專利名稱：一種峰值電流輸出模式下的微弧氧化電參量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種峰值電流輸出模式下的微弧氧化電參量控制方法。
背景技術(shù)：
微弧氧化處理是將輕合金制品做陽(yáng)極，不銹鋼做陰極，置于脈沖電場(chǎng)環(huán)境的電解液中，使制品表面產(chǎn)生微弧放電而生成一層與基體以冶金方式結(jié)合的自身氧化物陶瓷層。 與其它表面處理技術(shù)相比，微弧氧化技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)其一，該工藝可以被視為既不消耗陰極又基本不消耗電解液溶質(zhì)元素的清潔處理，能實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷材料的有機(jī)原位復(fù)合， 在保持兩者各自特有性能優(yōu)勢(shì)的前提下實(shí)現(xiàn)金屬表面的陶瓷化。其二，工件表面潔凈度要求較低，對(duì)前處理無(wú)嚴(yán)格要求，同時(shí)能處理幾何形狀復(fù)雜的工件，尤其是零件的內(nèi)表面原位生成陶瓷膜。其三，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化，得到的陶瓷質(zhì)膜層所具有的高硬度、高阻抗和高穩(wěn)定性滿足合金抗高溫腐蝕、連接(電偶)腐蝕、擦傷腐蝕及改善耐磨等性能要求。隨著微弧氧化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，該技術(shù)也凸顯出一些缺點(diǎn)和不足，比如工藝能耗過(guò)大、處理成本高以及處理效率低等問(wèn)題，限制此環(huán)境友好性能優(yōu)異的表面處理技術(shù)推廣應(yīng)用?，F(xiàn)今對(duì)微弧氧化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用期望主要有以下幾個(gè)方面一次處理面積大，起弧時(shí)間短以及通過(guò)最小的平均電流輸出獲得最大的處理效率和最低的處理成本?，F(xiàn)有的微弧氧化電參數(shù)控制模式主要分為電壓輸出控制模式和平均電流輸出控制模式。微弧氧化電壓輸出控制模式，就是設(shè)定電源輸出電壓恒定，平均電流隨著試樣表面電阻值增大而減小，其缺點(diǎn)是電壓輸出模式下如果輸出電壓過(guò)低，陶瓷層生長(zhǎng)速度較慢， 陶瓷層較薄，硬度也低；輸出電壓過(guò)高，工件易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，膜層質(zhì)量變差。微弧氧化平均電流輸出控制模式，就是設(shè)定電源輸出平均電流恒定，電壓值隨著試樣表面電阻值增大而增大，其缺點(diǎn)是電流輸出控制模式所得陶瓷層質(zhì)量較好，粗糙度較大，同時(shí)能量消耗大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種峰值電流輸出模式下的微弧氧化電參量控制方法，以克服現(xiàn)有的微弧氧化技術(shù)存在的工藝能耗過(guò)大、處理成本高以及處理效率低的問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，一種峰值電流輸出模式下的微弧氧化電參量控制方法，其操作步驟為將經(jīng)過(guò)表面整理的預(yù)處理件作為陽(yáng)極，不銹鋼作為陰極，分別與直流脈沖電源的輸出端口連接后，然后將預(yù)處理件浸入微弧氧化電解液中；再在微弧氧化電源上設(shè)定好起始電參數(shù)，分別為脈沖峰值電流密度Ip1、脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)N1，然后啟動(dòng)電源并持續(xù)時(shí)間t1;保證預(yù)處理件表面在、內(nèi)發(fā)生弧光放電現(xiàn)象，同時(shí)表面的陶瓷層形成并開始進(jìn)入生長(zhǎng)增厚階段；不切斷電源，在保證平均電流Ia輸出盡量小且能維持陶瓷層生長(zhǎng)的情況下，在Ip1的基礎(chǔ)上逐步降低Ip的值，并在八、和&的基礎(chǔ)上逐步增大At和N 的值，來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷層的快速增厚，當(dāng)試樣表面的陶瓷層達(dá)到預(yù)定的厚度時(shí)，斷開電源結(jié)束微弧氧化處理過(guò)程，取出工件，并水洗、干燥。
如果預(yù)處理件為鎂合金，Ip1為 400—600A/dm2，At1 為 10—15 μ s，N1 為 500 ；Ip 的值不低于200 A/dm2, Δ t的值不高于100 μ s, N的值不高于2500。且硅酸鹽體系電解液按重量與體積比，由硅酸鈉5-8 g/L、氫氧化鉀10-15 g/L和氟化鉀5-10 g/L組成，溶劑為蒸餾水。如果預(yù)處理件為鋁合金，Ip1為 600—800 A/dm2, Δ、為 20—30 μ s，N1 為 500 ；Ip 的值不低于200 A/dm2, Δ t的值不高于100 μ s, N的值不高于2500。且硅酸鹽體系電解液按重量與體積比，硅酸鹽系電解液按重量與體積比，由硅酸鈉10-15g/L、氫氧化鉀2-5g/L 和六偏磷酸鈉10_15g/L組成，溶劑為蒸餾水。本發(fā)明的有益效果是，
1.通過(guò)脈沖峰值電流密度、脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)這三個(gè)電參量精確控制直流脈沖電源的輸出模式，能夠降低熱損耗，使得能量利用率顯著提高；
2.利用本發(fā)明提供的峰值電流輸出模式下的微弧氧化電參量控制方法進(jìn)行處理，能夠顯著改善成膜效果，提高成膜效率，最終通過(guò)工藝優(yōu)化獲得更光滑更均勻的陶瓷層。


圖1是相同電流通量條件下單脈沖峰值電流Ip的變換示意圖，其中ip—峰值電流密度，Ia—平均電流，At—脈沖寬度(脈寬)，N—單位通電時(shí)間內(nèi)發(fā)生的脈沖次數(shù)(脈數(shù))；
圖2是實(shí)施例1中利用本發(fā)明方法在AZ31鎂合金試樣表面上制備的陶瓷層用JSM -6700F型掃描電鏡所得的表面形貌圖(放大倍數(shù)為1000X )；
圖3是實(shí)施例1中利用現(xiàn)有的平均電流輸出模式控制方法在AZ31鎂合金試樣表面上制備陶瓷層用JSM - 6700F型掃描電鏡所得的表面形貌圖(放大倍數(shù)為1000X )；
圖4是實(shí)施例1中利用現(xiàn)有的電壓輸出模式控制方法在AZ31鎂合金試樣表面上制備陶瓷層用JSM - 6700F型掃描電鏡所得的表面形貌圖(放大倍數(shù)為1000X )；
圖5是實(shí)施例2中利用本發(fā)明方法在LY12鋁合金試樣表面制備陶瓷層用JSM - 6700F 型掃描電鏡所得的表面形貌圖(放大倍數(shù)為500X)；
圖6是實(shí)施例2中利用現(xiàn)有的平均電流輸出模式控制方法在LY12鋁合金試樣表面制備陶瓷層用JSM - 6700F型掃描電鏡所得的表面形貌圖(放大倍數(shù)為500X )；
圖7是實(shí)施例2中利用現(xiàn)有的電壓輸出模式控制方法在LY12鋁合金試樣表面制備陶瓷層用JSM - 6700F型掃描電鏡所得的表面形貌圖(放大倍數(shù)為500X )；
圖8是處理Idm2平整鎂合金和鋁合金峰值電流密度Ip與處理時(shí)間之間的關(guān)系圖； 圖9是處理Idm2平整鎂合金和鋁合金脈沖寬度Δ t與處理時(shí)間之間的關(guān)系圖； 圖10是處理Idm2平整鎂合金和鋁合金脈沖個(gè)數(shù)N與處理時(shí)間之間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式依據(jù)最大單脈沖功率決定最大單次微弧氧化處理面積，完成單脈沖最大功率輸出脈沖寬度決定電量利用效率等微弧氧化的技術(shù)原理及回路電流通量變換的電工學(xué)理論，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有微弧氧化處理技術(shù)中存在“高能耗、高成本和低效率”的問(wèn)題，提出一種峰值電流輸出模式的微弧氧化電參數(shù)控制方法，本發(fā)明的控制理論所基于的原理如圖1所示的等通量變換示意圖，圖中，Ip-峰值電流密度，Ia-平均電流，At-脈沖寬度(μ8)，N-單位通電時(shí)間內(nèi)發(fā)生的脈沖次數(shù)(脈數(shù));當(dāng)平均電流通量Ia相等時(shí)，可以通過(guò)減小脈數(shù)N或者減小脈沖寬度At，促使峰值電流Ip成比例地增長(zhǎng)，即=Ia=IpiX AtiXNi (i表示某一瞬時(shí)值)，進(jìn)而以Ui=IpRi模式拉升瞬時(shí)電壓Ui而滿足起弧的功率臨界值(IpUi)。，便可達(dá)到快速起弧的目的。其中，氏為某一時(shí)刻樣品電阻。本發(fā)明提供一種峰值電流輸出模式的微弧氧化電參數(shù)控制方法，通過(guò)獨(dú)立控制脈沖峰值電流密度Ip，脈沖寬度At和脈沖個(gè)數(shù)N，從而影響直流脈沖電源能量輸出模式，精確控制微弧氧化的工藝條件，其具體操作步驟為將經(jīng)過(guò)表面整理的鋁合金或鎂合金預(yù)處理件作為陽(yáng)極，不銹鋼作為陰極，分別與直流脈沖電源的輸出端口連接后，然后將預(yù)處理件浸入微弧氧化電解液中；在微弧氧化電源(型號(hào)MA0-15/1500)上設(shè)定好起始電參數(shù)脈沖峰值電流密度Ip1 (Ip1根據(jù)不同材料取不同的值，如果是鎂合金Ip1取400— 600A/dm2，如果是鋁合金Ip1取600— 800A/dm2)、脈沖寬度Δ Δ、根據(jù)材料選擇最小值，鎂合金10— 15 μ s，鋁合金20—30 μ S)、脈沖個(gè)取微弧氧化電源所允許的最小值500)，然后啟動(dòng)電源并持續(xù)時(shí)間t1;使預(yù)處理件表面能在、時(shí)間內(nèi)發(fā)生弧光放電現(xiàn)象，此時(shí)，預(yù)處理件表面形成陶瓷層，并且開始進(jìn)入生長(zhǎng)增厚階段；不切斷電源，然后根據(jù)電工學(xué)的等通量變換原理，在保證平均電流Ia輸出盡量小且能維持陶瓷層生長(zhǎng)的情況下，在Ip1的基礎(chǔ)上逐步降低Ip的值(對(duì)于鎂合金Ip的值不低于200 A/dm2，對(duì)于鋁合金Ip的值不低于200 A/dm2，如果Ip值過(guò)小，陶瓷層的生長(zhǎng)速度較慢)，并在Δ tl和N1的基礎(chǔ)上逐步增大Δ t和N的值(對(duì)于鎂合金At的值不高于100 μ s，N的值不高于2500，對(duì)于鋁合金Δ t的值不高于100 μ s， N的值不高于2500，如果脈寬、脈數(shù)過(guò)大形成的陶瓷層較粗糙)，來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷層的快速增厚， 進(jìn)而降低微弧氧化過(guò)程中的能量消耗，降低生產(chǎn)成本，提高處理效率，當(dāng)試樣表面的陶瓷層達(dá)到預(yù)定的厚度時(shí)，斷開電源結(jié)束微弧氧化處理，取出工件，并水洗、干燥即可。以處理Idm2平整試樣為例，具體微弧氧化電參數(shù)的取值要求如圖8、圖9和圖10 所示
如果處理的試樣為Idm2平整鎂合金，初始設(shè)定Ip1值為400A/dm2，維持時(shí)間30s，之后調(diào)節(jié)Ip值為300A/dm2，維持時(shí)間30s，再調(diào)節(jié)Ip值為200A/dm2，一直維持到處理結(jié)束；初始設(shè)定脈寬Δ、值為10 μ S，維持時(shí)間1分鐘，之后調(diào)節(jié)Δ t值為20 μ S，維持時(shí)間1. 5分鐘， 之后，每隔1分鐘調(diào)節(jié)一次At，每次增加10 μ S，直到At值調(diào)整到100 μ S，一直維持到處理結(jié)束；初始設(shè)定脈數(shù)N1為500，維持時(shí)間1. 5分鐘，再調(diào)節(jié)N為700，維持時(shí)間0. 5分鐘， 繼續(xù)調(diào)解N為1000，維持時(shí)間1分鐘，之后每隔1分鐘調(diào)節(jié)一次脈數(shù)N，每次增加500，直到 N調(diào)整到2500，一直維持到處理結(jié)束。如果處理的試樣為Idm2平整鋁合金，初始設(shè)定Ip1值為600A/dm2，維持時(shí)間30s，之后調(diào)節(jié)Ip值為400A/dm2，維持時(shí)間150 s,再調(diào)節(jié)Ip值為200A/dm2，一直維持到處理結(jié)束； 初始設(shè)定Δ tl為20 μ S，維持時(shí)間1分鐘，之后每隔2分鐘調(diào)節(jié)一次Δ t，每次增加10 μ S， 直到Δ t值調(diào)整到100 μ s，一直維持到處理結(jié)束；初始設(shè)定脈數(shù)N1為500，維持時(shí)間2分鐘， 再調(diào)節(jié)N為700，維持時(shí)間0. 5分鐘，繼續(xù)調(diào)節(jié)N為1000，維持時(shí)間1. 5分鐘，然后調(diào)節(jié)N為 1500，維持時(shí)間0. 5分鐘，之后調(diào)節(jié)N為2000，維持時(shí)間1. 5分鐘，最后調(diào)節(jié)N為2500，一直維持到處理結(jié)束。實(shí)施例1將面積為Idm2的AZ31鎂合金試樣分別采用400#，800#和1200#水砂紙由粗到細(xì)依次打磨，先后用自來(lái)水、蒸餾水和無(wú)水乙醇清洗后熱風(fēng)吹干；將經(jīng)過(guò)表面整理的鎂合金預(yù)處理件作為陽(yáng)極，不銹鋼作為陰極，分別與直流脈沖電源的輸出端口連接后，將鎂合金浸入硅酸鹽體系電解液中進(jìn)行微弧氧化處理，硅酸鹽體系電解液按重量與體積比，由硅酸鈉5g/L、氫氧化鉀llg/L和氟化鉀7g/L組成，溶劑為蒸餾水；先在微弧氧化電源(型號(hào)MA0-15/1500) 上設(shè)定好起始電參數(shù)IPl=400A /dm2, Δ L=IOusN1=SOO,然后啟動(dòng)電源并持續(xù)時(shí)間、=30、 通電20s后預(yù)處理件表面即出現(xiàn)均勻弧光放電現(xiàn)象，同時(shí)表面陶瓷層形成并開始進(jìn)入生長(zhǎng)增厚階段；不切斷電源，再依次設(shè)置如下參數(shù)控制微弧氧化處理過(guò)程以Ip2=300A / dm2, At2=IOus, N2=500施加電流，持續(xù)時(shí)間t2=30s，弧光均勻，并且陶瓷層持續(xù)增厚；以 Ip3=200A /dm2, At3=20us，N3=500施加電流，持續(xù)時(shí)間t3=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚； 以Ip4=200A/dm2，Δ t4=20us, N4=700施加電流，持續(xù)時(shí)間t4=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚；以Ip5=200A/dm2，Δ t5=20us, N5=IOOO施加電流，持續(xù)時(shí)間t5=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚；以Ip6=200A/dm2，Δ t6=30us, N6=IOOO施加電流，持續(xù)時(shí)間t6=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚；以Ip7=200A/dm2，Δ t7=30us, Ν7=1500施加電流，持續(xù)時(shí)間t7=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚；以Ip8=200A/dm2，At8=40us，N8=1500施加電流，持續(xù)時(shí)間t8=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚；以Ip9=200A/dm2，At9=40us，N9=2000施加電流，持續(xù)時(shí)間t9=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚；以Ip1Q=200A/dm2，At10=50us, N10=2000施加電流，持續(xù)時(shí)間t1(1=30s，弧光均勻，陶瓷層持續(xù)增厚；斷開電源，總處理時(shí)間為5min，在鎂合金表面制備了 8 12um的乳白色氧化鎂陶瓷層，非常均勻光滑。 根據(jù)
權(quán)利要求
1.一種峰值電流輸出模式下的微弧氧化電參量控制方法，其特征在于，其操作步驟為 將經(jīng)過(guò)表面整理的預(yù)處理件作為陽(yáng)極，不銹鋼作為陰極，分別與直流脈沖電源的輸出端口連接后，然后將預(yù)處理件浸入微弧氧化硅酸鹽體系電解液中；再在微弧氧化電源上設(shè)定好起始電參數(shù)，分別為脈沖峰值電流密度Ip1、脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)N1，然后啟動(dòng)電源并持續(xù)時(shí)間t1;保證預(yù)處理件表面在、內(nèi)發(fā)生弧光放電現(xiàn)象，同時(shí)表面的陶瓷層形成并開始進(jìn)入生長(zhǎng)增厚階段；不切斷電源，在保證平均電流Ia輸出盡量小且能維持陶瓷層生長(zhǎng)的情況下，在Ip1的基礎(chǔ)上逐步降低Ip的值，并在Δ、和N1的基礎(chǔ)上逐步增大At和N的值， 來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷層的快速增厚，當(dāng)試樣表面的陶瓷層達(dá)到預(yù)定的厚度時(shí)，斷開電源結(jié)束微弧氧化處理過(guò)程，取出工件，并水洗、干燥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述微弧氧化電參量控制方法，其特征在于所述預(yù)處理件為鎂合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述微弧氧化電參量控制方法，其特征在于所述1 1為400—600Α/ dm2, At1 為 10 —15 μ s，N1 為 500 ；Ip 的值不低于 200 A/dm2, △ t 的值不高于 IOOys, N 的值不高于2500。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述微弧氧化電參量控制方法，其特征在于所述硅酸鹽體系電解液按重量與體積比，由硅酸鈉5-8 g/L、氫氧化鉀10-15 g/L和氟化鉀5-10 g/L組成，溶劑為蒸餾水。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述微弧氧化電參量控制方法，其特征在于所述預(yù)處理件為鋁合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述微弧氧化電參量控制方法，其特征在于所述Ip1為600—800 A/dm2, Δ、為 20—30 μ s，N1 為 500 ；Ip 的值不低于 200 A/dm2, Δ t 的值不高于 100 μ s，N 的值不高于2500。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述微弧氧化電參量控制方法，其特征在于所述硅酸鹽體系電解液按重量與體積比，由硅酸鈉10-15g/L、氫氧化鉀2-5g/L和六偏磷酸鈉10-15g/L組成，溶劑為蒸餾水。
全文摘要
本發(fā)明提供一種峰值電流輸出模式下的微弧氧化電參量控制方法，其操作步驟為將預(yù)處理件作為陽(yáng)極，不銹鋼作為陰極，分別與直流脈沖電源的輸出端口連接浸入微弧氧化電解液中；設(shè)置起始電參數(shù)脈沖峰值電流密度Ip1、脈沖寬度Δt1和脈沖個(gè)數(shù)N1，持續(xù)時(shí)間t1，預(yù)處理件表面在t1內(nèi)發(fā)生弧光放電現(xiàn)象，同時(shí)表面的陶瓷層形成并開始進(jìn)入生長(zhǎng)增厚階段；不切斷電源，在保證平均電流Ia輸出盡量小且能維持陶瓷層生長(zhǎng)的情況下，在Ip1的基礎(chǔ)上逐步降低Ip的值，并在Δt1和N1的基礎(chǔ)上逐步增大Δt和N的值，實(shí)現(xiàn)陶瓷層的快速增厚，當(dāng)陶瓷層達(dá)到預(yù)定的厚度時(shí)，取出工件，水洗、干燥。其有益效果是，能夠降低熱損耗，獲得光滑均勻的陶瓷層。
文檔編號(hào)C25D11/04GK102212860SQ20111012861
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者李均明, 葛延峰, 蔣百靈, 高翔 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)