Способ получения защитных покрытий на поверхности металлов и сплавов

 

Изобретение относится к электрохимической обработке поверхности металлов и сплавов для формирования на их поверхности коррозионно-, тепло- и износостойких покрытий и придания им защитных диэлектрических и декоративных свойств и может быть использовано, например, в машиностроении, радиоэлектронике, химической промышленности, медицине, авиации и т.д. Способ получения защитных покрытий на поверхности металлов и сплавов включает микродуговое оксидирование с помощью устройства, снабженного электролитом и пористым экраном, через который подается жидкий электролит, и приложение напряжения между обрабатываемым участком и пористым экраном, при этом подачу электролита через пористый экран, имеющий переменную толщину сечения, осуществляют с расходом 4-8 л/мин, обработку ведут в течение 3-10 мин при нарастающем напряжении до 190 В и плотности тока до 5 А/дм². Вектор скорости перемещения и вектор максимального градиента толщины сечения пористого экрана взаимно перпендикулярны и зависят от определенного соотношения, обеспечивается сокращение времени обработки, возможность регулирования толщины покрытия, сокращение объема потребляемого электролита и величины тока, высокое качество защитного покрытия.

Изобретение относится к электрохимической обработке поверхности металлов и сплавов для формирования на их поверхности коррозионно-, тепло- и износостойких покрытий и придания им защитных диэлектрических и декоративных свойств и может быть использовано, например, в машиностроении, радиоэлектронике, химической промышленности, медицине, авиации и т.д.

Известен "Способ микродугового получения защитных пленок на поверхности металлов и их сплавов", включающий обработку постоянным током в водном электролите, содержащем фосфат и метаванадат, причем обработку ведут при плотности тока 5-15 А/дм² в течение 5-15 мин в электролите, содержащем в качестве фосфата гексаметафосфат натрия или аммония при следующем соотношении компонентов, г/л: Гексаметафосфат натрия - 20 - 50 Метаванадат натрия или аммония - 10 - 25 при рН 3-8.

Патент РФ 2061107; МКИ 6 C 25 D 11/06.

Дата публ. 27.05.96 г., бюлл. 15.

Патентообладатель: Институт химии Дальневосточного отделения РАН.

"Способ нанесения электролитического покрытия на поверхности металлов или сплавов", включающий погружение обрабатываемого материала, служащего первым электродом, и второго электрода в электролит, приложения напряжения между ними в форме ведомых нагрузкой базовых импульсов до зажигания множества микроразрядов, равномерно распределенных по поверхности обрабатываемого материала и поддержание напряжения до получения покрытия заданной толщины, причем дополнительно к базовым импульсам напряжения возбуждают наложенные на них инициирующие импульсы.

Патент РФ 2112086. МКИ 6 C 25 D 11/00.

Дата публ. 27.05.98 г., бюлл. 25.

Патентообладатель: ЗАО "ТЕХНО-ТМ".

"Способ нанесения коррозионно- и износостойкого оксидного слоя с локально уменьшенной толщиной на поверхности металлической детали", заключающийся в использовании постоянного или импульсного тока, причем перед погружением в электролит на обрабатываемую деталь, использующуюся в качестве катода, устанавливают вспомогательный анод, отводящий анодирующий ток с участков, не требующих покрытия.

Патент Германии 4442792. МКИ 6 C 25 D 11/02.

Дата публ. 04.05.98 г. в бюлл. 4-98 г.

ИСМ вып. 50.

"Способ получения тонкослойного керамического покрытия" на поверхности черных и цветных металлов путем микродугового окисления, причем в качестве материалов для одного из электродов используют сплав, содержащий алюминий и 4-10% меди, для второго электрода - не растворяющийся в электролите материал. Электролитом служит водный раствор щелочи (1-6 г/л) и силиката натрия (4-6 г/л), в котором диспергируют в количестве 0,5-2,0 г/л порошок, состоящий из диоксида кремния (90%) и оксида алюминия (10%).

Заявка РСТ (WO) 9703231. МКИ 6 C 25 D 11/02.

Дата публ. 05.05.1998 г.; бюлл. 5/98 г.; ИСМ вып. 50.

К недостаткам вышеописанных способов обработки поверхностей металлов относятся: сложность обработки в ваннах с электролитом крупногабаритных деталей, а также невозможность обработки поверхности деталей непосредственно в условиях эксплуатации.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения техническому решению является "Способ обработки поверхности на месте", применяемый на ограниченном участке, например для летательных аппаратов в условиях эксплуатации, обработку ведут с помощью устройства, содержащего электропроводный экран с изолирующим элементом из волокна и упругой мембраной, прикрепляемой к поверхности. Способ осуществляется путем подачи жидкого состава к изолирующему элементу и прикладыванием разности потенциалов между экраном и поверхностью, при этом идущий через жидкий состав ток способствует нанесению защитного покрытия.

Заявка ЕПВ (ЕР) 0340733, МКИ 4 C 25 D 11/04.

Дата публ. 08.11.89 г., бюлл. 6-1990 г., ИСМ вып. 71.

Недостатком вышеописанного способа является применение для процесса оксидирования металлов неподвижного устройства, прикрепляемого к обрабатываемой поверхности с помощью упругой мембраны, и, как следствие, невозможность обработки больших поверхностей.

К техническому результату, достигаемому с помощью предлагаемого способа обработки поверхности металлов и сплавов, относятся возможность перемещения устройства для обработки относительно обрабатываемой поверхности и вследствие этого сокращение времени обработки, перенастройки оборудования в широком диапазоне режимных параметров, а также возможность регулирования толщины покрытия, сокращение объема потребляемого электролита и величины тока, обеспечивая при этом высокое качество защитного покрытия, а также возможность регулирования спектра цветового покрытия на больших поверхностях путем варьирования скорости перемещения устройства.

Технический результат достигается тем, что в способе получения защитных покрытий на поверхности металлов и сплавов путем микродугового оксидирования с помощью устройства, снабженного электролитом и пористым экраном, через который подается жидкий электролит, и приложением напряжения между обрабатываемым участком и пористым экраном, при этом подача электролита через пористый экран, имеющий переменную толщину сечения, осуществляют с расходом 4-8 л/мин. Обработку ведут в течение 3-10 минут при нарастающем напряжении до 190 В и плотности тока до 5 А/дм².

Процесс оксидирования осуществляют путем перемещения устройства по обрабатываемой поверхности, при этом вектор скорости перемещения и вектор максимального градиента толщины сечения пористого экрана взаимно перпендикулярны и находятся в зависимости от следующего соотношения: , где V - скорость перемещения пористого экрана, м/с; Нmах - максимальная толщина сечения экрана, м; Hmin - минимальная толщина сечения экрана, м; U - напряжение электрического тока между экраном и обрабатываемой поверхностью, В.

Способ осуществляется следующим образом. Деталь с очищенной и обезжиренной поверхностью устанавливают на противень для сбора стекающего электролита. Обрабатываемая деталь является анодом, в качестве катода используется специальное перемещаемое устройство с пластиной из нержавеющей стали.

Проведены эксперименты, позволяющие осуществить данный способ в условиях производства и получить положительные результаты.

Для апробирования использовали лист из сплава ПТ-ЗВ толщиной 4 мм и площадью 1м². В качестве катода применили пластину из нержавеющей стали площадью 1 дм².

Состав электролита: Na₃PO₄•12H₂O, остальное вода. Прокачивая электролит через электрод и экран с расходом 6 л/мин, постепенно увеличивая напряжение, и при напряжении U=190 В и плотности тока i=5 А/дм начинается процесс микродугового оксидирования на поверхности детали под электродом. Выдерживая устройство 3-10 мин - время, достаточное для получения заданного слоя оксида, перемещаем его по обрабатываемой поверхности.

После оксидирования лист промыли и просушили. Полученное покрытие удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Для получения поверхности различного цвета предлагается разрушать анодную пленку в зоне, подлежащей окрашиванию, и проводить вторичное анодирование в условиях микроплазменных разрядов, обеспечивающих формирование окрашенных пленок. Поскольку в предлагаемом изобретении деталь не погружается в ванну, то для изменения цвета окраски на больших площадях достаточно изменить в соответствующем месте режим оксидирования (подобрав напряжение формирования анодной пленки U₁ и плотность тока i₁) или изменить состав электролита, ввести в него ингибирующие добавки. Таким образом, пленка приобретает окраску, соответствующую иону-модификатору в электролите. Кроме того, данный способ получения разноцветного покрытия использует различную конструкцию электрода и пористого экрана с переменным расстоянием поверхности электрода от обрабатываемой поверхности.

В отличие от существующих способов оксидирования, где для поддержания требуемой плотности тока применяют источники питания, выдерживающие ток до 500 А, использовалась установка мощностью всего 2 кВт, обеспечивающая необходимые параметры процесса. Для проведения процесса применили электролит в объеме 50 литров, что во много раз меньше известных аналогичных технологий.

Применение предложенного технического решения позволит восстановить утраченные покрытия, получить покрытия различной толщины на поверхности деталей, выполнить местное оксидирование, обеспечить возможность нанесения покрытия на крупногабаритные детали или конструкции, а также на изделия с переменным профилем, сократить время обработки из-за подвижности устройства и снизить расход электролита при одновременном обеспечении высокого качества получаемого защитного покрытия и, кроме того, обеспечить нанесение широкого спектра цветового покрытия на поверхности изделий путем варьирования скорости перемещения устройства для обработки.

Формула изобретения

Способ получения защитных покрытий на поверхности металлов и сплавов путем микродугового оксидирования с помощью устройства, снабженного электродом и пористым экраном, через который подается жидкий электролит, и приложением напряжения между обрабатываемым участком поверхности и пористым экраном, отличающийся тем, что подачу электролита через пористый экран, имеющий переменную толщину сечения, осуществляют с расходом 4-8 л/мин при нарастающем напряжении и плотности тока до соответственно 190 В и 5 А/дм² в течение 3-10 мин, причем процесс оксидирования осуществляют путем перемещения устройства по обрабатываемой поверхности, при этом вектор скорости перемещения и вектор максимального градиента толщины сечения пористого экрана взаимно перпендикулярны и находятся в зависимости от следующего соотношения:

где V - скорость перемещения пористого экрана, м/с;
Нmax - максимальная толщина сечения экрана, м;
Нmin - минимальная толщина сечения экрана, м;
U - напряжение электрического тока между экраном и обрабатываемой поверхностью, В.