Способ получения покрытий

 

Изобретение относится к обработке поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и приборостроении и других отраслях промышленности. Предложен способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование в растворах электролита с последующим нагревом изделий до температур не ниже 500^oС. При этом оксидирование продолжительностью 45 - 100 мин при плотности электрического тока 25 - 35 А/дм² осуществляется в комбинированном электролите на основе борной кислоты и едкого кали при содержании едкого кали 3 - 5 г/л и борной кислоты 20 - 40 г/л, а время выдержки при нагреве изделий составляет не менее 100% от времени оксидирования. Техническим результатом изобретения является повышение поверхностной твердости, износостойкости и модуля нормальной упругости изделий, изготовленных из алюминия и его сплавов. 1 табл.

Изобретение относится к области обработки поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен способ анодирования изделий из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование в растворах кислот и щелочей [1].

Наиболее близким по технической сущности является способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование в растворах электролита с последующим нагревом до температур не ниже 500^oC [2]. Однако, данный подход применялся для расширения цветовой гаммы тонких декоративных покрытий.

Задачей изобретения является повышение поверхностной твердости, износостойкости и модуля нормальной упругости изделий, изготовленных из алюминия и его сплавов.

Поставленная задача достигается тем, что согласно предлагаемому способу оксидирование изделий продолжительностью 45...100 минут при плотности электрического тока 25. . .35 А/дм² осуществляется в комбинированных растворах электролита на основе борной кислоты и едкого кали, при содержании едкого кали 3. . .5 г/л и борной кислоты 20...40 г/л, а время выдержки при нагреве изделий составляет не менее 100% от времени оксидирования.

Способ осуществляется следующим образом.

Изделие из алюминия или его сплава помещают в ванну с водным раствором электролита, основными компонентами которого являются борная кислота (20... 40 г/л) и едкое кали (3...5 г/л). Далее подводят ток, плотность которого составляет 25. .. 35 А/дм², на электроды, один из которых (анод) закреплен на обрабатываемом изделии, другой (катод) на внутренней поверхности ванны. При взаимодействии продолжительностью 45...100 минут электрического тока, электролита и материала обрабатываемой детали происходит окисление алюминия с образованием оксидных покрытий. Затем, изделие промывают водой, высушивают, помещают в печь, нагревают до температур не ниже 500^oC выдерживая при этом в атмосфере печи не менее, чем при оксидировании. Варьируя продолжительностью оксидирования, плотностью электрического тока, концентрацией компонентов в комбинированных растворах электролита и параметрами последующей термообработки изделий - температурой нагрева и временем выдержки, можно в широких пределах изменять твердость покрытий, износостойкость и модуль нормальной упругости изделий, что объясняется наличием в составе покрытия фаз оксида алюминия (α- и γ-Al₂O₃), моногидроокисей алюминия (α- и β-AlO(OH)), тригидроокисей алюминия (α- и β- Al(OH)₃), а также фаз оксида бора (B₂O₃) и боридов алюминия (α- и β-AlB₁₂). Свойства при этом тем выше, чем больше в составе покрытия оксида алюминия и меньше три- и моногидроокисей, устойчивый распад которых происходит при температурах термообработки не ниже 500^oC и времени выдержки сопоставимом или большем, чем время оксидирования.

Пример. Изделия, изготовленные из алюминия АД0 и его сплавов АМг1, АМг3, АМг6, Д16, подвергали микродуговому оксидированию в указанном электролите при плотности электрического тока 25...35 А/дм² и температуре электролита 10^oC в течение 75 минут. Затем две трети от общего числа изделий помещали в печь, нагревали до температуры 500^oC и выдерживали одну треть 75 минут (100% от времени оксидирования), а вторую - 190 минут (250% от времени оксидирования).

После получения покрытий и термообработки по стандартным методикам определяли поверхностную микротвердость, износостойкость и модуль нормальной упругости. Причем модуль нормальной упругости измеряли при соотношении толщин покрытия и обработанного изделия, равном 3:10. Результаты испытаний представлены в таблице. Важно отметить, что первая партия подвергалась только оксидированию, вторая - оксидированию с последующим нагревом до 500^oC и временем выдержки - 75 минут, а третья - оксидированию с последующим нагревом до 500^oC и временем выдержки - 190 минут.

Применение предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет получать изделия с покрытиями толщиной более 100 мкм с высокими физико-механическими характеристиками.

При времени оксидирования менее 45 минут покрытия, получаемые на изделиях не обеспечивают одновременного сочетания высоких износостойкости и модуля нормальной упругости.

При времени оксидирования более 100 минут толщина оксидного покрытия перестает увеличиваться, а наружные слои покрытий начинают растворяться электролитом, что влечет появление пористости со следами рыхлости и снижение свойств.

Если плотность электрического тока превышает 35 А/дм², то из-за неравномерного распределения скорости роста наружных и внутренних оксидных слоев покрытия, а также увеличения количества выделяемого тепла возникают тепловые пробои, приводящие к разрушению покрытия и снижению значений физико-механических свойств изделий.

Если плотность электрического тока составляет менее 25 А/дм² то уменьшаются скорость роста покрытий и производительность процесса оксидирования.

При температурах оксидирования 5...25^oC борная кислота полностью растворяется в электролите при концентрации до 40 г/л, поэтому при больших концентрациях часть борной кислоты выпадает в осадок, что увеличивает ее расход.

В том случае, если концентрация борной кислоты менее 20 г/л, ухудшаются условия пассивирования материала, что снижает способность образования искрового разряда и производительность процесса, а также увеличивает скорость растворения наружных оксидных слоев и повышается пористость.

Если концентрация едкого кали в электролите превышает 5 г/л происходит увеличение скорости растворения наружных слоев покрытия, что повышает пористость и ухудшает свойства изделий.

Если концентрация едкого кали в электролите составляет менее 3 г/л, ухудшается его проводимость, что требует использования при оксидировании установок большей мощности и процесс станет энергетически невыгодным.

При времени термообработки, составляющем менее 100% от времени оксидирования, процесс перехода моно- и тригидроокисей в оксид алюминия не успевает завершиться, а содержание фаз оксида алюминия в покрытии сопоставимо с их содержанием непосредственно после оксидирования, в результате чего, микротвердость, износостойкость и модуль нормальной упругости остаются практически неизменными - увеличиваются не более чем на 1...2%.

Если изделие нагревается до температур ниже 500^oC, процесс перехода гидроокисей в оксид не происходит вообще, а изменения в фазовом составе, связанные с переходом тригидроокисей в моногидроокиси, не позволяют повысить свойства более чем на 2%.

Верхний предел температуры нагрева должен быть ниже температуры начала оплавления по границам зерен материала оксидируемого изделия.

Свойства изделий после микродугового оксидирования и термообработки.

Список используемых источников информации 1. Щукин Г. Л.. Беланович А.Л, Коледа В. Б. и др. Некоторые особенности электрохимической обработки алюминия и его сплавов: Теория и практика анодного окисления алюминия / Справочник. - Казань. 1990. ч. 1. с. 17.

2. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Казанцев И.А. Способ получения покрытий. Патент РФ N 2081947.

Формула изобретения

Способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование в растворах электролита с последующим нагревом изделий до температур не ниже 500^oC, отличающийся тем, что оксидирование продолжительностью 45 - 100 мин при плотности электрического тока 25 - 35 А/дм² осуществляется в комбинированном электролите на основе борной кислоты и едкого кали при содержании едкого кали 3 - 5 г/л и борной кислоты 20 - 40 г/л, а время выдержки при нагреве изделий составляет не менее 100% от времени оксидирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1