Способ получения покрытий
Владельцы патента RU 2527107:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") (RU)
Изобретение относится к области обработки поверхностей стальных деталей и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности. Способ включает оксидирование деталей в безыскровом режиме в кислом растворе, дальнейшую выдержку в кипящем водном растворе едкого натра 0,2-0,4 г/л в течение 40-50 минут и последующий нагрев, при этом проводят химическую подготовку поверхностей деталей, затем флюсование в расплавах хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов при температуре 700-800°С, далее жидкостное алитирование в расплаве электротехнического алюминия при температуре 730-760°C в течение 5-6 минут с последующим быстрым охлаждением до температуры 300-400°C, затем в течение 15-25 минут детали оксидируют в кислом растворе, при этом при приготовлении раствора в качестве растворителя используют деионизированную воду, а дальнейший нагрев выполняют в три приема, сначала изделия нагревают до температуры 260-270°C и выдерживают в течение 3-5 минут, затем нагревают до температуры 460-470°C и выдерживают в течение 3-5 минут, далее нагревают до температуры 620-640°C и выдерживают в течение 3-5 минут. Технический результат: получение на деталях из конструкционных низкоуглеродистых сталей керамических покрытий, имеющих хорошее сцепление с основой и свойства, близкие к свойствам покрытий, формируемых на деталях из алюминия и его деформируемых сплавов. 2 табл., 3 ил. 1 пр.
Изобретение относится к области обработки поверхностей стальных деталей, в частности к алитированию и электрохимическому оксидированию, и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности.
Из источников патентной информации известен способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование и последующий нагрев [Патент RU 2081947. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Казанцев И.А. - Бюл. от 20.06.1997]. Оксидирование согласно данному способу реализуется в кислых растворах, в которых растворителем выступает дистиллированная вода. Формирование покрытий происходит в безыскровом режиме при невысоких значениях плотности тока от 1 до 5 А/дм2. На алюминии и его сплавах данный способ обеспечивает формирование керамических покрытий толщиной до 20 мкм с невысокими физико-механическими свойствами. Однако данный способ не позволяет получать аналогичные керамические покрытия на деталях из конструкционных углеродистых сталей.
Также известен способ получения покрытий, включающий нанесение на поверхности деталей частиц алюминия или его сплава в виде слоя требуемых размеров металлическим ворсом вращающейся щетки, скользящей по поверхности бруска из алюминия или его сплава и поверхности детали, и последующее микродуговое оксидирование нанесенного слоя [Патент RU 2381077. Способ формирования износостойкого покрытия. Анцупов В.П, Анцупов А.В., Анцупов А.В., Шинкевич В.П. - Бюл. №4 от 10.02.2010]. Оксидирование согласно данному способу реализуется в щелочных растворах, в которых растворителем также выступает дистиллированная вода. Формирование покрытий происходит в микродуговом режиме при высоких значениях плотности тока от 10 до 30 А/дм2. Однако данный способ не может обеспечить прочного сцепления наносимых на поверхности детали частиц алюминия или его сплава как друг с другом, так и с материалом детали, поскольку этому препятствуют окислы на поверхности наносимых частиц. В связи с этим на поверхности детали весьма проблематично получить плотное керамическое покрытие с хорошими физико-механическими свойствами и прочным сцеплением с материалом детали.
Кроме того, известен способ формирования износостойких покрытий на деталях из сплавов черных и цветных металлов, включающий последовательное нанесение на поверхности деталей подслоя из легкоплавкого сплава и слоя алюминийсодержащей композиции, а также последующее микродуговое оксидирование [Патент RU 2026890. Способ формирования износостойких покрытий. Малышев В.Н., Малышева Н.В., Богданов А.К. - от 20.01.1995]. Оксидирование согласно данному способу реализуется в щелочных растворах, в которых растворителем выступает дистиллированная вода. Формирование покрытий происходит в микродуговом режиме при высоких значениях плотности тока от 10 до 30 А/дм2. Данный способ позволяет получать плотные керамические покрытия на деталях из конструкционных углеродистых сталей и других металлических сплавов. Получаемые покрытия имеют высокую твердость, износостойкость и прочное сцепление с материалами деталей. Однако данный способ отличается высокой технологической сложностью, трудоемкостью и энергоемкостью, а также требует применения специального газоплазменного оборудования.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу является способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование, дальнейшую выдержку в кипящем растворе едкого натра и последующий нагрев [Патент RU 2354759. Способ получения покрытий. Чуфистов О.Е., Демин С.Б., Чуфистов Е.А., Борисков Д.Е., Холудинцев П.А. - Бюлл. №13 от 10.05.2009]. Оксидирование согласно данному способу реализуется в кислых растворах, в которых растворителем выступает дистиллированная вода. Формирование покрытий происходит в течение 30…50 минут в безыскровом режиме при невысоких значениях плотности тока от 1 до 5 А/дм2, а нагрев осуществляется в температурном интервале от 250 до 550°C со скоростью 5…10°C/мин, т.е. время нагрева составляет 30…60 минут. Это обеспечивает формирование керамических покрытий, имеющих достаточную твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и электроизоляционные свойства. Однако данный способ не позволяет получать аналогичные керамические покрытия на деталях из конструкционных углеродистых сталей.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка простого экономичного производительного и не требующего сложного специального оборудования способа получения керамических покрытий на деталях из конструкционных низкоуглеродистых сталей, обеспечивающего значимое комплексное повышение поверхностной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости деталей, а также электроизоляционные свойства покрытий и их хорошее сцепление с материалом деталей.
Технический результат решения поставленной задачи проявляется в разработке способа получения на деталях из конструкционных низкоуглеродистых сталей керамических покрытий со свойствами, близкими к свойствам покрытий, формируемых на деталях из алюминия и его деформируемых сплавов согласно наиболее близкому аналогу [4]. Причем реализация способа должна обеспечиваться без применения газоплазменного напыления и энергоемкого микродугового оксидирования.
Поставленная задача решается в способе получения покрытий на деталях из конструкционных низкоуглеродистых сталей, включающем оксидирование деталей в безыскровом режиме в кислых растворах, дальнейшую выдержку в кипящем водном растворе едкого натра 0,2…0,4 г/л в течение 40…50 минут и последующий нагрев, причем сначала проводят химическую подготовку поверхностей деталей, затем флюсование в расплавах хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов при температуре 700…800°C, далее жидкостное алитирование в расплаве электротехнического алюминия при температуре 730…760°C в течение 5…6 минут с последующим быстрым охлаждением до температуры 300…400°C, потом в течение 15…25 минут осуществляют оксидирование в растворах, при приготовлении которых в качестве растворителя используют деионизированную воду, а дальнейший нагрев выполняют в три приема, сначала детали нагревают до температуры 260…270°C и выдерживают в течение 3…5 минут, затем нагревают до температуры 460…470°C и выдерживают в течение 3…5 минут, далее нагревают до температуры 620…640°C и выдерживают в течение 3…5 минут.
Способ реализуется следующим образом. Детали протравливают в растворе соляной кислоты, промывают проточной водой и сушат, обдувая горячим воздухом. Затем детали закрепляют на штанге и подвергают флюсованию, используя в качестве флюса расплав хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов (хлориды калия, натрия, кальция, бария и т.п.), нагретый до температуры 700…800°C. Флюсование проводят путем погружения деталей в расплав флюса, находящийся в отдельном тигле, с выдержкой, достаточной для прогрева поверхностных слоев деталей до температуры, близкой к температуре флюса. По завершении флюсования детали извлекают из расплава флюса и погружают в расплав электротехнического алюминия, нагретый до температуры 730…760°C, находящийся в отдельном тигле, выдерживают 5…6 минут, сообщая деталям поступательные и вращательные движения. Потом детали извлекают из расплава электротехнического алюминия, охлаждают до температуры 300…400°C, распыляя на их поверхности воду из пульверизатора или обдувая холодным воздухом, отсоединяют их от штанги, промывают водопроводной водой до удаления с их поверхностей следов флюса и дополнительно промывают дистиллированной водой. Далее детали погружают в гальваническую ванну с кислым раствором. Растворителем в данном растворе выступает деионизированная вода, а растворенным веществом - щавелевая, лимонная, сульфосалициловая или иная кислота, пригодная для безыскрового оксидирования и соответствующая квалификации «особо чистая» (о.с.ч.) или «химически чистая» (х.ч.). Затем детали фиксируют так, чтобы они полностью были погружены в раствор, но не контактировали с ванной и катодом. Далее детали контактируют с положительным выходом источника тока и по образовавшейся цепи в течение 15…25 минут пропускают электрический ток, плотность которого на аноде (деталях) составляет 1…5 А/дм2. При этом обеспечивают интенсивное перемешивание кислого раствора в ванне. Потом детали извлекают из ванны, отсоединяют от положительного выхода источника тока, промывают дистиллированной водой, помещают в кипящий щелочной раствор, в котором растворителем выступает дистиллированная вода, а растворенным веществом - едкий натр 0,2…0,4 г/л, соответствующий квалификации «чистый» (ч.) или «химически чистый» (х.ч.), и выдерживают в течение 40…50 минут. После этого детали помещают в печь, прогретую до 260…270°C, и выдерживают 3…5 минут, затем детали загружают в печь, прогретую до 460…470°C, и выдерживают 3…5 минут, далее детали помещают в печь, прогретую до 620…640°C, и выдерживают 3…5 минут. Время с момента выемки деталей из печи до последующей загрузки не имеет принципиального значения.
Основная идея предлагаемого способа заключается в получении на деталях из конструкционных низкоуглеродистых сталей горячих алюминиевых покрытий с помощью жидкостного алитирования и формировании на их основе керамических покрытий с помощью безыскрового оксидирования. При этом керамические покрытия образуются посредством частичного окисления наружных слоев горячих алюминиевых покрытий.
Травление деталей в растворе соляной кислоты удаляет с их поверхностей окислы и остатки вспомогательных технологических веществ, препятствующие получению горячих алюминиевых покрытий, последующее промывание в проточной воде удаляет следы соляной кислоты.
Флюсование в расплавах хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов при температуре 700…800°C одновременно обеспечивает нагрев поверхностей деталей примерно до такой же температуры, дополнительное растворение на них окислов железа, защищает их от окисления и остывания при последующем перемещении деталей в тигель с расплавом алюминия, а также способствует улучшению их смачивания расплавом алюминия [5].
Погружение деталей после флюсования в расплав алюминия с сообщением им поступательных и вращательных движений обеспечивает активное взаимодействие железа и алюминия, необходимое для формирования горячих алюминиевых покрытий. Высокая температура поверхностей деталей, обусловленная нагревом при флюсовании, исключает возможность намораживания на поверхности деталей алюминия расплава, которое способно значимо замедлить рост горячих алюминиевых покрытий.
Формируемое горячее алюминиевое покрытие можно условно разделить на два слоя - наружный, преимущественно состоящий из алюминия, и внутренний, преимущественно состоящий из химических соединений железа и алюминия. Выдержка деталей из конструкционных низкоуглеродистых сталей в течение 5…6 минут в расплаве электротехнического алюминия, нагретого до температуры 730…760°C, в сочетании с быстрым охлаждением до 300…400°С позволяет получать горячие алюминиевые покрытия толщиной 110…130 мкм, у которых толщина наружного алюминиевого слоя составляет 50…60 мкм. При установлении времени выдержки или температуры расплава за пределами указанных интервалов, а также при отсутствии быстрого охлаждения деталей формируются горячие алюминиевые покрытия с меньшей толщиной наружного алюминиевого слоя. Это является нежелательным, поскольку формирование керамического покрытия при последующем оксидировании должно происходить в результате окисления именно наружного слоя горячего алюминиевого покрытия. Чем больше толщина наружного слоя горячего алюминиевого покрытия, тем более толстое керамическое покрытие можно получить на детали.
Быстрое охлаждение поверхностей деталей до 300…400°C после их извлечения из расплава алюминия останавливает образование в горячих алюминиевых покрытиях химических соединений алюминия и железа, тем самым предотвращая снижение толщины наружных слоев, преимущественно состоящих из алюминия [5]. Наиболее рациональным вариантом охлаждения является распыление воды на алитированные поверхности деталей через пульверизаторы, также можно применять обдувание холодным воздухом.
Важно отметить, что строение горячего алюминиевого покрытия зависит и от химического состава материала детали. Чем выше в стали содержание углерода и большинства легирующих элементов, тем ниже общая толщина горячего алюминиевого покрытия и его наружного слоя [5]. Поэтому нецелесообразно подвергать обработке предлагаемым способом детали из углеродистых сталей с содержанием углерода более 0,25…0,30%, а также детали из легированных сталей.
Также желательно, чтобы тигель, в котором находится расплав алюминия, был выполнен из химически нейтрального по отношению к нему материала, например из огнеупорной керамики. В противном случае химические элементы материала тигля могут попасть в формируемое горячее алюминиевое покрытие, а при дальнейшем оксидировании - в формируемое керамическое покрытие и вызвать нарушение его структуры и снижение физико-механических свойств.
Промывание деталей после алитирования водопроводной водой обеспечивает удаление с их поверхностей следов флюса, а последующее промывание в дистиллированной воде способствует удалению следов водопроводной воды и предотвращает попадание растворенных в ней веществ в раствор, в котором реализуется дальнейшее оксидирование.
Оксидирование деталей из низкоуглеродистых сталей с горячими алюминиевыми покрытиями в кислых растворах обеспечивает формирование на них качественных керамических покрытий, состоящих преимущественно из аморфного оксида алюминия Al2O3 и имеющих достаточно высокие физико-механические свойства.
Параметры оксидирования необходимо выбрать таким образом, чтобы окислялись только наружные слои горячих алюминиевых покрытий, причем не на всю толщину во избежание попадания в формируемое керамическое покрытие атомов железа. Желательно, чтобы после оксидирования между керамическим покрытием и внутренним слоем горячего алюминиевого покрытия осталась неокисленная часть его наружного слоя толщиной не менее 5…10 мкм.
Традиционно при приготовлении растворов для оксидирования в качестве растворителя использовали дистиллированную воду. Однако в качестве растворителя лучше использовать деионизированную воду, которая по сравнению с дистиллированной водой отличается гораздо меньшим содержанием посторонних (интерферирующих) ионов и имеет удельную электропроводность примерно на два порядка ниже.
В растворе, в котором растворителем выступает деионизированная вода, формирование покрытий происходит быстрее из-за меньшего числа посторонних ионов, препятствующих протеканию реакций по образованию оксида алюминия, составляющего основу покрытия. Поэтому покрытия получаются более толстыми, плотными и имеют более высокую коррозионную стойкость.
Важно отметить, что растворимое вещество должно обладать достаточной степенью чистоты и соответствовать квалификации «особо чистое» (о.с.ч.) или «химически чистое» (х.ч.), в противном случае в растворе также будет присутствовать большое число интерферирующих ионов, препятствующих протеканию реакций по образованию оксида алюминия.
Исследованиями, проведенными ранее, установлено, что керамические покрытия, получаемые на алюминии и его сплавах безыскровым оксидированием в кислых растворах, в которых растворителем выступает дистиллированная вода, распространяются на 75…80% вглубь и на 20…25% наружу от первоначальной поверхности детали [6]. Аналогичные покрытия, получаемые безыскровым оксидированием в кислых растворах, в которых растворителем выступает деионизированная вода, формируются быстрее и меньше подвергаются растворяющему действию кислого раствора, поэтому распространяются на 70…75% вглубь и на 25…30% наружу от первоначальной поверхности детали. При времени оксидирования 15…25 минут формируется керамическое покрытие толщиной 30…60 мкм, которое распространяется вглубь детали от ее первоначальной поверхности на 20…45 мкм. Таким образом, при этом окисляется только часть наружного слоя горячего алюминиевого покрытия, толщина которой составляет 20…45 мкм. Оставшаяся часть наружного слоя горячего алюминиевого покрытия, толщина которой составляет 5... 15 мкм, не окисляется и выступает барьером, препятствующим попаданию в керамическое покрытие железа из внутреннего слоя горячего алюминиевого покрытия.
Полезно заметить, что обычно толщина горячего алюминиевого покрытия и его наружного слоя является неравномерной. Поэтому на отдельных малых участках на поверхности детали в процессе оксидирования может наблюдаться окисление наружного слоя горячего алюминиевого покрытия на всю толщину и частичное окисление его внутреннего слоя. Однако при этом в керамическое покрытие попадает совокупность атомов железа, не вызывающая значимого нарушения структуры керамических покрытий и снижения их физико-механических свойств.
Промывание деталей после оксидирования дистиллированной водой удаляет с поверхности покрытий остаток электролита, что препятствует его попаданию в раствор едкого натра и нарушению химического состава данного раствора. Промывание водопроводной водой является нежелательным, поскольку также может привести к нарушению химического состава раствора едкого натра.
Выдержка в кипящем водном растворе, содержащем 0,2…0,4 г/л едкого натра, нейтрализует кислотный остаток в порах покрытий, обеспечивая более высокую коррозионную стойкость покрытий при дальнейшей эксплуатации в нейтральных и кислых средах. Вместе с тем выдержка в данном растворе продолжительностью 40…50 минут обеспечивает частичный переход аморфного Al2O3 в кристаллические модификации моно- и тригидроксида алюминия AlO(OH) и Al(OH)3. В результате этого общее содержание кристаллических AlO(OH) и Al(OH)3 в покрытии увеличивается от 2…4% до 5…10%, т.е. примерно в 2,5 раза. При приготовлении раствора для кипячения следует использовать дистиллированную воду и едкий натр, соответствующий квалификации «химически чистый» (х.ч.).
Применение деионизированной воды и едкого натра, соответствующего квалификации «особо чистый» (о.с.ч.), увеличивает себестоимость раствора. При этом, несмотря на промывание деталей в дистиллированной воде после оксидирования, в порах покрытий остается кислотный остаток. Его ионы, попадая в раствор едкого натра при кипячении, нарушают его химический состав, ввиду чего после непродолжительного использования разница между растворами, в которых растворителем выступает деионизированная или дистиллированная вода, а в качестве растворенного вещества едкий натр, соответствующий квалификации чистый (ч.), химически чистый (х.ч.) или особо чистый (о.с.ч.), становится незначимой.
Применение водопроводной воды и едкого натра, соответствующего квалификации «чистый» (ч.) или чистый для анализа (ч.д.а.), тоже нецелесообразно, поскольку большое число посторонних (интерферирующих) ионов препятствует протеканию реакций нейтрализации кислотного остатка в порах покрытий и перехода аморфного Al2O3 в кристаллические AlO(OH) и Al(OH)3.
Важно отметить, что концентрация едкого натра 0,2…0,4 г/л обеспечивает максимальную интенсивность перехода аморфного Al2O3 в кристаллические AlO(OH) и Al(OH)3 и нейтрализации кислотного осадка в порах покрытий. Меньшая концентрация не обеспечивает проявления данных процессов, а большая вызывает травление покрытий и появление в их порах щелочного остатка. Выдержка деталей в кипящем растворе указанного состава в течение 40…50 минут обеспечивает полное завершение переходов аморфного Al2O3 в кристаллические Al(OH) и Al(OH)3 в покрытиях.
Дальнейший нагрев вызывает изменения в покрытиях, которые заключаются в переходах кристаллических Al(OH) и Al(OH)3 в кристаллический Al2O3, превосходящий аморфный Al2O3 и кристаллические AlO(OH) и Al(OH)3 по твердости и износостойкости в несколько раз, а по электрическому сопротивлению на 1…2 порядка.
Указанные изменения протекают при разных температурах. В работах [7, 8] предлагалось проводить мгновенный нагрев деталей с покрытиями до температур 490…500°C и выше с последующей выдержкой. Однако при таком нагреве переходы кристаллических AlO(OH) и Al(OH)3 в кристаллический Al2O3 протекают одновременно. Это является причиной ускоренного изменения объема отдельных структурных составляющих покрытий, приводящего к возникновению микротрещин и снижению твердости, износостойкости, коррозионной стойкости.
Согласно наиболее близкому аналогу [4] предлагалось проводить постепенный нагрев изделий с покрытиями от 250 до 550°C со скоростью 5…10°C/мин. Такой нагрев обеспечивает последовательное изменение фазового состава, отсутствие микротрещин и высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, однако продолжительность такого нагрева составляет 30…60 минут, что значительно увеличивает общее время обработки.
Современными исследованиями [9] установлено, что при нагреве керамических покрытий на деталях из алюминия и его сплавов в температурном интервале от 20 до 600°C происходят изменения трех видов. Изменения первого вида начинаются при температуре около 190°C и заключаются в переходе тригидроксида алюминия в моногидроксид. Изменения второго вида начинаются при температуре около 280°C и заключаются в переходе одной из модификаций моногидроксида алюминия - бемита в γ-Al2O3. Изменения третьего вида начинаются при температуре около 480°С и заключаются в переходе твердой модификации моногидроксида алюминия - диаспора в самую плотную и твердую модификацию кристаллического оксида алюминия - α-Al2O3.
Важно отметить, что для рассмотренных изменений требуется определенное время, которое зависит от температуры нагрева. Чем выше температура нагрева, тем меньше требуется времени для завершения изменений. Например, для завершения изменений первого и второго вида достаточно 3…5 минут, если нагрев осуществляется до температур 260…270°C и 460…470°C соответственно.
Для сокращения времени получения покрытий представляется целесообразным проводить нагрев не во всем температурном интервале указанных изменений, а в отдельных его фрагментах, причем так, чтобы изменения происходили последовательно. Наиболее рациональным является последовательное проведение нагрева до 260…270°C с выдержкой 3…5 минут, нагрева до 460…470°C с выдержкой 3…5 минут и нагрева до 620…640°C с выдержкой 3…5 минут
Нагрев покрытий до температур 260…270°C с выдержкой 3…5 минут обеспечивает полное завершение изменения первого вида, заключающегося в переходе тригидроксида алюминия в моногидроксид. При этом исключается возможность изменений второго и третьего видов.
Последующий нагрев покрытий до температур 460…470°C с выдержкой 3…5 минут обеспечивает полное завершение изменения второго вида, заключающегося в переходе бемита в γ-Al2O3. При этом исключается возможность изменений третьего вида.
Окончательный нагрев покрытий до температур 620…640°C с выдержкой 3…5 минут обеспечивает полное завершение изменения третьего вида, заключающегося в переходе диаспора в α-Al2O3. При этом практически исключается возможность расплавления горячего алюминиевого покрытия, поскольку оно относится к числу материалов системы «алюминий-железо», плавление которых начинается при температуре около 655°C [10].
Предлагаемый способ поясняется схемами, приведенными на фиг.1, 2, 3. На фиг.1 показано расположение слоев горячего алюминиевого покрытия на детали, к стали 1 примыкает внутренний слой 2, преимущественно состоящий из химических соединений железа и алюминия, далее располагается внешний слой 3, преимущественно состоящий из алюминия. На фиг.2 показано расположение керамического покрытия 4 относительно горячего алюминиевого покрытия после его частичного окисления, первоначальная поверхность горячего алюминиевого покрытия показана штриховой линией. На фиг.3 показаны три фазы нагрева керамических покрытий и отражены протекающие изменения их фазового состава.
Пример. Детали, представляющие собой диски диаметром 30 мм и толщиной 10 мм, изготовленные из сталей 08 и 20, подвергали обработке с целью проверки практической ценности предлагаемого способа.
Сначала 12 деталей из стали 08 и 12 деталей из стали 20 подвергали алитированию. Детали закрепляли на штанге, погружали в 16%-ный раствор соляной кислоты, выдерживали 2 минуты, извлекали из раствора, промывали проточной водой и сушили, обдувая горячим воздухом. Затем детали погружали в расплавы флюса, в качестве которого использовали смесь хлорида калия и хлорида натрия в соотношении 1:1, нагретую до температуры 750…760°C, и выдерживали в течение 5 минут. После извлечения деталей из расплава флюса их и погружали в расплав электротехнического алюминия, нагретый до 750°C, и выдерживали 5,5 минут, сообщая деталям поступательные и вращательные движения. При извлечении деталей из расплава электротехнического алюминия их поверхности охлаждали до температуры 300…400°C, распыляя на них воду из пульверизатора. После полного охлаждения деталей на воздухе их отсоединяли от штанги и промывали проточной водой до полного удаления следов флюса.
Из числа алитированных деталей отбирали 3 детали из стали 08 и 3 детали из стали 20. Используя эти детали, определяли общую толщину горячих алюминиевых покрытий и толщину их наружных слоев. Результаты измерений представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| Толщина горячего алюминиевого покрытия и его наружного слоя | ||
| Марка стали детали | Толщина наружного слоя горячего алюминиевого покрытия, мкм | Общая толщина алюминиевого покрытия, мкм |
| Сталь 08 | 58,37 | 128,19 |
| Сталь 20 | 53,62 | 116,94 |
Оставшиеся алитированные детали делили на группы - 3 группы деталей из стали 08 (по 3 детали в каждой группе) и 3 группы деталей из стали 20 (по 3 детали в каждой группе).
Детали первых групп оксидировали в течение 25 минут в растворе, в котором растворителем выступала дистиллированная вода, а растворенным веществом - особо чистая (о.с.ч.) щавелевая кислота 40 г/л, при плотности тока на аноде 3 А/дм2 и средней температуре раствора 20°C. Затем детали выдерживали в течение 45 минут в кипящем растворе, в котором растворителем выступала дистиллированная вода, а растворенным веществом - химически чистый (х.ч.) едкий натр 0,3 г/л. Далее детали нагревали в печи от 250°C до 550°C со скоростью около 7,5°C/мин в течение 40 минут.
Детали вторых групп оксидировали в течение 25 минут в растворе, в котором растворителем выступала дистиллированная вода, а растворенным веществом - особо чистая (о.с.ч.) щавелевая кислота 40 г/л, при плотности тока на аноде 3 А/дм2 и средней температуре раствора 20°C. Затем детали выдерживали в течение 45 минут в кипящем растворе, в котором растворителем выступала дистиллированная вода, а растворенным веществом - химически чистый (х.ч.) едкий натр 0,3 г/л. Далее детали помещали в печь, нагретую до 265°C, и выдерживали 4 минуты, затем их помещали в печь, нагретую до 465°C, и выдерживали 4 минуты, потом их помещали в печь, нагретую до 635°C, и выдерживали 4 минуты.
Детали третьих групп промывали дистиллированной водой и оксидировали в течение 25 минут в растворе, в котором растворителем выступала деионизированная вода, а растворенным веществом - особо чистая (о.с.ч.) щавелевая кислота 40 г/л, при плотности тока на аноде 3 А/дм2 и средней температуре раствора 20°C. Затем детали выдерживали в течение 45 минут в кипящем растворе, в котором растворителем выступала дистиллированная вода, а растворенным веществом - химически чистый (х.ч.) едкий натр 0,3 г/л. Далее детали помещали в печь, нагретую до 265°C, и выдерживали 4 минуты, затем их помещали в печь, нагретую до 465°C, и выдерживали 4 минуты, потом их помещали в печь, нагретую до 635°C, и выдерживали 4 минуты.
Далее определяли толщину, твердость, износостойкость, электрическое сопротивление и коррозионную стойкость покрытий. Толщину и твердость покрытий измеряли по стандартным методикам [11, 12] на микротвердомере ПМТ-3. Износостойкость покрытий определяли по известным методикам [13, 14] путем испытаний на трение и изнашивание на установке УМТ-1 и станке ЦРС-50М. Электрическое сопротивление измеряли по стандартной методике [15] на тераомметрах Е6-3 и ЕК6-7. Коррозионную стойкость покрытий определяли по известной методике [16] с выдержкой деталей в 5%-ном растворе уксусной кислоты в течение 1000 часов.
В процессе определения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости не наблюдали отслаивания от основы горячих алюминиевых и керамических покрытий, что указывает на их прочное сцепление с материалом детали.
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства керамических покрытий | ||||||
| Марка стали детали | № группы детали | Толщина, мкм | Поверхностная твердость, ГПа | Поверхностная износостойкость, условные единицы | Электрическое сопротивление, Ом | Скорость коррозии, мг/м2 год |
| Сталь 08 | 1 | 51,10 | 483,97 | 1,42 | 1,16×1012 | 209,94 |
| 2 | 51,10 | 485,42 | 1,42 | 1,16×1012 | 209,01 | |
| 3 | 56,26 | 492,73 | 1,42 | 1,29×1011 | 197,58 | |
| Сталь 20 | 1 | 47,38 | 480,72 | 1,41 | 1,21×1012 | 216,05 |
| 2 | 47,38 | 481,09 | 1,41 | 1,21×1012 | 215,96 | |
| 3 | 52,17 | 486,68 | 1,42 | 1,34×1012 | 204,61 |
Результаты определения толщины, твердости, поверхностной износостойкости, электрического сопротивления и коррозионной стойкости покрытий приведены в таблице 2. Они показывают, что обработка согласно предлагаемому способу позволяет получать на деталях из конструкционных низкоуглеродистых сталей керамические покрытия со свойствами, близкими к свойствам покрытий, формируемых на деталях из алюминия и его деформируемых сплавов согласно наиболее близкому аналогу [4]. В частности, по поверхностной твердости и износостойкости покрытия, полученные согласно предлагаемому способу, превосходят покрытия, полученные на деталях из АМг3 и Д16. По электрическому сопротивлению покрытия, полученные согласно предлагаемому способу, превосходят покрытия, полученные на деталях из АД0. По коррозионной стойкости в кислых средах покрытия, полученные согласно предлагаемому способу, превосходят покрытия, полученные на деталях из Д16.
Важно отметить, что у покрытий, формируемых в частичном соответствии предлагаемому способу (табл.2), свойства ниже, чем у покрытий, формируемых в полном соответствии предлагаемому способу.
Также следует обратить внимание на то, что за счет сокращения времени оксидирования деталей с 40…50 до 15…25 минут и времени выдержки деталей при нагреве с 30…60 минут до 9…15 минут длительность получения керамических покрытий на конструкционных низкоуглеродистых сталях согласно предлагаемому способу как минимум не превышает длительность получения покрытий на деталях из алюминия и его деформируемых сплавов согласно наиболее близкому аналогу [4].
Предлагаемый способ является простым, производительным и реализуется без применения газоплазменного напыления и микродугового оксидирования.
Источники информации
1. Патент RU 2081947. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Казанцев И.А. от 20.06.1997.
2. Патент RU 2381077. Способ формирования износостойкого покрытия. Анцупов В.П, Анцупов А.В., Анцупов А.В., Шинкевич В.П. - Бюл. №4 от 10.02.2010.
3. Патент RU 2026890. Способ формирования износостойких покрытий. Малышев В.Н., Малышева Н.В., Богданов А.К. от 20.01.1995.
4. Патент RU 2354759. Способ получения покрытий. Чуфистов О.Е., Демин С.Б., Чуфистов Е.А., Борисков Д.Е., Холудинцев П.А. - Бюлл. №13 от 10.05.2009 (прототип).
5. Рябов В.Р. Алитирование стали. - М.: Металлургия, 1973. - 240 с.
6. Чуфистов О.Е. Изменение геометрических размеров изделий из алюминиевых сплавов в процессе обработки анодным оксидированием. // Практика противокоррозионной защиты. - 2006. - №3(41). - С.49-53.
7. Патент RU №2136788. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Дурнев В.А. - Бюл. №25 от 10.09.1999.
8. Патент RU №2166570. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Дрязгин А.В., Симцов В.В. - Бюл. №13 от 10.05.2001.
9. Чуфистов О.Е. Изменения структуры, фазового состав и свойств МДО-покрытий на алюминии при нагреве. // Труды междунар. научн.-практ.конф. «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении». - М.: Машиностроение, 2010. - С.529-532.
10. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 649 с.
11. ГОСТ 9.302-88. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля. - М.: Изд-во стандартов. - М.: Изд-во стандартов, 1990.
12. ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78). Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. - М.: Изд-во стандартов, 1993.
13. Крагельский И.В. Трение и износ.- М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.
14. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. - М.: Наука, 1970. - 252 с.
15. ГОСТ 6433.2-71. Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения электрических сопротивлений при постоянном напряжении. - М.: Изд-во стандартов, 1978.
16. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защита металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 328 с.
Способ получения покрытий на деталях из конструкционных низкоуглеродистых сталей, включающий оксидирование деталей в безыскровом режиме в кислом растворе, дальнейшую выдержку в кипящем водном растворе едкого натра 0,2-0,4 г/л в течение 40-50 минут и последующий нагрев, отличающийся тем, что сначала проводят химическую подготовку поверхностей деталей, затем флюсование в расплавах хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов при температуре 700-800°С, далее жидкостное алитирование в расплаве электротехнического алюминия при температуре 730-760°C в течение 5-6 минут с последующим быстрым охлаждением до температуры 300-400°C, затем в течение 15-25 минут детали оксидируют в кислом растворе, при этом при приготовлении раствора в качестве растворителя используют деионизированную воду, а дальнейший нагрев выполняют в три приема, сначала изделия нагревают до температуры 260-270°C и выдерживают в течение 3-5 минут, затем нагревают до температуры 460-470°C и выдерживают в течение 3-5 минут, далее нагревают до температуры 620-640°C и выдерживают в течение 3-5 минут.
