Способ микродугового нанесения покрытия на поверхность изделия

 

Изобретение относится к электролитическому нанесению покрытия на поверхность изделий, в частности, к микродуговому оксидированию поверхности. Способ микродугового нанесения покрытия заключается в следующем: покрываемое изделие помещают в электролит и создают разность потенциалов между электролитом и изделием, одновременно воздействуя на изделие постоянным и/или переменным магнитным полем. В процессе нанесения покрытия можно также воздействовать на электролит ультразвуковыми колебаниями. В результате использования данного способа улучшаются характеристики получаемого покрытия. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится у электролитическому нанесению покрытия на поверхность изделия, в частности, к микродуговому оксидированию поверхности.

Известны способы получения оксидных на поверхности металлического или металлокерамического изделия, при которых поверхности придают такие свойства, как прочность, сопротивление абразивному воздействию, теплостойкость и т.д.

Общим приемом для известных способов является помещение изделия в электролит и создание разности потенциалов между изделием и электролитом [1] Известные способы можно разделить на такие, как анодное микродуговое, анодное дуговое, импульсное микродуговое оксидирование, анодный микродуговой электрофорез, катодное оксидирование при смене полярности напряжения, и чередовании типов разрядов соответственно.

Разнообразие известных способов обусловлено тем, что каждый из них придает поверхности изделия одно или небольшой набор одних свойств, в ряде случаев в ущерб другим, в то время как в технике к совокупности свойств поверхности изделия предъявляются очень широкие требования.

По решаемой задаче наиболее близким к изобретению может явиться способ [2] суть протекающих процессов которого в своей принципиальной части сводится к следующему.

Деталь, подлежащую покрытие, помещают в ванну с электролитом, состав которого зависит от материала детали изделия и общеизвестен. К детали подводят анодное, а к ванне электролиту катодное напряжение. При увеличении напряжения разности потенциалов между электролитом и изделием в отдельных точках поверхностного слоя детали возникает сначала электроискровой пробой, а затем электрическая дуга, в зоне которой на поверхности детали происходит оплавление металла и перенос частиц электролита в расплав. В результате электрическое сопротивление резко возрастает, дуга в этой точке гаснет и возникает в другой с меньшим электрическим сопротивлением.

Известный способ имеет следующие недостатки.

Поскольку качество покрытия всей поверхности детали зависит от совокупности локальных точек возникновения дуги, то плотность распределения этих точек по поверхности является по сути процессом хаотичным, неуправляемым, структура поверхности покрытия получается неоднородной, в связи с чем частота ее в большинстве случаев не удовлетворяет заданным требованиям, и покрытая деталь подвергается последующей обработке например, шлифуется.

Кроме того, известно, что с увеличением толщины покрытия падает его микротвердость, по мере приближения к открытой поверхности покрытие становится более рыхлым, т.е. его возможная получаемая толщина имеет довольно ограниченный предел, который в ряде случаев оказывается недостаточным. Направленные на устранение указанных недостатков приемы известного способа, такие как варьирование напряжением плотностью тока, составом электролита и т.д. относятся к частным случаям устранения отдельных недостатков иногда в ущерб другим положительным свойствам покрытия и поэтому не могут решить задачу получения качественного многофункционального покрытия.

Была поставлена задача получить на поверхности изделия качественное покрытие с заданными характеристиками по его прочности, твердости, тепловой и коррозионной стойкости и частоте поверхности при его требуемой толщине.

Задача решается тем, что предложен способ микродугового нанесения покрытия на поверхность детали изделия, в котором изделия помещают в электролит и создают разность потенциалов между изделием и электролитом.

Новым в предложенном способе является то, что на обрабатываемое изделие воздействуют постоянным и/или переменным магнитным полем.

В возможном варианте реализации способа дополнительно на электролит воздействуют ультразвуковыми колебаниями.

Технический результат предложенного способа заключается в получении высококачественного оксидного покрытия с заданными свойствами при общем снижении энергозатрат на реализацию способа.

На чертеже показана принципиальная схема установки для реализации способа.

Предложенный способ реализуется следующим образом. В ванну 1, заполненную электролитом 2, помещают изделие деталь 3, которое подключают к положительному полюсу источника тока 4. Отрицательный полюс источника тока подключают к электропроводному корпусу ванны 1, в результате чего электролит 2 будет находиться под отрицательным потенциалом. Ванна снабжена излучателями 5 и 6 магнитного поля, первые из которых служат для создания постоянного, а вторые переменного поля.

Очевидно, что для создания переменного магнитного поля должен быть предусмотрен отдельный источник 7 питания, который может служить также и для создания постоянного магнитного поля, в то время как при использовании излучателей 5 на постоянных магнитах отпадает надобность в источнике питания вообще.

Ванна 1 может быть также снабжена ультрафиолетовыми преобразователями 8, подключенными к ультразвуковому генератору. Для электрической развязки ванны 1 с сетевым напряжением установлен развязывающий трансформатор 10, что позволяет заземлить ванну 1.

Ввиду очевидности и общеизвестности монтаж соответствующих КИП и защитного оборудования в материалах заявки не описывается.

Для нанесения покрытия на поверхность изделия в частном случае для оксидирования поверхности подают напряжение на изделие и электролит и включают в работу альтернативно или совместно излучатели постоянного 5, переменного 6 магнитного поля и ультразвуковые преобразователи 8.

С возрастанием напряжения в одной или нескольких точках на поверхности детали, имеющих наименьшее электрическое сопротивление, возникает сначала пробой оксидной пленки, а затем электрическая дуга.

В плазменном шнуре дуги и прилегающих к нему областях происходят плазмохимические процессы взаимодействия молекул ионов металла и электролита с образованием оксидов. Так как температура плазменного шнура достигает нескольких тысяч градусов, то под его воздействием оксидный слой приобретает кристаллическую структуру.

Физическая суть влияния магнитных полей на протекающий процесс заключается в следующем. Известно, что проводник с протекающим по нему электрическим током, помещенный в магнитное поле, перемещается в нем поперек магнитных силовых линий. Плазменный шнур дуги, возникающий в ходе процесса между электролитом и поверхностью детали, ориентирован, условно говоря, перпендикулярно этой поверхности и является эквивалентом проводника с электрическим током. Поэтому, если плазменный шнур поместить, например, в постоянное магнитное поле, силовые линии которого параллельны поверхности детали, то он будет перемещаться в силовых полях перпендикулярно обрабатываемой поверхности, что предотвращает "прогары" покрытия и его чрезмерное "остекловывание", снижающее термоциклическую стойкость покрытия; с перемещением плазменного шнура по покрытию шероховатость его поверхности уменьшается.

Рассмотрим более сложный случай, когда на изделие в процессе его обработки воздействуют одновременно двумя постоянными магнитными полями, силовые линии которых пересекаются друг с другом. В этом случае под воздействием одного поля плазменный шнур будет перемещаться, пересекая в то же время магнитные силовые линии второго поля. Однако известно, что при пересечении магнитного поля проводником в нем будет наводиться ЭДС. Поэтому в нашем случае в плазменном шнуре помимо ЭДС дуги будет аналогично проводнику наводиться дополнительная ЭДС, влияющая на энергетику и, следовательно, на производительность процесса.

Следует отметить, что ввиду естественного искривления магнитных силовых линий в пространстве такие определения их ориентации, как "параллельность" и "перпендикулярность" к обрабатываемой поверхности, носят условный характер так же, как и "перпендикулярность" плазменного шнура, и использованы только для наглядности описания протекающих процессов.

Применение переменного магнитного поля в своей принципиальной части, касающейся поведения проводника в магнитном поле, подобно описанному выше. Однако применение переменного магнитного поля вызывает ряд положительных моментов, заменяющихся или усиливающих эффект влияния постоянного магнитного поля.

В частности, за счет колебаний переменного магнитного пол дуга плазменный шнур перемещается не прямолинейно, а по спирали, что еще больше увеличивает площадь воздействия дуги, повышая равномерность и качество оксидированной поверхности.

Воздействие магнитного поля в заявленном способе позволяет значительно увеличить толщину наносимого покрытия, что в конкретных случаях применения может иметь решающее значение.

Возможность получения более толстых покрытий обусловлена тем, что перемещение плазменного шнура дуги по обрабатываемой поверхности уменьшает время термического воздействия дуги в конкретной точке. Тем самым технологический предел, когда дуга начинает разрушать сформированное покрытие, смещается в область более высоких напряжений, а поскольку толщина покрытия зависит от напряжения, то предельно допустимая толщина покрытия может быть увеличена.

Для улучшения качества как поверхности оксидного покрытия, так и его свойств в целом, во время процесса микродугового оксидирования на электролит можно воздействовать ультразвуковыми колебаниями.

Испытания полученного в "озвученном" электролите покрытия показали, что оно обладает повышенными физико-механическими характеристиками. Кроме того, при наложении УЗК на электролит во врем процесса микродугового оксидирования происходит повышение производительности, т.е. за то же время обработки получается более толстое покрытие.

Физическая суть влияния УЗК на процесс микродугового оксидирования заключается в более интенсивном обновления состава электролита в зоне дуги и влияния ультразвуковых давлений на парогазовый пузырь, образующийся в электролите у поверхности покрытия в результате пробоя и горения микродуги, а, следовательно, и на скорость и характер кристаллизационных процессов в образующемся покрытии.

В предложенном варианте реализации способа "озвучивание" электролита ведется через ванну 1, т.е. ультразвуковые преобразователи установлены на дне ванны, что является более простым техническим приемом. При этом желательно, чтобы ультразвуковое излучение было направлено в сторону обрабатываемой детали. Однако при определенных режимах реализации способа установление преобразователей непосредственно на обрабатываемом изделии может дать более высокий результат.

Изобретение может быть реализовано при различных сочетаниях постоянных и/или переменных магнитных полей в части ориентации силовых линий по параллельности или перпендикулярности их направления к обрабатываемой поверхности, переменные поля могут быть несимметричными, постоянные магнитные поля по направлению могут быть переменными по напряженности пульсирующими, каждому из сочетаний может сопутствовать воздействию ультразвуковых колебаний на электролит и т.д.

Поскольку каждому из сочетаний сопутствует усилие тех или иных свойств покрытия, то выбор соответствующих сочетаний диктуется целесообразностью, т. е. зависит от конкретных требований, предъявляемых к покрытой детали в условиях ее эксплуатации.

Пример. Первоначально в соответствии с общеизвестным способом, плоская пластина из сплава Д 16 погружалась в электролит, содержащий 4 г/л щелочи и 10 г/л жидкого стекла. Процесс микродугового оксидирования проводился в анодно-катодном режиме, подавалось переменное напряжение с частотой 50 Гц при плотности тока 8 А/Дм² в течение 2 ч. Было получено покрытие толщиной 160 мкм. На краях пластины покрытие имело сильно оплавленные участки и "прогары" по поверхности, микротвердость верхнего слоя покрытия составила 500 кг/мм².

Затем в соответствии с изображением процесс был повторен с воздействием на пластину переменного магнитного поля частотой 400 Гц и напряженностью 6000 А/м 80 эрстед.

Получено покрытие толщиной 230 мкм. Оплавленные участки и "прогары" отсутствуют. Микротвердость верхнего слоя покрытия составила 600 кг/мм².

Далее так же в соответствии с изображением процесс был повторен с воздействием на пластину переменного магнитного поля частотой 400 Гц, напряженностью 6000 А/м 80 эрстед и дополнительно с воздействием на электролит ультразвуковых колебаний частотой 22 кГц. Получено покрытие толщиной 200 мкм. Оплавленные участки и "прогары" отсутствуют. Микротвердость верхнего слоя покрытия составила 900 кг/мм².

Таким образом, если при общеизвестном способе нанесения покрытия его толщина составила 160 мкм и твердость 500 кг/мм², то при прочих равных условиях предложенный способ позволил получить толщину поверхности от 200 до 230 мкм при микротвердости слоя покрытия от 600 до 900 кг/мм².

О многократном повышении частоты поверхности покрытия, уменьшении его шероховатости, полученного предложенным способом, субъективно свидетельствует полное отсутствие оплавленных участков и "прогаров". Объективные числовые значения повышения чистоты поверхности в настоящее время уточняются.

Формула изобретения

1. Способ микродугового нанесения покрытия на поверхность изделия, включающий помещение изделия в электролит и создание разности потенциалов между изделием и электролитом, отличающийся тем, что на обрабатываемое изделие воздействуют постоянным и/или переменным магнитным полем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно на электролит воздействуют ультразвуковыми колебаниями.

РИСУНКИ

Рисунок 1