Энергосберегающий способ получения износостойкого керамического покрытия на алюминии и его сплавах

Энергосберегающий способ получения износостойкого керамического покрытия на алюминии и его сплавах

METHOD FOR ENERGY SAVING WEAR RESISTANCE CERAMIC COATINGS ON ALUMINUM AND ITS ALLOYS

Болотов А.Н., Новиков В.В., Новикова О.О. (ТГТУ, г. Тверь, РФ)

Bolotov A.N., Novikov V.V., Novikova O.O. (TSTU, Tver, Russia)

Рассматривается интенсификация технологии получения износостойкого керамического покрытия. Данная технология позволяет получать износостойкие покрытия на алюминии и его сплавах с заданной шероховатостью.

The intensification of ceramic coating technology has been considered. The above technology enable to obtain wear resistant coating on aluminum and its alloys with required roughness.

Ключевые слова: микродуговое оксидирование, керамическое покрытие, трение, износ.

Keywords: Microarc oxidation, ceramic coating, friction, wear.

Применение технологии микродугового оксидирования для формирования защитных износо- и коррозионно-стойких покрытий на деталях из алюминия и его сплавов или деталях с покрытием из алюминия и его сплавов является одним из перспективных направлений современного производства деталей машин и оборудования [1]. Данный способ известен как для получения новых деталей узлов трения, так и для восстановления изношенных поверхностей. Полученная в процессе оксидирования поверхность обладает высокой твердостью и износостойкостью, коррозионноустойчивостью. Кроме того, есть возможность в зависимости от требуемых режимов эксплуатации узла трения, задавать необходимую шероховатость поверхности. Однако техническое воплощение технологии имеет определенные трудности.

В частности процесс микродугового оксидирования требует относительно больших затрат электроэнергии и времени. Оксидирование и формирование керамического слоя алюминия и его сплавов занимает обычно 5 - 6 часов, а полученные изделия имеют грубую шероховатость рабочей поверхности, высокого уровня твердости. Так в работе [2] приводится способ, при котором происходит формирование слоя алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава на обрабатываемой детали и его последующее микродуговое оксидирование. При этом после формирования слоя его механически обрабатывают до восстановления геометрии поверхности. Однако механическая обработка полученного керамического слоя из-за его высокой твердости до восстановления геометрии поверхности требует больших затрат времени, электроэнергии и инструментального материала.

В процессе проведения исследований с целью повышения экономичности процесса оксидирования нами был разработан способ, заключающийся в следующем [3]. Обработку детали ведут на первой стадии в растворе алюмината или силиката щелочного металла с кремнефтористым натрием в качестве катализатора процесса в микродуговом режиме, а на второй стадии в слабощелочном растворе алюмината или силиката щелочного металла. В результате на первой стадии формируют технологический слой, способствующий появлению под ним основного высокотвердого поликристаллического слоя покрытия. Общее время нанесения покрытия меньше в 1,5 - 2,5 раза, чем при обычном способе обработки, а расход электроэнергии менее 4 - 5 кВт^.ч/дм². Однако существенный недостаток этого способа заключался в том, что поверхность обрабатываемых деталей получалась очень грубой. Это ограничивает их область применения.

В результате проведенных более глубоких исследований нам удалось разработать новый энергосберегающий способ получения износостойких керамических покрытий на алюминии и его сплавах [4]. Согласно полученной технологии, процесс микродугового оксидирования детали из алюминия и его сплавов ведут в две стадии. На первой стадии раствор алюмината или силиката щелочного металла концентрацией 20 - 150 г/л соединяют с кремнефтористым натрием концентрацией 2 - 20 г/л и выдерживают в нем деталь в течение 20 – 40 мин, а на второй стадии деталь помещают в щелочной раствор силиката или алюмината с концентрацией 2 – 10 г/л и концентрацией щелочи 0,5 – 4 г/л и выдерживают в нем 1,5 – 2 ч. Затем обрабатываемую деталь помещают в 50 – 65 % раствор плавиковой кислоты при температуре 30 – 60 ^о С на 5 – 30 минут для частичного разрушения и уменьшения прочности наружного пористого технологического слоя после чего ее промывают в воде и подвергают механической обработке.

Плавиковая кислота имеет свойство разрушать силикаты из которых преимущественно состоит технологический слой, получаемый на первой стадии микродугового оксидирования. Пористость технологического слоя способствует ее глубокому проникновению по всей толщине технологического слоя. В результате экспериментов установлено, что при следующих параметров выдержки: температура около 30 ^оС, концентрация плавиковой кислоты менее 50 %, времени выдержки менее 5 минут уменьшается прочность только наружной части технологического слоя. Этим достигается: снижение энергоемкости, материалоемкости и уменьшение времени последующей механической обработки. А в случае повышения температуре более 60 ^о С, концентрации плавиковой кислоты – 65 %, и времени выдержки более 30 минут плавиковая кислота проникает в поры основного высокотвердого поликристаллического слоя покрытия и по ним достигает материала подложки, вызывает его отслаивание и растрескивание при последующей механической обработке, что в конечном итоге приводит к разрушению керамического слоя.

Сравнительный анализ предлагаемого способа и предложенного в работе [2] показывает, что время обработки, расход электроэнергии сокращается в 2-2,5 раза, износ абразивного инструмента в 5 – 10 раз.

Таким образом, техникоэкономический эффект от использования данного способа состоит в интенсификации процесса получения керамического слоя покрытия с заданной шероховатостью.

Список использованных источников

1. Малышев В.Н., Голуб М.В. Структура и триботехнические характеристики износостойких композиционных материалов и покрытий // Долговечность трущихся деталей / сб. науч. стат. под ред. Д. Н. Гаркунова – М.: Машиностроение, 1990, - Вып. 4. – С 119 – 130.

2. Пат. 2199613 Российская Федерация, C25D 11/06. Способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры [Текст] / Агабабян Р.Е.; Нечаев Г.Г. ; заявитель и патентообладатель Агабабян Р. Е. — № 2001113639/02 ; заявл. 22.05.01 ; опубл. 27.02.03.

3. Пат.2039133 Российская Федерация, С25D 11/02. Способ анодирования алюминия и его сплавов [Текст] /Болотов А.Н., Новиков В.В., Созонтов К.К. и др; заявитель и патентообладатель Тверской государственный технический университет — № 92009341/26 ; заявл. 02.12.92 ; опубл. 09.07.95, Бюл. № 19.

4. Пат.2424381 Российская Федерация, С25D 11/12. Способ получения износостойкого покрытия на алюминии и его сплавах [Текст] /Болотов А.Н., Новиков В.В., Новикова О.О. и др; заявитель и патентообладатель Тверской государственный технический университет — № 2010123097/02 ; заявл. 07.06.10 ; опубл. 20.07.11, Бюл. № 20.