專利名稱：輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，可使用在汽車工業(yè)、航天工業(yè)、船舶工業(yè)、光電科技工業(yè)、微機電工業(yè)、信息工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、骨科移植、衛(wèi)星通訊工業(yè)的耐腐蝕、耐磨耗、耐高溫、耐高電壓、鍍膜硬度、鍍膜厚度、毛邊去除、尺寸精密度、金屬疲勞強度、鍍膜附著性等場合，屬于陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)陶瓷噴涂技術(shù)主要為陶瓷粉末等離子噴涂和陶瓷棒材熱噴涂技術(shù)，這兩項技術(shù)的主要原理都是采用將高溫熱熔解的陶瓷材料覆在基體材料上的方法，通過高溫將陶瓷棒材或陶瓷粉料熱融解，再經(jīng)由壓縮空氣將融解后的液相陶瓷送至基材上，液相陶瓷體冷卻硬化，從而被覆在基材上形成陶瓷涂層，由于此陶瓷層是外加涂層，因此涂層與基體材料的結(jié)合強度不是太好，容易在使用過程中產(chǎn)生涂層剝落現(xiàn)象，而且由于受限于噴涂過程中的熱融解工藝，涂層表面光潔度較差，往往需要進行大強度的研磨加工來達到光潔度要求，但由于結(jié)合強度較差，因此在加工過程中因為表面壓應(yīng)力的作用，表面陶瓷涂層容易剝落；結(jié)合強度較好的硬質(zhì)陽極氧化層如硬鉻層由于硬度較低，在耐磨壽命上受到較大的限制，而且在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生比較嚴重的重金屬離子環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種提升耐磨性能及陶瓷層結(jié)合強度高的輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，用電解的方法使氧化膜層在基材表面生長，其電解液由以下重量配比的原料制成堿性鹽溶液 5～10％Na2O24～6％
NaF 0.5～1％CH3COONa2～3％Na3VO31～3％H2O 80～87％所述的堿性鹽溶液可以為硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等；所述的溶液pH為11～13，溫度為20～50℃；所述的陰極材料為不銹鋼板。
一種輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，其電解方式為(1)將輕金屬基工件除油，洗凈；(2)按重量配比調(diào)制電解液；(3)將電壓迅速上升至250-350V，并保持5～10s；(4)然后將陽極氧化電壓上升至200-600V，溫度為10～90℃；(5)將輕金屬基工件放在電解液中電解10-60min。
一種用于輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝的微弧氧化設(shè)備，其特征在于，由外電解筒、內(nèi)電解筒、循環(huán)冷卻水出口、管道、控制電源、循環(huán)冷卻水進口組成，內(nèi)電解筒置于外電解筒里，在外電解筒和內(nèi)電解筒之間置有循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水出口設(shè)于外電解筒的上端，循環(huán)冷卻水進口設(shè)于外電解筒的下端，通有壓縮空氣的管道設(shè)于內(nèi)電解筒里，控制電源設(shè)于外電解筒一邊的上方，與輕金屬基工件連接。
本發(fā)明是根據(jù)陶瓷制作的原理來進行，首先在金屬基體上生成氧化膜無機材料層，由于此氧化膜層的微觀結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定型，因此需要通過高溫煅燒將不穩(wěn)定的晶型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的晶型結(jié)構(gòu)，從而具備無機材料的良好性能。本發(fā)明根據(jù)化學(xué)原理促進基材表面氧化反應(yīng)，生成氧化膜層，即，再利用電弧放電原理，在一定電流密度下，致使在工件表面出現(xiàn)電暈、輝光、微弧放電，甚至火花斑，由此產(chǎn)生的瞬間高溫將不穩(wěn)定的氧化膜層煅燒生成穩(wěn)定的氧化膜層，由于此氧化膜層并非外加，而是在基材表面生長，因此陶瓷膜層與基材之間的結(jié)合力非常好。
本發(fā)明經(jīng)過微等離子體氧化處理后，表面性能除了具有良好的整體韌性、耐腐蝕性、耐磨性外，還具有功能陶瓷的一些特性，如磁電屏蔽能力、特殊的熱導(dǎo)性、抗積碳特性及良好的絕緣性等。
本發(fā)明的優(yōu)點是1)生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生環(huán)境污染，沒有重金屬或粉塵產(chǎn)生；2)生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)的陶瓷涂層技術(shù)低一半以上；3)陶瓷層結(jié)合強度高，避免傳統(tǒng)陶瓷涂層所出現(xiàn)的剝落現(xiàn)象；4)陶瓷層物理化學(xué)性能好；5)陶瓷層有一定的空隙度，作為發(fā)動機缸套可以起到儲油的效果，作為生物醫(yī)學(xué)來說，可以有效的作為負載材料，用于結(jié)合生物生長。
6)工藝穩(wěn)定、可靠。
7)設(shè)備簡單，反應(yīng)在常溫下進行，操作方便，易于掌握。


圖1為用于輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝的微弧氧化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例如圖1所示，為用于輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝的微弧氧化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，所述的用于輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝的微弧氧化設(shè)備，其特征在于，由外電解筒1、內(nèi)電解筒2、循環(huán)冷卻水出口3、管道4、控制電源5、循環(huán)冷卻水進口6組成，內(nèi)電解筒2裝在外電解筒1里，在外電解筒1和內(nèi)電解筒2之間通有循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水出口3設(shè)于外電解筒1的上端，循環(huán)冷卻水進口6設(shè)于外電解筒1的下端，通有壓縮空氣的管道4安置在內(nèi)電解筒2里，控制電源5設(shè)于外電解筒1一邊的上方，與輕金屬基工件7連接，內(nèi)電解筒2里放入電解液，電解液由以下重量配比的原料制成堿性鹽溶液選K2SiO37份、Na2O25份、NaF0.7份、CH3COONa 2.3份、Na3VO32份、H2O 83份，所述的溶液pH為11～13，溫度為50℃；所述的陰極材料為不銹鋼板。
輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，其電解方式為將輕金屬基工件除油，洗凈；按重量配比調(diào)制電解液；將電壓迅速上升至300V，并保持7s；然后將陽極氧化電壓上升至450V，溫度為50℃；將輕金屬基工件放在電解液中電解45min。
微弧氧化電解液是獲到合格膜層的技術(shù)關(guān)鍵。不同的電解液成分及氧化工藝參數(shù)，所得膜層的性質(zhì)也不同。微弧氧化電解液多采用含有一定金屬或非金屬氧化物堿性鹽溶液，可以是硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等，其在溶液中的存在形式最好是膠體狀態(tài)，溶液的pH范圍一般在11～13之間。在相同的微弧電解電壓下，電解質(zhì)濃度越大，成膜速度就越快，溶液溫度上升越慢，反之，成膜速度較慢，溶液溫度上升較快。
微弧氧化電壓和電流密度的控制對獲取合格膜層同樣至關(guān)重要。不同的鋁基材料和不同的氧化電解液，具有不同的微弧放電擊穿電壓，擊穿電壓為工件表面剛剛產(chǎn)生微弧放電的電解電壓，微弧氧化電壓一般控制在大于擊穿電壓幾十至上百伏的條件進行。氧化電壓不同，所形成的陶瓷膜性能、表面狀態(tài)和膜厚不同，根據(jù)對膜層性能的要求和不同的工藝條件，微弧氧化電壓可在200～600V范圍內(nèi)變化。微弧氧化可采用控制電壓法或控制電流法進行，控制電壓進行微弧氧化時，電壓值一般分段控制，即先在一定的陽極電壓下使鋁基表面形成一定厚度的絕緣氧化膜層；然后增加電壓至一定值進行微弧氧化。當微弧氧化電壓剛剛達到控制值時，通過的氧化電流一般都較大，可達10A/dm2左右，隨著氧化時間的延長，陶瓷氧化膜不斷形成與完善，氧化電流逐漸減小，最后小于1A/dm2。氧化電壓的波形對膜層性能有一定影響，可采用直流、鋸齒或方波等電壓波形。采用控制電流法較控制電壓法工藝操作上更為方便，控制電流法的電流密度一般為2～8A/dm2?？刂齐娏餮趸瘯r，氧化電壓開始上升較快，達到微弧放電時，電壓上升緩慢，隨著膜的形成，氧化電壓又較快上升，最后維持在一較高的電解電壓下。
微弧氧化電解液的溫度允許范圍較寬，可在10～90℃條件下進行。溫度越高，工件與溶液界面的水氣化越厲害，膜的形成速度越快，但其粗糙度也隨之增加。同時溫度越高，電解液蒸發(fā)也越快，所以微弧氧化電解液的溫度一般控制在20～60℃范圍。由于微弧氧化的大部分能量以熱能的形式釋放，其氧化液的溫度上升較常規(guī)鋁陽極氧化快，故微弧氧化過程須配備容量較大的熱交換制冷系統(tǒng)以控制槽液溫度。雖然微弧氧化過程工件表面有大量氣體析出，對電解液有一定的攪拌作用，但為保證氧化溫度和體系組分的均一，一般都配備機械裝置或壓縮空氣對電解液進行攪拌。
微弧氧化時間一般控制在10～60min。氧化時間越長，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。
微弧氧化的陰極材料采用不溶性金屬材料。由于微弧氧化電解液多為堿性液，故陰極材料可采用碳鋼，不銹鋼或鎳。其方式可采用懸掛或以上述材料制作的電解槽作為陰極。
鋁基工件經(jīng)微弧氧化后可不經(jīng)后處理直接使用，也可對氧化后的膜層進行封閉，電泳涂漆，機械拋光等后處理，以進一步提高膜的性能。
微弧氧化電源設(shè)備是一種高壓大電流輸出的特殊電源設(shè)備，輸出電壓范圍一般為0～600V；輸出電流的容量視加工工件的表面積而定，一般要求6～10A/dm2。電源要設(shè)置恒電壓和恒電流控制裝置，輸出波形視工藝條件可為直流、方波、鋸齒波等波形。由于微弧氧化過程中工件表面具有較高的氧化電壓并通過較大的電解電流，使產(chǎn)生的熱量大部分集中于膜層界面處，而影響所形成膜層的質(zhì)量，因此微弧氧化必須使用配套的熱交換制冷設(shè)備，使電解液及時冷卻，保證微弧氧化在設(shè)置的溫度范圍內(nèi)進行?？蓪㈦娊庖翰捎醚h(huán)對流冷卻的方式進行，既能控制溶液溫度，又達到了攪拌電解液的目的。
輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層性能

權(quán)利要求
1.一種輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，用電解的方法使氧化膜層在基材表面生長，其電解液由以下重量配比的原料制成堿性鹽溶液 5～10％Na2O24～6％NaF 0.5～1％CH3COONa2～3％Na3VO31～3％H2O 80～87％
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，所述的堿性鹽溶液可以為硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，所述的溶液pH為11～13，溫度為20～50℃；所述的陰極材料為不銹鋼板。
4.一種輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，其電解方式為(1)將輕金屬基工件除油，洗凈；(2)按重量配比調(diào)制電解液；(3)將電壓迅速上升至250-350V，并保持5～10s；(4)然后將陽極氧化電壓上升至200-600V，溫度為10～90℃；(4)將輕金屬基工件放在電解液中電解10-60min。
5.一種用于輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝的微弧氧化設(shè)備，其特征在于，由外電解筒(1)、內(nèi)電解筒(2)、循環(huán)冷卻水出口(3)、管道(4)、控制電源(5)、循環(huán)冷卻水進口(6)組成，內(nèi)電解筒(2)置于外電解筒(1)里，在外電解筒(1)和內(nèi)電解筒(2)之間置有循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水出口(3)設(shè)于外電解筒(1)的上端，循環(huán)冷卻水進口(6)設(shè)于外電解筒(1)的下端，通有壓縮空氣的管道(4)設(shè)于內(nèi)電解筒(2)里，控制電源(5)設(shè)于外電解筒(1)一邊的上方，與輕金屬基工件(7)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及的技術(shù)方案是提供一種輕金屬表面微等離子體陶瓷涂層工藝，其特征在于，用電解的方法使氧化膜層在基材表面生長，其電解液由以下重量配比的原料制成堿性鹽溶液5～10％、Na
文檔編號C04B37/02GK1785912SQ200410089190
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者李廣仁, 李戈, 張萬林, 王俊, 唐源生, 戴端木 申請人:上海施邁爾精密陶瓷有限公司