Параграф 17. Микродуговое оксидирование деталей.
К числу новейших методов, удовлетворяющих требованиям управляемого синтеза обладающих заданными свойствами неорганических пленок на металлах, относится комплекс методов, которые могут быть объединены общим названием плазменно-электролитическая анодная обработка металлов в электролитах. Особенность этих методов состоит в том, что в одном процессе на металлическом аноде синтезируется материал, компонентами которого являются составляющие как металла, так и электролита, и производится обработка образовавшейся пленки электрическими разрядами.
Суть этих явлений, обобщенно называемых процессами микродугового оксидирования (МДО), осуществляемых на вентильных металлах, подобна обычному анодированию, но осуществляемому в электролитах определенного состава и при значительно больших напряжениях и плотностях тока.
При таком процессе создается бегающая по поверхности анода микродуга, котрая наращивает толщину пленки.
При соответствующем подборе электролита можно увеличить напряжение, и тогда микродуговые разряды перейдут в дуговые, которые начнут оплавлять поверхность электрода, благодаря чему появляется возможность создания слоя таких материалов как SiO2, Al2O3, и др.
Электрохимические и микродуговые процессы включают в себя обычный электролиз, транспорт вещества электролита (или суспензоида) в разряд раствора или расплава; высокотемпературные и химические реакции в разряде и в зонах электродов, примыкающих к разряду, с участием (или без участия) вещества электродов. Подготовка и транспорт вещества в зону разряда могут осуществляться и другим способом, что приводит к выделению группы неэлектрохимических процессов.
Первым из группы неэлектрохимических процессов назовем собственно микродуговое оксидирование. Этот процесс состоит в том, что на стадии электролитического анодирования благодаря прямому контакту раствора с диэлектрической пленкой создается локальная высокая напряженность электрического поля, обеспечивающая ионную проводимость в пленке и протекание окислительных процессов, сопровождающихся увеличением толщины этой пленки.
По достижении некоторого предельного значения напряжения микродуговые разряды сменяются дуговыми. Это видно визуально по изменению плазменной яркости, числа и характера перемещения разрядов по поверхности и по углу наклона кривой подъема напряжения.
Следующим процессом из группы неэлектрохимических процессов нанесения покрытий является дуговое оксидирование. Дуговые разряды отличаются от микродуговых интервалами токов; ток разряда у них в 2…2,5 раза выше.
Мощность отдельного дугового разряда также выше мощности отдельного микродугового разряда, и ее хватает для прогрева подложки, плавления покрытия и образования кратеров вплоть до металла подложки. Кратер, образующийся за время горения дугового разряда, после его угасания успевает заполниться расплавившимся материалом покрытия. При дуговом нанесении покрытий из легкоплавких материалов эти покрытия могут быть и плавленным и спеченными.
Еще одна разновидность процессов обработки материалов в режимах горения микродуговых и дуговых разрядов – это процессы, в которых существенным моментом являются электрофоретический перенос макрочастиц в электролите и превращения, происходящие с суспензиодом в цепи «электролит – разряд – покрытие». Для получения этого эффекта в растворы электролитов вводят порошки окислов. При возникновении микродуговых разрядов начинается осаждение порошка на поверхность электрода. При достижении определенного значения напряжения микродуговые разряды сменяются дуговыми, и выход вещества покрытия становится в несколько раз выше.
К этому виду процессов относится анодно-катодный микродуговой метод. Он имеет целью получение малопористых покрытий с высокой адгезией за счет использования явления образования оксидно-гидроксидных покрытий в условиях катодной поляризации.
Для получения этого эффекта необходимо нанести предварительно малопористое покрытие и задать и поддерживать определенную плотность тока. В окрестностях пор, а затем и по всей поверхности, лежащей под предварительным покрытием, начинается образование оксидно-гидроксидного слоя, который в отличие от анодных покрытий, не является униполярным. По мере увеличения толщины этого слоя напряжение на ванне в режиме постоянной плотности тока будет соответственно повышаться, и при достижении им определенного значения образуются микродуговые и дуговые разряды. Токовые характеристики этих разрядов превосходят максимальные характеристики анодных разрядов в 5…10 раз.
Таким образом возникает возможность создания разрядов, имеющих большую в сравнении с микродугой мощность и способных оплавлять покрытия до стекловидного состояния.
Толстые оксидные пленки состоят из двух слоев: тонкого беспористого оксидного слоя (толщиной 0,01…0,03 мкм) и толстого пористого слоя. Первый из этих слоев примыкает непосредственно к металлу. Второй слой состоит из плотноупакованных ячеек в виде гексагональных призм, направленных перпендикулярно к поверхности металла. По оси каждой такой ячейки расположены поры капиллярной формы.
Микродуговому оксидированию сопутствуют следующие процессы:
-
газовыделение за счет химических реакций, а также за счет выделения джоулевого тепла;
-
гальванолюминесценция и искрение;
-
тлеющий разряд с электролитным катодом;
-
динамически развивающиеся микроразряды;
-
химический синтез под действием электрических разрядов.
Фазовый состав упрочненного слоя зависит как от режима микродугового оксидирования, так и от химического состава оксидируемого материала.
Режимы микродугового оксидирования влияют на количественные соотношения фаз по глубине упрочненного слоя.
Микромеханические свойства полученного с помощью таких методов упрочненного слоя включают в себя показатели микротвердости, микрохрупкости и микропрочности в широком диапазоне нагрузок в зависимости от химического состава оксидируемого материла, от режимов микродугового оксидирования, а аткже распределение этих показателей по глубине упрочненного слоя по направлению от границы раздела «электролит-покрытие» к металлической поверхности. Исследования этих параметров производятся обычным металлографическим способом.
Исследованиями триботехнических характеристик МДО-слоев установлено, что независимо от схемы трения упрочняющие покрытия, полученные методами микродугового оксидирования, обладают высокой износостойкостью, низким значением коэффициента трения и способны работать (в соответствующем диапазоне нагрузок, скоростей и сред) в паре со многими материалами.
Наилучшей износостойкостью обладают материалы, имеющие высокую твердость с поверхностным слоем, характеризующимся пониженной прочностью на сдвиг, или такие же материалы, покрытые мягкой защитной пленкой.
Покрытия, полученные методом микродугового оксидирования, применяются в следующих случаях:
а) Торцевые уплотнения в условиях вращательного движения.
Уплотнения такого рода часто встречаются в насосных установках, газотурбинных двигателях и др. При этом материалы трущихся поверхностей должны обладать высокими триботехническими характеристиками (износостойкостью, антифрикционностью).
б) Износостойкость упрочненного слоя в условиях возвратно-поступательного движения.
В этом случае важную роль играют показатели работоспособности упрочненного слоя и покрытий в условиях циклически нагруженного фрикционного контакта. Примером подобных пар трения могут служить задвижки арматуры различных трубопроводов, пары трения поршень-гильза в гидроаппаратуре и кольца-цилиндр в двигателях внутреннего сгорания.
в) Детали в потоке гидроабразивной среды.
Изготовление деталей, работающих в абразивных средах, характерным примером которых являются турбины турбобуров, до последнего времени осуществлялось методом литья из чугуна или стали, что связано со значительными технологическими трудностями. Микродуговое оксидирование открывает пути изготовления таких деталей методами литья из алюминиевых сплавов с последующим упрочнением поверхности.
г) Детали в потоке абразивных частиц в условиях высоких температур.
Ряд производств требует применения материалов, устойчивых в потоке абразивных частиц в условиях высоких температур. Примером могут служить наконечники термозащитных карманов, применяемые в печах пиролиза. Срок службы деталей, защищенных покрытиями, нанесенными микродуговым оксидированием, увеличивается в несколько раз.