[发明专利]等离子体增强电化学表面陶瓷化能量控制方法

说明书

本发明涉及金属材料表面阳极氧化的方法，特别是涉及一种等离子体增强电化学表面陶瓷化能量控制方法。

金属及合金表面陶瓷化对进一步拓宽金属材料的使用范围，提高其性能，用廉价材料取代贵重材料，提高陶瓷材料的可加工性能，降低成本具有重要意义。

等离子体增强电化学表面陶瓷化是在普通阳极氧化技术的基础上，利用等离子体具有的高密度能量激活并增强在阳极上的电化学反应并对反应产物进行烧结，从而在阀金属表面获得具有良好性能的陶瓷化覆层的一种方法。

中国专利95114880.x给出了一种对阀金属及合金进行等离子体增强电化学表面陶瓷化的方法，该方法在固定组分的电解质溶液中，采用电压100-400V，电流密度0.5-20A/dm²的直流电源在阳极(工件)表面上制备陶瓷化覆层。但是，该专利方法在大规模工业化生产过程中存在以下几方面的问题：

1、采用纯直流电源，工艺过程中无功功耗过大，即装置的功率因数cosφ较低，仅为0.3-0.7。

2、由于采用可控硅整流，在源端(交流侧)极易产生高次谐波，对电网的污染严重。    

3、由于对能量的控制方式固定，使得陶瓷膜层烧结过程易出现“欠烧”，“过烧”及“烧蚀”现象。

“欠烧”即烧结能量不足，产生的陶瓷层结构蔬松，物相转变不彻底，品位低下，从而使其性能下降的一种现象。发生欠烧绝大部分是由于阻挡层生成后，随着陶瓷层的逐渐增厚，烧结能量已不足以使整个陶瓷膜层发生烧结相变而引起。避免欠烧最有效方法是在工艺过程中随着陶瓷层厚度逐渐增加适时地增加烧结能量。

“过烧”即烧结能量密度较高产生的陶瓷表面粗糙度增大，膜层脆性增大的现象。

“烧蚀”即烧结能量密度过高，使得陶瓷层产生液相烧结，导致基体熔化，使得在熔化区内能量密度过份集中而产生的破坏现象。

“过烧”及“烧蚀”均是由于烧结能量密度高于正常值所致，杜绝过烧和烧蚀的最佳手段是在整个工艺过程中严格控制烧结能量。

本发明的目的是克服现有技术的上述缺陷，提供一种无功功耗小(功率因数高)，对电网污染程度低，能量可控的适用于大规模工业生产中等离子增强电化学表面陶瓷化技术的控制方法。

本发明采用中国专利95114880.x中所述的相同的电解质溶液和相应的工艺条件，通过电能使在作为阳极的金属基体表面等离子弧光放电，进行电化学阳极氧化，形成具有陶瓷结构的膜层，采用三相桥式断续周波全控整流的方法，合理控制可控硅的导通角和单位时间内导通的周波数，使作用于工件表面微等离子体的能量(即烧结能量)得到合理的控制。

本发明的等离子体增强电化学表面陶瓷化的能量控制方法的具体工艺为：在电解质溶液中，通过电能使在作为阳极的金属基本表面等离子弧光放电，进行电化学阳极氧化，形成具有陶瓷结构的膜层，其中，所述的电解质溶液以六偏磷酸钠(10-50g/l)、硼酸及/或硼砂(5-20g/l)为主，还含有至少一种选自正磷酸钠、硫酸钠、硅酸钠、偏钒酸铵、偏钒酸钠、铬酸钠、钨酸钠、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铁、硫酸锰、硫酸铬的含氧酸盐，并可选择加入选自钙、锌、钴、镍的醋酸盐、氟硅酸、氟化钾、乙二胺四乙酸的添加剂，弧光放电电压为100-400V，电流密度为0.5-20A/dm²，电解质溶液温度为10-50℃，其特征在于采用三相桥式断续周波全控整流，控制可控硅的导通角和单位时间内导通的周波数，使作用于工件表面的微等离子体能量(即烧结能量)得到控制，所选用的导通周波数分别为37.5个/秒、75个/秒、150个/秒、300个/秒，且在整个工艺过程中根据烧结能量的不同控制范围对导通周波数进行选择和控制，可控硅的导通角为0-170°，并且通过可控硅的导通角和对所述四种导通周波数的合理切换控制等离子体的能量，使陶瓷层的烧结能量控制在50W/dm²·s-600W/dm²·s。

本发明的方法所用的电解质溶液及相应的其他工艺条件与中国专利95114880.x所述相同，本发明方法是在该专利的工艺基础上突出了对氧化工艺过程中的能量控制方法，避免了在烧结过程中出现的“欠烧”、“过烧”及“烧蚀”现象，在保证获得良好的陶瓷相结构膜层的同时，提高了设备工作过程的功率因数达0.6-0.9，减少了对网络的谐波污染。

下面分别叙述对不同工艺种类下陶瓷膜层烧结能量的具体控制。

1、瓷白色瓷膜制备过程中的能量控制