Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области получения износостойких покрытий, и может быть использовано для повышения эксплуатационных свойств поверхностей изделий из алюминиевых, в том числе алюминиево-кремниевых, сплавов. Оксидное износостойкое покрытие на поверхности алюминиевого сплава, полученное методом микродугового оксидирования, содержит в своем составе устойчивые и неустойчивые модификации окиси алюминия, при этом оно содержит в составе высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2 в виде стишовита, коэсита тридимита и/или кристобалита при их суммарном содержанием от 1 до 40%. Технический результат изобретения - повышение износостойкости, микротвердости и теплоизоляционных свойств оксидного слоя. 1 пр., 3 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для создания износостойких, теплостойких и коррозионно-стойких поверхностных слоев на алюминиевых сплавах.

Поверхностный слой на основе оксида базового материала для изделий из алюминиевого сплава отличается тем, что в матрице различных фаз оксида алюминия (α-Al2O3, γ-Al2O3, η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.) содержатся включения таких фаз оксида кремния, как стишовита (stishovite), тридимита (tridymite), кристобалита (cristobalite), коэсита (coesite), общим содержанием от 1 до 40%.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области получения износостойких покрытий на поверхности изделий, и может быть использовано для повышения эксплуатационных свойств поверхностей изделий из алюминиевых, в том числе алюминиево-кремниевых, сплавов.

Известны износостойкие покрытия, в том числе и композиционные, получаемые различными способами на поверхности изделий из алюминиевых сплавов. Например, способами напыления или наплавки получают покрытия, которые состоят из сложных по структуре и составу компонентов, что обеспечивает высокие эксплуатационные свойства покрываемому изделию (см. патент РФ №2198066 «Способ восстановления изношенных деталей из алюминия и его сплавов»).

Одним из наиболее значимых недостатков таких покрытий и способов их получения является сложность обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с металлом основы, вследствие чего высока вероятность отслаивания покрытия и нарушения его сплошности.

Известны покрытия, формируемые на алюминиевых сплавах с помощью МДО, которые имеют высокую прочность сцепления с основой, твердость и износостойкость.

Например, патент РФ №2453640 Тонкослойное керамическое покрытие, способ его получения, поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия и способ ее получения.

Тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, образованной с возможностью впитывания смазки нитевидными кристаллами α-Al2O3, характеризующимися способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин с поперечным размером ~1 нм и более вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке, полученное следующим способом: микродуговое оксидирование детали, содержащей алюминий и включающей медь в количестве 3,5-10% с использованием катода из электролитически нерастворимого металла в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Ic/Ia=1,0-1,15 в течение 90-240 мин последовательно в двух электролитах, при этом первый электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением 2-5 г/л жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO2 и Al2O3 в соотношении 70% и 30% соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л, а второй электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 1-3 г/л с добавлением 1-3 г/л жидкого стекла, а микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30-50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных α-Al2O3.

Основные недостатки - сложность формирования покрытия (2 электролита и регулировка источника тока), а также применение только на сплавах, содержащих от 3,5 до 10% меди, что ограничивает возможности изобретения, так как большое число алюминиевых сплавов не содержат медь в указанных концентрациях.

Также известно тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения (патент РФ №2086713).

Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из α-Al2O3, расположенных в мелкокристаллической матрице γ-Al2O3 и муллита 3Al2O3 2SiO2, отличающееся тем, что по крайней мере часть кристаллов α-Al2O3 имеет нитевидную форму и свита в клубки. Обрабатывают материал в виде алюминийсодержащей металлической композиции, включающей медь в количестве 4-10%, являющейся одним электродом, в качестве второго электрода используют электрически нерастворимый металл.

Основной недостаток - применение только на сплавах, содержащих от 4 до 10% меди, что ограничивает возможности изобретения, так как большое число алюминиевых сплавов не содержат медь в указанных концентрациях.

Ближайшим прототипом является Износостойкое композиционное покрытие и способ его получения (патент РФ №2361970). Заявляемое покрытие отличается тем, что пространство между включениями высококремнистой фазы (то есть включениями с содержанием кремния не меньше, чем в двуокиси кремния SiO2), выступающими над поверхностью чистого алюминия, заполнено различными устойчивыми (α-Al2O3 и γ-Al2O3) и промежуточными неустойчивыми (η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.) модификациями окиси алюминия. В результате решается техническая задача создания износостойких покрытий алюминиевых сплавов с использованием частиц кремния, имеющихся в составе обрабатываемых сплавов (в виде включений первичного кремния) или специально вводимых в поверхность алюминиевого сплава, не содержащего крупных включений первичного кремния.

Основной недостаток - сложные мероприятия по созданию требуемой структуры сплава основы (включению частиц кремния) и наличие непрочных фаз оксида алюминия (γ-Al2O3, η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.), что ведет к недостаточно высоким механическим свойствам.

Раскрытие изобретения (описание технической сущности заявляемого технического решения)

Заявляемое покрытие решает техническую задачу создания износостойких теплостойких и коррозионно-стойких покрытий алюминиевых сплавов с использованием в составе покрытия высокопрочных фаз оксида кремния, образующихся в ходе микродугового оксидирования.

Заявляемое покрытие отличается от прототипа тем, что в оксидном слое, состоящем из различных устойчивых (α-Al2O3 и γ-Al2O3) и промежуточных неустойчивых (η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.) модификаций окиси алюминия, распределены высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2, такие как: стишовита (stishovite), тридимита (tridymite), кристобалита (cristobalite), коэсита (coesite), общим содержанием от 1 до 40% (таблица 1).

Для получения заявляемого покрытия можно использовать микродуговое оксидирование (МДО) с добавкой в электролит 0,5-10 г/л мелкодисперсного (до 1 мкм) порошка диоксида кремния SiO2.

Технический результат изобретения - повышение износостойкости, микротвердости и теплоизоляционных свойств оксидного слоя по сравнению с аналогами, а также повышение однородности микрорельефа поверхности после МДО (снижение шероховатости поверхности покрытия).

Исследования оксидного слоя осуществляли по следующим методикам. Рентгеноструктурный анализ осуществляли на рентгеновском дифрактометре Shimadzu Maxima XRD-7000 с фильтрованным Cu-Kα излучением. Количественное содержание различных фазовых составляющих оксидного слоя уточняли но методу Ритвельда.

Структуру и морфологию поверхности оксидных слоев исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss Sigma 02-09 и конфокального лазерного микроскопа Olympus LEXT OLS4000.

Микротвердость оценивали по Виккерсу (ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007) с помощью микротвердомера Shimadzu HMV-2 при нагрузке 1 H (HV0,1).

Триботехнические свойства исследовали но схеме возвратно-поступательного движения индентора по плоскому образцу в режиме сухого трения, используя универсальный трибометр Nanovea TRB 50N с индентором типа шар из стали SCH12 (40Х24Н12СЛ) в соответствии с требованиями стандарта ASTM G133 - 95 Туре А.

Теплопроводность оксидного слоя определялась методом постоянного теплового потока.

Пример технического эффекта изобретения.

Оксидные слои на сплавах АК6М2 и АК9Пч, сформированные МДО и содержащие в своем составе не менее 50% α-фазы оксида алюминия Al2O3 (корунда) и высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2, такие как: стишовита (stishovite), тридимита (tridymite), кристобалита (cristobalite), коэсита (coesite), показали улучшенные характеристики по сравнению с прототипом. Так, в структуре оксидного слоя снижается количество микротрещии, пор и других внутренних дефектов (фиг. 1 и 2), а также становится более однородной поверхность получаемого покрытия (таблица 2).

Микротвердость предлагаемого оксидного слоя увеличена на 30-35% по сравнению с прототипом (таблица 3)

Также предлагаемый оксидный слой обладает существенно более высокой износостойкостью по сравнению с прототипом. При испытаниях износ образца оксидного слоя уменьшился при модифицировании электролита с 19,3⋅10-6 г/(м⋅Н) до 5,7⋅10-6 г/(м⋅Н), то есть более чем в три раза (фиг 3, а). Линейная интенсивность изнашивания уменьшилась более чем в 3 раза - с 14,2 мкм/м до 4 мкм/м (фиг. 3, б). При этом наблюдается снижение износа индентора примерно в 5-7 раз.

Теплоизоляционные свойства предлагаемого оксидного слоя существенно выше, чем у прототипа: коэффициент теплопроводности покрытия уменьшился более чем в 5 раз по сравнению с прототипом.

Краткое описание графических материалов

Фиг. 1. Макроструктура оксидного слоя на алюминиево-кремниевом сплаве АК6М2:

а - синтезированный по способу прототипа;

б - предлагаемое изобретение.

Фиг. 2. Макроструктура оксидного слоя на алюминиево-кремниевом сплаве АК9пч:

а - синтезированный по способу прототипа;

б - предлагаемое изобретение.

Фиг. 3 - Приведенный износ (а) и линейная интенсивность изнашивания (б) в паре трения «оксидный-слой - сталь SCH12», где - прототип, - предлагаемый слой.

Фиг. 4 - Теплопроводность оксидных слоев на силуминах АК6М2 и АК9пч при температуре 100°C; - прототип, - предлагаемый оксидный слой.

Оксидное износостойкое покрытие на поверхности алюминиевого сплава, полученное методом микродугового оксидирования, содержащее в своем составе устойчивые и неустойчивые модификации окиси алюминия, отличающееся тем, что оно содержит в составе высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2 в виде стишовита, коэсита тридимита и/или кристобалита при их суммарном содержании от 1 до 40%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству полосы, изготовленной из алюминия или алюминиевого сплава. Осуществляют обезжиривание и анодирование поверхности полосы посредством ее погружения в ванну с кислотным электролитом и приложения переменного тока для образования оксидного слоя на поверхности полосы.

Изобретение относится к бронезащитной структуре и способу ее производства. Бронезащитная структура состоит из пористого открытоячеистого алюминия, содержащего 60-70% открытых взаимосообщающихся пор с диаметром в диапазоне от 0,14 мм до 0,5 мм.
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для создания теплозащитных покрытий на поршнях из алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для создания противовирусных устройств. Противовирусное алюминиевое устройство, способное инактивировать вирус, содержит анодную оксидную пленку, полученную анодированием алюминиевого материала, и имеет поры, внутри которых присутствует противовирусное неорганическое соединение.

Изобретение относится к способам получения супергидрофобных покрытий с высокими защитными свойствами, обеспечивающими эффективное снижение скорости коррозионных процессов при эксплуатации конструкций и сооружений из сплавов алюминия в атмосфере с высокой влажностью и в агрессивной среде.

Изобретение может быть использовано при изготовлении двигателя внутреннего сгорания. В двигателе (10) внутреннего сгорания на всей стенке, выходящей в камеру сгорания (NS), или на ее части сформировано анодно-оксидированное пленочное покрытие (61), (62), (63), (64).

Изобретение относится к области электрохимических процессов, а конкретно к анодному окислению металлов и полупроводников. .

Изобретение относится к способам получения магнитных материалов, в частности магнитоактивных оксидных покрытий на вентильных металлах, преимущественно алюминии и его сплавах и титане и его сплавах, и может найти применение в конструкциях электромагнитных экранов и поглотителей электромагнитного излучения.

Изобретение относится к сплаву системы Al-Mg-Si, способу его изготовления, а также к изготовленному из него конструктивному элементу. .
Изобретение относится к нанесению изоляционного покрытия на текстурованную электротехническую листовую сталь. Предложены варианты обрабатывающего раствора для нанесения не содержащего хрома изоляционного покрытия, содержащие одно или несколько соединений, выбранных из фосфатов Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, Al или фосфата Mn, а также коллоидный диоксид кремния в количестве 50-120 мас.

Изобретение относится к покрытой высокотемпературной конструкционной детали с кобальтовым покрытием. Высокотемпературная конструкционная деталь содержит металлическую подложку (4, 4') из жаростойкого сплава, причем жаростойкий сплав представляет собой сплав на основе никеля или кобальта и имеет первое содержание углерода.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят ионно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида ниобия и циркония при их соотношении, ат.

Изобретение может быть использовано при нанесении оксидного покрытия, в частности Al-Cr-O, на подложку методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Осуществляют нанесение реакционного PVD-покрытия на поверхность подложки в камере с использованием технологического газа, содержащего химически активный газ, в частности кислород, реагирующий с ионами металлов, полученными из по меньшей мере одной мишени, для осаждения по меньшей мере одного слоя, состоящего из Al, Cr, Si и О.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области получения износостойких покрытий, и может быть использовано для повышения эксплуатационных свойств поверхностей изделий из алюминиевых, в том числе алюминиево-кремниевых, сплавов. Оксидное износостойкое покрытие на поверхности алюминиевого сплава, полученное методом микродугового оксидирования, содержит в своем составе устойчивые и неустойчивые модификации окиси алюминия, при этом оно содержит в составе высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2 в виде стишовита, коэсита тридимита иили кристобалита при их суммарном содержанием от 1 до 40. Технический результат изобретения - повышение износостойкости, микротвердости и теплоизоляционных свойств оксидного слоя. 1 пр., 3 табл., 4 ил.

Наверх