Электролитический способ нанесения защитных и электроизоляционных покрытий

Изобретение относится к электролитическим способам нанесения защитных покрытий и может быть использовано в авиационной, судостроительной, нефте- и газодобывающей, перерабатывающей промышленности, прецизионном машиностроении, приборостроении и медицинской технике. Способ включает микродуговое оксидирование (МДО) путем создания разности потенциалов между обрабатываемой деталью (анод) и вторым электродом (катод) с инициированием микроплазменных разрядов и с приложением давления на обрабатываемую поверхность, при этом МДО поверхности производят при гидростатических давлениях от 1,1 до 100 атм в автоклавах с использованием при формировании покрытий наноразмерных порошковых материалов фракцией от 3-300 нм и их массовой доли 5,5-12,0%, вводимых в электролит. Технический результат: повышение защитных и электроизоляционных свойств покрытия за счет существенного снижения пористости. 1 табл.

 

Изобретение относится к электролитическим способам нанесения функциональных защитных покрытий и может быть использовано в авиационной и судостроительной промышленности, нефте-, газодобывающей и перерабатывающей промышленности, прецизионном машиностроении, приборостроении и медицинской техники.

Известны следующие способы нанесения покрытий: «холодное» газодинамическое напыление, детонационное напыление, ионно-плазменное напыление, микроплазменное напыление и др. Общим недостатком данных методов является невозможность обработки изделий сложной формы. Поэтому для обработки таких изделий используются химические и электрохимические способы получения покрытий.

Известен «Электролитический способ нанесения защитных покрытий на поверхность металлов и сплавов» патент РФ №2294987 МКИ C25D 11/02, опубл. 10.03.2007, «Способ нанесения электролитического покрытия на поверхность металлов и сплавов» патент РФ №2112086 МКИ C25D 11/00, опубл. 27.05.98 г., «Способ нанесения коррозионно- и износостойкого оксидного слоя с локально уменьшенной толщиной на поверхности металлической детали» патент Германии №4442792 МКИ C25D 11/02, опубл. 04.05.98 г.

К недостаткам указанных способов обработки поверхности металлов относится большая пористость получаемых покрытий и, как следствие, существенное снижение защитных свойств.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и взятым в качестве прототипа является «Способ получения покрытий» патент РФ №2250937, МКИ C25D 11/02, опубл. 27.04.05 г.

Формула изобретения прототипа: способ получения покрытий, включающий микродуговое оксидирование изделий в щелочных и кислотных электролитах, отличающийся тем, что покрытия на изделиях из магния, алюминия, титана, циркония, ниобия, тантала и их сплавов формируют на основе керамических, полимерных, металлических, стекловидных, керамико-металлических, керамико-полимерных, керамико-стекловидных порошковых частиц, равномерно перемещаемых в растворе электролита у покрываемой поверхности изделий и имеющих температуру плавления, не превышающую температуру микродуговых разрядов, при этом размер частиц не должен превосходить 5 мкм, а их массовая доля 0,5-5% от массы электролита.

Недостатками данного способа являются то, что при использовании частиц порошка с температурой плавления, превышающей температуру микродуговых разрядов, покрытие формируется на отдельных участках, с отдельными очагами оплавления указанных частиц при формировании покрытия, а также высокая пористость покрытий.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что электролитический способ нанесения защитных и электроизоляционных покрытий на поверхность металлов и сплавов, включающий микродуговое оксидирование путем создания разности потенциалов между обрабатываемой деталью (анод) и вторым электродом (катод) с инициированием микроплазменных разрядов и с приложением давления на обрабатываемую поверхность, отличается тем, согласно изобретению, что микродуговое оксидирование поверхности производится при гидростатических давлениях от 1,1 до 100 атм в автоклавах с использованием при формировании покрытий наноразмерных порошковых материалов фракцией от 3-300 нм и их массовой доли 5,5-12,0%, вводимых в электролит.

Целью изобретения является повышение защитных и электроизоляционных свойств покрытия за счет существенного снижения пористости.

Способ обработки осуществляется следующим образом:

Обрабатываемая деталь помещается на токоподводе в автоклав из коррозионностойкой стали с таким рабочим объемом и толщиной стенки, который обеспечивает свободное размещение детали и ее безопасную экспозицию при давлениях, превышающих рабочее (50-100 атм).

Токоподвод детали выводится из внутреннего объема автоклава через электроизолирующее - уплотняющее устройство, обеспечивающее равнопрочность всего устройства.

Автоклав снабжается монометром и запорным клапаном для контроля внутреннего давления различных газов.

Электролитом служат водные растворы минеральных солей, рекомендованные для микродуговой обработки конкретного материала в традиционных условиях (т.е. без избыточного давления).

Катодом может служить корпус автоклава при выполнении соответствующих требований безопасности, либо другой металлический электрод с электроизолирующим - уплотняющим устройством.

Рекомендуются две схемы ведения обработки:

- начинают обработку в герметично закрытом автоклаве при отсутствии избыточного давления. По мере выполнения МДО давление увеличивается за счет выделения газообразных продуктов электролиза электролита;

- предварительно в автоклаве создается избыточное давление требуемой величины путем подсоединения к магистрали (баллону) конкретного газа. По мере выполнения обработки необходимо поддерживать давление на заданном значении до полного окончания процесса.

Конкретный пример реализации предложения. Изделия из титана ВТ1-0 подвергали микродуговому оксидированию на установке, позволяющей вести процесс электрохимической обработки в гальваностатическом режиме с тиристорным управлением типа ТПР. Продолжительностью процесса 5-80 мин при плотности тока 0,510 А/дм², напряжении до 350 B, в слабощелочном электролите Na₃PO₄-12H₂O

15 г/л с избыточным давлением 1,1-100 атм, предпочтительны следующие значения давления 1,1; 50,0; 100 атм. В раствор электролита вводились частицы порошка титана ВТ1-0 фракцией от 3-300 нм в количестве 5 г/л.

Давление создавалось по указанным схемам.

Результаты испытаний сведены в табл.1.

Введение в электролит наноразмерных частиц порошка, массовая доля которых 5,5-12,0%, является наиболее оптимальным. При введении менее 5,5% массы частиц от массы электролита ухудшаются следующие характеристики получаемого покрытия: микротвердость, пористость, параметр шероховатости, электросопротивление, коррозионная стойкость, а при введении больше 12% мощность микродугового разряда недостаточна для обеспечения взаимодействия частиц с подложкой, их закрепления на подложке, в результате чего покрытие становится значительно более пористым, чем при рекомендуемой концентрации частиц и может осыпаться.

При приложении давления меньше 1,1 атм свойства покрытия остаются практически того же качества, что и без обработки, а при давлении больше 100 атм покрытие получается толстым, пористым, хрупким и непригодным для эксплуатации.

Использование частиц размером менее 3 нм технологически для процесса микродугового оксидирования невозможно из-за их «комкования».

А при введении частиц размером более 300 нм покрытие получается неоднородным с существенным разбросом по толщине покрытия.

Эффективностью процесса является снижение энергозатрат при проведении процесса, возможность обрабатывать детали сложной геометрии, снижение пористости покрытия, а следовательно, увеличение коррозионной стойкости и электроизоляционных свойств.

Электролитический способ нанесения защитных и электроизоляционных покрытий на поверхность металлов и сплавов, включающий микродуговое оксидирование путем создания разности потенциалов между обрабатываемой деталью (анод) и вторым электродом (катод) с инициированием микроплазменных разрядов и с приложением давления на обрабатываемую поверхность, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование поверхности проводят в автоклавах при гидростатических давлениях от 1,1 до 100 атм с использованием для формирования покрытий наноразмерных порошковых материалов фракцией от 3-300 нм и их массовой доли 5,5-12,0%, вводимых в электролит.