一种镁合金批量微弧氧化和/或电沉积表面处理装置及方法与流程

本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及一种镁合金批量微弧氧化和/或电沉积表面处理装置和方法。

背景技术：

微弧氧化技术是在mg、al、ti等阀金属及其合金表面原位生长氧化物陶瓷膜的新技术。微弧氧化技术不受试样几何形状的影响，可处理形状复杂的样品；膜层在样品表面原位生长，与基体有较高的结合强度；膜层具有较好的耐磨、耐腐蚀等性能特点；该膜层能提高镁合金表面的耐腐蚀性能。

镁合金作为医用骨科固定材料具有诸多的优势，它的弹性模量与人骨非常接近，能有效避免应力遮挡效应；镁是人体所需的微量元素，镁合金固定材料在人体中降解后，会被吸收和排出，避免二次手术取出植入物。镁合金在人体中的降解速率较快，通过微弧氧化处理，改善表面耐腐蚀性能和表面的力学性能，达到医用植入材料的要求。目前，实验室处理小尺寸、数量多的镁合金样品，效率低下，耗费时间。

电沉积工艺简单，操作方便，在镁合金表面制备涂层，能延缓基体腐蚀。通过电沉积技术，在镁合金骨植入器件表面制备ca-p盐涂层，提高材料表面的生物相容性，促进骨的修复。目前，制备工艺不成熟，处理效率低下。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种镁合金批量微弧氧化和/或电沉积表面处理装置和方法，其既适用于微弧氧化，又适用于电沉积，能有效解决现有微弧氧化和电沉积处理效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种镁合金批量微弧氧化和/或电沉积的表面处理装置，其包括电装置、控温槽以及置于控温槽内的反应槽；所述控温槽内均匀间隔设置有若干加热棒，且加热棒沿反应槽的外圆周均匀排布，反应槽内设置有搅拌装置；

所述电装置包括绝缘支撑板和排布电路，所述排布电路由电源连接线、环形导线和若干样品连接线构成，电源连接线一端与环形导线相连接，电源连接线另一端连接电源；样品连接线沿环形导线的圆周均匀、间隔排列，且样品连接线的上端与环形导线垂直连接，所述绝缘支撑板位于环形导线下方，且绝缘支撑板上对应于样品连接线的位置处开设有相应的孔，样品连接线向下穿过绝缘支撑板并伸出绝缘支撑板外，样品连接线的末端用以连接待处理的镁合金样品；绝缘支撑板的中心位置处设有柱状电极，柱状电极的上端伸出绝缘支撑板外并连接电源，柱状电极下端的延伸方向与样品连接线相同且与样品连接线相平行，柱状电极的轴向中心线与环形导线的中心线相重合；

微弧氧化处理时，所述柱状电极为不锈钢圆柱，柱状电极连接电源负极，电源连接线与电源正极相连；

电沉积处理时，所述柱状电极为柱状石墨电极，柱状电极连接电源正极，电源连接线与电源负极相连。

具体的，所述样品连接线的数量为1－50个（如数量可以为2个、3个、4个、5个、6个、8个、10个、12个、16个、20个或30个等）；且每个样品连接线到不锈钢圆柱或柱状石墨电极表面的水平距离均相等，间距范围在3cm－20cm。

样品连接线沿环形导线的圆周均匀、间隔排列，且与环形导线垂直连接；不锈钢圆柱和柱状石墨电极的轴向中心线与环形导线的中心线相重合，这样可以使待处理样品等间距、环形排布在不锈钢圆柱/柱状石墨电极的周围，每个待处理样品与不锈钢圆柱/柱状石墨电极表面的距离均相等，样品与不锈钢圆柱、石墨电极表面的间距范围为3cm－20cm。

具体的，相邻两个样品连接线的间距范围为1cm－16cm。用于连接样品的样品连接线有多个，若干样品连接线相互平行且等间距、环形排布，通过增加或减少样品连接线的数量，可增加或减少单次微弧氧化/电沉积处理的样品数。环形排布的样品间距范围为1cm－16cm。

具体的，可使用一定规格的镁棒作为样品连接线。镁棒表面不需要进行绝缘处理，使用较为便捷。

所述的搅拌装置为磁力搅拌装置。如可以将磁力转子放置于反应槽底部进行磁力搅拌。微弧氧化和电沉积处理液通过磁力转动转子进行搅拌，由于处理液的量较大，需要提供搅拌能力较强的磁力搅拌器。

在本发明中，通过恒温水浴对处理液进行保温，具体的，可通过控温槽中的水对微弧氧化处理液和电沉积处理液的温度进行调控。微弧氧化处理在室温（25℃±5℃）下进行，不需要额外加热控温槽内的水。电沉积处理温度在60℃－90℃进行，因此，电沉积处理时需将控温槽内的水加热至60℃－90℃。

使用上述装置进行镁合金批量微弧氧化的表面处理方法，其包括以下步骤：

（1）将待处理的镁合金样品表面进行预处理；

（2）配置微弧氧化处理液，混合均匀，加入到反应槽中；

（3）将待处理的镁合金样品与装置连接好；

（4）设定电源相关参数，试样接通电源，进行微弧氧化表面处理；

（5）处理结束后，取出镁合金样品，用去离子水清洗，干燥即得。

具体的，上述步骤（2）的反应槽中微弧氧化处理液加入量为反应槽容积的70%－90%。微弧氧化处理可以对电压、频率和占空比进行调节，其中电压调节范围为0v到700v，频率调节范围为20hz到2000hz，占空比调节范围为0到100%。优选的，步骤（4）中所述电源相关参数为：电压范围为200v－400v，占空比为5%－20%，频率为500hz－1000hz；微弧氧化处理在室温下进行，处理时间为10min－30min。微弧氧化处理液的成分为磷酸钠54g/l、氢氧化钠2g/l和甘油6ml/l，使用之前需要充分搅拌混匀。

另外，使用上述装置进行镁合金批量电沉积的表面处理方法，其包括以下步骤：

（1）将待处理的镁合金样品表面进行预处理；

（2）配置电沉积处理液，混合均匀，加入到反应槽中；

（3）将待处理的镁合金样品与装置连接好；

（4）控温槽中加入自来水，并调节控温槽内水温为60℃－90℃；

（5）设定电源相关参数，试样接通电源，进行电沉积表面处理；

（6）处理结束后，取出镁合金样品，用去离子水清洗，干燥即得。

具体的，上述步骤（2）的反应槽中电沉积处理液加入量为反应槽容积的70%－90%。电沉积过程主要对电流进行调节，优选的步骤（5）中所述电源相关参数：电流密度为0.1ma/cm²－20ma/cm²；电沉积处理温度为60℃－90℃，处理时间为10min－50min。电沉积处理液的成分为硝酸钙2.48g/l，硝酸钠8.5g/l，磷酸二氢铵0.72g/l，双氧水10ml/l。

此外，使用上述装置进行镁合金批量微弧氧化和电沉积的表面处理方法，其包括以下步骤：

（1）将待处理的镁合金样品表面进行预处理；

（2）配置微弧氧化处理液，混合均匀，加入到反应槽中；

（3）将待处理的镁合金样品与装置连接好；

（4）设定电源相关参数，试样接通电源，进行微弧氧化表面处理；

（5）处理结束后，取出镁合金样品，用去离子水清洗，干燥；同时将反应槽内的微弧氧化处理液倒出并清洗反应槽，配置电沉积处理液，混合均匀后加入到反应槽中；

（6）将步骤（5）微弧氧化处理过的镁合金样品与装置连接好；控温槽中加入自来水，并调节控温槽内水温为60℃－90℃；

（7）设定电源相关参数，试样接通电源，进行电沉积表面处理；

（8）处理结束后，取出镁合金样品，用去离子水清洗，干燥即得。

具体的，上述步骤（4）中所述电源相关参数为：电压范围为200v－400v，占空比为5%－20%，频率为500hz－1000hz；微弧氧化处理在室温下进行，处理时间为10min－30min；步骤（7）中所述电源相关参数：电流密度为0.1ma/cm²－20ma/cm²；电沉积处理温度为60℃－90℃，处理时间为10min－50min。

待处理的镁合金样品上设有一定规格的孔，用于连接样品连接线。

与现有技术相比，本发明提供的镁合金批量微弧氧化和/或电沉积表面处理装置及方法，由于单次可处理多个样品，大大提高了效率，节约了时间。此外，本发明装置设计合理，每个样品所处的物理环境一致，同批次样品的微弧氧化涂层/电沉积复合涂层效果较为一致，且每个样品表面微弧氧化涂层/电沉积复合涂层比较均匀，其耐腐蚀性能较镁基体大为提高。

附图说明

图1为本发明提供的镁合金批量微弧氧化和/或电沉积表面处理装置的结构示意图；

图2为图1中电装置的俯视图；

附图标记说明：1—第一电源连接线；2—环形导线；3—样品连接线；4—镁合金样品；5—处理液；6—反应槽；7—控温水；8—控温槽；9—转子；10—柱状电极；11—第二电源连接线；12—绝缘支撑板；

图3为批量制备微弧氧化涂层的表面形貌；

图4为批量制备微弧氧化涂层的截面形貌；

图5为批量制备微弧氧化/电沉积复合涂层表面形貌；

图6为批量制备微弧氧化/电沉积复合涂层截面形貌；

图7为涂层样品与基体的极化曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例

如图1和2所示，一种镁合金批量微弧氧化和/或电沉积表面处理装置，其包括电装置、控温槽8以及置于控温槽8内的反应槽6，所述控温槽8内均匀间隔设置有若干加热棒（图中未画出），且加热棒沿反应槽6的外圆周均匀排布，所述反应槽6内设置有转子9；

所述电装置包括绝缘支撑板12和排布电路，所述排布电路由第一电源连接线1、环形导线2和八根样品连接线3构成，第一电源连接线1一端与环形导线2相连接，第一电源连接线1另一端连接电源；样品连接线3沿环形导线2的圆周均匀、间隔排列，且样品连接线3的上端与环形导线2垂直连接，所述绝缘支撑板12位于环形导线2下方，且绝缘支撑板12上对应于样品连接线3的位置处开设有相应的孔，样品连接线3向下穿过绝缘支撑板12并伸出绝缘支撑板12外，样品连接线3的末端用以连接待处理的镁合金样品4；绝缘支撑板12的中心位置处设有柱状电极10，柱状电极10的上端伸出绝缘支撑板12外并通过第二电源连接线11连接电源，柱状电极12下端的延伸方向与样品连接线3相同且与样品连接线3相平行，柱状电极10的轴向中心线与环形导线2的中心线相重合；

微弧氧化处理时，所述柱状电极10为不锈钢圆柱，柱状电极10连接电源负极，第一电源连接线1与电源正极相连；

电沉积处理时，所述柱状电极10为柱状石墨电极，柱状电极10连接电源正极，第一电源连接线1与电源负极相连。

所述样品连接线3的数量为8个；且每个样品连接线3与柱状电极10表面的水平距离均相等，间距为6cm。环形排布的相邻两个样品连接线的间距范围为5cm。样品连接线相互平行且等间距、环形排布，通过增加或减少样品连接线的数量，可增加或减少单次微弧氧化/电沉积处理的样品数。使用一定规格的镁棒作为连接样品线。微弧氧化处理在室温（25℃±5℃）下进行，不需要额外加热控温槽内的控温水7，反应槽6内放置的处理液5为微弧氧化处理液。电沉积处理温度在60℃－90℃进行，反应槽6内放置的处理液5为电沉积处理液，电沉积处理时需将控温槽内的控温水7加热至60℃－90℃。

本发明提供的批量微弧氧化/电沉积表面处理装置，结构简单，方便使用，较大提高了微弧氧化和电沉积的处理效率，且更换样品方便，快捷。

一种利用上述装置进行镁合金批量微弧氧化和电沉积表面处理的方法，其包括以下步骤：

第一步，将待处理镁合金样品表面进行预处理：

待处理样品表面预处理是十分必要的，表面预处理会提高最终膜层的效果。预处理过程包括：把镁合金样品放在无水乙醇和丙酮中，超声震荡，去除表面油污及其它杂物；配置电解抛光也，对待处理样品表面电解抛光，用无水乙醇清洗抛光后的样品，取出样品，干燥待用。

第二步，按配方配置微弧氧化处理液，搅拌混合均匀，并加入到反应槽中；

电解液成分会直接影响膜层质量。根据膜层需要，现在主要的处理液体系包括硅酸盐体系、磷酸盐体系和铝酸盐体系。反应槽中微弧氧化处理液加入量为反应槽容积的70%－90%。本发明提供的批量微弧氧化方法中使用的处理液为磷酸盐体系，其成分为：磷酸钠54g/l、氢氧化钠2g/l和甘油6ml/l。氢氧化钠用于调节ph，甘油用于减弱尖端放电现象。使用之前需要充分搅拌混匀。

第三步，将待处理的镁合金样品与装置连接好；

第四步，设定电源相关参数，接通电源，进行微弧氧化表面处理；微弧氧化处理温度为室温（约25℃），处理20min后，取出镁合金样品，用去离子水清洗，干燥。所得样品的形貌见图3和4，图3表面形貌图显示：微弧氧化在镁合金表面形成微孔结构，微孔分布均匀，微孔尺寸差较小，表面粗糙度低；图4截面形貌显示，微弧氧化涂层厚度分布均匀、较为一致，微弧氧化涂层的平均厚度为13.3μm。

电源参数是影响微弧氧化膜层效果的重要因素。本发明提供的微弧氧化方法中的电源相关参数可以为：电压在200v到310v之间调整；频率在500hz到1000hz之间调整；占空比在5%到20%之间调整。针对本发明提供的批量微弧氧化处理装置，通过实验得到的上述电参数为处理效果理想的优选电参数。在微弧氧化开始阶段，电压从一定的值开始往上升，通过电压阶跃的方式到达处理电压值，该方式方便操作，且保护电源，获得的膜层也更加致密。

第五步，同时将反应槽内的微弧氧化处理液倒出并清洗反应槽，配置电沉积处理液，混合均匀后加入到反应槽中；按如下顺序配置电沉积处理液，硝酸钙2.48g/l，硝酸钠8.5g/l，磷酸二氢铵0.72g/l，双氧水10ml/l，混合搅拌均匀。

第六步，将微弧氧化处理过的镁合金样品与装置（此时，装置中的不锈钢圆柱需更换为柱状石墨电极）再次连接好；控温槽中加入自来水，并调节控温槽内水温在80℃左右。

第七步，设定电源相关参数，试样接通电源，进行电沉积表面处理；在微弧氧化涂层基础上，使用电沉积对微弧氧化表面微孔进行封孔处理。电流密度为5ma/cm²，根据样品表面积，计算出电沉积所用的电流，设置好电源相关参数，电源正极连接柱状石墨电极，电源负极连接镁合金样品。处理温度保持80℃，处理时间为20min。

第八步，处理结束后，取出镁合金样品，用去离子水清洗，干燥即得。最后所得样品的形貌见图5和6。图5中可以看出电沉积处理后，微弧氧化表面的微孔均已被ca-p盐覆盖，涂层完整且呈现出较好的均匀性。图6是微弧氧化/电沉积处理后复合涂层的截面形貌图，可以看出：复合涂层厚度分布较为均匀一致，涂层平均厚度为19.1µm。图7给出了镁合金基体、微弧氧化涂层、微弧氧化/电沉积复合涂层样品的极化曲线图，图中可以看出：通过批量微弧氧化制备出的样品，与基体相比，其腐蚀电位升高，腐蚀电流密度降低一个数量级；批量微弧氧化处理后的样品，再通过电沉积在表面制备ca-p盐复合涂层，腐蚀电位较基体进一步升高，腐蚀电流密度降低两个数量级。

与现有技术相比，本发明提供的镁合金批量微弧氧化/电沉积表面处理装置和方法，由于单次可处理多个镁合金样品，较大地提高了效率，节约了时间。此外，该装置设计合理，方便操作，每个样品所处的物理环境一致，同批次样品的微弧氧化涂层/电沉积涂层效果较为一致，且每个样品表面微弧氧化/电沉积涂层比较均匀，其耐腐蚀性能与镁基体相比有较大的提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于该领域的技术人员来说，可以根据上述说明加以改进和变换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。