Тонкослойное керамическое покрытие, способ его получения, поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия и способ ее получения

 

Изобретение относится к гальванотехнике, а именно к получению на поверхности металлов износостойких покрытий методом микродугового оксидирования. Тонкослойное керамическое покрытие состоит из кристаллов альфа-Аl₂O₃, имеющих нитевидную форму и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Аl₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂. Покрытие характеризуется интенсивностью изнашивания I = 10^-10 - 10^-12, коэффициента трения f = 0,010-0,035, микротвердостью Н = 15-19 ГПа и критической нагрузкой растрескивания Р = 2,7-3,5 н. Способ получения тонкослойного керамического покрытия включает оксидирование содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 4-10%, в анодно-катодном режиме при I_c/I_a = 1,0-1,15 в электролите в виде водного раствора щелочи 1-6 г/л с добавлением жидкого стекла 5-10 г/л и смеси порошков, состоящей из SiO₂ и А1₂O₃ в соотношении 70 и 30% соответственно, дисперсностью 1-10 мкм, в концентрации 0,5-2,0 г/л. Поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия образована свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Аl₂О₃, выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-Аl₂O₃ и муллита 3Аl₂O₃ · 2SiO₂, образующей подложку поверхности трения. Способ получения поверхности трения включает обработку покрытия с использованием абразива, прочность которого выше прочности подложки поверхности трения. Технический результат - повышение микротвердости, износостойкости и трещиностойкости покрытия и поверхности трения. 4 с.п.ф-лы.

Изобретение относится к области техники, касающейся тонкослойных керамических покрытий на основе и их нанесения электролитическим методом, а более конкретно к получению на поверхности металлов износостойких покрытий методом микродугового оксидирования, и может быть использовано в машиностроении, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Из существующего уровня техники известен способ получения тонкослойного керамического покрытия, заключающийся в том, что в электролит в виде водного раствора щелочи с добавлением силиката щелочного металла погружают обрабатываемый материал, являющийся одним электродом, и второй электрод, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование с определенными параметрами тока и в течение определенного времени с получением тонкослойного керамического покрытия с заданными параметрами (см. авторское свидетельство СССР N 1200591, С 25 D 11/02, 1989 г.).

Наиболее близким аналогом, техническим решением, выбранным за прототип для всех четырех объектов изобретения по данной заявке, является тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения, а также поверхность трения, образованная этим тонкослойным керамическим покрытием, и, соответственно, способ, которым указанная поверхность трения получена, по патенту Российской Федерации N 2086713, МПК⁶ C 25 D 11/02, 15/00, 1995 г.

Тонкослойное керамическое покрытие для первого объекта изобретения в прототипе характеризуется наличием кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂.

Способ получения тонкослойного керамического покрытия для второго объекта изобретения в прототипе характеризуется тем, что в электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1-6 г/л с добавлением жидкого стекла и смеси порошков, состоящую из SiO₂ и Al₂O₃ дисперсностью 1-10 мкм в концентрации 0,5-2,0 г/л, погружают обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 4%-10%, являющийся одним электродом, и второй электрод из электролитически нерастворимого металла, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование в анодно-катодном режиме в течение определенного времени.

Поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия для третьего объекта изобретения в прототипе характеризуется наличием кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃·2SiO₂ и выходящих непосредственно на поверхность трения и образующих ее.

Способ получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия для четвертого объекта изобретения, состоящего из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, заключается в том, что покрытие обрабатывают до получения заданных износостойких характеристик.

Получению требуемого технического результата в известных тонкослойных керамических покрытиях для первого объекта изобретения и в известных поверхностях трения на основе тонкослойного керамического покрытия для третьего объекта изобретения препятствует низкая критическая нагрузка растрескивания под действием ударных нагрузок, что не позволяет в мелкокристаллической структуре известных покрытий ограничить распространение трещин и предотвратить разрушение покрытия. Подобным же образом термическая стойкость керамики, армированной нитевидными кристаллами, намного выше термической стойкости неармированной. Износостойкость в результате трения анализируемых поверхностей трения также недостаточна.

Получению требуемого технического результата в известном способе получения тонкослойного керамического покрытия для второго объекта изобретения препятствует недостаточная эффективность достигаемой степени регулирования анодно-катодного режима, особенностью которого является наличие двух типов разрядов, возникающих как при положительной, так и при отрицательной полярности импульсов напряжения, а также из-за выбранных параметров и процентного соотношения определенных химических веществ как в составе оксидируемого металла, так и в составе электролита.

Получению требуемого технического результата в известном способе получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия для четвертого объекта изобретения препятствует несоответствие подбора прочности абразивного материала, прочности нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ и прочности связующей их подложки из мелкокристаллической матрицы.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение для всех четырех его объектов - это получение материала высокой износостойкости с покрытием на основе тонкослойной керамики на поверхности оксидируемого материала, образующим высокопрочную поверхность трения.

Технический результат, получаемый от использования данного изобретения во всех четырех его объектах - это повышение микротвердости и трещиностойкости покрытия и поверхности трения на его основе, повышение критической нагрузки растрескивания под действием ударных нагрузок, позволяющей в мелкокристаллической структуре ограничить распространение трещин и предотвратить разрушение покрытия, повышение износостойкости покрытия и образованной на ее основе поверхности трения. Заявленные способ получения тонкослойного керамического покрытия и способ получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия также направлены на достижение заявленных технических результатов.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому объекту изобретения тем, что в тонкослойном керамическом покрытии, состоящем из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, согласно изобретению нитевидные кристаллы альфа-Al₂O₃ состоят из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетаются между собой и расплетаются с образованием на участках переплетения жгутов, формируя, таким образом, в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, характеризующегося интенсивностью изнашивания I = 10^-10-10^-12, коэффициентом трения f = 0,010-0,035, микротвердостью H = 15-19 ГПа и критической нагрузкой растрескивания P = 2,7-3,5 н.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму объекту изобретения тем, что в способе получения тонкослойного керамического покрытия, заключающемся в том, что в электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1-6 г/л с добавлением жидкого стекла и смеси порошков, состоящую из SiO₂ и Al₂O₃ дисперсностью 1-10 мкм в концентрации 0,5-2,0 г/л, погружают обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 4%-10%, являющийся одним электродом, и второй электрод из электролитически нерастворимого металла, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование в анодно-катодном режиме, согласно изобретению концентрацию жидкого стекла в электролите выбирают в диапазоне 5-10 г/л, смесь порошков из SiO₂ и Al₂O₃ выбирают в соотношении 70% SiO₂ и 30% Al₂O₃, а обработку в анодно-катодном режиме ведут при соотношении величин катодного и анодного токов I_c/I_a = 1,0-1,15 в течение 90-240 мин.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по третьему объекту изобретения тем, что в поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂ и выходящих непосредственно на поверхность трения и образующих ее, согласно изобретению поверхность трения образована свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · SiO₂, образующей подложку поверхности трения, противоположные концы которых расположены в мелкокристаллической матрице, причем свободные концы нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ размещены по поверхности трения с образованием псевдовязкого слоя по поверхности, исключающего контакт в паре поверхностей трения непосредственное с их подложкой.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по четвертому объекту изобретения тем, что в способе получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, заключающийся в том, что покрытие обрабатывают до получения заданных износостойких характеристик, согласно изобретению обработку покрытия ведут с использованием абразива, прочность которого выше прочности подложки поверхности трения, образованной мелкокристаллической матрицей гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, но ниже прочности нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, при этом обработку ведут до высвобождения концов нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ из взаимосвязи с подложкой до получения на поверхности трения псевдовязкого слоя, образованного свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ по поверхности, исключающего контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой.

Изобретение по первым двум объектам иллюстрируется следующим образом.

В электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1-6 г/л и жидкого стекла с концентрацией 4-6 г/л добавляют порошок, состоящий на 70% SiO₂ и на 30% Al₂O₃ дисперсностью 1-10 мкм в концентрации 0,5-2,0 г/л, погружают обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 4%-10%, являющийся одним электродом. В качестве второго электрода используют электролитически нерастворимый металл и подключают оба электрода к источнику питания. Обработку поверхности обрабатываемой металлической композиции, содержащей алюминий, ведут в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов I_c/I_a = 1,0-1,15 в течение 90-240 мин. Поверхность обрабатываемого металла в процессе электролитической обработки модифицируется за счет образования тонкослойной окисной керамики, являющейся продуктом высокотемпературных химических превращений, происходящих в очагах микродуговых или дуговых электрических разрядов.

Создаваемые условия обеспечивают перемещение микродуги по поверхности упрочняемого материала, где на границе расплавленной области в зоне дуги происходит высокоскоростная кристаллизация, приводящая к мелкокристаллической структуре. В области воздействия микродуги происходит рост кристаллов, которые под воздействием внутренних напряжений и изменяющихся термических полей образуют нитевидные кристаллы альфа-Al₂O₃, составляющие основу слоя. На обработанной поверхности алюминийсодержащего металла образуется упрочненный износостойкий слой, представляющий собой композит на основе твердых фаз, содержащий альфа-Al₂O₃, гамма-Al₂O₃ и муллит 3Al₂O₃ · 2SiO₂. По крайней мере часть кристаллов или все кристаллы альфа-фазы Al₂O₃ имеют нитевидную форму и, под действием процесса оксидирования с заявленными параметрами участвующих компонентов, образуют сплошную пространственную сетку из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетаются между собой и расплетаются с образованием на участках переплетения жгутов, формируя, таким образом, в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃.

Исследования основной зоны полученного упрочненного слоя показали, что преобладает анизотропная фаза альфа-Al₂O₃, кристаллы размером 3 - 5 мкм имеют нитевидную форму с отношением длины к толщине более 20.

При обработке содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве менее 4% требуемая пространственная структура поверхностного слоя не образуется. Содержание меди в количестве более 10% приводит к осложнениям поддержания анодно-катодного режима обработки. Содержание в электролите добавки в виде порошка из 70% SiO₂ и 30% Al₂O₃ в количестве менее 0,5 г/л не дает возможности получить пространственную структуру упрочненного слоя. Содержание той же добавки в количестве более 2,0 г/л вызывает активное горение электрической дуги и образование прожогов упрочненного слоя.

Получаемый в соответствии с данным изобретением упрочненный износостойкий слой на основе тонкослойной керамики с пространственным каркасом из нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ характеризуется низкой интенсивностью изнашивания I = 10^-10 - 10^-12, коэффициентом трения f = 0,010-0,035, высокой микротвердостью H = 15-19 ГПа и критической нагрузкой растрескивания P = 2,7-3,5 н.

Наибольшее преимущество керамика с пространственным каркасом из нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ перед керамиками аналогичного фазового состава имеет по критерию - "трещиностойкость". Критическая нагрузка растрескивания керамики с пространственным каркасом из нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ равна P = 2,7-3,5 н, что является значительно большей величиной по сравнению со значением этого параметра у корунда 0,4 - 0,7 н.

Объекты изобретения, касающиеся поверхности трения и способа ее получения, иллюстрируются следующим образом.

Полученная, как указано выше - с описанными параметрами и заявленным способом, поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия состоит из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂ и выходящих непосредственно на поверхность трения, и образуют ее. Поверхность трения образована свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, образующей подложку поверхности трения, противоположные концы которых расположены в мелкокристаллической матрице. Свободные концы нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ размещены по поверхности трения и образуют псевдовязкий слой по поверхности, исключающий контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой.

Такая структура поверхности трения получена за счет реализации способа ее получения. В качестве конкретного примера реализации способа получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия можно привести следующий.

Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, получают на поверхности конкретной детали, предназначенной для использования, например, в парах трения между собой или с подобными деталями, имеющими такое же тонкослойное керамическое покрытие. При этом заведомо знают прочностные характеристики этого покрытия. Далее, выбирают абразив, прочность которого специально подбирают.

Термин "прочность" для взаимной характеристики абразива и обрабатываемой с его помощью поверхности выбран исходя из следующих его трактовок.

"Прочность" от слова "прочный" - с трудом поддающийся разрушению, ..., крепкий..." (см. С.И.Ожегов, Н.Ю.Шведова, "Толковый словарь русского языка", М., 1999 г., стр. 627) [1].

Кроме того, "прочность" - свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия" (см. "Большой энциклопедический словарь. Политехнический", под редакцией А.Ю.Ишлинского, М., 1998 г., стр.425) [2]. Различают прочность, в частности техническую, конструкционную, динамическую и т.п.

Таким образом, заявителем термин "прочность" выбран в прямом значении по отношению к обрабатываемой поверхности, однако использован в сочетании с абразивом, т.к. подбирают именно абразив с определенной прочностью при заведомо известной прочности тонкослойного керамического покрытия.

Итак, подбирают абразив определенной прочности. Далее, с помощью выбранного абразива начинают обрабатывать поверхности детали, на которые уже нанесено тонкослойное керамическое покрытие. Обработку ведут до получения заданных износостойких характеристик.

Прочность выбранного абразива, которым обрабатывают тонкослойное керамическое покрытие детали, должна быть всегда выше прочности подложки поверхности трения, образованной мелкокристаллической матрицей гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂, но ниже прочности нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃. Обработку могут вести ступенчато с использованием нескольких абразивов, прочность которых повышается от операции к операции, или с использованием одного абразива с прочностью, заведомо обеспечивающей получение поверхности трения с заданными характеристиками. Но всегда должно выполняться одно условие - прочность абразива всегда должна быть выше прочности подложки поверхности трения. Обработку поверхности детали ведут, периодически контролируя качество получаемой поверхности трения с использованием имеющихся средств контроля. Обработку продолжают до момента, когда с помощью имеющихся средств контроля состояния поверхности определяют достаточность высвобождения концов нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ из взаимосвязи их с подложкой. Обработав поверхность детали таким образом, получают на обработанной поверхности трения псевдовязкий слой, образованный высвобожденными в результате обработки абразивом свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃. Свободные концы нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ после обработки поверхности детали распределены по всей поверхности трения на обработанной детали, что исключает контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой - с подложкой поверхности трения, которая имеет прочность меньшую, чем прочность нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃.

Таким образом, заявленное изобретение во всех его четырех объектах позволяет в комплексе решить вопрос как непосредственно с получением тонкослойного керамического покрытия, так и с возможностью его прикладного использования непосредственно в парах трения машин и механизмов.

Формула изобретения

1. Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3 Al₂O₃ · 2 SiO₂, отличающееся тем, что нитевидные кристаллы альфа-Al₂O₃ состоят из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетаются между собой и расплетаются с образованием на участках переплетения жгутов, формируя в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, характеризующегося интенсивностью изнашивания I = 10^-10 - 10^-12, коэффициентом трения f = 0,010 - 0,035, микротвердостью Н = 15 - 19 ГПа и критической нагрузкой растрескивания Р = 2,7 - 3,5 н.

2. Способ получения тонкослойного керамического покрытия, заключающийся в том, что в электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1 - 6 г/л с добавлением жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO₂ и Al₂O₃ дисперсностью 1 - 10 мкм в концентрации 0,5 - 2,0 г/л, погружают обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 4 - 10%, являющийся одним электродом, и второй электрод из электролитически нерастворимого металла, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование в анодно-катодном режиме, отличающийся тем, что концентрацию жидкого стекла в электролите выбирают в диапазоне 5 - 10 г/л, смесь порошков из SiO₂ и Al₂O₃ выбирают в соотношении 70% SiO₂ и 30% Al₂O₃, а обработку в анодно-катодном режиме ведут при соотношении величин катодного и анодного токов I_c/I_a = 1,0 - 1,15 в течение 90 - 240 мин.

3. Поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3 Al₂O₃ · 2 SiO₂ и выходящих непосредственно на поверхность трения и образующих ее, отличающаяся тем, что поверхность трения образована свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-Al₂O₃ и муллита 3 Al₂O₃ · 2 SiO₂, образующей подложку поверхности трения, противоположные концы которых расположены в мелкокристаллической матрице, причем свободные концы нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ размещены по поверхности трения с образованием псевдовязкого слоя на поверхности, исключающего контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой.

4. Способ получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-Al₂O₃, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2 SiO₂, заключающийся в том, что покрытие обрабатывают до получения заданных износостойких характеристик поверхности трения, отличающийся тем, что обработку покрытия ведут с использованием абразива, прочность которого выше прочности подложки поверхности трения, образованной мелкокристаллической матрицей гамма-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃ · 2 SiO₂, но ниже прочности нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, при этом обработку ведут до высвобождения концов нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃ из взаимосвязи с подложкой до получения на поверхности трения псевдовязкого слоя, образованного свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Al₂O₃, по поверхности, исключающего контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой.