EA012825B1

EA012825B1 - Способ формирования на поверхности металлических изделий защитного керамического покрытия

Info

Publication number: EA012825B1
Application number: EA200901050A
Authority: EA
Inventors: Владимир Никандрович Кокарев
Original assignee: Владимир Никандрович Кокарев
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2009-12-30
Also published as: EA200901050A1; WO2008120046A1

Abstract

Изобретение описывает способ формирования керамического покрытия на поверхности изделий из вентильных металлов и сплавов с высокой скоростью 4-15 мкм в минуту за счет оптимизации электрических режимов анодно-катодного плазменно-электролитического оксидирования. Способ включает в себя применение коротких анодных импульсов напряжения длительностью 5-20 мкс при оптимальном соотношении длительностей анодных и катодных импульсов, равным 0,2-0,4. Программируемый источник питания управляет процессом оксидирования, согласовывая амплитудные значения и длительности импульсов напряжения с их мощностью. Использование высоких напряжений и плотностей тока в коротких импульсах позволяет без увеличения энергозатрат формировать гладкие, твердые и плотные керамические покрытия толщиной 5-100 мкм за время 1-20 мин, что удовлетворяет требованиям серийного производства. Отличительной чертой полученных покрытий является однородность и полное отсутствие внешнего дефектного слоя, высокая равномерность по толщине покрытия даже на сложных поверхностях, включая глубокие пазы и отверстия.

Description

Область техники

Изобретение относится к электрохимической обработке поверхности металлов и сплавов, а именно к плазменно-электролитическому оксидированию, и имеет целью формирование гладких и равномерных керамических покрытий с улучшенными физико-механическими свойствами.

С помощью предлагаемого способа на поверхности металлических изделий с высокой скоростью формируются износостойкие, эрозионностойкие, коррозионностойкие, теплостойкие и диэлектрически прочные покрытия.

Способ получения защитных керамических покрытий может быть использован в авиастроении, автомобилестроении, насосо- и компрессоростроении, нефтяной и газовой промышленности, электронике, медицине, производстве спортивных и бытовых товаров.

Предшествующий уровень техники

Способы плазменно-электролитического оксидирования, с помощью которых в водных электролитах на поверхности металлов и сплавов формируются защитные керамические покрытия, по полярности прилагаемых тока и напряжения делятся на анодно-искровые и анодно-катодные. В анодно-искровых способах используют постоянный или однополярный (положительный) ток, а в анодно-катодных используют биполярные импульсы тока.

Применение катодных импульсов тока, несмотря на увеличение энергоемкости процесса, приводит к качественному изменению фазового состава и свойств покрытия. Протекающий в катодный период электронный ток вызывает существенное тепловыделение и дополнительный разогрев формируемого покрытия, что способствует образованию в нем зерен высокотемпературных кристаллических фаз оксидов и их «свариванию», созданию плотного слоя с монолитной структурой. Такое плотное монолитное покрытие лучше противостоит износу и коррозии, чем покрытие, полученное в условиях однополярной анодной поляризации.

Известен способ оксидирования алюминиевых сплавов с использованием анодно-катодного режима (ΌΕ 4209733) при частоте следования чередующихся разнополярных импульсов тока 10-150 Гц с длительностью анодных импульсов 10-15 мс (миллисекунд) и катодных - 5-10 мс. Использование аноднокатодного электролиза позволяет получать твердые, прочные и износостойкие керамические покрытия. Недостатками способа являются значительные пористость и шероховатость поверхности покрытия. Кроме того, специфика процесса такова, что формирование внутреннего основного твердого слоя предшествует и обуславливается образованием внешнего «технологического» слоя. Поэтому для получения качественного оксидного слоя требуется наращивание достаточно толстого (120-150 мкм) покрытия, что связано с большими энергозатратами. При этом значительную часть покрытия по толщине (40-50%) составляет внешний дефектный слой, имеющий относительно рыхлую структуру и требующий больших трудозатрат на его удаление. Процесс оксидирования очень длительный, так как скорость формирования покрытия не превышает 1 мкм/мин.

Известен способ формирования корундового покрытия на вентильных сплавах с использованием переменного синусоидального напряжения, достигающего величины 1000-1800 В (И8 2006/0207884). Частота чередующихся импульсов при этом составляет 50-200 Гц, а плотность тока составляет 100-150 А/дм². Применение таких высоких напряжений и токов при большой длительности импульсов неизбежно приведет к возникновению мощных дуговых разрядов и ухудшению качества покрытия (высокой пористости и шероховатости, низкой адгезии и значительному внешнему дефектному слою). Покрытия такого рода используются как термозащитные. Кроме того, способ отличается большой энергоемкостью и малой эффективностью, так как использует синусоидальные импульсы напряжения, которые значительно уступают в эффективности прямоугольным импульсам.

С целью усовершенствования электрических параметров процесса оксидирования и улучшения качества керамических покрытий некоторые исследователи предложили увеличить долю катодных импульсов в анодно-катодном процессе.

Известен способ оксидирования изделий в анодно-катодном режиме при плотностях тока 15,5-45,8 А/дм² и отношением катодной и анодной составляющих тока, равном 1,36-1,92 (КИ 2081212). Это позволяет повысить микротвердость покрытий и увеличить их толщину.

Известен способ, где описывается устройство, обеспечивающее анодно-катодный режим оксидирования алюминиевых сплавов, при котором после каждого импульса положительного тока следуют два импульса (основной и дополнительный) отрицательного тока (νθ 00/05493). Дополнительный импульс позволяет на 20-40% увеличить среднее значение катодного тока по сравнению со средним значением анодного тока. При таком соотношении токов процесс оксидирования протекает стабильнее, уменьшается пористость получаемого покрытия, увеличивается скорость его формирования.

Известен способ получения оксидно-силикатных коррозионно-стойких покрытий, главным образом, на магниевых сплавах (И8 2006/0201815). В этом способе на электроды (деталь и противоэлектрод) подаются биполярные импульсы напряжения величиной +/- 250 В (форма импульсов не указывается). При этом длительности импульсов регулируются, а минимальная длительность импульса составляет 30 мс. Причем длительность анодного импульса должна быть меньше, чем длительность катодного импульса (соотношение длительностей анодного и катодного импульсов в способе не указывается). Недос

- 1 012825 татком этого способа является низкая производительность обработки вследствие применения импульсов большой длительности и невысоких напряжений. Как следует из примеров, приведенных в описании способа, производительность оксидирования магниевых сплавов составляет 0,1-1,0 мкм в минуту, а время обработки изделия длится 20-30 мин.

Также известен способ оксидирования алюминиевых сплавов, где анодно-катодный режим, длящийся в течение 5-30 с, чередуют с подачей в течение 1-10 с только катодных импульсов (ΧνΟ 99/31303). При этом плотность тока во время катодного режима составляет 5-25% от плотности анодного и катодного токов во время анодно-катодного режима. Полученные оксидно-керамические покрытия отличаются повышенной плотностью (пористость уменьшается втрое) и микротвердостью, большей равномерностью по толщине.

Однако вышеперечисленные известные способы имеют те же существенные недостатки. Так как при оксидировании используется переменный ток промышленной частоты 50 Гц с длительностью анодных и катодных полупериодов 10 мс, то скорость формирования покрытий не превышает 1 мкм/мин. Покрытия имеют относительно толстый внешний дефектный слой и шероховатость поверхности К, 5-8 мкм. Для формирования покрытий в известных способах требуются значительные энергозатраты, что сдерживает их применение в промышленности.

Другие исследователи для улучшения защитных свойств покрытий и увеличения производительности процесса оксидирования предложили высокочастотные импульсные режимы анодно-катодного электролиза с импульсами небольшой длительности.

Известен способ электролитического оксидирования металлов в импульсном анодно-катодном режиме с длительностью импульсов 100-300 мкс (микросекунд) и такой же паузой между ними (КИ 2077612). Малые длительности импульсов и значительные плотности анодного и катодного токов (до 800 А/дм²) обеспечивают формирование плотного мелкокристаллического покрытия с высокой микротвердостью и малой шероховатостью поверхности. Недостатком способа являются его невысокая производительность (до 1,5 мкм/мин). Это связано с тем, что процесс ведется при частоте 50 Гц, то есть после коротких равных по времени анодного импульса, паузы и катодного импульса следует неоправданно длительная пауза в 19,1-19,7 мс.

Известен способ оксидирования металлических поверхностей, где описывается устройство, управляемое режимами анодно-катодного электролиза с помощью процессора (XVО 01/81658). На электроды подаются биполярные импульсы напряжения треугольной формы величиной 300-600 В и с частотой следования 70-400 Гц. За счет программируемого изменения углов (фронтов) и амплитуд треугольных импульсов напряжения осуществляется регулирование токов и мощностей в анодных и катодных импульсах. Пологий передний фронт и крутой задний фронт импульса напряжения соответствуют постепенному нарастанию анодного тока и резкому росту катодного тока в импульсе (и наоборот). Применение регулируемых в процессе анодно-катодного электролиза импульсов напряжения с повышенной частотой следования обеспечивают увеличение скорости нанесения покрытий до 2 мкм/мин и получение плотных и твердых керамических покрытий. Недостатком известного способа является использование треугольных импульсов напряжения, которые гораздо менее эффективны, чем прямоугольные. Применение треугольных импульсов напряжения объясняется недостаточно высокой частотой следования импульсов и, следовательно, их относительно большой длительностью. Треугольная остроконечная форма импульса искусственно сокращает длительность верхней части импульса, где имеют место наибольшие амплитудные значения напряжений и токов, что позволяет избежать появления дуговых деструктивных разрядов. Керамическое покрытие получается двухслойным с внешним дефектным слоем и повышенной шероховатостью поверхности, а рост производительности обработки явно недостаточен.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемым результатам является известный способ формирования керамических покрытий на металлах и сплавах с использованием импульсного анодно-катодного режима с частотой следования импульсов тока более 500 Гц (предпочтительно 1-10 кГц) и длительностью импульсов 20-1000 мкс (νθ 03/83181). Импульсный режим электролиза с относительно короткими импульсами тока позволяет значительно расширить рабочий диапазон напряжений и токов, что приводит к повышению производительности обработки и улучшению защитных свойств керамических покрытий. Однако недостатком способа является ограничение частоты следования импульсов и, соответственно, сокращения их длительности по причине того, что в способе частота электрических импульсов должна совпадать с частотой акустических колебаний (диапазон звуковых частот), которые генерируются в электролите с помощью специальных аэрогидроакустических перемешивающих устройств. Это не позволяет вести оксидирование, используя максимально возможные напряжения и токи в импульсах, что снижает производительность обработки. Кроме того, в известном способе не предусмотрено увеличение доли катодного импульса (амплитуды или длительности) по сравнению с анодным. Все это приводит к сохранению двухслойного строения оксидного покрытия, когда толщина внешнего дефектного слоя доходит до 14% от общей толщины покрытия, и к относительно высокой шероховатости поверхности до К_а 2,1 мкм. В этом случае, например, при изготовлении контактных поверхностей пар трения необходима дополнительная финишная механическая обработка.

Детальное описание изобретения

Основной задачей настоящего изобретения является повышение технологичности способа форми

- 2 012825 рования керамического покрытия на металлических изделиях и решение проблем, препятствующих применению способов плазменно-электролитического оксидирования в серийном производстве, а именно повышение производительности обработки, уменьшение трудоемкости и энергоемкости процесса.

Другой задачей изобретения является повышение качества керамических покрытий за счет улучшения их физико-механических характеристик и, соответственно, улучшения эксплуатационных свойств покрытий, таких как износостойкость и эрозионная стойкость, коррозионная стойкость и диэлектрическая прочность.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе формирования на поверхности металлических изделий защитных керамических покрытий изделие в качестве электрода вместе с противоэлектродом погружают в водный раствор электролита и с помощью источника питания подают на электроды чередующиеся биполярные импульсы напряжения прямоугольной формы. Новым является то, что длительность анодных импульсов напряжения составляет 5-20 мкс, а соотношение длительностей анодных Т_а и катодных импульсов Т_с напряжения равно 0,2-0,4; при этом программируемый источник питания согласовывает длительности и амплитуды импульсов напряжения с их мощностью таким образом, что обеспечивается ведение процесса оксидирования в стабильном мягком искровом режиме без возникновения дуговых разрядов.

Ожидаемый технический результат, который обеспечит реализацию предлагаемого изобретения, следующий:

повышение скорости формирования керамического покрытия до 4-15 мкм/мин и сокращение времени нанесения покрытия толщиной 5-100 мкм до 1-20 мин без увеличения удельных энергозатрат;

получение гладких покрытий с шероховатостью поверхности К_а 0,3-0,6 мкм без какого-либо внешнего дефектного слоя, что исключит необходимость в дополнительной финишной механообработке поверхности;

получение твердых (НУ 800-2300) и плотных (пористость до 2%), прочносцепленных с основой покрытий с мелкокристаллической структурой;

получение однородных по структуре и составу, равномерных по толщине покрытий на сложнопрофильных поверхностях изделий с возможностью нанесения покрытий в таких труднодоступных местах, как глубокие отверстия и узкие пазы, без использования специальных электродов.

Способ реализуется при плазменно-электролитическом оксидировании изделий из вентильных металлов и их сплавов, на которых керамические покрытия обладают асимметричной проводимостью полупроводников. Это преимущественно алюминий, магний, титан, тантал, цирконий, бериллий, ниобий.

Применение при оксидировании импульсных режимов с очень короткими по времени импульсами напряжения, ограничивающими время существования разрядов, позволяет существенно повысить мощность в импульсах (произведение тока на напряжение), сохраняя при этом режим искровых разрядов без появления разрушающих покрытие дуговых разрядов. Более высокие мощности и, соответственно, температуры в разрядных каналах и одновременно более быстрое охлаждение и отвердевание расплавленной массы из-за уменьшенных микрообъемов обеспечивают интенсивное формирование покрытий с высокой кристалличностью уже в относительно тонких слоях.

Длительности анодных импульсов напряжения задаются в диапазоне 5-20 мкс. Во время анодных импульсов происходит инициирование и горение искровых разрядов, с помощью которых осуществляются необходимые плазмохимические процессы, и идет наращивание керамического покрытия. Заявленные длительности являются оптимальными для описываемого процесса. Увеличение длительности импульсов более 20 мкс при заданном уровне напряжений приведет к возникновению дуговых разрядов и ухудшению свойств покрытий, а снижение уровня напряжений вызовет снижение производительности обработки. Уменьшение длительности импульсов менее 5 мкс требует существенного увеличения заданных уровней напряжений в импульсе (выше 2000 В), что приведет к значительному усложнению и подорожанию источника питания и, естественно, скажется на эффективности процесса оксидирования в целом.

Особенностью настоящего изобретения является экспериментально обнаруженное оптимальное соотношение длительностей анодных и катодных импульсов напряжения Т_а/Т_с, равное 0,2-0,4, при котором достигается наивысшая скорость формирования покрытия при наилучшем качестве керамического слоя.

Именно при длительности анодных импульсов напряжения в 2,5-5 раз более коротких, чем катодных достигается скорость нанесения керамических покрытий 4-15 мкм/мин в зависимости от материала основы, что в 1,5-2 раза выше, чем в способе-прототипе.

При соотношении длительностей анодных и катодных импульсов напряжения Та/Тс меньше 0,2 не обнаруживается заметное влияние его на качество керамического покрытия, зато заметно снижается скорость нанесения покрытия. При соотношении Та/Тс больше 0,4 ухудшается качество покрытия, появляются кратеры и питтинги на поверхности, увеличивается шероховатость обрабатываемой поверхности.

Необходимость катодного импульса именно такой длительности объясняется несколькими причинами. В процессе прохождения мощного анодного импульса в порах покрытия происходят электрохимикоплазменные реакции, приводящие к концентрационным изменениям электролита, находящегося в порах и в приэлектродной зоне (изменяется рН, накапливаются продукты реакций). Для выравнивания кон

- 3 012825 центрационных изменений в приэлектродных областях перед следующим анодным импульсом необходим относительно длительный катодный импульс. Интенсивному перемешиванию электролита при этом способствует образование на обрабатываемой поверхности микропузырьков водорода.

Катодные импульсы напряжения с определенной длительностью и амплитудой являются определяющим фактором в формировании качественного керамического покрытия с высокими физикомеханическими характеристиками.

Во время катодного импульса определенной длительности с помощью тепла от прохождения мощного электронного тока происходит дополнительный разогрев формируемого покрытия. Это позволяет существенно расширить рабочий диапазон напряжений и токов и поддерживать устойчивое горение искровых разрядов во время анодных импульсов. Кроме того, во время катодных импульсов осуществляется дополнительный переход менее стабильных фаз оксидов в стабильные высокотемпературные фазы, меняется структура и фазовый состав керамических покрытий. Микротвердость покрытий достигает 800-2300 НУ в зависимости от материала основного металла.

Также во время катодного импульса определенной длительности происходит «сваривание», срастание кристаллических зерен оксидных фаз в плотное монолитное покрытие. Создаются условия для «залечивания» каналов пробоев, сквозная пористость практически исчезает. Открытая пористость не превышает 2%. Все это существенным образом влияет на увеличение износостойкости и коррозионной стойкости покрытий. Защитные свойства таких покрытий улучшаются в несколько раз.

Малые длительности импульсов приводят к получению оксидных образований малых размеров и формированию керамических покрытий с нанокристаллической структурой (размеры кристаллов составляют 10-100 нм), мелкими порами и низкой шероховатостью поверхности. Шероховатость обработанной поверхности не превышает К._а 0,3-0,6 мкм в зависимости от начальной шероховатости поверхности и толщины покрытия. При этом полностью отсутствует внешний дефектный слой, из-за чего отпадает необходимость в какой-либо дополнительной механической обработке поверхности. Таким образом, снимается проблема финишной обработки поверхностей (например, алмазного шлифования).

Короткие по времени импульсы обеспечивают равномерное распределение тока высокой плотности по всей поверхности обрабатываемого изделия. Более длительный, чем анодный, катодный импульс дополнительно способствует перераспределению тока по поверхности, что приводит к получению равномерных по толщине покрытий даже на сложнопрофильных поверхностях. Таким образом, решается проблема нанесения керамических покрытий в труднодоступных экранируемых местах, таких как глубокие отверстия и узкие пазы, без использования специальных дополнительных электродов, применение которых часто затруднительно.

Импульсный источник питания подает на электроды чередующиеся биполярные импульсы напряжения прямоугольной формы и предусматривает программное изменение их амплитуды и длительности, а также контроль и регулирование мощности импульсов в процессе плазменно-электролитического оксидирования, обеспечивая наиболее благоприятные условия горения искровых разрядов во время всего процесса формирования покрытия.

В изобретении используются особые режимы плазменно-электролитического оксидирования с жестким принудительным подъемом напряжения как в анодном, так и в катодном импульсах. Такие режимы позволяют существенно повысить плотность импульсной плазмы при относительно невысоком уровне энергии в нагрузке.

Амплитудные значения напряжений в анодных и катодных импульсах задаются автономно в зависимости от обрабатываемого материала основы и заданной толщины формируемых покрытий. Для анодных импульсов амплитудные значения находятся в диапазоне 400-1800 В, а для катодных - в диапазоне 200-900 В.

По мере увеличения толщины керамического слоя и, соответственно, его сопротивления для поддержания процесса искрения необходимо повышать амплитуды импульсов напряжения. Однако увеличение амплитуды напряжения ведет к увеличению также плотности тока в импульсе и, соответственно, мощности импульса. В этом случае для того, чтобы исключить возможность появления деструктивных дуговых разрядов уменьшают длительности анодных и, соответственно, катодных импульсов. Уменьшение длительности импульсов ограничивает время горения электрических разрядов, снижая их энергию, и позволяет поддерживать мягкий искровой режим.

Программируемый источник питания осуществляет заданный подъем амплитудных значений напряжения. При этом конечные значения напряжения могут превышать начальные в 1,5-2 раза. В процессе оксидирования источник питания контролирует величины мощностей импульсов, изменяя амплитуды и длительности импульсов, не допуская возникновения дуговой стадии разрядов. При этом сохраняется соотношение длительностей анодных Т_а и катодных Т_с импульсов - 0,2-0,4. Диапазон частоты следования импульсов при этом находится в пределах 10-60 кГц. Предпочтительнее использовать частоту в пределах 10-30 кГц по причине технической надежности оборудования и простоты технической реализации.

Таким образом, поддержание программируемым источником максимально возможной мощности импульсов за счет оптимального соотношения высоких амплитудных значений напряжения в импульсах и малой длительностью их позволяет достигать скорости формирования керамических покрытий

- 4 012825

4-15 мкм/мин в зависимости от материала основы, что в 1,5-4 раза превышает скорость формирования покрытий в известных способах.

Несмотря на относительно высокие напряжения и плотности тока, используемые в предлагаемом способе, удельная энергоемкость самого процесса оксидирования ниже, чем в известных способах оксидирования. Это происходит из-за значительного увеличения скорости нанесения покрытий и существенного сокращения времени оксидирования.

На чертеже показан график изменения параметров импульсов напряжения во времени в процессе оксидирования.

Заявляемый способ обеспечивает получение керамических покрытий высокого качества. Металлические изделия с такими защитными покрытиями приобретают исключительные эксплуатационные характеристики и долговечность.

Новый способ позволяет за относительно короткое время (1-20 мин) формировать твердые, плотные с гладкой поверхностью керамические покрытия толщиной от 5 до 100 мкм. При этом, как показала электронная микроскопия, любое покрытие, входящее в этот широкий диапазон толщин, отличается высокой однородностью по структуре и составу.

Основной особенностью этих покрытий является их высокая равномерность по толщине на всей поверхности обрабатываемого изделия и полное отсутствие внешнего дефектного слоя.

Шероховатость поверхности покрытий не превышает К_а 0,3-0,6 мкм в зависимости от толщины покрытия и исходной шероховатости поверхности до оксидирования. Низкая шероховатость поверхности и высокая точность линейных размеров изделий (после оксидирования геометрические размеры практически не изменяются, так как покрытие растет вглубь металла) позволяют применять оксидированные изделия в узлах трения без какой-либо трудоемкой дополнительной механообработки.

В известных способах оксидирования для обеспечения относительно высоких микротвердости и плотности керамических покрытий приходится формировать достаточно толстые слои (60-150 мкм). Для нанесения таких покрытий требуется 1-3 ч. Получаемые покрытия имеют слоистую структуру, причем около половины общей толщины покрытий составляет внешний рыхлый, высокопористый дефектный слой. Удаление этого слоя требует существенных трудовых и энергетических затрат.

Структура керамических покрытий, сформированных по предлагаемому способу, состоит из нанокристаллов оксидов размером 10-100 нм. Такая структура характеризуется одновременно высокой микротвердостью и повышенной прочностью. Микротвердость керамических покрытий составляет НУ 8002300, в зависимости от марки покрываемого сплава-основы.

Такие твердые покрытия обладают высоким сопротивлением абразивному изнашиванию. Кроме того, нанокристаллическая структура покрытий еще более увеличивает сопротивление воздействию абразива. Мелкие, плотно упакованные кристаллы лучше сопротивляются микро- и макроразрушениям при динамическом воздействии абразивных частиц.

Износостойкость керамических покрытий при трении со смазкой в 3-10 раз превосходит износостойкость закаленных сталей. При гидроабразивном изнашивании новые керамические покрытия в 3-5 раз лучше противостоят износу, чем легированные никелем чугуны (Νί-резисты).

И, наконец, керамические покрытия в 2-4 раза лучше защищают изделия из легких сплавов от высокотемпературной газовой эрозии, чем высоколегированные стали.

Оксидно-керамические покрытия инертны по отношению к большинству агрессивных сред. Однако проникновение таких сред через сквозные поры керамического слоя может привести к коррозионному разрушению сплава-основы и отслоению покрытия.

Техническим результатом изобретения является также получение плотных керамических покрытий с минимальной открытой пористостью и практическим отсутствием сквозной пористости за счет залечивания (заращивания) пор в процессе оксидирования. Открытая поверхностная пористость новых покрытий не превышает 2%, а размеры микропор составляют 0,01-1,0 мкм в диаметре. Такие керамические покрытия снижают скорость коррозии в 10-100 раз по сравнению с неоксидированными легкими сплавами.

Малые размеры пор и отсутствие сквозной пористости приводит к увеличению электрической прочности новых керамических покрытий до 40-50 В/мкм, что вдвое выше электрической прочности керамических покрытий, сформированных в известных способах оксидирования.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает получение керамических покрытий высокого качества с высокими защитными свойствами, что является техническим результатом способа.

Изобретение поясняется примерами осуществления способа. Во всех примерах использовались образцы в форме цилиндра диаметром 20 мм и длиной 50 мм со сквозным осевым отверстием диаметром 7 мм. Параметры качества покрытий (толщина, микротвердость, пористость) измерялись на поперечных шлифах. При оксидировании выбирались оптимальные концентрации электролитов с целью достижения необходимого уровня напряжений при электролизе и получения устойчивой пассивации поверхности.

Пример 1.

Образец из алюминиевого сплава 6061 оксидировался в течение 20 мин в фосфатно-силикатном электролите с рН 10,5. На ванну подавались биполярные чередующиеся импульсы напряжения с длительностью анодных импульсов 20-7 мкс, длительностью катодных импульсов 80-27 мкс и частотой сле

- 5 012825 дования импульсов 10-30 кГц. Плотность тока была 80-40 А/дм², а конечное напряжение (амплитуда) составляло: анодное 1800 В, катодное 900 В. Толщина керамического покрытия составила в середине образующей цилиндра - 100 мкм, на торцах - 102 мкм, в середине отверстия - 63 мкм. Шероховатость оксидированной поверхности составила Л, 0,6 мкм, микротвердость покрытия - 2300 НУ, пористость 2%. Удельные энергетические затраты составили 0,12 кВт-ч/мкм-дм² .

Пример 2.

Образец из магниевого сплава ΑΖ 31 оксидировался в течение 2 мин в фосфатно-алюминатном электролите с рН 12,0. На ванну подавались биполярные чередующиеся импульсы напряжения с длительностью анодных импульсов 12-8 мкс, длительностью катодных импульсов 26-38 мкс и частотой следования импульсов 20-30 кГц. Плотность тока была 20-12 А/дм², а конечное напряжение (амплитуда) составляло: анодное - 550 В, катодное - 250 В. Толщина керамического покрытия составила в середине образующей цилиндра - 29 мкм, на торцах - 30 мкм, в середине отверстия - 19 мкм. Шероховатость оксидированной поверхности составила К_а 0,3 мкм, микротвердость покрытия - 800 НУ, пористость - 2%. Удельные энергозатраты составили 0,008 кВт-ч/мкм-дм².

Пример 3.

Образец из титанового сплава Τι Α16 У4 оксидировался в течение 5 мин в фосфатно-боратном электролите с рН 9,3. На ванну подавались биполярные чередующиеся импульсы напряжения с длительностью анодных импульсов 20-9 мкс, длительностью катодных импульсов 55-25 мкс и частотой следований импульсов 15-30 кГц. Плотность тока была 30-15 А/дм², а конечное напряжение (амплитуда) составляло: анодное - 500 В, катодное - 200 В. Толщина керамического покрытия составила в середине образующей цилиндра - 30 мкм, на торцах - 31 мкм, в середине отверстия - 17 мкм. Шероховатость оксидированной поверхности составила К_а 0,4 мкм, микротвердость - 900 НУ, пористость - 1,5%. Удельные энергозатраты составили 0,025 кВт-ч/мкм-дм².

Далее настоящее изобретение поясняется приложенным чертежом.

Описание чертежа

Изобретение поясняется с помощью чертежа. На чертеже представлена диаграмма зависимости во времени параметров импульсов напряжения (положительных и отрицательных), подаваемых на электроды в цепи источник питания - электролитическая ванна во время процесса оксидирования.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ формирования на поверхности изделий из вентильных металлов и сплавов защитных керамических покрытий, при котором изделие в качестве электрода вместе с противоэлектродом погружается в водный раствор электролита и с помощью источника питания на электроды подаются чередующиеся биполярные импульсы напряжения прямоугольной формы, отличающиеся тем, что соотношение длительностей анодных и катодных импульсов напряжения Т_а/Т_с устанавливают в пределах 0,2-0,4; длительность анодных импульсов составляет 5-20 мкс, при этом длительности и амплитуды импульсов изменяют в процессе оксидирования, обеспечивая необходимую мощность импульсов для поддержания искрового режима без перехода в дуговой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитное керамическое покрытие формируется на металлах Α1, Мд, Τι, Та, Ζτ, Ве, N6 и их сплавах.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс формирования покрытия ведут на частотах следования импульсов в диапазоне 10-60 кГц, предпочтительнее 10-30 кГц.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс оксидирования ведут, устанавливая независимо амплитудные значения анодных импульсов напряжения - в диапазоне 400-1800 В и катодных - в диапазоне 200-900 В, обеспечивая скорость формирования покрытия 4-15 мкм/мин.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что в процессе оксидирования формируется плотное и твердое керамическое покрытие с нанокристаллической структурой, состоящей из кристаллов оксидов размером 10-100 нм, с поверхностью шероховатостью 0,3-0,6 мкм, на которой полностью отсутствует внешний дефектный слой.