Тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения

 

Изобретение относится к получению на поверхности черных и цветных металлов износостойких покрытий методом микродугового оксидирования, и может быть использовано в машиностроении, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Обрабатывают материал в виде алюминийсодержащей металлической композиции, включающей медь в количестве 4-10%, являющейся одним электродом, в качестве второго электрода используют электрически нерастворимый металл. В электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1-6 г/л и жидкого стекла с концентрацией 4-6 г/л добавляют порошок, состоящий на 90% из SiO₂ и на 10% из Al₂O₃, дисперсностью 1-10 мкм в концентрации 0,5-2,0 г/л, обработку ведут в анодно-катодном режиме при соотношении величин анодного и катодного токов 1,1-1,2 в течение 60-180 мин. Получаемое тонкослойное керамическое покрытие состоит, по крайней мере частично, из клубков нитевидной формы кристаллов альфа-Al₂O₃, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма- Al₂O₃ и муллита, характеризуется интенсивностью изнашивания 10^-10-10^-12, коэффициентом трения 0,01-0,035, микротвердостью 16-18 ГПа и критической нагрузкой растрескивания 2,5-3,0 H. 2 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металловедения, касающейся тонкослойных керамических покрытий на основе глобульной керамики и их нанесения электролитическим методом, а более конкретно, к получению на поверхности черных и цветных металлов износостойких покрытий методом микродугового оксидирования, и может быть использовано в машиностроении, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Из существующего уровня техники известны тонкослойные керамические покрытия, состоящие из кристаллов альфа-Al₂O₃, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃·2SiO₂ [1] Из существующего уровня техники известен способ получения тонкослойного керамического покрытия, заключающийся в том, что в электролит в виде водного раствора щелочи с добавлением силиката щелочного металла погружают обрабатываемый материал, являющийся одним электродом, и второй электрод подключают к источнику питания и проводят оксидирование с определенными параметрами тока и в течение определенного времени с получением тонкослойного керамического покрытия с заданными параметрами [2] Получению требуемого технического результата в известных керамических покрытиях препятствует низкая критическая нагрузка растрескивания под действием ударных нагрузок, что не позволяет в мелкокристаллической структуре известных покрытий ограничить распространение трещин и предотвратить разрушение покрытия. Подобным же образом термическая стойкость керамики, армированной нитевидными кристаллами, намного выше термической стойкости неармированной.

Получению требуемого технического результата в известном способе препятствует невозможность регулирования анодно-катодного режима, особенностью которого является наличие двух типов разрядов, возникающих как при положительной, так и при отрицательной полярности импульсов напряжения, из-за отсутствия определенных химических веществ, как в составе оксидируемого металла, так и в составе электролита.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение это получение износостойкого материала с покрытием на основе глобульной тонкослойной керамики на поверхности оксидируемого материала.

Технический результат, получаемый от использования данного изобретения - это повышение микротвердости и трещиностойкости основного критерия износостойкости керамики.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в тонкослойном керамическом покрытии, состоящем из кристаллов альфа -Al₂O₃, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита, согласно изобретению, по крайней мере часть кристаллов или все кристаллы альфа фазы Al₂O₃ имеют нитевидную форму и свиты в клубки с образованием тонкослойного керамического покрытия на основе глобульной тонкослойной керамики, состоящего из клубков нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃·2SiO₂, и характеризующегося интенсивностью изнашивания I= 10^-10-10^-12, коэффициентом трения f= 0,010-0,035, микротвердостью H=16-18 ГПа и критической нагрузкой растрескивания P=2,5-3,0 H.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается еще и тем, что в способе получения тонкослойного керамического покрытия, заключающемся в том, что в электролит в виде водного раствора щелочи с добавлением силиката щелочного металла погружают обрабатываемый материал, являющийся одним электродом, и второй электрод, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование с определенными параметрами тока в течение определенного времени с получением тонкослойного керамического покрытия с заданными характеристиками, согласно изобретению, обрабатывают материал в виде алюминийсодержащей металлической композиции, включающей медь в количестве 4% -10% в качестве второго электрода используют электролитически нерастворимый металл, в качестве электролита используют водный раствор щелочи с концентрацией 1-6 г/л и жидкого стекла с концентрацией 4-6 г/л, а также с добавлением порошка, состоящего на 90% из SiO₂ и на 10% из Al₂O₃дисперсностью 1-10 мкм в концентрации 0,5-2,0 г/л, а обработку поверхности обрабатываемой алюминийсодержащей металлической композиции ведут в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Ic/Ia=1,1-1,2 в течении 60-180 мин.

Изобретение иллюстрируется следующим образом.

В электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1-6 г/л и жидкого стекла с концентрацией 4-6 г/л добавляют порошок, состоящий на 90% SiO₂ и на 10% Al₂O₃, дисперсностью 1-10 мкм в концентрации 0,5-2,0 г/л, погружают обрабатываемый материал в виде алюминийсодержащей металлической композиции, включающей медь в количестве 4%-10% являющийся одним электродом. В качестве второго электрода используют электролитически нерастворимый металл и подключают оба электрода к источнику питания. Обработку поверхности обрабатываемой алюминийсодержащей металлической композиции ведут в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Ic/Ia=1,1-1,2 в течении 60-180 мин. Поверхность обрабатываемого металла в процессе электролитической обработки модифицируется за счет образования тонкослойной окисной керамики, являющейся продуктом высокотемпературных химических превращений, происходящих в очагах микродуговых или дуговых электрических разрядов.

Создаваемые условия обеспечивают перемещение микродуга по поверхности упрочняемого материала, где на границе расплавленной области в зоне дуги происходит высокоскоростная кристаллизация, приводящая к мелкокристаллической структуре. В области воздействия микродуги происходит рост кристаллов, которые под воздействием внутренних напряжений и изменяющихся термических полей образуют глобули, составляющие основу слоя. На обработанной поверхности алюминийсодержащего металла образуется упрочненный износостойкий слой, представляющий собой композит на основе твердых фаз, содержащий альфа-Al₂O₃, гамма-Al₂O₃ и муллит 3Al₂O₃·2SiO₂. При этом по крайней мере часть кристаллов или все кристаллы альфа-фазы Al₂O₃ имеют нитевидную форму и под действием процесса оксидирования с заявленными параметрами участвующих компонентов как бы свиваются в клубки в клубки нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃.

Исследования основной зоны полученного упрочненного слоя показали, что преобладает анизотропная фаза альфа-Al₂O₃; кристаллы размером 4-8 мкм имеют нитевидную форму с отношением длины к толщине более 15-ти. Пучки нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ сильно изогнуты и вместе с изотропной матрицей образуют отдельные глобули-клубки. Кристаллы альфа-Al₂O₃ покрыты очень плотной пленкой гамма-Al₂O₃ и практически оказывается невозможным найти чистые сколы альфа-фазы. Рентгенофазовый анализ отдельных глобулей показал, что они, в основном, состоят из альфа-Al₂O₃.

При обработке алюминийсодержащей металлической композиции, включающей медь в количестве <4% глобульная структура поверхностного слоя не образуется. Содержание меди в количестве > 10% приводит к осложнениям поддержания анодно-катодного режима обработки. Содержание в электролите добавки в виде порошка из 90% SiO₂ и 10% Al₂O₃ в количестве <0,5 г/л не дает возможности получить глобульную структуру упрочненного слоя. Содержание той же добавки в количестве > 2,0 г/л вызывает активное горение электрической дуги и образование прожогов упрочненного слоя.

Получаемый в соответствии с данным изобретением упрочненный износостойкий слой на основе глобульной тонкослойной керамики характеризуется низкой интенсивностью изнашивания I=10^-10-10^-12, коэффициентом трения f=0,003-0,035, высокой микротвердостью H=16-18 ГПа и критической нагрузкой растрескивания P=2,5-3,0 H.

Наибольшее преимущество глобульная керамика перед керамиками аналогичного фазового состава имеет по критерию трещиностойкость. Критическая нагрузка растрескивания глобульной керамики равна P=2,5-3,0 H, что является значительно большей величиной по сравнению со значением этого параметра у корунда: 0,4-0,7 H.

Формула изобретения

1. Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из кристаллов альфа-Al₂O₃, расположенных в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, отличающийся тем, что по крайней мере часть кристаллов альфа-Al₂O₃ имеет нитевидную форму и свита в клубки, а покрытие характеризуется интенсивностью изнашивания 10^-10 - 10^-12, коэффициентом трения 0,010 0,035, микротвердостью 16 18 ГПа и критической нагрузкой растрескивания 2,5 3,0 H.

2. Способ получения тонкослойного керамического покрытия, включающий помещение в электролит, содержащий водный раствор щелочи и жидкое стекло, электрода из алюминийсодержащего обрабатываемого материала и второго электрода и последующее оксидирование, отличающийся тем, что обрабатываемый материал дополнительно содержит медь в количестве 4 10 мас. в качестве второго электрода используют электролитически нерастворимый металл, электролит дополнительно содержит смесь порошков, состоящую из 90 мас. SiO₂ и 10 мас. Al₂O₃ дисперсностью 1 10 мкм при следующей концентрации компонентов в электролите, г/л: Водный раствор щелочи 1 6 Жидкое стекло 4 6 Смесь порошков Al₂O₃ и SiO₂ 0,5 2,0 а оксидирование проводят в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов 1,1 1,2 в течение 60 180 мин.