6.4. Микродуговое оксидирование

В современных миниатюрных устройствах связи и вычислительной техники, в авиационно-космической технике и изделиях других отраслей применяются детали из так называемых вентильных металлов таких, как ниобий, тантал и их сплавов. На поверхностях этих деталей необходимо создавать керамические многофункциональные покрытия с заданными свойствами. Для этой цели применяются процессы микродугового оксидирования (МДО).

Процесс МДО состоит из несколько стадий, протекающих последовательно и/или параллельно (рис. 6.31).

На стадии 1 обычного анодирования (Ан) электролит взаимодействует с естественной (воздушной) оксидной пленкой, образующейся при контакте металла с атмосферой, в ходе которого протекают процессы анодирования в водных растворах электролитов, сопровождающихся ростом толщины пленки. На стадии 1 характерен резкий подъем напряжения на формовочных кривых, соответствующий росту электросопротивления пленки и уменьшению свободной металлической поверхности.

При толщине пленки 0,5-1 мкм возникают искровые разряды (ИР) (участок 2) с одновременным протеканием двух процессов: электрохимического окисления металла и разрыхления искрами формирующегося покрытия. Напряжение, при котором начинается искрение в электролите, зависит от состава покрываемого материала и электролита и составляет от 40 до 80 В.

При малой толщине модифицированного слоя из-за большого теплоотвода наблюдается только искровой разряд, который при росте толщины пленки до 2 мкм, переходит в микродуговой разряд (МДР) (участок 3), а при больших толщинах – трансформируется в дуговой разряд (ДР) (участок 4).

Рис. 6.31. Стадии полной формовочной кривой напряжения при МДО

Установка МДО (рис. 6.32) состоят из гальванической ванны (1), технологического источника тока (ТИТ), систем прокачки (5,7,8,10), охлаждения (2, 6, 9) и перемешивания (3, 12) электролита, вытяжной вентиляции(13, 14). В баке10системы прокачки электролита находится теплообменник для охлаждения этого электролита. Перемешивание электролита реализуется либо продувом воздуха через электролит - путем барботажа (3, 12), либо механическим перемешиванием при помощи мешалки - двигателя с укрепленной на валу крыльчаткой (на рисунке не показано). Конфигурация установок может отличаться тем, что охлаждение электролита может обеспечиваться только системой прокачки или перемешиванием с помощью барботажа, либо мешалки. Состав оборудования конкретной установки определяется ее параметрами, такими как назначение формируемого покрытия, максимальные размеры обрабатываемых деталей, производительность, стоимость и др.

С точки зрения управления технологическими процессами, в рассматриваемых установках имеются следующие объекты: ТИТ, система про качки электролита, система охлаждения, система вентиляции. Состав оборудования конкретной установки определяется ее технико-экономическими параметрами, такими как назначение формируемого покрытия, максимальные размеры обрабатываемых деталей, производительность, стоимость и др.

Рис. 6.32. Функциональная схема установки МДО:

1 - гальваническая ванна; 2 - рубашка водяного охлаждения; 3 - барботер;

4 - электролит; 5, 6, 9 - запорная арматура; 7 - фильтр; 8 - водяной насос; 10 - бак с теплообменником; 11 - деталь; 12 - воздушный компрессор; 13 - вытяжной зонтик; 14 - вытяжной вентилятор

Электролитами при МДО называются вещества, растворы и расплавы которых могут проводить электрический ток ионами, образующимися в результате электролитической диссоциации. Состав электролитов наряду с материалом подложки, режимом и временем обработки является определяющим фактором процесса микродугового оксидирования, влияющим на состав, структуру и свойства получаемых покрытий.

Состав и концентрация даже относительно простых электролитов сильно влияют на характеристики МДО - покрытий. Так, введение 0,2 % щелочи в силикатный электролит уменьшает толщину покрытия на алюминиевом сплаве АЛ4 на порядок величины. Изменение концентрации электролита может влиять и на конечные размеры детали.

С повышением температуры электролита скорость оксидирования растет, а напряжение зажигания падает, при этом могут ухудшаться некоторые характеристики покрытий, например, уменьшаться пробойное напряжение и увеличиваться пористость.

Работоспособность электролитов в общем случае определяется удельным числом ампер-часов количества электричества (на единицу объема), которые он может выработать без ухудшения качества МДО-покрытий ниже установленного нормативно-технической или иной документацией предела.

Схема технологического участка для нанесения МДО-покрытий приведена на рис. 6.33. Она состоит из ванны 1 очистки (обезжиривания) перед нанесением покрытий (применяется только для сильно загрязненных деталей); водоохлаждаемой электролитной ванны 9 для нанесения покрытий; технологического источника 3 тока для реализации режимов МДО; ванны 4 для промывки готовых деталей в воде; сушильного шкафа 5 для сушки готовой продукции (используется при большом потоке продукции); системы 6 перемешивания электролита в рабочей ванне; системы 7 дистилляции или деминерализации воды (используется только на стадии заполнения и корректировки электролитной ванны); вытяжной вентиляции 8.

Рис. 6.33. Схема для технологического участка для нанесения МДО-покрытий

Контрольные вопросы к главе 6