背景技术

微弧氧化是一种在Al、Mg和Ti等有色金属及其合金表面原位生长氧化物陶瓷的新技术。它是在传统阳极氧化的基础上发展而来，但又突破了阳极氧化对电压的限制，所施加的电压较高。其实质是当铝、镁、钛等阀金属放入溶液中，通电后在基体金属表面立即生成一层较薄的氧化物绝缘薄膜，随着电压的升高，电解液与金属界面处的电势急剧增加，致使已形成的氧化物绝缘薄膜的薄弱处被击穿，发生微弧放电现象。该技术通过微弧放电区域高温高压的产生，使常温下一些不可能发生的反应成为可能，最终在基体金属表面原位生长一层连续、均匀、结合力良好的陶瓷膜。此技术能实现耐磨、防腐、耐热冲击、耐电击穿以及具有生物活性等各种功能的陶瓷膜的制备，因此在许多领用具有广泛的应用前景。

微弧氧化技术虽具有上述众多优点，但它的技术劣势也大大限制了它的广泛应用，该技术的最大缺点是单位面积微弧氧化功耗太大、无法实现对大尺寸工件的微弧氧化处理，这是由于维持微弧放电需要的大电流和高电压固有特性所决定的。例如，一般情况下微弧氧化电压在500V左右，电流密度常约为10A/dm²，而对一个普通汽车活塞外表(汽车活塞外表面积大约为4dm²)的处理就需要至少20KW功率输出。因此，到目前为止微弧氧化技术的应用也多是集中在尺寸较小的一些零部件上，而对大尺寸工件的处理则很难实现。针对此问题，很多学者进行了大量研究，但无论是通过电源功率的增大或输出模式改变，还是通过电参数或溶液体系等方面的优化，一次性处理的最大面积也仅为3m²左右。另外，在对大尺寸工件处理时，由于工作电流较大，必须配备庞大的冷却系统对电解液的温度进行控制，同时，由于电流太大，也增大了配电要求，这些都增加了微弧氧化技术的难度及成本，从而制约了微弧氧化对大面积工件的处理的实现。

在对微弧氧化设备、电参数及电解液等方面研究的同时，还有人采用了非常规的微弧氧化方法，即并非将待处理工件整体浸入处理液中，而仅是使待处理工件的局部区域与电解液接触，从而实现待处理工件从局部到整体的处理。如公开号为CN 2789279Y、名称为“微弧氧化摩擦式阴极”的专利采用了一种类似于金属刷镀的摩擦式阴极结构，实现对大尺寸工件表面的微弧氧化处理。其工作原理是：采用尼龙网材料制成的阴极套将阴极包好，通过注液管把电解液注入阴极套，操作阴极，使含有电解液的阴极头及包套在欲被陶瓷化的工件表面以一定速度相对摩擦运动，从而实现工件表面的整体处理。此方法能够实现对大尺寸工件的处理，但也存在着不足。由于此方法采用了非整体浸没的工作方式，这将导致基体、电解液和空气三者的交界处放电剧烈，氧化物陶瓷膜层烧蚀严重，因此界面效应难以消除。此外，公开号为CN 101037782A、名称为“大面积工件表面的微弧氧化处理方法及其装置”的专利通过采用功能罩把工件的处理部位与外界完全隔开、使大面积工件的表面作为电解槽内壁组成部分的办法，来实现工件表面局部或由局部至整体的微弧氧化。此方法适合于大尺寸工件局部的定点陶瓷化，但在对大面积工件进行整体处理时却存在很多问题。鉴于公开号为CN 101037782A的专利存在着诸如生产效率低、难以实现自动连续化处理等不足，公开号为CN 101368286A、名称为“一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法及装置”的专利，公开了一种能够在电解液内实现对大面积工件微弧氧化处理的方法和装置。此专利简化了大面积轻合金工件的微弧氧化处理工艺，降低了生产成本、提高了生产效率。但由于该专利的阴极结构，必须保证“阳极工件与阴极电极装置间距离大于5cm”的条件，而较大的阴极/阳极间距会带来两方面的问题：1)因阴极电场具有自发散效应，当阴阳电极间距离较大时，使得阴极影响区很大(远大于阴极面积)，产生附加放电，放电电流仍然很大；2)由于较大的阴阳电极间距离也造成了较大的溶液阻抗，空耗能量，从而降低了电输出能量的利用率。但如果阴阳极间距离太小，将会影响到反应产物(胶体及气体等)的排出和电解液的交换，进而影响到所生成氧化物陶瓷膜层的质量，甚至会由于气障效应出现微弧中断现象。所以为了提高处理电源效率，需要减小阴极-阳极距离，因此阴极结构必须改进，提高阴极的通透性，以便于溶液流动和反应产物排除，进而实现微距微弧氧化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的微弧氧化的处理方法及装置存在的阴阳电极间距离较大和电输出能量的利用率低的问题，进而提供一种大尺寸工件表面电场拘束微距微弧氧化的处理方法及装置。