Способ электролитического микроплазменного нанесения покрытий на электропроводящее изделие

Изобретение относится к технологии формирования износостойких, диэлектрических, антикоррозионных и декоративных оксидных или оксидно-керамических покрытий на изделиях из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, используемых в авиационной, машиностроительной, химической и строительной промышленности. Способ заключается в том, что изделие - рабочий электрод погружают в ванну - противоэлектрод с электролитом, с постепенным увеличением скорости погружения, задают переменный ток, достаточный для загорания микроплазменных разрядов не более чем через 5 минут после начала погружения, а по мере дальнейшего погружения устанавливают скорость, обеспечивающую заданную толщину покрытия на участке, первоначально погруженном в электролит, при этом поддерживают анодное амплитудное напряжения меньше, чем напряжение, при котором происходит переход микроплазменного режима в дуговой, после полного погружения изделия в электролит его выдерживают в вышеуказанном режиме до выравнивания толщины покрытия на всей поверхности. Технический результат - увеличение выхода годной продукции, получение равномерного покрытия на изделии сложной формы любого размера при высокой производительности и использовании источника питания с относительно малой электрической мощностью. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии формирования на поверхности изделий, изготовленных из электропроводящих материалов, износостойких, диэлектрических, антикоррозионных и декоративных покрытий. Изобретение может быть использовано, в частности, для нанесения неорганических покрытий на детали и изделия из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, используемых в авиационной, машиностроительной, химической и строительной промышленности.

Известен способ микродугового нанесения покрытий на деталь вентильного металла (RU 2171865 С1, опублик. 10.08.2001, кл. С25D 11/02), включающий полное погружение детали в электролит, предварительное и в соответствии с конфигурацией детали изготовление формы противоэлектрода, причем выбирают его площадь, по меньшей мере, на порядок меньше площади обрабатываемой поверхности детали. Нанесение покрытия ведут путем сканирования электродом вдоль поверхности детали или, по другому варианту, сканирование осуществляют путем одновременного перемещения электрода и обрабатываемой поверхности детали относительно друг друга.

Известный способ имеет существенные недостатки:

- зажигание микроплазменных разрядов происходит в первую очередь на противоэлектроде из-за значительно большей плотности тока на нем, чем на детали;

- необходима большая электрическая мощность, задаваемая между противоэлектродом и поверхностью детали, которая полностью погружена в электролит, для зажигания микроплазменных разрядов только на участки поверхности детали, расположенной вблизи противоэлектрода;

- для большинства крупногабаритных деталей, изготовленных из различных алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, процесс микродугового оксидирования на участке поверхности детали не реализуется. На нем протекает, как правило, процесс анодирования. Производительность процесса анодирования намного ниже, чем у процесса микродугового оксидирования. Свойства анодных покрытий также намного ниже, чем у покрытий, полученных методом микродугового оксидирования. Следовательно, осуществить микродуговое оксидирование деталей по этому способу практически невозможно.

Известен способ электролитического микродугового нанесения силикатного покрытия на алюминиевую деталь (RU 2006531 С1, опублик. 30.01.94, кл. С25D 11/04), включающий предварительное погружение детали в щелочной электролит на 5-10% от площади ее поверхности, при начальной плотности тока 5-25 А/дм², и дальнейшее погружение детали в электролит равномерно со скоростью, определяемой соотношением:

S/τ=0,38+1,93i,

где S - площадь поверхности детали, погружаемой в электролит;

τ - время погружения, мин;

i - начальная плотность анодного тока.

Этот способ имеет также недостатки:

- при постепенном погружении непокрытого участка поверхности изделия происходит образование активной зоны микродуговых разрядов, которая частично шунтирует ток, протекающий между предварительно покрытой поверхностью изделия и противоэлектродом. Однако этот ток увеличивается с увеличением площади покрытой поверхности изделия из-за наличия в нем пор и достигает больших значений, что и приводит к необходимости использования установок с большой электрической мощностью;

- нанесение покрытий этим способом на крупногабаритные изделия приводит к большим энергозатратам и низкой производительности процесса.

Прототипом изобретения является способ электролитического микроплазменного нанесения покрытий на электропроводящее изделие (RU 2286405, опублик. 27.10.2006, кл. С25D 11/02), заключающийся в том, что электропроводящее изделие, которое является рабочим электродом, погружают в ванну с электролитом, являющуюся противоэлектродом и имеющую большую поверхность, чем у электропроводящего изделия, при этом в ванне размещены дополнительные противоэлектроды, подключенные к основному противоэлектроду, причем поверхность электропроводящего изделия частично экранируют с помощью диэлектрического материала и наносят покрытие на неэкранированной части поверхности электропроводящего изделия с площадью S, дм², лежащей в пределах от N/2 до N/8, где N - расходуемая в процессе электролиза электрическая мощность, кВт, при перемещении диэлектрических экранов и дополнительных противоэлектродов относительно дополнительных противоэлектродов и экранов.

Данный способ имеет следующие недостатки:

- низкая производительность процесса получения покрытия на крупногабаритных изделиях при малой расходуемой в процессе электролиза электрической мощности;

- уменьшение выхода годной продукции вследствие большой вероятности перехода процесса электролитического микроплазменного нанесения покрытий в дуговой режим, приводящий к нарушению сплошности покрытия при большой заданной электрической мощности;

- сложность реализации данного способа для получения покрытий на различных крупногабаритных изделиях сложной геометрической формы.

Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в увеличении выхода годной продукции, получении равномерного с заданной по толщине и функциональным свойствам оксидного или оксидно-керамического покрытия на изделии сложной геометрической формы любого размера, при высокой производительности способа и использовании источника питания с относительно малой электрической мощностью.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

В способе электролитического нанесения покрытия на электропроводящее изделие, являющееся рабочим электродом, погружают в ванну с электролитом, являющуюся противоэлектродом с постепенным увеличением скорости погружения. При этом задают переменный ток, достаточный для загорания микроплазменных разрядов не более чем через 5 минут после начала погружения электропроводящего изделия.

По мере дальнейшего погружения электропроводящего изделия устанавливают скорость, обеспечивающую заданную величину толщины покрытия, получаемого на участке поверхности электропроводящего изделия, первоначально погружаемого в электролит. При этом поддерживают величину анодного амплитудного напряжения меньше, чем величина напряжения, при котором происходит переход процесса электролитического микроплазменного нанесения покрытий в дуговой режим.

После полного погружения изделия в электролит его выдерживают в вышеуказанном электрическом режиме до выравнивания толщины покрытия на всей поверхности изделия.

Кроме того, процесс проводят при максимально возможной концентрации в электролите химических компонентов, оксиды которых входят в состав покрытия.

Также величину анодного амплитудного напряжения поддерживают на несколько вольт, например 5 В, меньше, чем величина напряжения, при котором происходит переход микроплазменного процесса нанесения покрытия в дуговой режим.

Увеличение скорости погружения электропроводящего изделия, как и поддержание анодного амплитудного напряжения только на несколько вольт меньше (˜5 В), чем напряжение, при котором происходит переход процесса электролитического микроплазменного нанесения покрытия в дуговой режим, необходимо для получения неравномерного по толщине покрытия на его поверхности с высокой производительностью без нарушения сплошности покрытия.

Увеличение скорости погружения изделия в электролит на определенную величину при проведении микроплазменного оксидирования изделия подбирают экспериментально. Она должна обеспечивать заданную величину оксидно-керамического покрытия, получаемого на участке поверхности изделия, первоначально погружаемого в электролит.

При полном погружении изделия в электролит происходит выравнивание толщины оксидного покрытия на всей поверхности изделия.

Способ осуществляется с высокой производительностью при величине анодного напряжения на несколько вольт (˜5 В) меньше, чем величина напряжения, при котором происходит переход процесса электролитического микроплазменного нанесения покрытий в дуговой режим.

После получения заданной равномерной толщины оксидного покрытия на всей поверхности изделия не происходит дальнейший ее рост при отсутствии локализации процесса, которое возможно только при неравномерной толщине покрытия на различных участках поверхности.

Первоначально задаваемый ток должен быть относительно большим, чтобы в течение короткого времени реализовать процесс микроплазменного оксидирования на погруженном участке поверхности изделия. Увеличение времени уменьшает производительность микроплазменного электролитического процесса получения покрытий на различных электропроводящих изделиях.

Для каждого изделия величина первоначального тока устанавливается экспериментально.

Для увеличения производительности способа для различных электропроводящих изделий, уменьшения потребляемой электрической мощности и энергозатрат способ целесообразно проводить в электролитах с максимально возможной концентрацией химических компонентов в электролите, которые входят в состав покрытия.

При больших концентрациях химических компонентов уменьшаются напряжения загорания микроплазменных разрядов, так как кислотные остатки химических компонентов обеспечивают примесный пробой сформированного на изделии (рабочем электроде) покрытия в анодный полупериод. Последнее приводит к уменьшению задаваемой электрической мощности и энергозатрат.

Энергозатраты при получении покрытий заданной толщины уменьшаются и за счет увеличения производительности способа, которая растет вследствие интенсивного нанесения оксидов из химических компонентов электролита. Чем больше их концентрация, тем больше скорость роста покрытий.

Пример 1.

Для получения толщины 20±2,5 мкм оксидного покрытия на пластину (1100×300×1,5 мм) из сплава 2024 ее погружают в электролит 3,25% Na₆P₆O₁₈ и 0,2% NaOH (по массе), задав переменный ток 40 А, а при достижении загорания микроплазменных разрядов ток уменьшают до 35 А и постоянно поддерживают амплитудное анодное напряжение 560 В до полного погружения пластины и при последующей ее выдержке в течение 20 минут при этом амплитудном напряжении. 3,25% Na₆P₆O₁₈ - практически предельная растворимость этой соли в электролите.

При этом на поверхности пластины формируется оксидно-керамическое покрытие с высокими функциональными свойствами (табл.1).

Таблица 1
Свойства микроплазменных покрытий.
Определяемое свойство	Адгезионная характеристика	Защитно-коррозионное свойство	Смачиваемость
Результат	балл 0; края насечек полностью гладкие и ни один из квадратов сетки не отклеился	отсутствовали видимые точечные очаги коррозионных поражений, раствор остался прозрачным	полное растекание жидкостей: воды и этиленгликоля (0°)

Пример 2.

Для получения 25±2,5 мкм толщин оксидных покрытий диск колеса автомобиля (35,5×17,8 мм) из сплава АДЗЗ в электролит 11,6% Na₂SiO₂ (по массе) погружают со скоростью 10 мм/мин, первоначально задав переменный ток 30 А, а при достижении анодного амплитудного напряжения загорания микроплазменных разрядов ток уменьшают до 20 А и затем, по мере погружения пластины его вновь повышают, поддерживая U^a=380 В. После полного погружения диска колеса автомашины осуществляли дальнейшее микроплазменное оксидирование в течение 30 минут, уменьшая ток и поддерживая постоянно (300 В) амплитудное анодное напряжение. При концентрациях Na₂SiO₃ более 11,6% существенно возрастает шероховатость поверхности, а также происходит осаждение этой соли из электролита.

В изобретении достигается снижение электрической мощности источника питания путем первоначального получения неравномерных по толщине покрытий на различных участках поверхности изделия, а затем поэтапной интенсификации процесса микроплазменного оксидирования: от участков с минимальной толщиной покрытия с последующим выравниванием толщины покрытия на всей поверхности изделия до заданной толщины, которая получена на участке изделия, первым погруженного в электролит.

1. Способ электролитического нанесения покрытия на электропроводящее изделие, заключающийся в том, что электропроводящее изделие, которое является рабочим электродом, погружают в ванну с электролитом, которая является противоэлектродом, с постепенным увеличением скорости погружения, при этом задают переменный ток, достаточный для загорания микроплазменных разрядов не более чем через 5 мин после начала погружения электропроводящего изделия, а затем устанавливают скорость дальнейшего погружения электропроводящего изделия из условия обеспечения заданной величины толщины покрытия, полученного на первоначально погруженном в электролит участке поверхности электропроводящего изделия, при этом поддерживают величину анодного амплитудного напряжения, меньшей величины напряжения, при котором происходит переход процесса электролитического микроплазменного нанесения покрытия в дуговой режим, а после полного погружения изделия в электролит его выдерживают в установленном электрическом режиме до выравнивания толщины покрытия на всей поверхности изделия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят при максимально возможной концентрации в электролите химических компонентов, оксиды которых входят в состав покрытия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину анодного амплитудного напряжения поддерживают меньшей величины напряжения, при котором происходит переход микроплазменного процесса нанесения покрытия в дуговой режим, например, на 5 В.