Способ получения композиционных покрытий на алюминий и его сплавах

 

Изобретение относится к области получения защитных покрытий на алюминии и может найти применение при изготовлении кухонной посуды, форм для получения антикоррозионных, износостойких, антипригарных покрытий, а также для отделки строительных деталей в приборо- и машиностроении. Сущность изобретения: способ включает получение оксидной пленки, полученной микроплазменным анодированием и нанесением далее механическим натиранием порошкообразного тефлона с последующим термическим отжигом образовавшейся полимерной пленки. Технический результат: повышение качества покрытий за счет увеличения адгезии и упрощение способа за счет устранения дополнительных операций. 1 табл.

Изобретение относится к комбинированному электролитическому способу нанесения защитных покрытий на алюминий и его сплавы и может найти применение при изготовлении кухонной посуды, форм для выпечки хлеба и кондитерских изделий с целью получения антикоррозионных, износостойких, антипригарных покрытий, а также для отделки строительных деталей в приборо- и машиностроении.

Известен способ пропитки политетрафторэтиленом (тефлоном) алюминиевого пленочного гальванопокрытия путем анодного окисления (а.з. Японии N 63-35817, опубл. 25.08.89). Способ осуществляют анодированием алюминиевого изделия в кислом растворе (водный раствор серной, муравьиной, щавелевой кислоты), содержащем взвешенные частицы тефлона. Через раствор электролита пропускают электрический ток, при этом происходит анодирование изделия и образование на его поверхности пропитанного тефлоном пленочного покрытия белого, серого или золотистого цвета. Недостатком данного способа является то, что применение тефлона как добавки в электролит требует использования ПАВ для стабилизации в электролите гидрофобных, мелкодисперсных частиц тефлона и ультразвукового перемешивания, что усложняет способ.

Известен также способ анодирования изделий из алюминия и его сплавов с целью получения покрытий на поверхности механизмов машин для вибрационного транспортирования природных материалов для улучшения скольжения в электролитах на основе серной, щавелевой кислот и суспензии фторопласта (а.с. СССР N 1708943, опубл. 30.01.92, бюл. N 4). Стабилизация фторопласта достигается путем введения в электролит диметилсульфата и антистатика.

Недостатком данного способа нанесения покрытий является трудность получения однородной суспензии и тонкого равномерного слоя фторопласта высокой сплошности, что приводит к низкому качеству антипригарного покрытия.

Наиболее близким к изобретению является способ обработки алюминиевой кухонной посуды, к поверхности которой не пригорает пища (Заявка ЕПВ N 0424072, A 47 J 36/02, опубл. 24.04.91). В соответствии с известным способом поверхность алюминия делают шероховатой, применяя пескоструйную обработку. Затем методом твердого анодирования наносят покрытие, толщина которого составляет 15 20 мкм. На анодное покрытие наносят слой тефлона, придавая поверхности антипригарные свойства.

Недостатком известного способа является низкая адгезия антипригарного покрытия. Кроме того, твердое анодирование, применяемое в известном способе, представляет собой длительный энергоемкий процесс, связанный с использованием серной кислоты. Выделение значительного количества тепла в ходе процесса анодирования приводит к разогреву электролита и выделению едких паров, оказывающих вредное воздействие на слизистые оболочки и органы дыхания человека. Процесс твердого анодирования требует интенсивного охлаждения электролита и его перемешивания. Данный способ не позволяет обрабатывать литейные сплавы алюминия. Способ технологически небезопасен.

Задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества покрытия за счет увеличения адгезии к подложке, упрощения способа за счет устранения дополнительных энергоемких операций, повышения его безопасности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что изделия из алюминия и его сплавов подвергают оксидированию в режиме микроплазменных разрядов на поверхности анода в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока 0,1 1,0 А/дм² и напряжении формирования 190 220 В в водном растворе электролита, содержащем, г/л: о-фосфат натрия 10 20 карбонат натрия 15 30, а полимерную пленку наносят механически с последующим отжигом при 280 - 340^oC.

Способ осуществляют следующим образом.

Охлаждаемую электролитическую ячейку, снабженную мешалкой и термометром, заполняют раствором электролита и погружают в нее электроды. Анодом является обрабатываемое изделие, катодом нержавеющая сталь. На электроды подают напряжение, которое составляет 190 200 В. Процесс проводят при плотности тока 0,1 1,0 А/дм² в гальваностатическом режиме. Время, необходимое для формирования оксидного слоя, составляет 5 15 минут, что является достаточным для формирования плотного, равномерного и сплошного слоя в качестве базисного под полимерную пленку. Формирование покрытий осуществляют при равномерном искрении по всей поверхности образца. После анодирования изделие промывают проточной водой, высушивают на воздухе, затем в сушильном шкафу при температуре 80 100^oC. После того, как образец с покрытием остыл до комнатной температуры (22 25^oC), на его поверхность механически, путем натирания наносят слой мелкодисперсного тефлона с размером частиц до 5 мкм и нагревают образец в печи до 280 340^oC до оплавления частиц тефлона, что обеспечивает повышение их сцепления с оксидным слоем.

Мелкие ультрадисперсные частицы тефлона, размер которых достигает до 5 мкм, соразмерны с порами пленки. В процессе обработки поры механически закрываются частицами тефлона, а при термической обработке происходит их оплавление и формирование на поверхности однородного защитного слоя, характеризующегося высокими антикоррозионными, декоративными, антипригарными свойствами.

Микроплазменные разряды в ходе МДО-обработки алюминия и его сплавов обеспечивают образование узких глубоких пор. Мелкодисперсные частицы тефлона, попадая в такие поры, хорошо удерживаются, адгезия тефлонового покрытия улучшается.

В процессе твердого анодирования в соответствии с прототипом образуются конусообразные поры со сглаженными краями вследствие растравливающего действия кислоты, что не обеспечивает достаточно высокой адгезии тефлонового покрытия.

Покрытия, обладающие необходимыми свойствами, образуются при осуществлении способа в заявляемом режиме МДО. При формировании покрытий и электролите с концентрациями о-фосфата натрия менее 10 г/л и карбоната натрия менее 15 г/л на поверхности изделий образуются пятна белого цвета, пленки не обладают однородностью. Ухудшаются внешний вид покрытий, их декоративные свойства. При нанесении тефлонового покрытия на такие поверхности тефлоновый слой при эксплуатации повреждается из-за низкой адгезии частиц тефлона к планке в местах ее неоднородности.

При использовании плотности тока менее 0,1 А/дм², напряжения формирования менее 190 В наблюдается формирование тонких покрытий с низкой сплошностью и пористостью, что не обеспечивает достаточной адгезии наносимой впоследствии полимерной пленки и антрипригарных свойств поверхности изделия.

При температуре отжига полимерной тефлоновой пленки, нанесенной механически на МДО-подложку, менее 280^oC, наблюдается ухудшение качества покрытий вследствие того, что при такой температуре термообработки не происходит необходимого спекания частиц тефлона и образования прочного полимерного покрытия.

Применение концентрации электролита выше заявляемых значений (о-фосфата натрия более 20 г/л, карбоната натрия более 30 г/л) приводит к образованию толстых рыхлых, легко отслаивающихся от подложки покрытий, наблюдаются прогары, дефекты, сквозные поры, покрытие осыпается.

При плотности тока, напряжении выше заявляемых значений (более 1,0 А/дм² и 200 В соответственно) происходит разогрев электролита, растворение образовавшейся оксидной пленки и, как следствие, ухудшение ее однородности и качества.

Повышение температуры термической обработки нанесенной на такое покрытие полимерной тефлоновой пленки приводит к деструкции тефлона, нарушению целостности полимерной пленки, следствием чего является пригорание пищи в обрабатываемой таким способом кухонной посуде.

Для осуществления способа используют стандартное оборудование, предназначенное для микроплазменного анодирования, а для приготовления электролитов известные, выпускаемые промышленностью химические реактивы.

Возможность осуществления изобретения может быть проиллюстрирована также следующими примерами его конкретного выполнения.

Во всех примерах получения покрытий с помощью заявляемого способа покрытия наносили на образцы из алюминия (сплавы АМцМ, АМг-5), а также литейный сплав АЛ-2, который применяется в пищевой промышленности, для производства посуды, бытовых изделий и т.д.

Полученные покрытия обрабатывали тефлоном и нагревали. Образцы представляли собой пластины в виде прямоугольников размерами 20 х 50 (мм) и толщиной 1 мм. Время оксидирования составляло 7 минут, температура электролита 22^oC.

Фазовый состав покрытий определяли с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН 2,0 (Cu, K_α-излучение).

Измерения краевого угла смачивания покрытий (q) проводили методом сидящей капли дистиллированной водой и 3% раствором хлорида натрия (А. Адамсон. Физическая химия поверхностей. М. Мир, 1979, стр. 273).

В таблице приведены режимы оксидирования и термообработки покрытий, состав электролитов и характеристики покрытий для сплавов алюминия.

Как видно из таблицы, покрытия, полученные с помощью заявляемого способа, имеют угол смачивания, вдвое больший чем у покрытий, полученных известным способом, что обеспечивает низкую смачиваемость и высокие антипригарные свойства поверхности изделий.

Таким образом, преимущества заявляемого способа в сравнении с прототипом заключаются в повышении антипригарных свойств изделий, а также прочности и долговечности получаемых покрытий.

Кроме того, заявляемый способ экологически безопасен и безвреден для здоровья человека.

Формула изобретения

Способ получения композиционных покрытий на алюминии и его сплавах, включающий электролитическое оксидирование с последующим нанесением полимерной пленки, отличающийся тем, что электролитическое оксидирование проводят в режиме микроплазменных разрядов на поверхности анода в гальваностатическом режиме, при плотности постоянного тока 0,1 1,0 А/дм² и напряжении 190 220 В в электролите, содержащем, г/л: о-Фосфат натрия 10 20 Карбонат натрия 15 30 а полимерную пленку формируют механическим натиранием порошкообразного тефлона с последующим отжигом до 280 340°С.

РИСУНКИ

Рисунок 1