Технологические особенности выбора электролита для получения толстослойных керамических покрытий

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА ЭЛЕКТРОЛИТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЛСТОСЛОЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Кузнецов Ю.А., Кулаков К.В., Гончаренко В.В.

(ФГБОУ ВПО ОрелГАУ, г.Орел, РФ)

The article presents the requirements to electrolytes and introduces the compositions of some widely spread electrolytes and examines the reactions of the oxidizing process in composite electrolyte of type “KOH-Na₂SiO₃”.

При выборе вида и состава электролита для восстановления и упрочнения алюминиевых деталей микродуговым оксидированием (МДО) необходимо учитывать, что в условиях ремонтно-технических предприятий к электролитам предъявляются следующие требования:

· электролит должен обеспечивать возможность получения на деталях покрытий с высокими физико-химическими свойствами;

· свойства получаемых покрытий должны находиться в строгом соответствии с заданными режимами электролиза и регулироваться ими в широких пределах;

· получение покрытия должно быть максимально производительным;

· электролит должен быть простым по составу, надежным в эксплуатации и экологически безопасным;

· применяемые для приготовления электролита материалы должны быть дешевыми и недефицитными;

· способы контроля и корректировки электролита должны быть просты и доступны для ремонтных предприятий.

Электролиты для МДО делятся на четыре основные группы [1,2]:

· растворы, в которых упрочненный слой образуется за счет окисления металла (растворы кислот и щелочей);

· растворы, в которых покрытие создается за счет анионов электролита (растворы жидкого стекла);

· растворы, в которых покрытие формируется за счет окисления металла и за счет анионов электролита (смеси растворов первого и второго типов);

· растворы, содержащие мелкодисперсные частицы.

В электролитах первой группы покрытие формируется преимущественно благодаря окислению алюминия. В электролитах второй и третьей групп происходит не только окисление алюминия, но и включение в состав покрытия вещества из электролита. В электролитах четвертой группы покрытие формируется в основном из материала, присутствующего в них в виде взвеси. Благодаря тому, что процесс ведут в условиях искрового разряда на поверхности оксидируемой детали при локальных температурах в зоне реакции 700…250°С, композиционные добавки, находящиеся в электролите в виде порошков, сплавляются с другими компонентами покрытия, образуя прочный керамический слой. Применение этих электролитов позволяет формировать покрытия с использованием оксида алюминия, оксида титана и других материалов, введенных в состав электролита, что существенно расширяет возможность получения покрытий с функциональными различными свойствами.

Составы нескольких наиболее распространенных электролитов, используемых при МДО, и примерное назначение получаемых керамических покрытий представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Состав электролитов и примерное назначение формируемых в них покрытий при МДО

Состав электролита, г/л Н₂О	Толщина покрытия, мкм	Назначение покрытия
1. Гидроксид калия – 2…8	50…100	Повышение износостойкости, защита от коррозии
2. Натриевое жидкое стекло – 180…200, гидроксид калия – 75…84	300…500	Защита от термического воздействия
3. Натриевое жидкое стекло – 20…60	100…150	Повышение износостойкости, защита от коррозии
4. Гидроксид натрия – 15…30 5. Натриевое жидкое стекло – 80…120, оксид алюминия –10…20	25…200	Защита от термического воздействия
6. Гидроксид калия – 2…3, натриевое жидкое стекло – 8…10, пероксид водорода – 2,5…10	150…200	Повышение износостойкости
7. Алюминат натрия – 25…50	200…300	Защита от коррозии и термического воздействия
8. Натрий фосфорно-молибде-новокислый – 10…100	5…20	Защита от коррозии
9. Концентрированная серная кислота	15…50	Упрочнение, защита от коррозии

В настоящее время наибольшее применение получили электролиты первой группы. Одним из самых простых и признанных электролитов этой группы стал раствор, содержащий КОН 2...8 г/л, который дает возможность получать качественные керамические покрытия на алюминиевых сплавах. С этой же целью могут использоваться растворы некоторых кислот (серная, фосфорная, щавелевая, лимонная и др.), среди которых наибольшее распространение получила серная кислота. Следует отметить, что серная кислота, как и другие, пригодна лишь в концентрированном виде, так как разбавленная кислота не способна пассивировать алюминий, что является решающим фактором при ведении МДО.

При использовании электролитов первой группы геометрические размеры обрабатываемых деталей изменяются незначительно. Упрочненный слой формируется с внутренней стороны, то есть на границе раздела "металл – пленка". В этом случае покрытие углубляется в металл, а наружный действительный размер детали меняется в пределах 10 % от толщины сформированной пленки на величину внешнего слоя покрытия, который при последующей финишной механической обработке полностью удаляется.

Особый интерес представляют электролиты 2-ой и 3-ей групп, способные образовывать покрытия за счет катионов раствора. К данным электролитам можно отнести растворы силикатов щелочных металлов.

Проведенные исследования по оксидированию алюминиевых литейных сплавов в электролите, содержащем силикат натрия, показали, что электролиз растворов жидкого стекла приводит к формированию толстослойных покрытий (до 0,4 мм). Однако покрытиям, полученным в вышеуказанном электролите, свойственна низкая адгезия и износостойкость.

Очевидно, качество получаемых покрытий можно улучшить, если объединить электролиты, принадлежащие к различным группам. При этом наиболее целесообразным является использование комбинированного электролита типа "КОН -Na₂SiO₃". При этом концентрация КОН будет влиять на растравляющую способность электролита, что позволит сформировать упрочненный слой внутрь оксидируемой поверхности относительно номинального размера детали и увеличить адгезию покрытий. Введение же жидкого стекла позволит формировать покрытие за счет его компонентов, что в конечном итоге приведет к возможности не только упрочнения, но и получения достаточной толщины покрытия для восстановления алюминиевой детали.

Электрохимические реакции на поверхности алюминиевого сплава в предложенном выше электролите будут протекать по схемам, приведенным ниже.

В анодный полупериод будут протекать реакции растворения алюминия, образование кислорода из гидроксид-ионов и оксида алюминия:

(1)

(2)

(3)

(4)

В катодный полупериод будет происходить восстановление воды, ионов водорода и оксидов металлов, входящих в состав алюминиевого сплава:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

В присутствии метасиликата натрия в анодный полупериод становится возможным разряд ионов НSiO₃ – продуктов гидролиза метасиликата натрия:

(10)

Кроме того, при повышенных температурах в каналах пробоя пленки будет протекать химическая реакция алюминия с метасиликатом натрия, приводящая к образованию силикатов типа nSiO₂ и mSiO₂ алюмосиликатов с фазами – 3Al₂O₃ × 2SiO₂ (муллит), Al₂O₃ × 2SiO₂ (каолин), Al₂O₃ × SiO₂ (силиманит):

(11)

(12)

Таким образом, можно предположить, что, используя электролит типа "КОН – Na₂SiO₃", можно будет не только упрочнять алюминиевые детали при МДО, но и восстанавливать их размеры за счет компонентов электролита.

Литература

1. Kuznetsov Y, Kossenko А,Lugovskoy А. Study of Wear Resistance of Plasma Electrolytic Oxidized Coatings on Aluminum Alloys. – The Sixth International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Material Technologies MMT-2010. – Ariel University Center of Samaria, Ariel, Israel, August 23-27, 2010., 1-1 – 1-10.

2. Кузнецов Ю., Косенко А. и др. Влияние силикатного индекса электролита на процесс ПЭО сплавов алюминия. – Материалы Международного симпозиума «Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций» и XI Международной конференции «Физика твердого тела». –Усть-Каменогорск, Казахстан, июнь 2010. – С. 370-377. ISBN 978-601-208-152-7.