RU2038428C1

RU2038428C1 - Electrolyte for microarc oxidation of aluminum and its alloys

Info

Publication number: RU2038428C1
Authority: RU
Inventors: В.Н. Малышев; С.И. Булычев; Н.В. Малышева
Original assignee: Малышев Владимир Николаевич
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: electrochemical treatment of aluminum. SUBSTANCE: electrolyte for microarc oxidation of aluminum and its alloys contains, g/l: alkali metal hydroxide 1-10; ultradispersed chemically modified silica - aerosil-amino 5-10 and dispersed phase of powder of oxide, carbide, nitride or boride of metals. EFFECT: higher efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к электрохимической обработке алюминия и его сплавов и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, приборостроения, авиационной и космической технике. The invention relates to the electrochemical processing of aluminum and its alloys and can be used in various industries of engineering, instrumentation, aviation and space technology.

Известен электролит для нанесения керамических покрытий на сплавы алюминия в искровом разряде, содержащий фосфорномолибденовокислый натрий и воду [1]
Известен также электролит для нанесения керамических покрытий, содержащий силикат и гидроксид щелочного металла и катализатор [2]
Как в первом, так и во втором случаях получаются тонкие (5-30 мкм) непрочные покрытия, которые невозможно использовать в деталях, испытывающих значительные нагрузки, трение и пр.Known electrolyte for applying ceramic coatings to aluminum alloys in a spark discharge containing sodium phosphate-molybdenum acid and water [1]
Also known is an electrolyte for applying ceramic coatings containing silicate and alkali metal hydroxide and a catalyst [2]
In both the first and second cases, thin (5-30 μm) weak coatings are obtained that cannot be used in parts experiencing significant loads, friction, etc.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является электролит микродугового оксидирования алюминия и его сплавов, содержащий 0,5-5,0%-ный раствор алюмината натрия и дисперсную фазу порошка карбида, нитрида или окисла металлов или металлоидов, нерастворимых в растворе алюмината натрия [3] В этом электролите можно повысить термостойкость наносимой оксидной пленки и интенсифицировать процесс. The closest to the invention in technical essence is an electrolyte of microarc oxidation of aluminum and its alloys, containing 0.5-5.0% solution of sodium aluminate and a dispersed phase of a powder of carbide, nitride or metal oxide or metalloid, insoluble in a solution of sodium aluminate [3 ] In this electrolyte, it is possible to increase the heat resistance of the deposited oxide film and to intensify the process.

Однако при использовании электролита на основе алюмината натрия с добавкой мелкодисперсного порошка окисла, карбида или нитрида металлов из-за отсутствия компонента, который бы стабилизировал электролит-суспензию, не удается получить равномерные по поверхности изделия покрытия как по прочностным характеристикам, так и по толщине, поскольку частицы окислов (или карбидов, или нитридов) металлов даже при интенсивном барботаже через некоторое время оседают на дно ванны. However, when using an electrolyte based on sodium aluminate with the addition of a fine powder of metal oxide, carbide, or nitride, due to the absence of a component that would stabilize the electrolyte suspension, it is not possible to obtain coatings uniform over the surface of the product both in strength characteristics and in thickness, since particles of metal oxides (or carbides or nitrides), even with intensive bubbling, after some time settle to the bottom of the bath.

Целью изобретения является повышение прочностных характеристик и улучшение равномерности покрытия за счет стабилизации электролита-суспензии. The aim of the invention is to increase the strength characteristics and improve the uniformity of the coating by stabilizing the electrolyte suspension.

Цель достигается тем, что микродуговое оксидирование алюминия и его сплавов ведут в электролите, содержащем щелочное соединение и дисперсную фазу в виде тугоплавких окислов, карбидов, нитридов, боридов металлов, в котором дополнительно введен ультрадисперсный химически модифицированный кремнезем аэросил-амино при следующем соотношении компонентов, г/л:
гидроокись щелочного металла 1-10 аэросил-амино 5-10
дисперсная фаза в виде
окислов, карбидов, нит-
ридов или боридов металлов 20-100
Аэросил-амино (Si-O-(CH₂)₂NH₂) представляет собой продукт химического модифицирования кремнезема (аэросила SiO₂) аминоспиртами. В результате замещения атома кремния на поверхности аэросила прививается амино-группа CH₂CH₂NH₂.The goal is achieved in that the microarc oxidation of aluminum and its alloys is carried out in an electrolyte containing an alkaline compound and a dispersed phase in the form of refractory oxides, carbides, nitrides, metal borides, in which ultrafine chemically modified silica aerosil-amino is additionally introduced in the following ratio of components, g / l:
alkali metal hydroxide 1-10 aerosil amino 5-10
dispersed phase in the form
oxides, carbides, nit-
metal readings or borides 20-100
Aerosil amino (Si-O- (CH ₂ ) ₂ NH ₂ ) is a chemical modification product of silica (Aerosil SiO ₂ ) with amino alcohols. As a result of the substitution of the silicon atom, the amino group CH ₂ CH ₂ NH _{2 is} grafted onto the surface of the aerosil.

Положительный эффект применения аэросила-амино в электролите микродугового оксидирования обусловлен содержанием в нем привитых амино-групп, которые придают аэросилу при его достаточно хорошей растворимости в слабощелочном растворе некоторые гидрофобные свойства, позволяющие стабилизировать электролит-суспензию. The positive effect of the use of aerosil-amino in the microarc oxidation electrolyte is due to the content of grafted amino groups in it, which give the aerosil, with its sufficiently good solubility in a slightly alkaline solution, some hydrophobic properties that stabilize the electrolyte suspension.

Ультрадисперсные частицы модифицированного аэросила, имеющие значительно меньший размер, чем дисперсная фаза электролита-суспензии (тугоплавкие окислы, карбиды, нитриды, бориды металлов) адсорбируются на их поверхности. Поскольку гидрофобной является только часть поверхности аэросила-амино, а другая его часть гидрофильна, т.е. обеспечивает взаимодействие с дисперсионной средой, то это и обусловливает стабилизацию электролита- суспензии. Ultrafine particles of modified aerosil having a significantly smaller size than the dispersed phase of the electrolyte suspension (refractory oxides, carbides, nitrides, metal borides) are adsorbed on their surface. Since only part of the aerosil-amino surface is hydrophobic, and the other part is hydrophilic, i.e. provides interaction with the dispersion medium, this determines the stabilization of the electrolyte suspension.

Дисперсная фаза представляет собой порошок окисла, карбида, нитрида или борида металлов или их смесь с размером частиц порошка 5-100 мкм. Более предпочтительным является более мелкая фракция. Предел концентрации порошка в электролите обусловлен профилем обрабатываемой детали. Чем более сложная по конфигурации деталь, тем мельче следует выбирать фракцию порошка и его содержание в электролите не более 50 г/л. Для простых деталей выгоднее увеличить как концентрацию порошка, так и размер его частиц. Выход за пределы указанных концентраций сказывается на качестве покрытий, так как при концентрации более 100 г/л может нарушиться стабилизация электролита-суспензии, а при менее 20 г/л не обеспечивается эффективность использования порошка. The dispersed phase is a powder of metal oxide, carbide, nitride or boride, or a mixture thereof with a particle size of 5-100 microns. A finer fraction is more preferred. The concentration limit of the powder in the electrolyte is determined by the profile of the workpiece. The more complex the part in configuration, the finer the fraction of the powder and its content in the electrolyte should not be selected more than 50 g / l. For simple parts, it is more profitable to increase both the concentration of the powder and the size of its particles. Going beyond the indicated concentrations affects the quality of the coatings, since at a concentration of more than 100 g / l, the stabilization of the electrolyte suspension may be impaired, and at less than 20 g / l the efficiency of using the powder is not ensured.

В процессе микродугового оксидирования частицы тугоплавких окислов, карбидов, нитридов, боридов металлов вместе с адсорбированными на их поверхностях частицами аэросила-амино участвуют в массопереносе на рабочий электрод, осаждаясь и встраиваясь в решетку оксида алюминия. При этом образующийся композиционный материал покрытия имеет повышенную прочность за счет модифицирования высокомодульными частицами дисперсной фазы и обеспечения их лучшего взаимодействия с материалом матрицы (оксидами алюминия α и γ-модификаций) на границе раздела между армирующими частицами и матрицей. In the process of microarc oxidation, particles of refractory oxides, carbides, nitrides, and metal borides together with aerosil-amino particles adsorbed on their surfaces participate in mass transfer to the working electrode, precipitating and incorporating into the aluminum oxide lattice. At the same time, the resulting composite coating material has increased strength due to the modification of the dispersed phase by high-modulus particles and ensuring their better interaction with the matrix material (α and γ-alumina) at the interface between the reinforcing particles and the matrix.

Улучшение равномерности покрытия обусловлено также действием электрофоретического эффекта, поскольку содержащих в водном растворе электролита частицы дисперсной фазы вместе с адсорбированными на их поверхностях частицами аэросила-амино приобретают отрицательный поверхностный заряд, который способствует движению частиц к аноду при наложении напряжения между электродами. Improving the uniformity of the coating is also due to the action of the electrophoretic effect, since the particles of the dispersed phase together with the aerosil-amino particles adsorbed on their surfaces acquire a negative surface charge, which promotes the movement of particles to the anode when voltage is applied between the electrodes.

Изобретение иллюстрируется примерами, представленными в таблице. The invention is illustrated by the examples presented in the table.

Электролит готовят путем растворения в дистиллированной воде необходимого количества щелочи в виде гидроокиси калия и натрия и введения в него расчетного количества дисперсной фазы (окислов, карбидов, нитридов, боридов металлов), предварительно смешанной мокрым методом (в шаровой мельнице) с расчетным количеством ультрадисперсного (размер частиц 0,1-10 Нм) химически модифицированного аэросила-амино. The electrolyte is prepared by dissolving the required amount of alkali in distilled water in the form of potassium and sodium hydroxide and introducing into it the calculated amount of the dispersed phase (oxides, carbides, nitrides, metal borides) pre-mixed by the wet method (in a ball mill) with the calculated amount of ultrafine (size particles 0.1-10 Nm) chemically modified aerosil amino.

Содержание компонентов электролита вне предлагаемых диапазонов (пример 5) приводит к ухудшению работоспособности электролита и снижению прочностных характеристик покрытий. The content of electrolyte components outside the proposed ranges (example 5) leads to a deterioration in the performance of the electrolyte and a decrease in the strength characteristics of the coatings.

Процесс микродугового оксидирования проводили в анодном и анодно-катодном режимах при средней плотности анодного тока 10 А/дм². В качестве образцов использовали шайбы размером ⌀ 15х6 мм из алюминиевого сплава Д16, из которых впоследствие детали шлифы и оценивали характеристики покрытий.The microarc oxidation process was carried out in the anodic and anodic-cathodic modes with an average density of the anode current of 10 A / dm ² . Washers размером 15x6 mm in size made of aluminum alloy D16 were used as samples, of which subsequently the sections were thin sections and the characteristics of coatings were evaluated.

Прочностные характеристики покрытий (микротвердость по остаточному отпечатку HV и по глубине отпечатка HV_h) определяли методом кинетической микротвердости на приборе Института металлургии РАН. Толщину покрытий определяли на оптическом микроскопе с точностью ± 10 мкм.The strength characteristics of the coatings (microhardness from the residual imprint HV and the depth of the imprint HV _h ) were determined by the method of kinetic microhardness on a device of the Institute of Metallurgy of the Russian Academy of Sciences. The thickness of the coatings was determined using an optical microscope with an accuracy of ± 10 μm.

Неравномерность покрытий оценивали в соотношении по разности толщины в центре и на периферии образцов. The unevenness of the coatings was evaluated in the ratio by the difference in thickness in the center and on the periphery of the samples.

Как следует из таблицы, предложенный электролит позволяет получать покрытия, обладающие более высокими прочностными показателями и равномерностью. As follows from the table, the proposed electrolyte allows to obtain coatings with higher strength characteristics and uniformity.

Claims

ELECTROLYTE OF MICROARC OXIDATION OF ALUMINUM AND ITS ALLOYS, containing an alkaline compound and a dispersed phase of a powder of metal oxide, carbide or nitride, characterized in that it additionally contains ultrafine chemically modified silica aerosil-amino, as an alkaline compound, an alkali metal hydroxide, and as a dispersed phase - powder of metal oxide, carbide, nitride or boride in the following ratio of components, g / l:
Alkali metal hydroxide 1 10
Aerosil amino 5 10
The dispersed phase of a powder of metal oxide, carbide, nitride or boride 20 100