PL240169B1 - Powłoka hybrydowa na stopie magnezu oraz sposób jej otrzymywania - Google Patents

Powłoka hybrydowa na stopie magnezu oraz sposób jej otrzymywania Download PDF

Info

Publication number
PL240169B1
PL240169B1 PL428884A PL42888419A PL240169B1 PL 240169 B1 PL240169 B1 PL 240169B1 PL 428884 A PL428884 A PL 428884A PL 42888419 A PL42888419 A PL 42888419A PL 240169 B1 PL240169 B1 PL 240169B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
coating
peo
layer
magnesium
corrosion
Prior art date
Application number
PL428884A
Other languages
English (en)
Other versions
PL428884A1 (pl
Inventor
Rafał Molak
Michał Tarnowski
Łukasz Nieużyła
Bartosz Morończyk
Natalia Piotrowska
Original Assignee
Politechnika Warszawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Warszawska filed Critical Politechnika Warszawska
Priority to PL428884A priority Critical patent/PL240169B1/pl
Publication of PL428884A1 publication Critical patent/PL428884A1/pl
Publication of PL240169B1 publication Critical patent/PL240169B1/pl

Links

Landscapes

  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

PL 240 169 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest powłoka hybrydowa na stopie magnezu, która składa się z dwóch pojedynczych warstw naniesionych na stop magnezu oraz sposób jej otrzymywania.
W obecnych czasach stal jest nadal najpowszechniejszym materiałem konstrukcyjnym na świecie. Wysokie właściwości wytrzymałościowe, dobra odporność korozyjna, zmęczeniowa i na zużycie przez tarcie odpowiadają wymaganiom stawianym materiałom przeznaczonym na konstrukcje obciążone. W przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym duża gęstość stali powoduje jednak w konsekwencji znaczne zużycie paliwa. Wpływa to na wysoki poziom emisji CO2, a więc większe zanieczyszczenie powietrza i rozwój groźnych chorób u ludzi. Dodatkowo, podatne na wahania ceny gazu, destrukcja środowiska postępująca na skutek prowadzonych odwiertów oraz wyczerpujące się złoża ropy naftowej przyczyniły się do podjęcia kroków prowadzących do zmniejszenia zużycia paliwa [1]. Potwierdzeniem tych działań są zarządzenia Unii Europejskiej na temat redukcji emisji spalin w środkach transportu [2].
Obecnie rozwijanych jest równolegle kilka rozwiązań prowadzących do zmniejsz enia zanieczyszczenia środowiska m.in. bardziej ergonomiczny kształt pojazdu, technologie hybrydowe w motoryzacji, nowoczesne paliwa napędowe oraz zmniejszenie masy pojazdu. Szczególnie w tym ostatnim obszarze ogromną rolę odgrywa inżynieria materiałowa. O pracowanie nowych, lekkich materiałów jest kluczowym wyzwaniem stawianym inżynierom materiałowym. Wykorzystanie do budowy pojazdu materiału o niskiej gęstości, a zarazem wysokiej wytrzymałości, prowadzi do zmniejszenia ciężaru konstrukcji, co w konsekwencji ogranicza zużycie paliwa, koszty eksploatacyjne i poprawia efektywność nowoczesnych środków transportu [3].
Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie na elementy konstrukcyjne stopów magnezu, charakteryzujących się bardzo dobrymi właściwościami mech anicznymi w odniesieniu do ich masy. Wykorzystanie tych stopów wiąże się jednak z różnymi problemami, wśród których głównym jest niska odporność korozyjna tych materiałów. Poprawa odporności stopów na oddziaływanie środowiska pracy jest jednym z głównych kierunków prowadzonych dziś prac badawczo-rozwojowych.
Obecnie w przemyśle lotniczym, w celu poprawy odporności na korozję stopów magnezu powszechnie stosowane są powłoki chromianowe, co związane jest z niskim kosztem ich wytwarzania. Ze względu na szkodliwość związków chromu (VI), dąży się jednak do ograniczenia i późniejszego wyeliminowania stosowania tych powłok. Co więcej, słaba ochrona antykorozyjna tych powłok wymusza częste remonty pokrytych elementów. Producenci próbują się przed nimi zabezpieczać poprzez wprowadzanie procedur mycia elementów konstrukcyjnych co określony czas pracy. Zwiększa to jednak znacznie koszty eksploatacyjne , jest nieopłacalne ekonomicznie, a przy tym nie rozwiązuje problemu korozji.
Uwarunkowania ekonomiczne oraz środowiskowe stawiają przed producentami silników lotniczych konieczność podjęcia działań, w celu uzyskania nowego rodzaju wyrobu, bezawaryjnego, o długim okresie żywotności. Element konstrukcyjny musi zachowywać dobrą odporność na działanie środowiska korozyjnego, dobrą odporność na zużycie przez tarcie oraz musi być wytwarzany w procesach zaliczanych do przyjaznych dla środowiska naturalnego. Dodatkowo, wytworzona powłoka nie może znacząco zmieniać parametrów geometrycznych obrabianego elementu i musi być trwale związana z podłożem.
Z dostępnych technik wytwarzania warstw antykorozyjnych na stopach magnezu, plazmowe utlenianie elektrolityczne (PEO - Plasma Electrolitic Oxydation) umożliwia osiągnięcie bardzo dobrych parametrów odporności korozyjnej. Proces ten polega na przyłożeniu bardzo wysokich napięć, prowadzących do silnych wyładowań elektrycznych i powstania plazmy. Powstała plazma modyfikuje warstwę wierzchnią obrabianego elementu. Wynika z tego szereg korzyści m.in. duża szybkość osadzania (~1 μm/min), duża twardość, odporność na ścieranie i odporność korozyjna oraz dobra ochrona cieplna podłoża. Proces PEO najczęściej stosowany jest do wytwarzania grubych (rzędu dziesiątek lub setek mikrometrów) krystalicznych warstw tlenkowych o dobrej przyczepności na podłożach metali lekkich, takich jak aluminium, magnez i ich stopy. Mikrostruktura i właściwości wytworzonej warstwy zależą od składu chemicznego kąpieli, przygotowania podłoża oraz parametrów procesu takich jak: gęstość i częstotliwość prądu, czas obróbki [4, 5, 6]. W zależności od tych zmiennych można otrzymywać różne grubości, porowatości i chropowatości warstw, co przekłada się na ich różne właściwości funkcjonalne. Warstwa zbudowana jest zazwyczaj nie tylko z tlenku
PL 240 169 B1 i wodorotlenku magnezu, ale również ze związków magnezu, krzemu i fosforu (np. MgSiO4, Mg3(PO4)2) i innych, co wynika z zastosowanych elektrolitów.
Powierzchnie tlenkowe wytwarzane w procesie PEO w swojej naturze są porowate, gdyż istniejące w ich strukturze kratery wyładowcze są nieodzownym elemen tem procesu ich wytwarzania. W przypadku rozpatrywania ich jako powłok chroniących przed korozją jest to zjawisko niepożądane. Jednym z możliwych sposobów zminimalizowania efektu porowatości jest zwiększenie grubości warstwy PEO. Skutkuje to niestety wzrostem naprężeń własnych w warstwie (w funkcji wzrostu ich grubości), co w konsekwencji prowadzi do obniżenia ich właściwości użytkowych, a nawet do ich przedwczesnego zniszczenia na skutek pęknięć czy delaminacji. Ponadto stop magnezu wykazuje niski współczynnik tarcia, a zastosowanie warstwy PEO prowadzi do prawie 3-krotnego wzrostu współczynnika tarcia, co jest zjawiskiem niepożądanym z uwagi na potrzebę współpracy pomiędzy pokrytymi warstwą elementami konstrukcyjnymi przy zachowaniu ciągłości zabezpieczenia antykorozyjnego.
Znane są również powłoki diamentopodobne DLC (Diamond Like Carbon), które wytwarza się przy wykorzystaniu metody chemicznego osadzania z fazy gazowej (Chemical Vapour Deposition -CVD). Metoda CVD polega na tworzeniu na obrabianej powierzchni metali warstw powierzchniowych ze składników atmosfery gazowej. W procesie tworzenia warstwy biorą także udział składniki podłoża. Metodę CVD realizuje się w szczelnym reaktorze, w temperaturze 900-1100°C i przy ciśnieniu 1x105-1,5x103 Pa. Proces jest wykonywany w atmosferach gazowych, zawierających zwykle pary związków chemicznych stanowiące podstawowy składnik wytworzonej warstwy (węglikowej, azotkowej, borkowej, tlenkowej). Najczęściej atmosfery złożone są z lotnego halogenku pierwiastka dyfundującego oraz węglowodoru, azotu, wodoru lub gazu obojętnego, np. argonu. W wyniku reakcji chemicznej zachodzącej na powierzchni metalu wydzielają się atomy ze związku. W klasycznej metodzie chemicznego osadzania powłok z fazy gazowej CVD, reakcje chemiczne są aktywowane cieplnie. Znana jest także modyfikacja metody CVD pozwalająca na znaczące obniżenie temperatury procesu (nawet do temperatury pokojowej) wykorzystująca niskotemperaturową plazmę (Plasma Enhanced CVD - PECVD). Do aktywacji środowiska gazowego w próżniowej komorze roboczej stosuje się najczęściej prądy o częstotliwości radiowej (RFCVD - Radio Frequency CVD) lub mikrofalowej (MWCVD - Microwave CVD). Dzięki zastosowaniu tak wysokiej częstotliwości prądu tylko elektrony mogą nadążyć za zmianami pola el ektrycznego, ich energia jest bardzo duża, natomiast cząstki i atomy gazu mogą pozostawać w temperaturze otoczenia. Wysokoenergetyczne elektrony mogą więc powodować np. dysocjację prekursorów w postaci gazowej, czy tworzenie się cząstek aktywnych w znacznie niższych niż normalnie temperaturach. Ponadto, ze względu na to, że plazma ma zwykle bardziej dodatni potencjał w stosunku do obrabianego materiału, podczas powstawania powłoki z fazy gazowej następuje jej jednoczesne rozpylanie w wyniku bombardowania jonami o wysokiej energii, co pozwala usunąć zanieczyszczenia oraz zwiększa gęstość powstającej powłoki. W przypadku powłok DLC lub powłok amorficznego węgla a-C zmieniając skład atmosfery roboczej oraz stosując różne parametry technologiczne procesu RFCVD można w szerokim zakresie sterować udziałem procentowym wiązań sp 3/sp2 w powłoce węglowej, co ma kluczowe znaczenie w aspekcie właściwości użytkowych wytwarzanej powłoki.
Obecnie nie wykorzystuje się powłok DLC do zabezpieczenia elementów konstrukcyjnych ze stopów magnezu, co wynika bezpośrednio z kilku powodów. Jedną z głównych przeszkód w stosowaniu powłok DLC bezpośrednio na stopach magnezu jest duża różnica właściwości mechanicznych materiałów (metaliczne podłoże i warstwa DLC), prowadząca do powstania silnych naprężeń na granicy faz, co sprzyja słabej adhezji powłoki i zwiększa jej podatność na uszkodzenia. Każde uszkodzenie powłoki skutkujące przerwaniem jej ciągłości powoduje bardzo szybkie lokalne procesy korozyjne, prowadzące w konsekwencji do obniżenia właściwości mechanicznych elementów konstrukcyjnych. Kolejną przeszkodą jest fakt, że cienkie powłoki DLC stanowią mało efektywną ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi. Z kolei zwiększenie grubości powłoki jest z jednej strony nieekonomiczne, z uwagi na koszty procesu CVD, z drugiej zaś wprowadzałoby do powłoki dodatkowe naprężenia własne powodujące obniżenie jej adhezji do podłoża.
W rozwiązaniu według wynalazku, jako rozwiązanie alternatywne dla powszechnie stosowanych powłok chromianowych, zaproponowano zabezpieczenie stopu magnezu warstwową tlenkową PEO w połączeniu z diamentopodobną powłoką DLC. Każde z tych pokryć zastosowane oddzielnie nie jest w stanie spełnić wymagań funkcjonalnych, ze względu na ich niską odporność na uszkodzenia, niewielką adhezję do podłoża oraz ograniczoną ochronę przed korozją, wynikającą z ich
PL 240 169 B1 małej grubości (DLC) i porowatości (PEO). Jednak ich synergiczne działanie prowadzi do skutecznej poprawy właściwości korozyjnych, przy znacznym polepszeniu właściwości tribologicznych stopu magnezu, co w konsekwencji pozytywnie wpływa na trwałość wytworzonej powłoki hybrydowej (dwuwarstwowej) podczas pracy pokrytych elementów.
Przedmiotem wynalazku jest powłoka hybrydowa na stopie magnezu, charakteryzująca się tym, że jest dwuwarstwowa, przy czym pierwszą warstwą jest warstwa tlenkowa PEO o grubości od 1 do 50 μm, a drugą warstwę stanowi powłoka DLC o grubości od 0,1 do 2 μm.
Korzystnie, w powłoce według wynalazku warstwa tlenkowa PEO ma grubość w zakresie od 5 do 15 μm.
Korzystnie, w powłoce według wynalazku warstwa powłoki DLC ma grubość w zakresie od 0,5 do 1 μm.
Kolejnym przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania powłoki hybrydowej na stopie magnezu, charakteryzujący się tym, że na powierzchni stopu wytwarza się w pierwszej kolejności warstwę tlenkową PEO metodą plazmowego utleniania elektrolitycznego. W procesie stosuje się elektrolit złożony z wodorotlenku sodu o stężeniu od 3 do 30 gramów na dm3 i krzemianu sodu o stężeniu od 10 do 60 gramów na dm3. Warstwę wytwarza się przy pomocy prądu impulsowego prostokątnego, o gęstości od 4 do 7 A/dm2 i częstotliwości prądu od 500 do 1500 Hz. W drugim etapie na tak otrzymaną warstwę tlenkową PEO nanosi się powłokę DLC metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej z wykorzystaniem niskotemperaturowej plazmy (RF-PECVD). Jako gazowy prekursor stosuje się metan (CH 4), a jako gaz pomocniczy stosuje się azot (N 2), przy czym stosunek N2 do CH4 zawiera się w zakresie od 0,15 do 0,25. Proces prowadzi się w komorze próżniowej, przy ciśnieniu od 0,1 Pa do 10 Pa, stosując generator prądu o częstotliwości radiowej (RF) o mocy od 100 do 600 W, przy izolacji elektrycznej obrabianego elementu.
Korzystnie, wytwarzanie warstwy tlenkowej PEO realizuje się w czasie od 5 do 20 minut.
Korzystnie, nanoszenie powłoki DLC realizuje się bez dodatkowego grzania, w czasie od 15 do 240 minut, w zależności od wymaganej grubości powłoki węglowej.
Sposób według wynalazku może znaleźć zastosowanie do wszelkich stopów magnezu. Przez stop magnezu rozumie się tu każdy stop zawierający co najmniej 87% wag. magnezu, a ponadto dodatki stopowe. Najczęściej jako dodatki stopowe stop magnezu będzie zawierał: aluminium, mangan, cynk, krzem, miedź, nikiel, ale może zawierać także inne, znane specjalistom, dodatki stopowe.
W sposobie według wynalazku warstwa tlenkowa PEO, naniesiona na powierzchnię stopu magnezu jako pierwsza, zapewnia wstępną ochronę korozyjną, a druga warstwa, czyli powłoka typu DLC, poprawia właściwości antykorozyjne. W wyniku nałożenia na warstwę tlenkową PEO dru giej warstwy w formie powłoki DLC uzyskuje się istotne obniżenie porowatości materiału oraz wyraźne obniżenie współczynnika tarcia. Uzyskany materiał charakteryzuje się dobrą odpornością korozyjną i elektrochemiczną oraz dobrymi właściwościami ślizgowymi.
Przyjęte parametry wytwarzania powłoki według wynalazku umożliwiły uzyskanie hybrydowej (dwuwarstwowej) powłoki PEO+DLC składającej się z warstwy PEO oraz powłoki DLC o optymalnej grubości, tj. zapewniających relatywnie nieduże naprężenia własne, a przy tym odpowiednią ochronę korozyjną. Warstwa PEO wytworzona na podłożu ze stopu magnezu pozwoliła na obniżenie gradientu naprężeń pomiędzy podłożem a warstwą DLC. Dodatkowo, warstwa PEO, z uwagi na swoją grubość, korzystnie wynoszącą około 7 μm, pozwoliła na znaczne podniesienie odporności mechanicznej w porównaniu z powłoką DLC. Z drugiej strony, powłoka DLC, korzystnie o grubości ok 1 μm, pozwoliła na uszczelnienie powłoki PEO, przekładające się bezpośrednio na polepszenie właściwości antykorozyjnych, przy jednoczesnej poprawie odporności na ścieranie w odniesieniu do powłoki PEO.
Powłoki hybrydowe według wynalazku typu PEO+DLC mogą być stosowane jako zabezpieczenie stopów magnezu, stosowanych w przemyśle samochodowym oraz lotniczym. Powłoki te są alternatywą dla obecnie stosowanych powłok chromianowanych, których produkcja jest bardzo szkodliwa dla środowiska i organizmów żywych, na skutek wykorzystywania w procesach związków chromu (VI) będącego kancerogennym dla żywych organizmów. Oprócz zabezpieczenia antyk orozyjnego opracowane powłoki hybrydowe PEO+DLC charakteryzują się również obniżonym współczynnikiem tarcia w stosunku do materiału wyjściowego oraz do obecnie stosowanych powłok chromianowych.
PL240 169 Β1
Dzięki specyficznej konstrukcji powłoka hybrydowa według wynalazku typu PEO+DLC zapewnia odpowiednią ochronę korozyjną w warunkach badań w komorze solnej (min. 168 godz.), jak i elektrochemiczną oraz dwukrotnie podnosi odporność na zużycie ścierne w odniesieniu do warstw PEO.
W ramach przeprowadzonych badań analizowano możliwości wytwarzania powłok hybrydowych PEO+DLC na powierzchni stopu magnezu AZ-91E, o składzie chemicznym wg. normy ASTM B199 „Standard Specification for Magnesium - Alloy Permanent Mold Castings”. Podobnym składem jakościowo-ilościowym charakteryzują się także odlewnicze stopy magnezu: AZ91C, AM100A, AZ81A, AZ92A. Niemniej, wynalazek może znaleźć zastosowanie do jakichkolwiek odlewniczych stopów magnezu stosowanych na elementy konstrukcyjne.
Na rysunku przedstawiono:
Fig. 1 - obraz powierzchni powłoki tlenkowej PEO uzyskany przy wykorzystaniu Skaningowego Mikroskopu Elektronowego.
Fig. 2 - obraz powierzchni powłoki hybrydowej PEO+DLC według wynalazku uzyskany przy wykorzystaniu Skaningowego Mikroskopu Elektronowego.
Fig. 3 - Zestawienie krzywych potencjodynamicznych dla materiału podłoża (AZ-91E), obecnie stosowanej powłoki chromianowanej (Cr), warstwy PEO oraz powłoki hybrydowej PEO+DLC.
Fig. 4 - Ubytek masy dla poszczególnych próbek i odpowiadających im trzpieni.
Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach.
Przykład 1
Powłoki wytwarzano na powierzchni stopu magnezu AZ-91E, o składzie przedstawionym w Tabeli 1.
Tabela 1. Skład chemiczny stopu magnezu ΑΧΖ-91E
ASTM Fe Mg Al Mn Zn Si Cu Ni Inne
AZ91E 0.005 pozostały 8.1-9.3 0.17-0.35 0.4-1 0.2 0.015 0.001 0.3
AZ91C - pozostały 8.1-9.3 0.13-0.35 0.4-1 0.3 0.1 0.01 0.3
AM 100 A - pozostały 9.3-10.7 0.10-0.35 0.3 0.3 0.1 0.01 0.3
AZ81A - pozostały 7-8.1 0.13-0.35 0.4-1 0.3 0.1 0.01 0.3
AZ92A - pozostały 8.3-9.7 0.10-0.35 1.6-2.4 0.3 0.25 0.01 0.3
Warstwę tlenkową PEO wytworzono metodą plazmowego utleniania elektrolitycznego. Elektrolit złożony był z wodorotlenku sodu o stężeniu 5,6 g/dm3 i krzemianu sodu o stężeniu 15,8 g/dm3. Warstwę wytworzono przy pomocy prądu impulsowego prostokątnego, o gęstości 5 A/dm2 i częstotliwości prądu 1000 Hz, w czasie 10 minut. Wytworzona warstwa miała grubość ok. 7 pm.
Następnie, na powierzchni powłoki tlenkowej PEO naniesiono powłokę DLC metodą RF-PECVD. Jako gazowy prekursor zastosowano metan (CH4), a jako gaz pomocniczy azot (N2), przy stosunku przepływów N2/CH4 = 0,2. Proces prowadzono w komorze próżniowej, przy ciśnieniu rzędu 10 Pa, stosując generator RF o mocy 300 W. Nanoszenie powłoki DLC realizowano bez dodatkowego grzania obrabianego elementu oraz przy jego izolacji elektrycznej. Czas procesu nanoszenia powłoki węglowej wynosił 120 minut. W rezultacie otrzymano powłokę hybrydową PEO+DLC o łącznej grubości ok. 7,5 pm.
Przykład 2
Obrazy SEM otrzymanych zgodnie z Przykładem 1 warstw PEO i powłok hybrydowych PEO+DLC są przedstawione na Fig. 1 i Fig. 2. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji stwierdzono znaczne ograniczenie porowatości warstwy PEO na skutek nałożenia uszczelniającej warstwy DLC. W celu opisu ilościowego zaobserwowanych zmian na powierzchni próbek metodą analizy obrazu wyznaczono parametr opisujące porowatość. Dla każdej z powłok dokonano analizy przy wykorzystaniu zdjęć uzyskanych w pięciu różnych miejscach i wyznaczono wartość średnią. Uzyskane parametry opisujące ilościowo morfologię porów zestawiono w Tabeli 2.
PL240 169 Β1
Tabela 2. Porowatość powłok PEO oraz PEO+DLC
< _ PEO —
Średnia średnica porów 2,23 ± 1,03 pm 1,15 ± 0,25 pm
Przykład 3
Celem scharakteryzowania odporności korozyjnej wytworzonych powłok hybrydowych PEO+DLC przeprowadzono badania metodą potencjodynamiczną oraz metodą badania w warunkach obojętnej mgły solnej.
Potencjodynamiczne badania korozyjne prowadzono w roztworze 3,5% NaCI. Wybrane środowisko miało na celu symulować wodę morską. Do przeprowadzania pomiarów wykorzystano potencjostat z trójelektrodowym układem, w którym badana próbka była elektrodą roboczą (WE), elektrodę odniesienia (RE) stanowiła nasycona elektroda chlorosrebrowa Ag|AgCI. Rolę elektrody pomocniczej (CE) spełniała natomiast platynowa blaszka. Układ badawczy w czasie pomiarów znajdował się w klatce Faradaya, w celu uniknięcia zakłóceń pochodzących z otoczenia. Pomiary wykonywano w temperaturze ok. 20°C. Powierzchnia próbki eksponowana na działanie roztworu wynosiła 0,8 cm2.
Na Fig. 3 zestawiono krzywe potencjodynamiczne dla materiału podłoża (AZ-91E), obecnie stosowanej powłoki chromianowanej (Cr), warstwy PEO oraz końcowej powłoki hybrydowej PEO+DLC. Na podstawie krzywych potencjodynamicznych, za pomocą ekstrapolacji prostych wyznaczono potencjał korozyjny i gęstość prądu korozyjnego, co zestawiono w Tabeli 3.
Tabela 3. Parametry dopasowania prostych Tafcla dla porównywanych powłok
Próbka Potencjał korozyjny Erar [VJ Gęstość prądu korozyjnego jr [pA/cm2]
AZ91E -1,44 26,31
Cr -1,44 16,37
PEO -1,31 1,24
PEO/DLC -1,36 0,03
Stop AZ91E wykazuje małą odporność na korozję. Gęstość prądu korozyjnego jest bardzo wysoka. Powłoka chromianowa (Cr), mimo mniejszej gęstości prądu korozyjnego, nie zapewnia wymaganej ochrony przed korozją. Dużą różnicę można zaobserwować po wytworzeniu warstwy PEO. Dochodzi do opóźnienia rozpoczęcia procesów korozyjnych, o czym świadczy wyższy potencjał korozyjny. Obserwowany jest również istotny spadek gęstości prądu korozyjnego. Spadek szybkości korozji o rząd wielkości jest bardzo dobrym efektem świadczącym o znacznej poprawie ochrony antykorozyjnej. Z drugiej strony nachylenie krzywej w zakresie anodowym świadczy o tym, że ochrona podłoża przed korozją nie jest idealna i dochodzi w pewnym stopniu do roztwarzania podłoża. Nałożenie na warstwę PEO powłoki DLC, dodatkowo obniża intensywność procesów korozyjnych. Obserwuje się dalszy spadek gęstości prądu korozyjnego o 2 rzędy wielkości w odniesieniu do warstwy PEO, a przy tym nieznaczny spadek potencjału korozyjnego (części setne), co jest wartością pomijalną.
Badania korozyjne w atmosferze obojętnej mgły solnej przeprowadzono zgodnie z normą ASTM B-117 zgodną z PN-EN ISO 9227:2012. Stężenie roztworu NaCI wynosiło 50±5 g/dm3, jego pH 6,4, a średnia temperatura badania utrzymywana była na poziomie 35°C. Eksponowana powierzchnia powłoki wynosiła około 1,7 cm2. Krawędzie boczne oraz powierzchnia tylna próbki zostały zabezpieczone żywicą polimerową. Po zakończeniu badań w komorze solnej dokonywano oceny wyglądu próbek wg zaleceń normy PN-EN ISO 10289:2002 podając wskaźnik ochrony Rp (Tabela 4) - zdolność powłoki ochronnej do ochrony metalu podłoża przed korozją wg. poniższego klucza:
PL240 169 Β1
Wartość wskaźnika ochrony Rp Wyjaśnienie znaczenia wskaźnika Rp
10 nie występuje korozj a podłoża
9 korozja podłoża na <0,1% powierzchni próbki
8 korozja podłoża na >0,1%, a <0,25% powierzchni próbki
7 korozja podłoża na >0,25%, a <0,5% powierzchni próbki
6 korozj a podłoża na >0,5%, a < 1,0% powierzchni próbki
5 korozja podłoża na >1,0%, a <2,5% powierzchni próbki
4 korozja podłoża na >2,5%, a <5,0% powierzchni próbki
3 korozja podłoża na >5,0%, a <10% powierzchni próbki
2 korozja podłoża na >10%, a <25% powierzchni próbki
1 korozja podłoża na >25%, a <50% powierzchni próbki
0 korozja podłoża na >50% powierzchni próbki
Stan próbek kontrolowano w ustalonych odstępach czasowych, tj. 1 godz., 8 godz., 24 godz., 48 godz., 72 godz., 96 godz. oraz przy maksymalnym czasie ekspozycji wynoszącym 168 godz.
Tabela 4. Wskaźnik wyglądu próbek po określonym czasie ekspozycji w warunkach mgły solnej
’ ••'T®® 'S Czas ekspozycji w komorze solnej (godz.)
a- a 24 48 72 . 96 .. 168
AZ-91E 7 4 3 1 1 0
Cr 9 8 7 5 0 0
PEO 9 9 7 6 3 0
PEO+DLC 10 9 9 9 7 6
Badania korozyjne prowadzone w obojętnej mgle solnej wykazały znaczącą poprawę odporności korozyjnej po zastosowaniu powłoki DLC. Od 72 godzin widać przewagę w odporności korozyjnej powłoki DLC względem podłoża i pozostałych powłok. Po 168 godzinach, gdy zdecydowana większość powierzchni pozostałych próbek wykazywała oznaki korozji podłoża, powłoka DLC wykazywała takie oznaki tylko na mniej niż 1% swojej powierzchni. Powłoka Cr, będą ca powłoką odniesienia uległa całkowitemu zniszczeniu już po 96 godzinach.
Przykład 4
Badania odporności na zużycie przez tarcie przeprowadzono metodą trzpień - płytka (z ang. pin on piąte), gdzie trzpień wykonuje ruch posuwisto zwrotny na powierzchni badanej próbki. Trzpień wykonano ze stali narzędziowej NC6 poddanej ulepszaniu cieplnemu. Częstotliwość i amplituda ruchu trzpienia wynosiły odpowiednio f = 1H z oraz A = ±8 mm. Badania prowadzono przez 1 h (3600 s), co pozwoliło na minięcie obszaru docierania i osiągnięcie stabilnego tarcia. Na podstawie testów wstępnych dobrano siłę obciążającą wynoszącą 40 N. Badania prowadzono bez użycia środka smarującego. Ubytek masy dla pary trącej trzpień/próbka zestawiono na Fig. 4.
Stop magnezu AZ-91E, zgodnie z danymi literaturowymi, charakteryzuje się małą odpornością na zużycie przez tarcie. Dlatego też w przypadku samego podłoża można zaobserwować duży ubytek masy (0,0094 ± 0,0002 g). Podobnego rzędu wartości zostały zarejestrowane dla próbki z powłoką chromianową (0,0107 ± 0,0006 g), co wskazuje na brak odporności powłoki Cr na zużycie ścierne.
Wytworzenie warstwy PEO na stop magnezu pozwoliło na obniżenie zużycia materiału nawet o połowę (0,0049 ± 0,0002 g). Warto zauważyć, że w porównaniu do poprzednich próbek (AZ91 i Cr) wzrosło zużycie trzpienia. W warunkach takich metal trzpienia jest bardziej narażony na zużycie przez tarcie niż w kontakcie z innym materiałem metalicznym z uwagi na dużą twardość warstwy tlenkowej.

Claims (7)

  1. PL 240 169 B1
    Najlepsze właściwości tribologiczne daje jednak zaproponowana powłoka hybrydowa PEO+DLC. Zużycie próbki jest prawie dwukrotnie mniejsze niż dla warstwy PEO oraz około 3,5 razy mniejsze niż dla niezabezpieczonego materiału podłoża (0,0027 ± 0,0001 g). Wynika to z własności samosmarnych powłoki DLC, bogatej w wiązania sp2 charakterystyczne dla grafitu oraz obecności wiązań sp3 o znakomitych własnościach tribologicznych będących pochodną właściwości charakterystycznych dla diamentu.
    Literatura:
    [1] M.K. Kulecki, Magnesium and its alloys applications in automotive industry, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology Vol. 39, 2008, s. 851-865
  2. [2] https://ec.europa.eu/clima/policies/transport
  3. [3] M. Idzior, Kierunki zmian materiałowych w motoryzacji w świetle wymogów ekologii, MOTROL Vol. 9, 2007, s. 72-87
  4. [4] B.L. Jiang, Y.F. Ge, Micro-arc oxidation (MAO) to improve the corrosion resistance of magnesium (Mg) alloys, Corrosion prevention of magnesium alloy, Woodhead publishing 2013, s. 163-196
  5. [5] Gh.B. Darband, M. Aliofkhazraei, P. Hamghalam, N. Valizade, Plasma electrolytic oxidation of magnesium and its alloys: Mechanism, properties and applications, Journal of Magnesium and alloys Vol. 5, 2017, s. 74-132
  6. [6] A.M. Kumar, S.H. Kwon, H.Ch. Jung, K.S. Shin, Corrosion protection performance of single and dual Plasma Elemtrolytic Oxidation (PEO) coating for aerospace applications, Materials Chemistry and Physics Vol. 149-150, 2015, s. 480-486
  7. [7] F. Mendoza, T.B. Limbu, B.R. Weiner, G. Moreli, Hot Filament Chemical Vapor Deposition: Enabling the Scalable Synthesis of Bilayer Graphene and Other Carbon Materials, [w] Chemical Vapor Deposition - Recent Advances and Applications in Optical, Solar Cells and Solid State Devices, rozdział 4, październik 2016.
    Zastrzeżenia patentowe
    1. Powłoka hybrydowa na stopie magnezu zawierająca warstwę tlenkową PEO, znamienna tym, że warstwa tlenkowa PEO stanowi pierwszą warstwę powłoki hybrydowej i ma grubość od 1 do 50 μm, a drugą warstwę stanowi warstwa powłoki DLC o grubości od 0,1 do 2 μm.
    2. Powłoka według zastrz. 1 znamienna tym, że warstwa tlenkowa PEO ma grubość w zakresie od 5 do 15 μm.
    3. Powłoka według zastrz. 1 znamienna tym, że warstwa powłoki DLC ma grubość w zakresie od 0,5 do 1 μm.
    4. Powłoka według zastrz. 1 znamienna tym, że stopem magnezu jest stop zawierający co najmniej 87% wag. magnezu.
    5. Sposób otrzymywania powłoki jak określono w którymkolwiek z zastrz. 1-4, znamienny tym, że na powierzchni stopu magnezu wytwarza się w pierwszej kolejności warstwę tlenkową PEO metodą plazmowego utleniania elektrolitycznego, w której stosuje się elektrolit złożony z wodorotlenku sodu o stężeniu od 3 do 30 gramów na dm3 i krzemianu sodu o stężeniu od 10 do 60 gramów na dm3, przy czym warstwę wytwarza się przy pomocy prądu impulsowego prostokątnego, o gęstości od 4 do 7 A/dm2 i częstotliwości prądu od 500 do 1500 Hz, a następnie na tak otrzymaną warstwę tlenkową PEO nanosi się powłokę DLC metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej z wykorzystaniem niskotemperaturowej plazmy (RF-PECVD), w której jako gazowy prekursor stosuje się metan (CH4), a jako gaz pomocniczy stosuje się azot (N2), przy czym stosunek N2 do CH4 zawiera się w zakresie od 0,15 do 0,25, zaś proces prowadzi się w komorze próżniowej, przy ciśnieniu od 0,1 Pa do 10 Pa, stosując generator prądu o częstotliwości radiowej (RF) o mocy od 100 do 600 W, a nanoszenie powłoki DLC realizuje się przy izolacji elektrycznej obrabianego elementu.
    6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wytwarzanie warstwy tlenkowej PEO realizuje się w czasie od 5 do 20 minut.
    7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że nanoszenie powłoki DLC na warstwę PEO realizuje się w czasie od 15 do 240 minut.
PL428884A 2019-02-11 2019-02-11 Powłoka hybrydowa na stopie magnezu oraz sposób jej otrzymywania PL240169B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL428884A PL240169B1 (pl) 2019-02-11 2019-02-11 Powłoka hybrydowa na stopie magnezu oraz sposób jej otrzymywania

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL428884A PL240169B1 (pl) 2019-02-11 2019-02-11 Powłoka hybrydowa na stopie magnezu oraz sposób jej otrzymywania

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL428884A1 PL428884A1 (pl) 2020-08-24
PL240169B1 true PL240169B1 (pl) 2022-02-28

Family

ID=72143179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL428884A PL240169B1 (pl) 2019-02-11 2019-02-11 Powłoka hybrydowa na stopie magnezu oraz sposób jej otrzymywania

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL240169B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL428884A1 (pl) 2020-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pezzato et al. Effect of SiC and borosilicate glass particles on the corrosion and tribological behavior of AZ91D magnesium alloy after PEO process
Lu et al. The effect of formic acid concentration on the conductivity and corrosion resistance of chromium carbide coatings electroplated with trivalent chromium
Ivanou et al. Plasma anodized ZE41 magnesium alloy sealed with hybrid epoxy-silane coating
Salman et al. Anodization of magnesium (Mg) alloys to improve corrosion resistance
Golabadi et al. Evaluation of La containing PEO pretreatment on protective performance of epoxy coating on magnesium
JP6763477B2 (ja) Al系めっき鋼板
Ezhilselvi et al. Chromate and HF free pretreatment for MAO/electroless nickel coating on AZ31B magnesium alloy
Pak et al. Effect of organic additives on structure and corrosion resistance of MAO coating
Li et al. An effective low-temperature strategy for sealing plasma sprayed Al2O3-based coatings
Molak et al. Functional properties of the novel hybrid coatings combined of the oxide and DLC layer as a protective coating for AZ91E magnesium alloy
CN108560037A (zh) 一种含硼低碳钢氧化膜层及其制备方法
Gao et al. Superhydrophobic surface derived from dual MOF-modified MAO layers for enhanced corrosion protection and ice adhesion resistance of magnesium alloy
Yan et al. Effects of micro-arc oxidation process parameters on micro-structure and properties of Al2O3 coatings prepared on sintered 2024 aluminum alloy
Hao et al. Nickel-free sealing technology for anodic oxidation film of aluminum alloy at room temperature
El Mahallawy et al. AZ91 magnesium alloys: anodizing of using environmental friendly electrolytes
Wu et al. Effect of Na2SiO3 concentration on corrosion resistance and wear resistance of MAO ceramic film on the Al‐Mg‐Sc alloy
Hu et al. Wear and corrosion resistance of pure titanium subjected to aluminization and coated with a microarc oxidation ceramic coating
Wang et al. Fabrication of superhydrophobic Zn-Ni coatings on LA43M magnesium alloy
Ma et al. Enhancing corrosion resistance of plasma electrolytic oxidation coatings on AM50 Mg alloy by inhibitor containing Ba (NO3) 2 solutions
Singh et al. Establishing environment friendly surface treatment for AZ91 magnesium alloy for subsequent electroless nickel plating
Ullah et al. Ultrafine grain stabilization and corrosion studies on supersonic cold-sprayed Al-5Si/Al2O3 coating via thermal annealing
Toro et al. New insights on the influence of low frequency pulsed current on the characteristics of PEO coatings formed on AZ31B
PL240169B1 (pl) Powłoka hybrydowa na stopie magnezu oraz sposób jej otrzymywania
Daroonparvar et al. Fabrication and Corrosion Resistance Evaluation of Novel Epoxy/Oxide Layer (MgO) Coating on Mg Alloy
Yao et al. Galvanic corrosion properties of aluminum coatings on 1045 steel surface with various bias voltages