Литейный сплав на основе алюминия и способ получения защитного покрытия на его поверхности

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано в авиационной, машиностроительной и судостроительной промышленности. Литейный легированный сплав на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии содержит, мас.%: медь 4,0-6,2, церий 0,08-0,10, сопутствующие примеси не более 0,02, алюминий остальное. Способ защиты поверхности изделий из литейного сплава на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии путем нанесения покрытия методом микроплазменного оксидирования включает оксидирование изделия, являющегося рабочим электродом, в щелочном водном растворе электролита, содержащем 0,1-0,6 г/л химических соединений, образующих в щелочном водном растворе электролита полимер-ионы, при этом оксидирование проводят на переменном симметричном напряжении, которое самопроизвольно переходит в асимметричное, а продолжительность оксидирования равна времени, при котором количество интенсивно горящих микроразрядов на поверхности изделия в анодный полупериод протекания переменного тока составляет от 4 до 20 микроразрядов. Технический результат - уменьшение межкристаллитной коррозии алюминиевых сплавов, содержащих от 4,0-6,2% меди, и снижение скорости ее протекания, а также получение износостойкого, низкопористого внешнего слоя покрытия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к литейным сплавам на основе алюминия, и технологии формирования износостойких, диэлектрических, антикоррозионных, оксидных покрытий на изделиях из алюминиевых сплавов. Изобретение может быть использовано для изготовления из нового сплава деталей и изделий, используемых в авиационной, машиностроительной и судостроительной промышленности, и для нанесения на их поверхность защитных неорганических покрытий.

Известны литейные алюминиевые сплавы АЛ7, АЛ19, ВАЛ10, ВАЛ14, содержащие от 4,0-6,2% Сu (Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. «Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов», учебник для ВУЗов, Москва, «МИСиС», 1999, с.121-135).

Недостатками данных сплавов являются их высокая склонность к межкристаллитной коррозии и большая скорость ее протекания.

Прототипом первого объекта предложенного изобретения является известный сплав ВАЛ1 (АЛ33), содержащий 5,5-6,2% Сu, 0,8-1,2% Ni, 0,6-1% Mn, 0,15-0,3 Се, 0,05-0,2 Zr, обладающий повышенной коррозионной стойкостью, в том числе и относительно небольшой стойкостью к межкристаллитной коррозии (Белов Н.А., Золотаревский B.C. «Литейные алюминиевые сплавы», Москва, МИСиС, 2005, с.148-196).

Недостатком данного сплава является его высокая цена из-за легирования алюминиевого сплава дорогостоящими элементами, в первую очередь Ni.

Прототипом второго объекта предложенного изобретения является способ микродугового оксидирования, позволяющий наносить покрытия на образцы и изделия из алюминиевых сплавов (Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M. «Микродуговое оксидирование», Москва, Экомет, 2005, с.123-149).

Недостатком данного способа является получение неизносостойкого, высокопористого внешнего слоя покрытия, занимающего от 25 до 40% его суммарной толщины.

В первом объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в уменьшении межкристаллитной коррозии алюминиевых сплавов, содержащих от 4,0-6,2% меди, и снижении скорости ее протекания за счет образования устойчивых интерметаллидов (Се₃Аl₁₁, СеАl₃) по границам зерен.

Указанный технический результат для первого объекта изобретения достигается следующим образом.

Литейный легированный сплав на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии содержит, мас.%:

медь	4,0-6,2,
церий	0,08-0,10%,
сопутствующие примеси	не более 0,02%
алюминий	остальное

При таком микролегировании сплава с помощью церия происходит сегрегация устойчивых интерметаллидов (Се₂Аl₁₁, СеАl₃) по границам зерен, что и обеспечивает значительное уменьшение скорости коррозии алюминиевого сплава.

При концентрации меди менее чем 4,0% данный эффект практически отсутствует, так как скорость межкристаллитной коррозии резко падает при снижении концентрации меди. А если концентрация выше чем 6,2%, то большие включения интерметаллидов Аl₂Сu образуются независимо, и межкристаллитная коррозия становится высокой даже при добавках церия.

При концентрации церия менее 0,08% в алюминиевых сплавах, содержащих 4,0-6,2% Сu, скорость межкристаллитной коррозии практически такая же, как и у аналогичных сплавов, но не содержащих церий. При концентрации церия более 0,10% в сплаве не происходит дальнейшее уменьшение скорости межкристаллитной коррозии.

Большая концентрация примесей может приводить к вытеснению церия с границ зерен алюминиевого сплава, что снижает коррозионную стойкость сплава.

В таблице приведены примеры уменьшения (в %) средней скорости () межкристаллитной коррозии алюминиевых сплавов за счет их микролегирования церием.

При проведении ускоренных испытаний на межкристаллитную коррозию в соответствии с требованиями ГОСТ 9.021-74 было установлено значительное, не менее чем на 35%, уменьшение скорости межкристаллитной коррозии.

Легирующие элементы и их концентрация (в мас.%)	, мкм/г	%
4,3 Сu	19,6	-
4,3 Сu, 0,08 Се	11,2	43
6,2 Сu	20,8	-
6,2 Сu, 0,1 Се	13,3	36

Указанный литейный сплав получается путем растворения меди в алюминии с добавлением предварительно приготовленных лигатур Аl+10% Се.

Во втором объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в получении износостойкого, низкопористого внешнего слоя покрытия методом микроплазменного оксидирования на поверхности изделий из сплава на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии.

Указанный технический результат для второго объекта изобретения достигается следующим образом.

Способ защиты поверхности изделий из литейного сплава на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии путем нанесения покрытия методом микроплазменного оксидирования включает оксидирование изделия, являющегося рабочим электродом, в щелочном водном растворе электролита, содержащем 0,1-0,6 г/л химических соединений, образующих в щелочном водном растворе электролита полимер-ионы.

Оксидирование проводят на переменном симметричном напряжении, которое самопроизвольно переходит в асимметричное.

Продолжительность оксидирования равна времени, при котором количество интенсивно горящих микроразрядов на поверхности изделия в анодный полупериод протекания переменного тока составляет от 4 до 20 микроразрядов.

Для образования полимер-ионов в щелочном водном растворе электролита используют NaAlO₂ или техническое жидкое стекло Na₂SiO₃.

Минимальная концентрация химического компонента 0,1 г/л, оксиды которого входят в покрытие после их плазмо- и термохимических преобразований, необходима, так как при меньших значениях, как установлено экспериментально, отсутствует адгезия микродугового покрытия к алюминиевому сплаву. При концентрации этих химических компонентов больше 0,6 г/л начинает расти внешний пористый слой покрытия, удаление которого требует проведения дополнительной операции (шлифование), которая крайне затруднительна или невозможна на всей поверхности изделий сложной геометрической формы.

При уменьшении количества микродуговых разрядов, загорающихся на поверхности рабочего электрода в анодный полупериод протекания через изделие переменного тока, до 20 и менее с увеличением длительности проведения процесса средняя микротвердость покрытий составляет не менее 1600 HV. При большем количестве микроразрядов она резко уменьшается. Следует отметить, что у микродуговых покрытий на алюминиевых сплавах, состоящих из оксидов алюминия, износостойкость пропорциональна их микротвердости.

При уменьшении микроразрядов увеличивается энергия, выделяемая в них. Как установлено экспериментально, когда за один период протекания переменного тока через изделие количество горящих микроразрядов становится менее 4, то в каждом микроразряде энергия достигает значений, приводящих к кратерообразным нарушениям в покрытии - наступает дуговая стадия процесса микродугового оксидирования.

Ниже приведены конкретные примеры реализации изобретения.

Пример 1.

Процесс микродугового оксидирования (МДО) алюминиевого сплава, включающего 4,0% Cu и 0,1% Се, ведут в щелочном водном растворе электролита, содержащем 3 г/л NaOH, 0,6 г/л NаАlO₂, являющегося химическим соединением, образующим в щелочном водном растворе электролита полимер-ионы. В щелочной водный раствор электролита дополнительно могут быть введены в качестве стабилизатора электролита 1 г/л Nа₆Р₆O₁₈ и в качестве активатора процесса 0,2 г/л NH₄F.

Процесс ведут при плотности переменного тока 60 А/дм² с визуальной фиксацией количества микроразрядов при помощи цифрового фотоаппарата. При уменьшении количества микроразрядов до 4 процесс МДО прекращают.

Средняя микротвердость покрытия 1860±170HV, толщина - 115,6±3,5 мкм. Высокая антикоррозионная способность покрытия демонстрируется тем, что отсутствуют локальные коррозионные поражения (питтинги) после выдержки образцов с покрытиями в течение 24 суток в водном растворе 5,7% NaCl, 0,3% Н₂О₂.

Пример 2.

Процесс МДО алюминиевого сплава, включающего 4,0%Cu и 0,1% Се, ведут в щелочном водном растворе электролита, содержащем 2 г/л NaOH и 0,1 г/л технического жидкого стекла, являющегося химическим соединением, образующим в щелочном водном растворе электролита полимер-ионы. В щелочной водный раствор электролита дополнительно могут быть введены в качестве стабилизатора электролита 1 г/л Na₆P₆O₁₈ и в качестве активатора процесса 0,2 г/л NH₄F.

Процесс ведут при плотности переменного тока 30 А/дм² с визуальной фиксацией количества микроразрядов при помощи цифрового фотоаппарата. При уменьшении количества микроразрядов до 4 процесс МДО прекращают.

Число микроразрядов визуально фиксировали при помощи цифрового фотоаппарата. Средняя микротвердость покрытия - 1630HV. Высокая антикоррозионная способность покрытия подтверждается тем, что отсутствуют локальные коррозионные поражения (питтинги) после выдержки в камере соляного тумана в течение 236 часов (последние испытания были проведены в соответствии с требованиями ISO 9227), толщина микродугового - 158,7±2,8 мкм.

Использование изобретения повышает общий ресурс работы изделий, выполненных из литейного сплава на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии, как за счет непосредственно состава сплава, так и за счет нанесения покрытия предложенным способом.

1. Литейный легированный сплав на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии, содержащий, мас.%:

медь	4,0-6,2
церий	0,08-0,10
сопутствующие примеси	не более 0,02
алюминий	остальное

2. Способ защиты поверхности изделий из литейного сплава на основе алюминия с пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии путем нанесения покрытия методом микроплазменного оксидирования, включающий оксидирование изделия, являющегося рабочим электродом, в щелочном водном растворе электролита, содержащем 0,1-0,6 г/л химических соединений, образующих в щелочном водном растворе электролита полимер-ионы, при этом оксидирование проводят на переменном симметричном напряжении, которое самопроизвольно переходит в асимметричное, а продолжительность оксидирования равна времени, при котором количество интенсивно горящих микроразрядов на поверхности изделия в анодный полупериод протекания переменного тока составляет от 4 до 20 микроразрядов.

3. Способ по п.2, в котором для образования полимер-ионов в щелочном водном растворе электролита используют NaAlO₂ или техническое жидкое стекло Na₂SiO₃.