Способ формирования износостойких покрытий

 

Изобретение относится к формированию износостойких покрытий на алюминиевых деталях сложной формы и большой площади и может быть использовано в машиностроении. Способ включает формирование технологического электроизоляционного слоя из неорганических соединений на основе, погружение в электролит и микродуговое оксидирование. Технический результат: повышение износостойкости поверхностей в узлах трения, обеспечение электроизоляции поверхности, создание тепловых барьеров в нестационарно работающих узлах, обеспечение антикоррозионной защиты.

Изобретение от относится к электрохимической обработке металлов, преимущественно вентильных, для формирования на их поверхности электроизоляционных, коррозионно-, тепло- и износостойких покрытий в режиме электрических разрядов, и может быть использовано в различных областях машиностроения: - для повышения износостойкости поверхностей в узлах трения; - для обеспечения электроизоляции поверхностей; - для создания тепловых барьеров в нестационарно работающих узлах; - для обеспечения антикоррозионной защиты.

Известны способы микродугового оксидирования в электролитах, заключающийся в обработке металлов (как правило, вентильных) переменным током при напряжении до 700 В и более, при различных соотношениях катодной и анодной плотностей тока и суммарной анодно-катодной плотности тока более 5 А/дм² [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].

Этими способами получают оксидное покрытие, состоящее из двух основных, существенно различающихся по механическим свойствам слоев - верхнего пористого, так называемого технологического, который, как правило, механически удаляется, и внутреннего высокотвердого плотного, несущего основную функцию.

Формирование внутреннего твердого слоя предваряется и обусловливается образованием "технологического" слоя, образующегося на оксидируемой поверхности металла в основном за счет электрофоретического и термического осаждения компонентов ванны (гидроксидов, силикатов и др.).

Однако специфика процесса такова, что при оксидировании сложных с точки зрения распределения потенциала (и, следовательно, тока) поверхностей, к которым можно отнести плоскости, углубления и даже длинные цилиндры, из-за отсутствия эквипотенциальности разряды, формирующие покрытие (как пористую, электрофоретически нанесенную его часть, так и твердую, полученную в результате окисления основы), концентрируются прежде всего на выступающих поверхностях и краях, на которых и происходит в первую очередь формирование полноценного покрытия. На остальных поверхностях покрытие формируется из весьма редко распределенных случайных зародышевых зон, постепенно срастающихся при условии достаточного для этого вложения энергии, что связано с энергетическими возможностями установки. При ограниченных возможностях источника по отношению к площади покрываемой поверхности процесс срастания зародышевых зон растягивается по времени и вообще может не закончиться. При этом толщина твердого слоя покрытия может меняться от 100 мкм до полного его отсутствия вплоть до локальных протравов непокрытых участков. Такое явление при малых плотностях тока может уже наблюдаться на плоских поверхностях, отстоящих от периферии на 10-15 мм, и тем более в углублениях.

В то же время, в связи с тем, что для начала искрового и микродугового процессов необходимо обеспечить стартовую плотность тока, в 1,5-2,0 раза превышающую рабочую, то при превышении площади покрываемой поверхности энергетических возможностей установки искровой или дуговой процесс не возникает, протекает процесс растворения основы, и требуемое покрытие не формируется. Наиболее показателен в этом отношении процесс микродугового оксидирования в щелочных электролитах, не содержащих силикатов или других гельобразующих компонентов, необходимых для формирования первичного, "технологического", слоя, под которым (и только под ним) формируется твердый, плотный слой. В этих электролитах большая доля энергии расходуется на создание технологического слоя за счет продуктов растворения и оксидирования металла основы.

Известен способ (устройство) микродугового оксидирования, заключающийся в сканировании оксидируемой поверхности за счет постепенного погружения объекта в электролит с параллельным изменением электрических параметров режима [9].

Этот способ по своей цели близок к предлагаемому изобретению, однако он требует дополнительного достаточно сложного аппаратурного оснащения с точно рассчитанной нелинейной синхронизацией электрических параметров и механических перемещений. В то же время, при этом способе оксидирования поверхность с инициированными на ней искровыми разрядами имеет контакт с воздухом, что создает постоянный шумовой эффект от микровзрывов пузырей гремучего газа, выделяющихся при оксидировании. Все это способно затруднить использование данного изобретения в производственном масштабе.

Известны способы выравнивания плотности тока по поверхности обрабатываемых деталей, используемые в электрохимической технологии, в частности в гальваностегии, для обеспечения условий получения равномерного слоя покрытия на поверхностях сложной формы, заключающиеся в использовании профилированных электродов [10] или электроизоляционных диафрагм - экранов [11].

Эти способы достаточно эффективно используются в технологии микродугового оксидирования.

Способ с использованием электроизоляционных диафрагм-экранов может рассматриваться как аналог, позволяющий достигнуть равномерное распределение токов по поверхности оксидирования, однако он не дает никаких преимуществ для снижения величины стартового тока.

Недостатками этих способов являются, во-первых, необходимость экспериментального подбора геометрии дополнительных приспособлений, во-вторых, требуются дополнительные место и средства их монтажа в электролитической ванне, в-третьих, неизбежны существенные затраты в виде корозионностойких материалов для изготовления приспособлений.

Наиболее близким к изобретению является способ нанесения электролитического покрытия на поверхности металлов и сплавов (и электролитическое покрытие), заключающийся в погружении обрабатываемого материала, служащего первым электродом, и второго электрода в электролит, приложении напряжения между ними в форме ведомых нагрузкой базовых импульсов до зажигания множества микроразрядов, равномерно распределенных по поверхности обрабатываемого материала, и поддержания напряжения до получения покрытия заданной толщины, причем дополнительно к базовым импульсам напряжения возбуждают наложенные на них инициирующие импульсы [12]. Этим способом получают покрытие, глубинные слои которого обладают высокой твердостью и плотностью, а поверхностный пористый слой квалифицируется как технологический и при необходимости может быть легко удален механической обработкой для (до) обнажения основного твердого слоя.

Наложенные инициирующие импульсы напряжения призваны снизить уровень стартовых токов, необходимый для возбуждения микроразрядов на исходной (чистой, еще не закрытой технологическим слоем) поверхности металла. Однако предложенный прием не позволяет обеспечить равномерное распределение разрядов (по их количеству и катодно-анодному соотношению) во времени по всей обрабатываемой поверхности за пределами размеров и формы предъявленных образцов, а следовательно, формировать однородный технологический слой и в конечном итоге покрытие в целом.

Задача предлагаемого способа - получение равномерного по толщине и качеству износостойкого электроизоляционного покрытия на всей оксидируемой поверхности деталей большой площади и сложной формы из алюминиевых и других сплавов с вентильными свойствами. Техническим результатом является: - равномерность (качественная и количественная) нанесения покрытия по всей внешней поверхности большой площади и сложной формы; - независимость экспозиции процесса до гарантированного достижения необходимых (требуемых) толщины и качества покрытия при одинаковых задаваемых плотностях и анодно-катодных соотношениях тока от размера и формы деталей; - расширение технологических возможностей установки (возможность формирования износостойкого покрытия на площадях, превышающих ≈ в 2 раза номинальную, и при минимальной концентрации гельобразующих компонентов электролита); - экономия электроэнергии за счет меньшего вложения энергии в образование наружного пористого технологического слоя и уменьшение стартовых токов.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования износостойкого покрытия, включающем погружение основы в электролит и формирование на основе слоя при участии неорганических соединений микродуговым оксидированием, перед погружением основы в электролит на ее поверхности формируют технологический электроизоляционный слой из неорганических соединений.

Суть способа состоит в том, что на оксидируемую поверхность методом, отличным от электролитического, например газотермическим напылением или из шликера (пульверизацией, окунанием или кистевым), наносится технологическое покрытие из неорганических электроизоляционных соединений с равномерной сквозной пористостью. Это технологическое покрытие электрически блокирует значительную часть оксидируемой поверхности, создавая при электролитическом процессе условия для равномерного распределения электрических разрядов и, подобно электролитической мембране, поступление к реакционной (оксидируемой) поверхности металла определенного соотношения положительных и отрицательных ионов. В результате обеспечиваются инициирование возникновения и дальнейшее срастание равномерно распределенных зародышей оксидного покрытия по всей поверхности при использовании весьма небольших плотностей тока как на начальной (стартовой) стадии, так и в течение всего процесса при наиболее полном использовании энергетических возможностей установки. Таким образом удается снизить пиковый ток на старте процесса и в дальнейшем уменьшить затраты энергии на образование верхнего пористого слоя, под которым происходит основной процесс образования твердого слоя. Это позволяет формировать микродуговым оксидированием равномерные по качеству и толщине покрытия на поверхностях неудобной формы площадью, в 2-3 раза превышающей возможности установки (источника). При этом предварительно нанесенный технологический слой в конечном итоге входит в состав верхнего пористого слоя сформированного электролитически покрытия.

Покрытию подвергали плоские образцы (объекты) из сплавов Д16 и АМг.6 размером 100х100х2 мм (двустороннее покрытие) и плоские панели из сплава АМг.6 размером 600х120 мм (одностороннее покрытие). Объекты из листового сплава Д16 предварительно подвергали травлению в щелочи для снятия плакирующего слоя.

Оксидируемую поверхность основы подвергали образиво-струйной обработке зерном образива 40-100 мкм и затем обезжиривали путем протирки тканевым тампоном, смоченным бензином.

На оксидируемую, подготовленную таким образом поверхность основы наносили слой технологического покрытия толщиной 0,05-0,03 мм методами газотермического (плазменного) напыления из порошков неорганических соединений и пульверизации из шликера.

Методом газотермического напыления наносили слой или из оксида алюминия (Аl₂О₃), или из оксида алюминия с добавками оксида титана (до 13 мас.%), или из магнезиальной шпинели (MgO•Al₂O₃). Открытая (сквозная) пористость наносимых покрытий составляла 10-20%.

Методом пульверизации наносили слой из шликера на основе калиевого или натриевого жидких стекол с добавками электрокорунда М5, или оксида титана, или их смесей, или магнезиальной шпинели величиной зерна менее 10 мкм при соотношении жидкой и твердой фаз шликера по массе 1:1 при разбавлении суспензии дистиллированной водой в соотношении (2 массовые доли шликера): (1,0-1,5 доля воды). Сформированное таким образом покрытие сушили в сушильном шкафу при 50^oС в течение 0,5 часа или при комнатных условиях в течение не менее 2-х часов. Открытая (сквозная) пористость высушенного покрытия составляла 15-25%.

Технологическое покрытие наносили на всю оксидируемую поверхность основы или на часть поверхности, наиболее неблагоприятную с точки зрения условий оксидирования (потенциально менее нагруженную), а именно для обрабатываемых объектов - на зону, отстоящую на 10-20 мм от края. На контрольные объекты технологическое покрытие не наносилось.

Подготовленную таким образом основу погружали в электролитическую ванну с помощью тоководов, изолированных от контакта с электролитом, и подвергали микродуговому оксидированию.

Оксидирование проводили в электролите, состоящем из водного раствора едкого кали (2,0 г/л) и жидкого натриевого стекла (6 г/л) при средней суммарной анодно-катодной плотности тока процесса 7 А/дм², при соотношении плотностей катодного и анодного токов 0,9-1,1. При этом начальная (стартовая) плотность тока не превышала конечной плотности тока процесса более чем на 10%.

Экспозиция процесса составляла 6 часов, что соответствовало суммарному прохождению электричества 40 А-ч/дм².

На части контрольных объектов размером 100х100 мм без технологического покрытия средний суммарный анодно-катодный ток процесса устанавливали 20-30 А/дм² с экспозицией, соответствующей прохождению 40 А-ч/дм² электричества, что составляло 1,5-2,0 часа.

Объекты после оксидирования подвергали металлографическому анализу с измерением толщины слоев и микротвердости.

Результаты экспериментов.

1. На объектах из сплава Д16 со всеми использованными технологическими покрытиями толщиной до 200 мкм толщина основного слоя, имеющего микротвердость в пределах 1300-1800 кг/мм², по всей поверхности составила в среднем 80 мкм при разнице толщины между краевыми и средними зонами не более 10%.

2. На объектах из сплава АМг.6 со всеми использованными технологическими покрытиями толщиной до 200 мкм толщина основного оксидного слоя, имеющего микротвердость в пределах 1000-1400 кг/мм², по всей поверхности составила в среднем 100 мкм при разнице толщины между краевыми и средними зонами не более 10%.

3. На объектах с технологическими покрытиями толщиной 250 мкм и более в результате оксидирования под технологическим покрытием был получен высокопористый (более 20%) слой оксида низкой твердости толщиной более 150 мкм.

4. На контрольных объектах, оксидированных при плотности тока 7 А/дм², в средней зоне, отстоящей на 20 мм от края, образовались протравы (язвы протравов) при отсутствии в этой зоне твердого слоя покрытия.

5. На контрольных объектах, оксидированных при плотностях тока 20-30 А/дм² толщина твердого слоя имела зональный характер и отличалась между краевой и центральной зонами в 2-3 раза (80 мкм - на краях, 30 мкм и менее в зоне 40 мм от края), а в центре имела место несплошность покрытия, вплоть до полного отсутствия плотного слоя.

Литература 1. Авторское свидетельство 1200591, кл. С 25 D 11/02.

2. Патент РФ 2019582, кл. С 25 D 11/00, 11/02.

3. Патент РФ 2026890, кл. С 25 D 11/02.

4. Патент РФ 2077612, кл. С 25 D 11/02.

5. Патент РФ 2081212, кл. С 25 D 11/02.

6. Патент РФ 2082838, кл. С 25 D 11/02.

7. Патент РФ 2110623, кл. С 25 D 11/02.

8. Патент РФ 2119558, кл. С 25 D 11/02.

9. Патент РФ 2010040, кл. С 25 D 11/02.

10. В.И. Лайнер и Н.Т. Кудрявцев. Основы гальваностегии, часть 1. Металлургиздат, 1953. Москва. С.254, 255.

11. А. М. Ямпольский и В.А. Ильин. Краткий справочник гальванотехника. МАШГИЗ, 1962. Москва, Ленинград. С.151-153.

12. Патент РФ 2112086 С1, МПК 6 С 25 D 11/00.

Формула изобретения

Способ формирования износостойкого покрытия, включающий погружение основы в электролит и формирование на основе слоя при участии неорганических соединений микродуговых оксидированием, отличающийся тем, что перед погружением основы в электролит на ее поверхности формируют технологический электроизоляционный слой из неорганических соединений.