Электролит микродугового оксидирования алюминия и его сплавов

 

Изобретение относится к электрохимической обработке алюминия и его сплавов и может быть использовано в различных областях машиностроения, приборостроения, авиационной и космической технике. Электролит микродугового оксидирования алюминия и его сплавов сожержит, г/л: гидроокись щелочного металла 1 - 10; ультрадисперсный химически модифицированный кремнезем - аэросил-амино 5 - 10 и дисперсную фазу порошка окисла, карбида, нитрида или борида металлов. 1 табл.

Изобретение относится к электрохимической обработке алюминия и его сплавов и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, приборостроения, авиационной и космической технике.

Известен электролит для нанесения керамических покрытий на сплавы алюминия в искровом разряде, содержащий фосфорномолибденовокислый натрий и воду [1] Известен также электролит для нанесения керамических покрытий, содержащий силикат и гидроксид щелочного металла и катализатор [2] Как в первом, так и во втором случаях получаются тонкие (5-30 мкм) непрочные покрытия, которые невозможно использовать в деталях, испытывающих значительные нагрузки, трение и пр.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является электролит микродугового оксидирования алюминия и его сплавов, содержащий 0,5-5,0%-ный раствор алюмината натрия и дисперсную фазу порошка карбида, нитрида или окисла металлов или металлоидов, нерастворимых в растворе алюмината натрия [3] В этом электролите можно повысить термостойкость наносимой оксидной пленки и интенсифицировать процесс.

Однако при использовании электролита на основе алюмината натрия с добавкой мелкодисперсного порошка окисла, карбида или нитрида металлов из-за отсутствия компонента, который бы стабилизировал электролит-суспензию, не удается получить равномерные по поверхности изделия покрытия как по прочностным характеристикам, так и по толщине, поскольку частицы окислов (или карбидов, или нитридов) металлов даже при интенсивном барботаже через некоторое время оседают на дно ванны.

Целью изобретения является повышение прочностных характеристик и улучшение равномерности покрытия за счет стабилизации электролита-суспензии.

Цель достигается тем, что микродуговое оксидирование алюминия и его сплавов ведут в электролите, содержащем щелочное соединение и дисперсную фазу в виде тугоплавких окислов, карбидов, нитридов, боридов металлов, в котором дополнительно введен ультрадисперсный химически модифицированный кремнезем аэросил-амино при следующем соотношении компонентов, г/л: гидроокись щелочного металла 1-10 аэросил-амино 5-10 дисперсная фаза в виде окислов, карбидов, нит- ридов или боридов металлов 20-100 Аэросил-амино (Si-O-(CH₂)₂NH₂) представляет собой продукт химического модифицирования кремнезема (аэросила SiO₂) аминоспиртами. В результате замещения атома кремния на поверхности аэросила прививается амино-группа CH₂CH₂NH₂.

Положительный эффект применения аэросила-амино в электролите микродугового оксидирования обусловлен содержанием в нем привитых амино-групп, которые придают аэросилу при его достаточно хорошей растворимости в слабощелочном растворе некоторые гидрофобные свойства, позволяющие стабилизировать электролит-суспензию.

Ультрадисперсные частицы модифицированного аэросила, имеющие значительно меньший размер, чем дисперсная фаза электролита-суспензии (тугоплавкие окислы, карбиды, нитриды, бориды металлов) адсорбируются на их поверхности. Поскольку гидрофобной является только часть поверхности аэросила-амино, а другая его часть гидрофильна, т.е. обеспечивает взаимодействие с дисперсионной средой, то это и обусловливает стабилизацию электролита- суспензии.

Дисперсная фаза представляет собой порошок окисла, карбида, нитрида или борида металлов или их смесь с размером частиц порошка 5-100 мкм. Более предпочтительным является более мелкая фракция. Предел концентрации порошка в электролите обусловлен профилем обрабатываемой детали. Чем более сложная по конфигурации деталь, тем мельче следует выбирать фракцию порошка и его содержание в электролите не более 50 г/л. Для простых деталей выгоднее увеличить как концентрацию порошка, так и размер его частиц. Выход за пределы указанных концентраций сказывается на качестве покрытий, так как при концентрации более 100 г/л может нарушиться стабилизация электролита-суспензии, а при менее 20 г/л не обеспечивается эффективность использования порошка.

В процессе микродугового оксидирования частицы тугоплавких окислов, карбидов, нитридов, боридов металлов вместе с адсорбированными на их поверхностях частицами аэросила-амино участвуют в массопереносе на рабочий электрод, осаждаясь и встраиваясь в решетку оксида алюминия. При этом образующийся композиционный материал покрытия имеет повышенную прочность за счет модифицирования высокомодульными частицами дисперсной фазы и обеспечения их лучшего взаимодействия с материалом матрицы (оксидами алюминия α и γ-модификаций) на границе раздела между армирующими частицами и матрицей.

Улучшение равномерности покрытия обусловлено также действием электрофоретического эффекта, поскольку содержащих в водном растворе электролита частицы дисперсной фазы вместе с адсорбированными на их поверхностях частицами аэросила-амино приобретают отрицательный поверхностный заряд, который способствует движению частиц к аноду при наложении напряжения между электродами.

Изобретение иллюстрируется примерами, представленными в таблице.

Электролит готовят путем растворения в дистиллированной воде необходимого количества щелочи в виде гидроокиси калия и натрия и введения в него расчетного количества дисперсной фазы (окислов, карбидов, нитридов, боридов металлов), предварительно смешанной мокрым методом (в шаровой мельнице) с расчетным количеством ультрадисперсного (размер частиц 0,1-10 Нм) химически модифицированного аэросила-амино.

Содержание компонентов электролита вне предлагаемых диапазонов (пример 5) приводит к ухудшению работоспособности электролита и снижению прочностных характеристик покрытий.

Процесс микродугового оксидирования проводили в анодном и анодно-катодном режимах при средней плотности анодного тока 10 А/дм². В качестве образцов использовали шайбы размером ⊘ 15х6 мм из алюминиевого сплава Д16, из которых впоследствие детали шлифы и оценивали характеристики покрытий.

Прочностные характеристики покрытий (микротвердость по остаточному отпечатку HV и по глубине отпечатка HV_h) определяли методом кинетической микротвердости на приборе Института металлургии РАН. Толщину покрытий определяли на оптическом микроскопе с точностью ± 10 мкм.

Неравномерность покрытий оценивали в соотношении по разности толщины в центре и на периферии образцов.

Как следует из таблицы, предложенный электролит позволяет получать покрытия, обладающие более высокими прочностными показателями и равномерностью.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОЛИТ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ, содержащий щелочное соединение и дисперсную фазу порошка окисла, карбида или нитрида металлов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ультрадисперсный химически модифицированный кремнезем аэросил-амино, в качестве щелочного соединения гидроокись щелочного металла, а в качестве дисперсной фазы - порошок окисла, карбида, нитрида или борида металлов при следующем соотношении компонентов, г/л: Гидроокись щелочного металла 1 10
Аэросил-амино 5 10
Дисперсная фаза порошка окисла, карбида, нитрида или борида металлов 20 100

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2