一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法及装置

摘要

本发明公开了一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法及其实施该方法的相应装置，是在大面积阳极工件的局部区域安装表面小于阳极工件表面的阴极电极装置，对阳极工件的局部区域进行微弧氧化表面处理；然后调整阴极电极装置相对于阳极工件的位置，逐步使阴极电极装置与阳极工件表面上的每个区域均产生反应，且各区域反应的程度均相同，从而使大面积阳极工件的整个表面都进行微弧氧化处理。采用上述技术方案的优点是：在对大面积工件的不同区域的表面微弧氧化处理时，能自由调整电极对与工件的相对位置，安装拆卸方便；适用范围广；节省能源、成本低廉：有效降低生产成本。

权利要求

1.一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法，其实施的装置包括电解液槽(7)、微弧氧化电解液(6)、阴极电极装置(4)、阳极工件(5)、阴极装置导线(3)、阳极工件导线(1)和微弧氧化电源(2)，其特征在于：所述的表面处理方法是在大面积的阳极工件(5)的局部区域安装表面小于阳极工件(5)表面的阴极电极装置(4)；

所述的表面处理方法包括制作阴极电极装置(4)：

选用厚度为0.5～2.0mm，长度为500～2000mm，宽度为50～400mm的不锈钢板，制作阴极不锈钢板(8)，在阴极不锈钢板(8)宽度的中心线上均匀加工出2～10个直径为3～

20mm的通孔，即不锈钢板通孔(10)，所述的不锈钢板通孔(10)用于连接导电电缆和组装电极装置；

选用两块绝缘塑料板，厚度为0.5～5.0mm，长度和宽度分别大于不锈钢板的长度和宽度50～150mm，该绝缘塑料板即阴极绝缘保护板(9)；在阴极绝缘保护板(9)上加工均匀分布的、直径为3～20mm的通孔，即绝缘保护板通孔(11)，孔间距离5～20mm；所述的绝缘保护板通孔(11)用于与阴极不锈钢板(8)组装成阴极电极装置(4)，以及实现微弧氧化电解液(6)与阴极电极装置(4)接触而传导电流；

所述的表面处理方法包括制作电极对组装：

选用多个直径为4～15mm的绝缘螺栓(13)及配合使用的绝缘螺帽(12)，将阴极不锈钢板(8)和阴极绝缘保护板(9)组装成一体，其中，所述阴极不锈钢板(8)放在两块阴极绝缘保护板(9)之间，在阴极不锈钢板(8)的一端，连接上阴极装置导线(3)，使电极、导线成为一整体；

所述阳极工件导线(1)的一端和阳极工件(5)相连，另一端连接微弧氧化电源(2)的正极；所述阴极装置导线(3)的一端与阴极电极装置(4)的阴极不锈钢板(8)连接，另一端连接微弧氧化电源(2)的负极；

所述的表面处理方法包括大面积工件即阳极工件(5)的安装：

将待处理的阳极工件(5)和阴极电极装置(4)放入微弧氧化电解液(6)中，并把阴极电极装置(4)固定在阳极工件(5)的待处理区域；阳极工件(5)与阴极电极装置(4)的距离大于5cm；

由阳极工件(5)与阴极电极装置(4)之间的微弧氧化电解液(6)，经过阳极工件导线(1)和阴极装置导线(3)与微弧氧化电源(2)形成导电回路；

所述的表面处理方法包括工件微弧氧化处理：

在微弧氧化处理生产时，使用的是600～700V的高电压、大于100A的电流；

检查电路连接正确，启动微弧氧化电源(2)，开始对阳极工件(5)进行局部区域的微弧氧化处理；

然后调整阴极电极装置(4)相对于阳极工件(5)的位置，逐步使阴极电极装置(4)与阳极工件(5)表面上的每个区域均产生反应，且各区域反应的程度均相同，从而使大面积阳极工件(5)的整个表面都进行微弧氧化处理。

2.一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法的装置，包括电解液槽(7)、微弧氧化电解液(6)、阴极电极装置(4)、阳极工件(5)、阴极装置导线(3)、阳极工件导线(1)和微弧氧化电源(2)，其特征在于：在大面积的阳极工件(5)的局部区域安装表面小于阳极工件(5)表面的阴极电极装置(4)；

所述的阴极电极装置(4)中设由绝缘材料制成的阴极绝缘保护板(9)，所述的阴极电极装置(4)中的电极安装固定在阴极绝缘保护板(9)内，并且平面接触，通过绝缘螺栓(13)和绝缘螺母(12)使其紧固连接成为一个整体；

所述的阴极电极装置(4)的电极为阴极不锈钢板(8)，所述的阴极不锈钢板(8)的表面小于阴极绝缘保护板(9)；所述的阴极绝缘保护板(9)在其平面上设有多个排列整齐的通孔，即绝缘保护板通孔(11)；

所述的阴极不锈钢板(8)在其平面上设有多个通孔，即不锈钢板通孔(10)。

说明书

一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于金属表面处理的技术领域，具体地说，本发明涉及一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法。另外，本发明还涉及实施这种方法的装置。

背景技术

[0002] 轻金属及其合金具有许多显著优点。譬如，比重小、比强度高、刚性好，导热、导电性能优良等。轻合金在现代工业应用中，具有举足轻重的作用，特别是人们对节能、环保、轻量化的共识，更进一步增大了轻合金的需求，同时也加速了轻合金的研究开发。

[0003] 在现代的工业应用中，铝合金成为仅次于钢铁的第二大金属材料。特别是在先进的成型技术和表面处理技术的复合应用下，使铝合金的应用潜力得以充分发挥。其应用领域进一步扩展。铝及其合金被誉为“21世纪的支柱材料之一”。

[0004] 镁合金是密度最小的结构金属材料。它具有良好的电磁屏蔽效果，被广泛应用在3C产品。由于具有比强度高、减振性优良等特性，而被汽车制造商青睐。同时，镁合金易于回收利用，对环境无污染，被称为“21世纪绿色金属”。

[0005] 钛及其钛合金比刚度高，抗腐蚀性好，耐高温性能优异。成为航空航天的生力军。被广泛应用于发动机零部件。另外，钛合金在生物体相容性方面，更显示了广阔诱人的应用前景。被广泛应用于人造骨骼、人造牙齿等。

[0006] 虽然轻金属及其合金具有上述的一系列优点，但是在应用中还有一些不太令人满意的地方。如耐腐蚀性、耐磨性。

[0007] 微弧氧化技术起源于20世纪70年代，在国内外有不同的叫法，如“等离子体阳极氧化”、“火花放电沉积”、“阳极火花沉积”等。微弧氧化沿续了阳极氧化的较多特点，但在微弧氧化处理过程中，发生的反应强烈，电压、电流明显高于普通的阳极氧化，产生能量大，膜层性能优异。所以微弧氧化又区别于阳极氧化。

[0008] 在进行轻合金微弧氧化表面处理时，首先需要除去工件表面的油污、尘土等赃物，并把待处理的工件放入电解液中，应用专门的微弧氧化电源，在工件上施加高电压，强电流，使工件表面产生“火花放电”现象。借助火花放电，在工件表面沉积一层氧化膜。同时，由于高压火花放电产生的局部高温，温度约2000℃，使表面沉积的氧化膜熔融、烧结，并在电解液的“激冷”和“淬火”作用下，形成晶态陶瓷氧化膜。

[0009] 经过微弧氧化处理得到的氧化膜，具有优异的防腐蚀、耐摩擦功能，极大的提高了工件的使用寿命。

[0010] 与其他表面改性技术相比，特别是与阳极氧化相比，微弧氧化具有如下的优势：

[0011] 1、实现了金属与陶瓷两类材料的有机结合。在保持两者各自优越性能的条件下，实现轻金属合金材料表面的强化。材料的耐摩擦、耐腐蚀性能得以优化。

[0012] 2、微弧氧化操作简单、工艺流程短、对工作条件要求低。成膜速度快、生产效率高，易于实现自动化大批量生产。

[0013] 3、微弧氧化的电解液属于环保型。溶液排放符合环保要求，易于实现清洁高效生产。

[0014] 现在通用微弧氧化表面处理，基本操作过程为：

[0015] 1、工件表面清洗。除去工件表面油污、尘土等脏物。

[0016] 2、工件整体放入装有电解液的电解槽中。把工件放入电解液中，并用导线与电源的正极相连；电源负极与阴极不锈钢板相连。其中，阴极不锈钢板安装固定在电解槽两侧，钢板长和高接近电解槽的长和高尺寸，钢板面积远大于工件表面处理面积。即，现在的微弧氧化生产方法均为大阴极对小工件生产方式。

[0017] 3、工件微弧氧化处理。启动微弧氧化电源，对工件进行微弧氧化表面处理。

[0018] 上述方法的优点是：

[0019] 能实现小面积工件的连续化大批量生产，生产效率高、易于实现自动化。

[0020] 上述方法的缺点是：

[0021] 1、在处理过程中，需要根据电源的额定最大输出功率，确定一次所能处理的工件的最大面积。当工件处理面积大于电源的最大处理面积时，此工件被判定为不能做微弧氧化处理。

[0022] 2、为了实现大面积工件的微弧氧化处理，现在的多数研发者，试图研制开发超大功率的微弧氧化电源。这样的结果，使微弧氧化成本急剧增加，同时还带来研究开发大功率微弧氧化电源的技术难度。最终导致微弧氧化的工业应用受到限制。

[0023] 鉴于上述微弧氧化方法存在的局限性，本领域的技术研究开发正在转向改变阴极大小来实现大面积工件的微弧氧化处理。这样的优点是，不必使用大功率电源来处理大面积工件，有效降低成本。

[0024] 例如，中国专利公开号为CN101037782A、公开日为2007年9月19日、名称为“大面积工件表面的微弧氧化处理方法及其装置”的专利文献，公开了一种大面积工件的微弧氧化处理方法和装置。此方法和装置能对规则工件大面积微弧氧化处理，如大面积板材、规则弧形件等。其不足之处是：首先，在生产使用中，需要对阴极装置与阳极工件做组装，用粘接剂把阴极装置粘接固定在工件待处理区域，这样的处理方式，生产效率较低，且不容易实现自动连续化处理；其次，由于把阴极电极粘接在阳极工件上，这样的处理方法在复杂工件表面无法实现；最后，由于工件在进行微弧氧化处理时，产生大量的热量，致使电解液在短时间内迅速升温，甚至使电解液沸腾，而微弧氧化处理的溶液温度不能超过50℃，否则工件的氧化膜被强烈击穿，发生“烧蚀”现象，氧化膜失去改性功能。

发明内容

[0025] 本发明所要解决的第一个问题是提供一种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法，其目的是简化大面积轻合金工件的微弧氧化处理工艺，降低生产成本、提高生产效率。

[0026] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0027] 本发明所提供的这种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法，其实施的装置包括电解液槽、微弧氧化电解液、阴极电极装置、阳极工件、阴极装置导线、阳极工件导线和微弧氧化电源，所述的表面处理方法是在大面积阳极工件的局部区域安装小于阳极工件表面的阴极电极装置，并浸入电解液槽内的微弧氧化电解液中，接通微弧氧化电源，开始对阳极工件的局部区域进行微弧氧化表面处理；然后调整阴极电极装置相对于阳极工件的位置，逐步使阴极电极装置与阳极工件表面上的每个区域均产生反应，且各区域反应的程度均相同，从而使大面积阳极工件的整个表面都进行微弧氧化处理。

[0028] 本发明要解决的第二个问题是提供实现上述的大面积轻合金微弧氧化表面处理方法的装置，其发明目的与上述技术方案是相同的，其技术方案是：

[0029] 以上所述的阴极电极装置中设由绝缘材料制成的阴极绝缘保护板，所述的阴极电极装置中的电极安装固定在阴极绝缘保护板内，并且平面接触，通过绝缘螺栓和绝缘螺母使其紧固连接成为一个整体。

[0030] 对上述实现大面积轻合金微弧氧化表面处理方法的装置，本发明提出了具体的结构技术方案：

[0031] 以上所述的阴极电极装置的电极为阴极不锈钢板，所述的阴极不锈钢板的表面小于阴极绝缘保护板。

[0032] 所述的阴极绝缘保护板在其平面上设有多个排列整齐的通孔，即绝缘保护板通孔。

[0033] 所述的阴极不锈钢板在其平面上设有多个的通孔，即不锈钢板通孔。

[0034] 所述的绝缘螺栓和绝缘螺母均由绝缘材料制成。

[0035] 本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：1、便携：本发明设计制作的微弧氧化便携电极装置，在对大面积工件的不同区域的表面微弧氧化处理时，能自由调整电极对与工件的相对位置，安装拆卸方便，使大面积工件的微弧氧化处理得以实现；2、适用范围广：利用本发明的方法和装置，实现大面积工件表面的连续性微弧氧化处理。特别适合于表面形状复杂的轻合金工件的微弧氧化表面处理；上述工艺方法和装置，也能用于一般工件的微弧氧化处理；3、节省能源、成本低廉：本发明中的微弧氧化装置，根据处理工件表面积的大小，调整装置的尺寸，实现不同面积工件的微弧氧化处理。另外，由于电极与工件的配对，电能利用率显著提高。同时，还能在电源功率不变的条件下，处理大面积工件，有效降低生产成本。

附图说明

[0036] 下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

[0037] 图1为本发明所提供的表面处理装置的结构示意图；

[0038] 图2为本发明中的阴极电极装置的结构示意图；

[0039] 图3为本发明中的阴极绝缘保护板的结构示意图；

[0040] 图4为本发明中的阴极不锈钢板的结构示意图。

[0041] 图中标记为：

[0042] 1、阳极工件导线，2、微弧氧化电源，3、阴极装置导线，4、阴极电极装置，5、阳极工件，6、微弧氧化电解液，7、电解液槽，8、阴极不锈钢板，9、阴极绝缘保护板，10、不锈钢板通孔，11、绝缘保护板通孔，12、绝缘螺母，13、绝缘螺栓。

[0043] 具体实施方式

[0044] 下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

[0045] 如图1所表达的本发明中采用的结构，是实现大面积轻合金微弧氧化表面处理方法的装置，该装置包括电解液槽7、微弧氧化电解液6、阴极电极装置4、阳极工件5、阴极装置导线3、阳极工件导线1和微弧氧化电源2。

[0046] 为了解决在本说明书的背景技术部分所述的现有技术存在的问题，实现降低生产成本、提高生产效率的目的，本发明采取了以下的技术措施，使得在电源功率一定的条件下，用改变阴极电极大小的方法来处理更大轻合金工件：

[0047] 本发明所提供的这种大面积轻合金微弧氧化表面处理方法，是在大面积阳极工件5的局部区域安装小于阳极工件5表面的阴极电极装置4，并浸入电解液槽7内的微弧氧化电解液6中，接通微弧氧化电源2，开始对阳极工件5的局部区域进行微弧氧化表面处理；
然后调整阴极电极装置4相对于阳极工件5的位置，逐步使阴极电极装置4与阳极工件5表面上的每个区域均产生反应，且各区域反应的程度均相同，从而使大面积阳极工件5的整个表面都进行微弧氧化处理。

[0048] 以上所述的阴极电极装置4中设由绝缘材料制成的阴极绝缘保护板9，所述的阴极电极装置4中的电极安装固定在阴极绝缘保护板9内，并且平面接触，通过绝缘螺栓13和绝缘螺母12使其紧固连接成为一个整体。

[0049] 对实现上述大面积轻合金微弧氧化表面处理方法的装置，本发明提出了具体的结构技术方案：

[0050] 以上所述的阴极电极装置4的电极为阴极不锈钢板8，所述的阴极不锈钢板8的表面小于阴极绝缘保护板9。

[0051] 如图3所示，所述的阴极绝缘保护板9在其平面上设有多个排列整齐的通孔，即绝缘保护板通孔11。

[0052] 如图4所示，所述的阴极不锈钢板8在其平面上设有多个排列整齐的通孔，即不锈钢板通孔10。

[0053] 所述的绝缘螺栓13和绝缘螺母12均由绝缘材料制成。

[0054] 在具体的实施中，可按下面的方法进行：

[0055] 1、制作阴极电极装置4：

[0056] 选用厚度为0.5～2.0mm，长度为500～2000mm，宽度为50～400mm的不锈钢板，即阴极不锈钢板8。在阴极不锈钢板8宽度的中心线上均匀加工出2～10个直径为3～20mm的通孔，即不锈钢板通孔10。不锈钢板通孔10用于连接导电电缆和组装电极装置。

[0057] 选用两块绝缘塑料板，厚度为0.5～5.0mm，长度和宽度分别大于不锈钢板的长度和宽度50～150mm，该绝缘塑料板即阴极绝缘保护板9。在阴极绝缘保护板9上加工均匀分布的、直径为3～20mm的通孔，孔间距离5～20mm。在阴极绝缘保护板9上钻孔的目的是与阴极不锈钢板8组装成阴极电极装置4，以及实现微弧氧化电解液6与阴极电极装置4接触而传导电流。

[0058] 2、电极对组装：

[0059] 选用多个直径为4～15mm的绝缘螺栓13用配合使用的绝缘螺帽12，将阴极不锈钢板8和阴极绝缘保护板9组装成一体。其中，阴极不锈钢板8放在两块阴极绝缘保护板9之间，在阴极不锈钢板8的一端，连接上阴极装置导线3，使电极、导线成为一整体。在微弧氧化生产时，使用的是高电压(600～700V)、大电流(大于100A)。

[0060] 图1中，阳极工件导线1的一端和阳极工件5相连，另一端连接微弧氧化电源2的正极。阴极装置导线3的一端与阴极电极装置4的阴极不锈钢板8连接，另一端连接微弧氧化电源2的负极。

[0061] 由于电极外围有阴极绝缘保护板9的保护，而阴极绝缘保护板9上有许多通孔，从而使其既有良好的导电功能，又具有良好的保护功能，使阴极电极不能和阳极工件5接触，从而实现安全生产。此电极装置具有轻巧、携带方便的特点。

[0062] 3、大面积工件(阳极工件5)的安装：

[0063] 将待处理的阳极工件5和阴极电极装置4放入微弧氧化电解液6中，并把阴极电极装置4固定在阳极工件5的待处理区域。阳极工件5与阴极电极装置4的距离大于5cm。

[0064] 由阳极工件5与阴极电极装置4之间的微弧氧化电解液6，经过阳极工件导线1和阴极装置导线3与微弧氧化电源2形成导电回路。

[0065] 4、工件微弧氧化处理：

[0066] 检查电路连接正确，启动微弧氧化电源2，对阳极工件5进行微弧氧化处理。启动电源2，对工件5进行微弧氧化处理。

[0067] 图2为阴极电极装置4的结构图，其制作流程叙述如下：

[0068] a、材料截取。截取一阴极不锈钢板8，该板厚度为1mm，长度为500mm，宽度为100mm。截取两块阴极绝缘保护板9，该板厚度为1mm，长度为600mm，宽度为200mm。

[0069] b、阴极不锈钢板8和阴极绝缘保护板9钻孔。用电钻在阴极不锈钢板8中心线上钻不锈钢板通孔10，直径10mm，不锈钢板通孔10的数量为3个。在阴极绝缘保护板9上钻绝缘保护板通孔11，直径10mm，孔间距10mm，绝缘保护板通孔11均匀布满整块绝缘板。

[0070] c、阴极电极装置4的组装。将阴极不锈钢板8和阴极绝缘保护板9用绝缘螺栓13、绝缘螺帽12组装固定，阴极不锈钢板8装载两块阴极绝缘保护板9之间，在阴极不锈钢板8的一端连接上阴极装置导线3。

[0071] 实施示例一：

[0072] 选取一工件，即阳极工件5，该工件尺寸为1000mm×500mm，把阳极工件5放入微弧氧化电解液6中。要求在工件表面所有区域处理上厚度均匀，颜色一致的微弧氧化膜层。

[0073] 选取阴极电极装置4，该装置尺寸为1000mm×200mm，把阴极电极装置4放入微弧氧化电解液6中。

[0074] 1)、把阴极电极装置4放置在阳极工件5一端。用导线把阳极工件5和微弧氧化电源2的正极相连，把阴极电极装置4与微弧氧化电源2的负极相连。启动微弧氧化电源2，对工件进行表面处理。处理过程中，看到阳极工件5的该端正对阴极电极装置4的区域表面出现微弧现象。在阳极工件5的此区域，达到处理要求后，停止工作电源。

[0075] 2)、把阴极电极装置4调换放置在工件的中央区域，用导线把阳极工件5和微弧氧化电源2的正极相连，把阴极电极装置4与微弧氧化电源2的负极相连。启动微弧氧化电源2，对阳极工件5中间区域进行微弧陶瓷处理，等待达到处理要求，停止工作电源。

[0076] 3)、把阴极电极装置4调整到阳极工件5的另一端，用导线把阳极工件5和微弧氧化电源2的正极相连，把阴极电极装置4与微弧氧化电源2的负极相连。启动微弧氧化电源2，对阳极工件5进行微弧氧化处理，符合处理要求后，停止工作电源。

[0077] 4)、取出已经完成微弧氧化处理的阳极工件5，并把阳极工件5放入清水中清洗5分钟。从清水中取出工件。在工件表面得到完整的微弧氧化膜层。微弧氧化膜层厚度均匀，表面色泽良好。

[0078] 实施示例二：

[0079] 选取一工件，即阳极工件5，该工件尺寸为2000mm×1000mm，把阳极工件5放入微弧氧化电解液6中。要求在阳极工件5表面所有区域处理上厚度均匀、颜色一致的微弧氧化膜层。

[0080] 选取阴极电极装置4，该装置尺寸为2000mm×100mm，把电极对放入电解液中。

[0081] 后续的微弧氧化处理方法同实施实示例一。

[0082] 最终在工件表面得到完整的微弧氧化膜层。微弧氧化膜层厚度均匀，膜层良好。

[0083] 本发明解决了现有技术存在的问题，克服了所述技术的缺陷，有着突出的实质性特点，并在技术上取得显著进步，在产业上有推广的价值。所以，本发明具有新颖性、创造性和实用性。

[0084] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。