Тонкослойное керамическое покрытие, способ его получения, поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия и способ ее получения
Изобретение относится к получению на поверхности металлов износостойких покрытий методом микродугового оксидирования и может быть использовано в машиностроении, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, образованной с возможностью впитывания смазки нитевидными кристаллами альфа-Аl2О3, характеризующимися способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке. Способ получения покрытия с поверхностью трения заключается в микродуговом оксидировании детали в анодно-катодном режиме при соотношении величин Ic/Ia=1,0-1,15 в течение 90-240 мин последовательно в двух электролитах, причем микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30-50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3. Технический результат: повышение несущей способности тонкослойного керамического покрытия и поверхности трения на его основе за счет повышения демпфирования механического воздействия на ее поверхность в парах трения образованных на ее основе. 2 н.п. ф-лы.
Изобретение относится к области металловедения, касающейся тонкослойных керамических покрытий на основе их нанесения электролитическим методом, а более конкретно к получению на поверхности черных и цветных 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 №1200591, МПК С25D 11/02, 1989 г.).
Кроме того, известно тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения по патенту Российской Федерации №2086713, МПК6 C25D 11/02, 15/00, 1995 г.
Тонкослойное керамическое покрытие в данном аналоге характеризуется наличием кристаллов альфа-Аl2О3, имеющих нитевидную форму и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Аl2О3 и муллита 3Аl2О3·2SiO2.
Способ получения тонкослойного керамического покрытия в данном аналоге характеризуется тем, 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 Аl2О3 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.
Известно также техническое решение, касающееся поверхности трения и способа ее получения из источника В.М.Грошева и др. Синтетический муллит и материалы на его основе. - Киев, Техника, 1971 г.
Поверхность трения в данном техническом решении на основе тонкослойного керамического покрытия характеризуется наличием кристаллов альфа-Аl2О3, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Аl2О3 и муллита 3Аl2О3·2SiO2 и выходящих непосредственно на поверхность трения и образующих ее.
Способ получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-Аl2О3, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Аl2О3 и муллита 3Аl2О3·2SiO2, заключается в том, что поверхность трения обрабатывают с использованием абразива до получения заданных износостойких характеристик.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения и тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, полученное данным способом по патенту РФ №2165484, МПК7 С25D 11/02, 2000 г.
Данное техническое решение характеризуется тем, что нитевидные кристаллы альфа-Аl2О3 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-Аl2О3; описан способ получения тонкослойного керамического покрытия; поверхность трения на основе данного покрытия характеризуется тем, что она образована свободными концами нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3, выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-Аl2О3 и муллита 3Аl2О2·2SiO2, образующей подложку поверхности трения, противоположные концы которых расположены в мелкокристаллической матрице, причем, свободные концы нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 размещены по поверхности трения с образованием псевдовязкого слоя по поверхности, исключающего контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой; описан способ получения таковой поверхности трения.
Получению требуемого технического результата в известных способах получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения и тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения, полученным данным способом препятствует, для способа, 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, а для поверхности трения препятствует низкая критическая нагрузка растрескивания под действием ударных нагрузок. Подобным же образом термическая стойкость керамики, армированной нитевидными кристаллами, намного выше термической стойкости неармированной.
Износостойкость в результате трения анализируемых поверхностей трения также недостаточна.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение для всех его объектов - это получение материала с высокой несущей способностью в паре трения с покрытием на основе тонкослойной керамики на поверхности оксидируемого материала, образующим поверхность трения.
Технический результат, получаемый от использования данного изобретения во всех его объектах - это повышение несущей способности тонкослойного керамического покрытия и поверхности трения на его основе, за счет повышения демпфирования механического воздействия на ее поверхность в парах трения, образованных на ее основе.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому объекту изобретения тем, что в способе получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения, включающий микродуговое оксидирование детали, содержащей алюминий, и включающей медь в количестве 3,5-10% с использованием катода из электролитически нерастворимого металла в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Iс/Iа=1,0-1,15 в течение 90-240 мин последовательно в двух электролитах, при этом первый электролит представляет собой водный раствора щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением 2-5 г/л жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO2 и Аl2О3 в соотношении 70% и 30%, соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л, а второй электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 1-3 г/л с добавлением 1-3 г/л жидкого стекла, а микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30-50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму объекту изобретения тем, что тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, полученное способом по первому объекту изобретения, состоит из нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3, имеющих продольные трещины с поперечным размером ~ 1 нм и более с возможностью впитывания смазки и характеризующихся способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов.
Изобретение по первым двум объектам иллюстрируется следующим образом.
Обрабатываемую деталь, содержащую алюминий и включающую медь в количестве 3,5-10%, и являющуюся одним электродом, подключенным к источнику питания, оксидируют с использованием катода из электролитически нерастворимого металла, также подключенного к источнику питания.
Катод из электролитически нерастворимого металла может быть выполнен, например, в частности, из никеля; также для изготовления электролитически нерастворимого катода может быть применена ограниченно нержавеющая сталь с высоким содержанием хрома и никеля типа Х18Н9.
Обработку поверхности детали из указанной металлической композиции, содержащей алюминий, ведут в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Iс/Iа=1,0-1,15, напряжении 350-400 В переменного тока и в течение 90-240 мин.
Обработку проводят последовательно в двух электролитах.
В качестве первого электролита используют электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением 2-5 г/л жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO2 и Аl2О3 в соотношении 70% и 30% соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л.
Второй электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 1-3 г/л с добавлением 1-3 г/л жидкого стекла,
При этом микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30-50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3.
Постоянный режим тока нанесения покрытия при выбранном режиме микродугового оксидирования составляет от 5 до 20 А/дм2 обрабатываемой детали, при этом отношение анодного и катодного токов промышленной частоты 50 или 60 Гц поддерживается в соотношении Iс/Iа=1,0-1,15 в течение 90-240 мин.
Время пульсации одного импульса составляет 5-10% от времени протекания заданного режима тока с интервалом между пульсациями в 1-3 мин.
Периодичность пульсаций анодного и катодного тока составляет 1-3 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 с возможностью получения при данном режиме нанесения покрытия и формирования нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.
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-Аl2О3, составляющие основу слоя.
На обработанной поверхности содержащего алюминий металла образуется упрочненный износостойкий слой, представляющий собой композит на основе твердых фаз, содержащий альфа-Аl2О3, гамма-Аl2О3 и муллит 3Аl2O3·2SiO2. По крайней мере часть кристаллов или все кристаллы альфа-фазы Аl2О3 имеют нитевидную форму и, под действием процесса оксидирования с заявленными параметрами участвующих компонентов образуют 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-Аl2О3.
Указанные условия проведения процесса микродугового оксидирования обеспечивают возможность получения нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.
Исследования основной зоны полученного упрочненного слоя показали, что преобладает анизотропная фаза альфа-Аl2О3 в виде нитевидных кристаллов длинной 3-5 мкм с отношением длины к толщине более 20 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, как было отмечено выше, приводящих при механическом воздействии к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.
При обработке содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве <3,5%, требуемая для повышения несущей способности пар трения пространственная структура поверхностного слоя с преобладанием анизотропной фазы альфа-Аl2О3, в виде нитевидных кристаллов длинной 3-5 мкм с отношением длины к толщине более 20 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов не образуется.
Содержание меди в количестве >10% приводит к осложнениям поддержания анодно-катодного режима обработки.
Содержание в электролите добавки в виде порошка из 70% SiO2 и 30% Аl2О3 в количестве <0,5 г/л не дает возможности получить требуемые параметры упрочненного слоя.
Содержание же той же добавки в количестве >2,0 г/л вызывает активное горение электрической дуги и образование прожогов упрочненного слоя.
Полученная, как указано выше - с описанными параметрами и заявленным способом, тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения состоит из кристаллов альфа-Аl2О3, имеющих нитевидную форму с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, в виде трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Аl2О3 и муллита 3Al2O3·2SiO2 и образующих, таким образом, наноструктуру в виде частично расслоенных нитевидных кристаллов, способных в силу размера трещин ~ 1 нм и более при смазке низковязкими жидкостями за счет осмотических сил формировать псевдовязкий слой по поверхности трения, демпфирующий механический контакт непосредственно с их подложкой в паре поверхностей трения.
Тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения получено с возможностью впитывания им смазки и характеризуется способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов.
Структура поверхности трения получена за счет реализации определенного механического способа ее получения. В качестве конкретного примера реализации способа получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения можно привести следующий.
Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из кристаллов альфа-Аl2О3, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-Аl2О3 и муллита 3Аl2O3·2SiO2, получают на поверхности конкретной детали, предназначенной для использования, например, в парах трения между собой или с подобными деталями, имеющими упрочненную поверхность трения. 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).
Кроме того, «прочность» - свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия» (см. Политехнический словарь. Под редакцией А.Ю.Ишлинского, М., 1998 г., стр.425). Различают прочность, в частности техническую, конструкционную, динамическую и т.п.
Таким образом, термин «прочность» выбран заявителем 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 и прочности нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3.
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 несущих характеристик.
Прочность выбранного абразива, которым обрабатывают тонкослойное керамическое покрытие детали, должна быть всегда выше прочности подложки поверхности трения, образованной мелкокристаллической матрицей гамма-Аl2О3 и муллита 3Аl2O3·2SiO2 и прочности нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 в поперечном направлении, но ниже прочности нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 в продольном направлении.
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 и прочности нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 в поперечном направлении.
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 нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 из взаимосвязи их с подложкой с образованием наноструктуры в виде частично расслоенных нитевидных кристаллов.
Обработав поверхность детали таким образом, получают на обработанной поверхности трения при смазке низковязкими жидкостями псевдовязкий слой, образованный высвобожденными в результате обработки абразивом свободными частями расслоенных нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3, способных в силу размера трещин ~ 1 нм и более впитывать и удерживать за счет осмотических сил низковязкую смазку.
В качестве основного вида смазки в данном случае может быть использована вода или же иная жидкость с аналогичной низкой вязкостью, например керосин. Смазка может содержать высокодисперсные твердые порошки, например графит, в различных пропорциях.
Свободные части расслоенных нитевидных кристаллов альфа-Аl2О3 после обработки поверхности детали распределены по всей поверхности трения на обработанной детали, что исключает механический контакт и износ подложек в паре поверхностей трения.
Таким образом, заявленное изобретение во всех его 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.
1. Способ получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения, включающий микродуговое оксидирование детали, содержащей алюминий и включающей медь в количестве 3,5 - 10% с использованием катода из электролитически нерастворимого металла в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Ic/Ia=1,0 - 1,15 в течение 90 - 240 мин последовательно в двух электролитах, при этом, первый электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 2 - 6 г/л с добавлением 2 - 5 г/л жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO2 и Аl2О3 в соотношении 70% и 30%, соответственно, дисперсностью 1 - 10 мкм и в концентрации 0,5 - 2,0 г/л, а второй электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 1 - 3 г/л с добавлением 1 - 3 г/л жидкого стекла, а микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30 - 50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных кристаллов альфа - Аl2О3.
2. Тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, образованной с возможностью впитывания смазки нитевидными кристаллами альфа - Аl2О3, характеризующимися способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин с поперечным размером ~1 нм и более вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке, полученное способом по п.1.
