CN101709449A - 铝合金表面氧化处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金表面氧化处理装置及其方法，所述的装置包括真空炉、进气***、抽真空***、供电***、测温***、冷却***，真空炉内安装有工件平台和空心阴极辅助装置；工件平台包括支座、载物台、绝缘体，载物台与阳极电源连接；空心阴极辅助装置由两个同轴、直径不同且带有孔洞的大圆筒和小圆筒组成，分别与阴极电源连接。所述的方法主要是调节大圆筒与小圆筒之间的间距，使双层圆筒保持空心阴极放电。当真空炉内产生辉光放电后，电子在两圆筒阴极之间震荡并交替从两阴极鞘层获得能量，产生弧光放电即空心阴极放电产生高浓度、高活性的渗扩物质，通过小圆筒上分布的孔洞，在工件表面快速饱和并反应扩散，使工件得到高品质的强化层。

Description

铝合金表面氧化处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及一种表面氧化处理技术，特别是一种铝合金表面氧化处理装置及处理方法。

背景技术

铝和铝合金因重量轻、比强度高、易成型等优点，在汽车和航空工业中得到大量应用，但其耐磨性和抗点蚀性能较差。尽管铝及其合金本身熔点和硬度都很低，但铝的氧化物却有很高的熔点、硬度和化学、热学稳定性，可以用作多种材料的保护层，并已得到广泛的研究。为克服铝合金耐磨性和抗点蚀性能较差的缺点，扩大应用范围，延长使用寿命，通常对铝合金表面进行氧化以改善铝合金性能。氧化膜层具有较高的硬度和耐磨性、极强的附着能力、较强的吸附能力、良好的抗蚀性和电绝缘性及高的热绝缘性。由于这些特异的性能，使之在各方面都获得了广泛的应用。

传统的铝合金表面氧化工艺存在诸多缺点：如化学氧化和直流阳极氧化处理后的氧化膜存在质软、硬度低、耐磨性差、抗蚀性差和绝缘绝热性差等缺陷；微弧氧化表面存在大量的孔洞，氧化层表面有裂纹存在；传统等离子体氧化技术一般把工件作为阴极，氧化和溅射同时存在、同时进行的，造成表面打弧、体积效应等不利因素。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要一种铝合金表面氧化处理装置及处理方法，增强氧化效果、避免工件作为阴极所产生打弧和体积效应问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种铝合金表面氧化处理装置包括真空炉、进气***、抽真空***、供电***、测温***、冷却***，所述的进气***包括气瓶、稳压阀和进气口，进气口安装在真空炉顶部，通过稳压阀与气瓶相连；所述的供电***采用脉冲直流高压电源或直流溅射高压电源；所述的测温***为常用KS型-热电偶；所述的抽真空***包括真空泵及其管路，所述的真空泵通过管路与真空炉相连；所述的真空炉为离子扩渗设备，包括冷却观察室窗、炉壁、底座和炉门，所述的炉壁与阳极电源相连；所述的真空炉内安装有工件平台和空心阴极辅助装置；所述的工件平台包括支座、载物台、绝缘体，所述的绝缘体由中心平台和绝缘环组成、位于支座上，所述的支座位于真空炉底座上，所述的载物台位于绝缘体的中心平台上，用于放置工件，所述的载物台与阳极电源连接；所述的空心阴极辅助装置由两个直径不同且带有孔洞的大圆筒和小圆筒组成，所述的大圆筒和小圆筒构成同轴双层圆筒，位于绝缘体的绝缘环上，并通过绝缘环隔离，所述的小圆筒和大圆筒分别与阴极电源连接。

本发明所述的大圆筒和小圆筒由不锈钢制成，小圆筒的直径为300～350mm，大圆筒的直径为320～370mm，并保持大圆筒与小圆筒的间距为8～10mm，小圆筒的筒壁上平均分布直径为7～10mm的孔洞，孔洞边缘最小间距为8～10mm。

一种铝合金表面氧化处理方法包括以下步骤：

A、工件的清洗与装炉

用工业清洗剂清洗工件表面，然后进行装炉，将工件放置在载物台上，将载物台与阳极电源相连；

B、抽真空、起辉

启动真空泵抽气，同时启动冷却***，由进水口进水，通过出水口排水，期间通过冷却观察室窗的窗口观察水流是否通畅；当真空炉内真空度达到13.3～133Pa时，通过进气口充入净化过的氧气，氧气经过小圆筒的孔洞，均匀分布在整个真空炉内，使工件周围氧气浓度均衡；调节氧气的流量，使真空炉内的压强保持在133-1333Pa，打开电源，使真空炉内的氧气在高压电场的作用下发生电离，产生辉光放电效应；

C、升温阶段

其后续的操作随氧化工艺不同而变化，可向真空炉内连续通入氧气达到要求的低气压，范围50～1000Pa，并逐步调节电压、电流，控制氧化温度，通过流量计调节真空炉内气压；调节大圆筒与小圆筒之间的间距，接通大圆筒和小圆筒上的阴极电源，使双层圆筒保持空心阴极放电；期间可根据实际情况充入氩气，让氩气引起溅射，从而增加氧化放电强度，在工件表面形成氧化膜层；

D、保温阶段

根据工艺要求，在300-600℃的温度下，保温1-4h；

E、冷却阶段

将真空炉内抽成低真空，关掉电源；待工件随真空炉冷却到100℃时出炉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明将等离子体渗扩与真空气体渗扩的优点相结合，在铝试样基体与炉壁相连接，即把工件作为阳极进行表面改性处理。通过空心阴极辅助装置的放置，当真空炉内产生辉光放电后，电子在两圆筒阴极之间震荡并交替从两阴极鞘层获得能量，产生弧光放电即空心阴极放电产生高浓度、高活性的渗扩物质，通过小圆筒上分布的孔洞，在工件表面快速饱和并反应扩散，使工件得到高品质的强化层。工件加热通过空心阴极放电辅助完成，从而避免在表面放电而损伤工件，另外加热是通过辐射完成的，可在最大程度上保证温度的均匀性。

2、由于本发明的空心阴极放电产生大量的活性物质，其中O-起着重要的作用。O-既可以直接来自等离子体放电，也可以是吸附在金属表面的氧与电子反应生成。O-与工件表面带正电的Al3+相互反应，产生有金属和氧两者组成的“铝-氧”层，当初始“铝-氧”层形成以后，随着氧化时间的延长，铝表面继续氧化，表面氧化膜层变厚，形成致密的氧化层。

3、由于本发明利用双层圆筒来实现空心阴极放电，提高了氧化加工效率。

4、由于本发明将工件作为阳极，避免了传统工艺中以工件作为阴极所引起的表面打弧和体积效应等缺点，氧化膜层的完整保护性好。

5、由于本发明的工件作为阳极与O-离子反应更加迅速，氧化膜层的致密性，氧化膜的组织结构致密，可有效地阻碍腐蚀环境对金属的腐蚀。

附图说明

本发明共有附图1张，其中：

图1是铝合金表面氧化处理装置的结构示意图。

图中：1、大圆筒，2、小圆筒，3、载物台，4、阴极电源，5、绝缘体，6、工件，7、真空泵，8、进水口，9、阳极电源，10、进气口，11、冷却观察窗，12、出水口，13、炉壁，14、底座，15、炉门，16、支座，17、KS型-热电偶

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种铝合金表面氧化处理装置包括真空炉、进气***、抽真空***、供电***、测温***、冷却***，所述的进气***包括气瓶、稳压阀和进气口10，进气口10安装在真空炉顶部，通过稳压阀与气瓶相连；所述的供电***采用脉冲直流高压电源或直流溅射高压电源；所述的测温***为常用KS型-热电偶17；所述的抽真空***包括真空泵7及其管路，所述的真空泵7通过管路与真空炉相连；所述的真空炉为离子扩渗设备，包括冷却观察室窗11、炉壁13、底座14和炉门，所述的炉壁13与阳极电源9相连；所述的真空炉内安装有工件平台和空心阴极辅助装置；所述的工件平台包括支座16、载物台3、绝缘体5，所述的绝缘体5由中心平台和绝缘环组成、位于支座16上，所述的支座16位于真空炉底座14上，所述的载物台3位于绝缘体5的中心平台上，用于放置工件6，所述的载物台3与阳极电源9连接；所述的空心阴极辅助装置由两个直径不同且带有孔洞的大圆筒1和小圆筒2组成，所述的大圆筒1和小圆筒2构成同轴双层圆筒，位于绝缘体5的绝缘环上，并通过绝缘环隔离，所述的小圆筒2和大圆筒1分别与阴极电源4连接。所述的大圆筒1和小圆筒2由不锈钢制成，小圆筒2的直径为300～350mm，大圆筒1的直径为320～370mm，并保持大圆筒1与小圆筒2的间距为8～10mm，小圆筒2的筒壁上平均分布直径为7～10mm的孔洞，孔洞边缘最小间距为8～10mm。

一种铝合金表面氧化处理方法包括以下步骤：

A、工件6的清洗与装炉

用工业清洗剂清洗工件6表面，然后进行装炉，将工件6放置在载物台3上，将载物台3与阳极电源9相连；

B、抽真空、起辉

启动真空泵7抽气，同时启动冷却***，由进水口8进水，通过出水口12排水，期间通过冷却观察室窗11的窗口观察水流是否通畅；当真空炉内真空度达到13.3～133Pa时，通过进气口10充入净化过的氧气，氧气经过小圆筒2的孔洞，均匀分布在整个真空炉内，使工件6周围氧气浓度均衡；调节氧气的流量，使真空炉内的压强保持在133-1333Pa，打开电源，使真空炉内的氧气在高压电场的作用下发生电离，产生辉光放电效应；

C、升温阶段

其后续的操作随氧化工艺不同而变化，可向真空炉内连续通入氧气达到要求的低气压，范围50～1000Pa，并逐步调节电压、电流，控制氧化温度，通过流量计调节真空炉内气压；调节大圆筒1与小圆筒2之间的间距，接通大圆筒1和小圆筒2上的阴极电源4，使双层圆筒保持空心阴极放电；期间可根据实际情况充入氩气，让氩气引起溅射，从而增加氧化放电强度，在工件6表面形成氧化膜层；

D、保温阶段

根据工艺要求，在300-600℃的温度下，保温1-4h；

E、冷却阶段

将真空炉内抽成低真空，关掉电源；待工件6随真空炉冷却到100℃时出炉。

Claims (3)

1.一种铝合金表面氧化处理装置包括真空炉、进气***、抽真空***、供电***、测温***、冷却***，所述的进气***包括气瓶、稳压阀和进气口(10)，进气口(10)安装在真空炉顶部，通过稳压阀与气瓶相连；所述的供电***采用脉冲直流高压电源或直流溅射高压电源；所述的测温***为常用KS型-热电偶(17)；所述的抽真空***包括真空泵(7)及其管路，所述的真空泵(7)通过管路与真空炉相连；其特征在于：所述的真空炉为离子扩渗设备，包括冷却观察室窗(11)、炉壁(13)、底座(14)和炉门，所述的炉壁(13)与阳极电源(9)相连；所述的真空炉内安装有工件平台和空心阴极辅助装置；所述的工件平台包括支座(16)、载物台(3)、绝缘体(5)，所述的绝缘体(5)由中心平台和绝缘环组成、位于支座(16)上，所述的支座(16)位于真空炉底座(14)上，所述的载物台(3)位于绝缘体(5)的中心平台上，用于放置工件(6)，所述的载物台(3)与阳极电源(9)连接；所述的空心阴极辅助装置由两个直径不同且带有孔洞的大圆筒(1)和小圆筒(2)组成，所述的大圆筒(1)和小圆筒(2)构成同轴双层圆筒，位于绝缘体(5)的绝缘环上，并通过绝缘环隔离，所述的小圆筒(2)和大圆筒(1)分别与阴极电源(4)连接。

2.根据权利要求1所述的铝合金表面氧化处理装置，其特征在于：所述的大圆筒(1)和小圆筒(2)由不锈钢制成，小圆筒(2)的直径为300～350mm，大圆筒(1)的直径为320～370mm，并保持大圆筒(1)与小圆筒(2)的间距为8～10mm，小圆筒(2)的筒壁上平均分布直径为7～10mm的孔洞，孔洞边缘最小间距为8～10mm。

3.一种铝合金表面氧化处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、工件(6)的清洗与装炉

用工业清洗剂清洗工件(6)表面，然后进行装炉，将工件(6)放置在载物台(3)上，将载物台(3)与阳极电源(9)相连；

B、抽真空、起辉

启动真空泵(7)抽气，同时启动冷却***，由进水口(8)进水，通过出水口(12)排水，期间通过冷却观察室窗(11)的窗口观察水流是否通畅；当真空炉内真空度达到13.3～133Pa时，通过进气口(10)充入净化过的氧气，氧气经过小圆筒(2)的孔洞，均匀分布在整个真空炉内，使工件(6)周围氧气浓度均衡；调节氧气的流量，使真空炉内的压强保持在133-1333Pa，打开电源，使真空炉内的氧气在高压电场的作用下发生电离，产生辉光放电效应；

C、升温阶段

其后续的操作随氧化工艺不同而变化，可向真空炉内连续通入氧气达到要求的低气压，范围50～1000Pa，并逐步调节电压、电流，控制氧化温度，通过流量计调节真空炉内气压；调节大圆筒(1)与小圆筒(2)之间的间距，接通大圆筒(1)和小圆筒(2)上的阴极电源(4)，使双层圆筒保持空心阴极放电；期间可根据实际情况充入氩气，让氩气引起溅射，从而增加氧化放电强度，在工件(6)表面形成氧化膜层；

D、保温阶段

根据工艺要求，在300-600℃的温度下，保温1-4h；

E、冷却阶段

将真空炉内抽成低真空，关掉电源；待工件(6)随真空炉冷却到100℃时出炉。

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