Способ обработки изделий из алюминия и его сплавов (варианты)

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке изделий из алюминия и его сплавов для придания им функциональных свойств и может быть использовано в различных областях техники, например в пищевой промышленности, авиации, транспортном машиностроении, а именно - в автомобилестроении. Способ обработки изделий из алюминия и его сплавов включает предварительную обработку их перед нанесением покрытия, электролитическое меднение с получением слоя меди толщиной 5-7 мкм и термическую обработку в вакууме при температуре 500-540^oC, обеспечивающей взаимную диффузию элементов подложки и покрытия. По второму варианту способа после нанесения слоя медного покрытия толщиной 5-7 мкм наносят слой электролитического никелевого покрытия толщиной 5-7 мкм. По третьему варианту способа после нанесения медного покрытия толщиной 5-7 мкм наносят последовательно слои электролитических никелевого и хромового покрытий толщиной каждого слоя 5-7 мкм. Согласно четвертому варианту способа после нанесения слоя медного покрытия толщиной 5-7 мкм наносят слой марганцевого покрытия толщиной 5-7 мкм. 4 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к обработке изделий из алюминия и его сплавов для придания ему функциональных свойств и может быть использовано в различных областях техники, например в пищевой промышленности, авиации, транспортном машиностроении, в частности в автомобилестроении.

При использовании изделий из алюминия и его сплавов в различных областях техники необходима их защита от коррозии, а также придание им товарного вида и функциональных свойств.

Наиболее эффективна защита алюминиевых изделий от коррозии это нанесение защитных покрытий на их поверхность. В качестве защитных покрытий чаще всего используют медные, никелевые, хромовые, железные, серебряные и др. Например, для повышения твердости и износостойкости алюминиевых деталей автомобиля используют методы электролитического хромирования и железнения (см. В.А.Шадричев. Основы технологии автостроения и ремонт автомобилей. Л. Машиностроение, 1976 г. стр. 284-285). Однако для получения относительно высокой адгезии подложки с покрытием требуется сложная подготовка изделий перед нанесением покрытий.

Известен метод нанесения на изделия из алюминия защитного медного покрытия, заключающийся в предварительном удалении окисной пленки с поверхности изделия, нанесение на него липкого слоя, а затем порошка галогенида меди с последующей термообработкой в течение трех часов при температуре выше разложения галогенида меди, а именно при температуре выше 430-450^oC. Происходит выделение меди и ее диффузия в поверхностный слой изделия. Получают медное покрытие толщиной слоя 3-5 мкм (см. авт. свид. СССР, N 865971/26, 1979). Имеет место совмещение процессов осаждения защитного покрытия и его диффузия в подложку. Однако известный способ не позволяет получить покрытие с высокой степенью равномерности его толщины по всей поверхности изделия.

Наиболее равномерно распределяется покрытие на изделиях при электролитическом методе его нанесения. В авт. свид. СССР N 423889, C 25 D 5/52 описано электролитическое меднение изделий из алюминия из пирофосфатного электролита с последующей термообработкой при температуре 190-200^oC в течение 40-60 мин. Повышена прочность оцепления покрытия с подложкой. Однако для получения качественного сцепления требуется трудоемкая предварительная операция удаления окисной пленки алюминия: обезжиривание, химическое травление, осветление, цинковая обработка и химическое никелирование.

Известно непосредственное электролитическое меднение изделий из алюминия и его сплавов после химического травления (см. Гальванотехника / Справочник под ред. А.М. Гинберга. М. Металлургия, 1987, стр. 406, 410, 415). Электролитическое нанесение медного покрытия осуществляют из пирофосфатного электролита при температуре 55-65^oC, плотности тока 0,3-0,8 А/дм² до необходимой толщины слоя (обычно более 10 мкм) с последующей термической обработкой при температуре 200-250·C в течение 30 мин в вакууме. Однако при указанной температуре термообработки растворимость меди в алюминии незначительна. В основном физические связи удерживают медный слой на алюминиевой подложке. В агрессивных средах и при воздействии ударных нагрузок возможно нарушение сплошности медного покрытия на поверхности алюминиевых изделий.

Задача изобретения создание изделий из алюминия и его сплавов, например деталей автомобиля, таких как основание кузова, работоспособных в условиях коррозионного воздействия окружающей среды и ударных нагрузок.

Задача решена за счет того, что изделия из алюминия и его сплавов, предварительно обработанные перед нанесением покрытия, подвергают электролитическому меднению с получением слоя меди толщиной 5-7 мкм с последующей термической обработкой в вакууме при температуре 500-540^oC, которая обеспечивает за время выдержки взаимную диффузию алюминия и меди. Согласно второму варианту изобретения после нанесения слоя медного покрытия толщиной 5-7 мкм наносят слой электролитического никелевого покрытия толщиной 5 7 мкм с последующей термообработкой в вакууме при температуре 500-540^oC, обеспечивающей взаимную диффузию алюминия, меди и никеля. Согласно третьему варианту изобретения после нанесения медного покрытия толщиной 5-7 мкм наносят последовательно слои электролитических никелевого и хромового покрытий толщиной каждого слоя 5-7 мкм с последующей термообработкой в вакууме при температуре 500-540^oC, обеспечивающей взаимную диффузию алюминия, меди, никеля и хрома. Согласно четвертому варианту изобретения после нанесения медного покрытия толщиной 5-7 мкм наносят слой марганцевого покрытия толщиной 5-7 мкм с последующей термообработкой в вакууме при температуре 500-540^oC, обеспечивающей взаимную диффузию алюминия, меди и марганца.

Технический результат изобретения повышение твердости и адгезионной прочности поверхности слоя изделий из алюминия и его сплавов в условиях коррозионного воздействия среды и ударных нагрузок.

Объединение четырех технических решений в одну заявку связано с тем, что четыре приведенных выше способа имеют единый изобретательский замысел - повышение механических свойств поверхностного слоя изделий из алюминия, обеспечивающих их работоспособность в агрессивных средах при воздействии ударных нагрузок, решаемый принципиально одним и тем же путем нанесением защитных покрытий на поверхность изделий с последующей термообработкой при температуре 500-540^oC, обеспечивающей взаимную диффузию элементов подложки и покрытий. Указанные четыре способа нанесения защитных покрытий являются равноценными для решения поставленной задачи.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Изделие в виде ребристой пластины из алюминия предварительно обрабатывают электрокорундом при давлении, например, 4 атм. По прошествии не более 60 мин пластину подвергают электролитическому меднению в пирофосфатной ванне при плотности тока 0,5-0,7 А/дм², температуре 25-27^oC и времени обработки 40-60 мин. Наносят слой медного покрытия толщиной 5-7 мкм. Нанесение слоя толщиной менее 5 мкм нежелательно по технологическим соображениям. При нанесении слоя более 7 мкм возможно наличие свободной меди в поверхностном слое изделия после термообработки, что нежелательно при эксплуатационных условиях. После нанесения защитного медного покрытия изделие промывают в холодной воде, а затем сушат на воздухе. Далее изделие подвергают термообработке в вакуумной печи при температуре 500-540^oC в течение 40-60 мин при достижении вакуума 1·10^-2 мм рт. ст. Выбор указанного интервала температур термообработки обусловлен максимальным растворением меди в алюминии в этом интервале. За время выдачи при этой температуре происходит полная диффузия алюминия и меди до полного исчезновения свободной меди в нанесенном слое. Снижение температуры ниже 500^oC может уменьшить процесс растворения покрытия в подложке и привести к снижению их адгезии. Повышение температуры выше 540^oC нецелесообразно из-за низкой температуры размягчения алюминия и потери его устойчивости. Сочетание указанных выше температуры термообработки и малой толщины защитного покрытия позволяет осуществить полное взаимное растворение покрытия в подложке за счет диффузионного обмена атомов алюминия и меди.

Была проведена проверка на адгезионную прочность алюминиевых образцов, покрытых электролитической медью в соответствии с данным изобретением. Металлографические исследования показали полную взаимную диффузию алюминия и меди, а поверхностный слой образца имел твердость, близкую к твердости меди. Испытания образцов на изгиб в атмосфере влажного воздуха отслоений покрытия не выявили.

В соответствии с данным изобретением в качестве защитного покрытия могут быть использованы также электролитические покрытия, содержащие слой меди толщиной 5-7 мкм и слой никеля той же толщины. Технология нанесения указанного покрытия включает в себя нанесение медного покрытия по способу, описанному выше, и через 30-60 мин нанесение никелевого покрытия из сернокислого раствора. Процесс ведут при плотности тока I А/дм², температуре 15-25^oC в течение 30-40 мин. После никелирования изделие промывают в холодной воде, сушат на воздухе и подвергают термообработке при температуре 500-540^oC в течение 40-60 мин. Известно, что медь с никелем образуют твердые растворы. При указанной термообработке никель полностью продиффундировал в медь. Металлографический анализ не выявил в защитном слое наличия свободного никеля. При испытаниях на изгиб в атмосфере влажного воздуха отслоения покрытия не наблюдалось. Твердость поверхностного слоя близка к твердости никеля.

Если необходимо иметь твердость поверхностного слоя изделия из алюминия, близкой к твердости хрома, на это изделие после нанесения слоев меди и никеля наносят слой электролитического хрома толщиной 5-7 мкм из сернокислого раствора. Температура ванны около 70^oC, время выдержки 15-20 мин при плотности тока 15-25 А/дм². После промывки в горячей и холодной воде изделие термообрабатывают в вакуумной печи при температуре 500-540^oC в течение 40-60 мин. За это время выдержки хром полностью продиффундировал в никель. Металлографический анализ подтвердил это. Свободного хрома не обнаружено. После испытания на изгиб отслоения покрытия не наблюдалось. Твердость поверхностного слоя близка к твердости хрома.

При необходимости иметь твердость поверхностного слоя изделия из алюминия с медным, никелевым и хромовым покрытием выше, чем у меди, на это изделие после нанесения слоя меди толщиной 5-7 мкм наносят слой электролитического марганца толщиной 5-7 мкм из сернокислого раствора. Процесс ведут при температуре 20±1^oC, плотности тока 4-5 А/дм² в течение 20-25 мин. После промывки в холодной воде и сушки на воздухе его термообрабатывают в вакуумной печи при температуре 500-540^oC в течение 40-60 мин. Известно, что медь и марганец при указанной температуре растворяются друг в друге, образуя твердые растворы. Металлографический анализ показал на отсутствие в покрытии свободного марганца, а также его отслоения после испытания на изгиб. Твердость поверхностного слоя близка к твердости марганца.

Использование описанных выше изобретений позволяет повысить работоспособность изделий из алюминия и его сплавов в условиях коррозионного воздействия окружающей среды и ударных нагрузок за счет повышения твердости поверхностного слоя и адгезионной прочности защитных покрытий.

Формула изобретения

1. Способ обработки изделий из алюминия и его сплавов, включающий предварительную обработку их перед нанесением покрытия, электролитическое меднение и термическую обработку в вакууме, отличающийся тем, что медное покрытие наносят толщиной слоя 5 7 мкм, а термическую обработку проводят при 500 540^oС, обеспечивающей взаимную диффузию элементов подложки и покрытия.

2. Способ обработки изделий из алюминия и его сплавов, включающий предварительную обработку их перед нанесением покрытия, электролитическое меднение и термическую обработку в вакууме, отличающийся тем, что после нанесения слоя медного покрытия толщиной 5 7 мкм наносят слой электролитического никелевого покрытия толщиной 5 7 мкм, а термическую обработку проводят при 500 540^oС, обеспечивающей взаимную диффузию элементов подложки и покрытия.

3. Способ обработки изделий из алюминия и его сплавов, включающий предварительную обработку их перед нанесением покрытия, электролитическое меднение и термическую обработку в вакууме, отличающийся тем, что после нанесения медного покрытия толщиной 5 7 мкм наносят последовательно слои электролитических никелевого и хромового покрытий толщиной каждого слоя 5 7 мкм, а термическую обработку проводят при 500 540^oС, обеспечивающей взаимную диффузию элементов подложки и покрытия.

4. Способ обработки изделий из алюминия и его сплавов, включающий предварительную обработку их перед нанесением покрытия, электролитическое меднение и термическую обработку в вакууме, отличающийся тем, что после нанесения слоя медного покрытия толщиной 5 7 мкм наносят слой марганцевого покрытия толщиной 5 7 мкм, а термическую обработку проводят при 500 - 540^oС, обеспечивающей взаимную диффузию элементов подложки и покрытия.