исследование микротвердости покрытий,

сформированных плазменно-электролитическим оксидированием

INVESTIGATION OF MICROHARDNESS OF COATINGS,

FORMED BY PLASMA ELECTROLYTIC OXIDATION

 

Кузнецов Ю.А., Алимов В.Х. (ФГБОУ ВПО ОрелГАУ, г.Орел, РФ)

Kuznetsov Y., Alimov V. (Orel State Agrarian University, Orel, Russian Federation)

 

Приведены результаты исследований микротвердости оксидно-керамических покрытий, полученных плазменно-электролитическим оксидированием (ПЭО) в электролите типа «KOH-Na₂SiO₃».

The investigation results of microhardness of oxide ceramic coatings obtained by plasma electrolytic oxidation (PEO) in the electrolyte of type «KOH-Na₂SiO₃» are given.

Ключевые слова: плазменно-электролитическое оксидирование, электролит, покрытие, микротвердость.

Кeywords: plasma electrolytic oxidation, electrolyte, coating, microhardness.

 

Одним из новых способов создания тонкослойных высоко-износостойких покрытий на алюминиевых сплавах является плазменно-электролитическое оксидирование. Суть метода заключается в формировании на поверхности упрочняемой детали, в условиях воздействия микроплазменных разрядов и интенсивного теплоотвода в электролит, высокопрочного оксидно-керамического покрытия [1].

Одной из важнейших характеристик, определяющих физико-механические и триботехнические свойства покрытий, является их микротвердость.

Для проведения исследований использовали алюминиевые сплавы АК7ч и АО3-7. Покрытия формировали в анодно-катодном режиме ПЭО в электролите типа «KOH-Na₂SiO₃».

Было установлено, что увеличение концентрации метасиликата натрия в электролите при постоянных остальных параметрах процесса приводит к снижению микротвердости покрытий (рисунок 1). Так, например, проведенные измерения микротвердости на поверхности покрытий после их шлифования и полирования показали, что при концентрации Nа₂SiO₃ в диапазоне от 5 до 25 г/л в электролите микротвердость покрытий на сплаве AK7ч составляла 9…5 ГПа, на сплаве АО3-7 – 10…6 ГПа.

Снижение микротвердости покрытий с повышением концентрации Nа₂SiO₃  в электролите объясняется тем, что в структуре покрытия преобладающей фазой становится фаза муллита – 3Al₂О₃ × 2SiО₂.

Необходимо отметить, что микротвердость оксидно-керамического слоя, полученного ПЭО, неоднородна по толщине (рисунок 2). Максимальное значение микротвердости вне зависимости от марки сплава приходится на определенный слой покрытия, выше или ниже которого ее значения уменьшаются. При этом область с наивысшими значениями микротвердости находится примерно на расстоянии 10…15 мкм от номинального размера оксидируемого образца. По всей толщине внешнего упрочненного слоя покрытия, начиная от номинального размера, наблюдается снижение микротвердости. Вероятно, изменение микротвердости по толщине упрочненного слоя следует связывать с механизмом горения микроразрядов [2].

 

Рисунок 1 – Влияние концентрации Na₂SiO₃ на микротвердость покрытий, полученных на алюминиевых сплавах. T = 90 мин; Д_Т = 25 А/дм²:

1 – сплав АК7ч;  2 – сплав АО3-7

 

Рисунок 2 – Изменение микротвердости покрытий по толщине упроченного слоя на алюминиевых сплавах. Д _Т = 25 А/дм²; T = 90 мин;

C_КОН = 2 г/л;= 15 г/л: 1 – сплав АК7ч;  2 – сплав АО3-7

 

Следует отметить, что повышенная микротвердость покрытий, полученных ПЭО, обуславливается наличием в структуре твердофазных модификаций оксида алюминия. Очевидно, что во внутреннем слое данных фаз больше из-за высокой температуры в каналах пробоя покрытия.

Во внешних же слоях, из-за интенсивного теплоотвода в электролит, полиморфного превращения с образованием высокотемпературных модификаций оксида алюминия не происходит, а формируются только низкотемпературные фазы, характеризующиеся более низкой твердостью [2].

Оценивая влияние плотности тока на микротвердость формируемых покрытий при постоянных остальных параметрах процесса, необходимо отметить, что с повышением плотности тока микротвердость возрастает (рисунок 3). Так, например, с увеличением плотности тока от 15 А/дм² до 35 А/дм² при постоянных остальных параметрах микротвердость покрытий на сплаве АК7ч увеличивается с 7 до 8,3 ГПа, на сплаве АО3-7 – с 7,5 до 9,5 ГПа.

Из рисунка 3 видно, что зона рациональных плотностей тока составляет 25…30 А/дм². Увеличение плотности тока свыше 30 А/дм² может привести к переходу процесса в дуговой режим, приводящий к разрушению покрытия.

 

Рисунок 3 – Влияние плотности тока на микротвердость покрытий, полученных на сплавах. T = 90 мин; C_КОН = 2 г/л; = 15 г/л:

1 – сплав АК7ч; 2 – сплав АО3-7

 

Таким образом, варьируя концентрацией метасиликата натрия в электролите и плотностью тока, в определенных пределах, можно изменять микротвердость формируемых оксидно-керамических покрытий.

Технология плазменно-электролитического оксидирования  рекомендуется для внедрения на машиностроительных и ремонтно-технических предприятиях, занимающихся изготовлением, упрочнением и восстановлением  деталей машин.

Список использованных источников

1. Кuznetsov Y, Kossenko А,  Lugovskoy А.  Studies on corrosion resistance of coatings formed by plasma electrolytic oxidation on aluminum  alloys. / The optimization of the composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano and amorphous materials. // Proceedings of the tenth Israeli-Russian Bi-National Workshop 2011. – Jerusalem, Israel, 2011. – (307), 297-303.

2. Коровин, А.Я. Технологические основы восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов микродуговым оксидированием: монография [Текст] / А.Я. Коровин,  Ю.А. Кузнецов. – Орел: изд-во ОрелГАУ, 2008. – 140с.