RU2620224C2 - Method of obtaining protective coating on magnesium and its alloys - Google Patents
Method of obtaining protective coating on magnesium and its alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2620224C2 RU2620224C2 RU2015145541A RU2015145541A RU2620224C2 RU 2620224 C2 RU2620224 C2 RU 2620224C2 RU 2015145541 A RU2015145541 A RU 2015145541A RU 2015145541 A RU2015145541 A RU 2015145541A RU 2620224 C2 RU2620224 C2 RU 2620224C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- substrate
- stage
- magnesium
- mao
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/30—Anodisation of magnesium or alloys based thereon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- ing And Chemical Polishing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электролитического нанесения покрытий на магний и его сплавы с помощью микродугового оксидирования в водных растворах электролитов и может быть использовано для получения защитных коррозионно-стойких покрытий с повышенной механической прочностью в машиностроении, приборостроении и аэрокосмической технике.The invention relates to the field of electrolytic coating of magnesium and its alloys using microarc oxidation in aqueous solutions of electrolytes and can be used to obtain protective corrosion-resistant coatings with increased mechanical strength in mechanical engineering, instrumentation and aerospace engineering.
Прогрессивной тенденцией последнего времени в области защитной поверхностной обработки изделий из магния и магниевых сплавов является переход от традиционного анодирования к микродуговому оксидированию (микроплазменному анодированию в растворах). Данный метод позволяет формировать достаточно твердые защитные покрытия с высокой адгезией к подложке. Магниевые изделия с защитным покрытием МДО находят применение в авиа- и автомобилестроении, электротехнике и радиотехнике, компьютерной, космической и оборонной технике.A recent progressive trend in the field of protective surface treatment of products from magnesium and magnesium alloys is the transition from traditional anodizing to microarc oxidation (microplasma anodizing in solutions). This method allows the formation of sufficiently hard protective coatings with high adhesion to the substrate. Magnesium products with a protective coating of MDO are used in the aircraft and automotive industries, electrical and radio engineering, computer, space and defense equipment.
Актуальной проблемой метода остается недостаточная стойкость формируемых покрытий к внешним механическим нагрузкам. В случае с магнием даже при частичном отслаивании защитного слоя велика вероятность развития очага коррозии. Одним из известных методов улучшения физико-механических свойств покрытий является подготовка поверхности металла, на который они формируются. Для вентильных металлов, к которым относится и магний, таким методом подготовки поверхности, предшествующим проведению стандартного электрохимического анодирования, является ее текстурирование.The actual problem of the method remains the insufficient resistance of the formed coatings to external mechanical loads. In the case of magnesium, even with a partial peeling of the protective layer, the likelihood of developing a focus of corrosion is high. One of the known methods for improving the physicomechanical properties of coatings is to prepare the surface of the metal on which they are formed. For valve metals, which include magnesium, such a method of surface preparation prior to standard electrochemical anodizing is its texturing.
Известен способ, описанный в патенте US4589972 A (опубл. 20.05.1986), предусматривающий текстурирование металлической поверхности паром и последующее ее анодирование, позволяющий достичь высокой способности поверхности к поглощению инфракрасного излучения. The known method described in patent US4589972 A (publ. 05/20/1986), providing for the texturing of the metal surface with steam and its subsequent anodizing, which allows to achieve a high ability of the surface to absorb infrared radiation.
Выполнение операции текстурирования поверхности паром непригодно для обработки деталей сложной формы. Для обработки магниевых изделий такой подход в целом малоприменим.The operation of texturing the surface with steam is unsuitable for processing parts of complex shape. For the processing of magnesium products, this approach is generally inapplicable.
В патенте US5288372 A (опубл. 22.02.1994) описан способ обработки металлической, преимущественно алюминиевой поверхности, включающий нанесение покрытия анодированием в первом растворе, его последующее стравливание и нанесение покрытия анодированием в другом растворе. Поверхность после текстурирования увеличивает свою шероховатость и обладает пониженной отражательной способностью, достигается эффект унификации поверхности перед нанесением финишного слоя покрытия.In the patent US5288372 A (publ. 22.02.1994) describes a method of processing a metal, mainly aluminum surface, including coating by anodizing in the first solution, its subsequent etching and coating by anodizing in another solution. The surface after texturing increases its roughness and has a reduced reflectivity, the effect of unifying the surface is achieved before applying the finish coating layer.
Во-первых, конкретные режимы и составы растворов для нанесения покрытий, представленные в примерах реализации вышеописанного способа, не позволяют использовать их для формирования покрытий на магнии. Во-вторых, за счет стандартного электрохимического анодирования не достигается требуемая шероховатость поверхности металла, обеспечивающая максимальную механическую прочность сцепления наносимых на нее покрытий.First, the specific modes and compositions of the solutions for coating presented in the examples of the implementation of the above method do not allow their use for the formation of coatings on magnesium. Secondly, due to standard electrochemical anodizing, the required roughness of the metal surface is not achieved, providing maximum mechanical adhesion to the coatings applied to it.
В патенте RU2424381 С1 (опубл. 20.07.2011) раскрыт способ получения износостойкого покрытия на алюминии и его сплавах с использованием метода микродугового оксидирования. Способ предусматривает нанесение на поверхность алюминия анодно-оксидного покрытия в две стадии в растворе силиката или алюмината щелочного металла при переменном токе плотностью 5-150 А/дм2, в котором на первой стадии используют раствор силиката или алюмината щелочного металла концентрацией 20-150 г/л в соединении с кремнефтористым натрием концентрацией 2-20 г/л и выдержкой в нем детали в течение 20-40 мин, а на второй стадии - щелочной раствор силиката или алюмината с концентрацией 2-10 г/л и концентрацией щелочи 0,5-4,0 г/л с выдержкой 1,5-2 ч, его последующее частичное стравливание плавиковой кислотой и нанесение финишного слоя также путем анодирования в растворе. Покрытие, полученное на первой стадии, стравливается лишь частично – стравливают только внешний «технологический» слой. In patent RU2424381 C1 (published on July 20, 2011) a method for producing a wear-resistant coating on aluminum and its alloys using the microarc oxidation method is disclosed. The method involves applying an anodic oxide coating to an aluminum surface in two stages in an alkali metal silicate or aluminate solution at an alternating current density of 5-150 A / dm 2 , in which an alkali metal silicate or aluminate solution with a concentration of 20-150 g / l in combination with sodium silicofluoride with a concentration of 2-20 g / l and holding the part in it for 20-40 minutes, and in the second stage, an alkaline solution of silicate or aluminate with a concentration of 2-10 g / l and an alkali concentration of 0.5- 4.0 g / l with a shutter speed of 1.5-2 hours, its last blowing partial bleed hydrofluoric acid and also applying a finishing layer by anodization in a solution. The coating obtained in the first stage is only partially etched — only the external “technological” layer is etched.
Реализация способа не предполагает управляемого текстурирования поверхности подложки. Приведенные в RU2424381 С1 режимы и растворы не позволяют формировать защитные покрытия, обладающие устойчивостью к механическим нагрузкам, на поверхности магния и магниевых сплавов.The implementation of the method does not imply controlled texturing of the surface of the substrate. The modes and solutions given in RU2424381 C1 do not allow the formation of protective coatings that are resistant to mechanical stress on the surface of magnesium and magnesium alloys.
Известен патент CN103695983 A (опубл. 02.04.2014), который описывает способ управляемого получения заданной наноразмерной текстуры алюминиевой поверхности. Средний диаметр вытравленных участков составляет 60-1080 μm. Текстурирование достигается путем нанесения слоя анодного оксида в кислых электролитах и его последующего химического стравливания смесью серной кислоты и бихромата калия.Known patent CN103695983 A (publ. 02.04.2014), which describes a method for controlled production of a given nanoscale texture of an aluminum surface. The average diameter of the etched sections is 60-1080 μm. Texturing is achieved by applying a layer of anode oxide in acidic electrolytes and its subsequent chemical etching with a mixture of sulfuric acid and potassium dichromate.
Описанный способ не предполагает нанесения покрытия на подложку после ее текстурирования. Приведенные в CN103695983 А режимы и растворы для текстурирования алюминиевых поверхностей не позволяют аналогичным образом осуществлять текстурирование магния и его сплавов. Кроме того, использование традиционного анодирования и единственного цикла: нанесение/стравливание покрытия позволяет варьировать параметры текстуры поверхности в исключительно узком диапазоне.The described method does not involve coating the substrate after texturing. The modes and solutions for texturing aluminum surfaces described in CN103695983 A do not allow texturing of magnesium and its alloys in a similar way. In addition, the use of traditional anodizing and a single cycle: coating application / etching allows you to vary the surface texture parameters in an extremely narrow range.
В RU 2206642 С2 (опубл.20.06.2003) раскрыт способ модифицирования поверхности медицинских изделий путем воздействия на нее микродуговыми разрядами в растворе электролита и формирования в процессе такой обработки керамического покрытия. В результате такого воздействия происходит текстурирование металлической поверхности. Авторы изобретения указывают на возможность нанесения мелкопористого биокерамического покрытия на прошедшую текстурирование поверхность.RU 2206642 C2 (published on June 20, 2003) discloses a method for modifying the surface of medical devices by exposing them to microarc discharges in an electrolyte solution and forming a ceramic coating during such processing. As a result of this effect, texturing of the metal surface occurs. The inventors indicate the possibility of applying a finely porous bioceramic coating on a textured surface.
Способ предназначен для обработки преимущественно титановых изделий и описывает варианты текстурирования в растворах, содержащих хлорид и нитрат ионы. Использование приведенных в RU2206642 С2 составов растворов, в которых осуществляется обработка титана и нанесение на его поверхность биокерамических покрытий, не пригодно для проведения, управляемого текстурирования магния и одновременно нанесения на его поверхность защитных покрытий с высокой стойкостью к внешним механическим воздействиям ввиду иной химической природы данного материала (магния).The method is intended for processing predominantly titanium products and describes texturing options in solutions containing chloride and nitrate ions. The use of solution compositions given in RU2206642 C2, in which titanium is processed and bioceramic coatings are applied to its surface, is not suitable for conducting controlled texturing of magnesium and at the same time applying protective coatings on its surface with high resistance to external mechanical stresses due to the different chemical nature of this material (magnesium).
Известен раскрытый в патенте US4620904 A1 (опубл. 04.11.1986) способ получения защитного покрытия на сплаве магния, включающий электрохимическую обработку поверхности в условиях искровых разрядов в водном электролите, содержащем силикат и гидроксид щелочного металла, а также фторсодержащий компонент (фторид щелочного металла или плавиковую кислоту). Обработку проводят при температуре раствора 20-40 оC, рН 12-14 при разности потенциалов между обрабатываемым магниевым изделием и противоэлектродом 150-400 В в течение времени, необходимого для формирования покрытия требуемой толщины.Known disclosed in patent US4620904 A1 (publ. 04.11.1986) is a method of producing a protective coating on a magnesium alloy, including electrochemical surface treatment under spark discharges in an aqueous electrolyte containing silicate and alkali metal hydroxide, as well as a fluorine-containing component (alkali metal fluoride or hydrofluoric acid). The treatment is carried out at a solution temperature of 20-40 C, a pH of 12-14 at a potential difference between the work piece and the counter magnesium 150-400 V for the time required for forming the desired coating thickness.
Покрытие по данному способу наносится на магниевую поверхность без какой-либо ее предварительной подготовки, что не позволяет достичь стойкости формируемого покрытия к внешним механическим воздействиям.The coating according to this method is applied to a magnesium surface without any preliminary preparation, which does not allow to achieve resistance of the formed coating to external mechanical stresses.
В качестве прототипа выбран раскрытый в патенте US5240589 A (опубл. 31.08.1993) способ получения защитного покрытия на сплаве магния, включающий предварительную химическую обработку магниевой поверхности и последующую электрохимическую обработку. Предварительную обработку проводят при температуре 40-100о C в растворе фторида аммония с целью формирования первичной фторидной пленки на магниевой поверхности. Последующую электрохимическую обработку осуществляют по существу как описано в предыдущем аналоге - патенте US4620904 А. Электрохимическую обработку проводят в водном растворе, содержащем силикат и гидроксид щелочного металла, а также фторсодержащий компонент (фторид щелочного металла, и/или фторосиликат щелочного металла, и/или плавиковая кислота) при разности потенциалов между обрабатываемым магниевым изделием и противоэлектродом равной по меньшей мере 100 В, в течение времени, требующегося для формирования покрытия желаемой толщины.As a prototype, the method disclosed in US5240589 A (publ. 08/31/1993) for a protective coating on a magnesium alloy, including a preliminary chemical treatment of a magnesium surface and subsequent electrochemical processing, was selected. The pretreatment is carried out at a temperature of about 40-100 C in ammonium fluoride solution to form the initial magnesium fluoride film on the surface. Subsequent electrochemical processing is carried out essentially as described in the previous analogue - US4620904 A. The electrochemical treatment is carried out in an aqueous solution containing alkali metal silicate and hydroxide, as well as a fluorine-containing component (alkali metal fluoride, and / or alkali metal fluorosilicate, and / or hydrofluoric acid) when the potential difference between the processed magnesium product and the counter electrode is at least 100 V, for the time required to form the coating of the desired thickness.
Недостатками вышеприведенного аналога являются:The disadvantages of the above analogue are:
- использование предварительной химической обработки магниевой поверхности, представляющей собой по существу химическое травление в кислом фторид-содержащем растворе, которое не приводит к формированию на магниевой поверхности заметной текстуры;- the use of preliminary chemical treatment of the magnesium surface, which is essentially a chemical etching in an acidic fluoride-containing solution, which does not lead to the formation of a noticeable texture on the magnesium surface;
- предварительная химическая обработка позволяет лишь сформировать очень тонкую (1-2 мкм) фторидную пленку, обеспечивающую последующее достижение повышенной коррозионной стойкости финишного покрытия, однако при этом не решается задача улучшения прочности сцепления покрытия с материалом основы и получения покрытия, обладающего стойкостью к внешним механическим воздействиям.- preliminary chemical treatment allows only to form a very thin (1-2 microns) fluoride film, which ensures the subsequent achievement of increased corrosion resistance of the finish coating, however, this does not solve the problem of improving the adhesion of the coating to the base material and obtain a coating that is resistant to external mechanical stresses .
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего сформировать на поверхности магния и его сплавов защитное наноструктурное неметаллическое неорганическое покрытие, обладающее повышенной прочностью сцепления с материалом основы и устойчивостью к воздействию внешних факторов (в первую очередь к внешним механическим воздействиям), с использованием метода микродугового оксидирования (МДО), представляющего собой микроплазменную обработку поверхности в растворах электролитов.The objective of the invention is to develop a method that allows you to form a protective nanostructured nonmetallic inorganic coating on the surface of magnesium and its alloys, which has increased adhesion to the base material and resistance to external factors (primarily to external mechanical stresses) using the microarc oxidation method (MAO) ), which is a microplasma surface treatment in electrolyte solutions.
Поставленная задача достигается тем, что, как и известный, предлагаемый способ получения защитного покрытия на магнии или его сплавах осуществляют путем его микродугового оксидирования. Новым является то, что способ включает следующие три этапа формирования покрытия: The problem is achieved in that, like the well-known, the proposed method for producing a protective coating on magnesium or its alloys is carried out by its microarc oxidation. New is that the method includes the following three stages of coating formation:
- на первом этапе на подложке из магния или его сплава формируют первичное наноструктурное неметаллическое неорганическое покрытие толщиной не менее 15 мкм, которое получают микродуговым оксидированием подложки в первом водном растворе электролита, содержащем в своем составе по меньшей мере водорастворимые силикаты, фториды щелочных металлов и щелочь;- at the first stage, a primary nanostructured nonmetallic inorganic coating with a thickness of at least 15 μm is formed on a substrate of magnesium or its alloy, which is obtained by microarc oxidation of the substrate in a first aqueous electrolyte solution containing at least water-soluble silicates, alkali metal fluorides and alkali;
- на втором этапе осуществляют первое химическое стравливание полученного на первом этапе первичного покрытия во втором водном растворе электролита, содержащем в своем составе по меньшей мере фосфорную кислоту, затем, последовательно применяя приемы и режимы, аналогичные формированию покрытия на первом этапе, формируют на подложке вторичное наноструктурное неметаллическое неорганическое покрытие, после чего осуществляют второе химическое стравливание покрытия во втором водном растворе электролита;- at the second stage, the first chemical etching of the primary coating obtained at the first stage is carried out in a second aqueous electrolyte solution containing at least phosphoric acid, then, successively applying techniques and modes similar to coating formation at the first stage, a secondary nanostructure is formed on the substrate a non-metallic inorganic coating, after which a second chemical etching of the coating is carried out in a second aqueous electrolyte solution;
- на третьем этапе, используя приемы и режимы, аналогичные формированию покрытия на первом этапе, формируют на подложке финишное наноструктурное неметаллическое неорганическое покрытие. - at the third stage, using techniques and modes similar to the formation of the coating at the first stage, form the finish nanostructured non-metallic inorganic coating on the substrate.
Таким образом, способ получения включает этапы нанесения и этапы стравливания покрытия, которые чередуют друг за другом, при этом процедуру нанесения (формирования) покрытия выполняют 3 раза: первое формирование покрытия на подложке и его последующее первое химическое стравливание; второе формирование покрытия, аналогичное формированию покрытия на первом этапе, и его последующее второе химическое стравливание; третье (финишное) формирование покрытия, аналогичное формированию покрытия на первом этапе. На каждом из трех этапов формирования покрытия процесс осуществляют путем микродугового оксидирования магниевой подложки в водном растворе электролита, содержащего в своем составе водорастворимые силикаты, фториды щелочных металлов и щелочь. Thus, the production method includes the application steps and the etching steps of the coating, which alternate one after another, while the coating application (formation) process is performed 3 times: the first coating formation on the substrate and its subsequent first chemical etching; second coating formation, similar to coating formation in the first stage, and its subsequent second chemical etching; third (finish) coating formation, similar to coating formation in the first stage. At each of the three stages of coating formation, the process is carried out by microarc oxidation of a magnesium substrate in an aqueous electrolyte solution containing water-soluble silicates, alkali metal fluorides and alkali.
Формирование покрытия на каждом этапе осуществляется до достижения толщины по меньшей мере 15 мкм, в предпочтительном варианте до толщины 30 мкм.The coating is formed at each stage until a thickness of at least 15 μm is reached, preferably up to a thickness of 30 μm.
При некотором воплощении способа по изобретению первый раствор электролита может представлять собой водный раствор, содержащий от 10 до 40 г/л водорастворимых метасиликатов щелочных металлов, от 2 до 10 г/л водорастворимых фторидов щелочных металлов и от 3 до 15 г/л гидроксидов щелочных металлов. In some embodiment of the method according to the invention, the first electrolyte solution may be an aqueous solution containing from 10 to 40 g / l of water-soluble alkali metal metasilicates, from 2 to 10 g / l of water-soluble alkali metal fluorides and from 3 to 15 g / l of alkali metal hydroxides .
В предпочтительном воплощении способа по изобретению первый раствор электролита содержит 30 г/л девятиводного метасиликата натрия, 4 г/л фторида натрия, 6 г/л гидроксида калия.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the first electrolyte solution contains 30 g / l of sodium nine-metasilicate, 4 g / l of sodium fluoride, 6 g / l of potassium hydroxide.
В любом из конкретных воплощений способа при формировании покрытия на первом, втором и третьем этапах может быть использован импульсный ток следующих параметров: амплитуда импульсов напряжения – 400-450 В, длительность импульсов – 250-350 мкс. In any of the specific embodiments of the method, when forming a coating in the first, second and third stages, a pulse current of the following parameters can be used: the amplitude of the voltage pulses is 400-450 V, the pulse duration is 250-350 μs.
На каждой из двух процедур химического стравливания покрытий, сформированных на первом и втором этапе, процесс осуществляется в водном растворе электролита путем воздействия растворами кислот, при этом второй водный раствор электролита может представлять собой смесь фосфорной и плавиковой кислот либо смесь фосфорной кислоты и водорастворимых фторидов и/или гидрофторидов. In each of the two procedures for chemical etching of coatings formed in the first and second stages, the process is carried out in an aqueous electrolyte solution by exposure to acid solutions, while the second aqueous electrolyte solution may be a mixture of phosphoric and hydrofluoric acids or a mixture of phosphoric acid and water-soluble fluorides and / or hydrofluorides.
В другом предпочтительном воплощении способа по изобретению второй раствор электролита представляет собой водный раствор, содержащий от 0,5 до 1,5 моль/л фосфорной кислоты и от 0,5 до 1,5 моль/л фтороводорода или водорастворимого фторида.In another preferred embodiment of the method of the invention, the second electrolyte solution is an aqueous solution containing from 0.5 to 1.5 mol / L of phosphoric acid and from 0.5 to 1.5 mol / L of hydrogen fluoride or water-soluble fluoride.
В оптимальном варианте способа продолжительность первого этапа и третьего этапа (этапа формирования финишного покрытии) составляет 20 минут, а продолжительность второго этапа составляет 5 минут. В оптимальном варианте способа температура второго раствора электролита составляет от 20 до 25°С. In the optimal version of the method, the duration of the first stage and the third stage (stage of forming the topcoat) is 20 minutes, and the duration of the second stage is 5 minutes. In an optimal embodiment of the method, the temperature of the second electrolyte solution is from 20 to 25 ° C.
Заявляемая последовательность приемов позволяет сформировать покрытие на подложке, выполненной из магния или его сплава, с текстурированой границей раздела металл–покрытие. Такое покрытие ввиду лучшего сцепления с материалом подложки обладает устойчивостью к воздействию внешних факторов (внешним механическим воздействиям).The inventive sequence of techniques allows you to form a coating on a substrate made of magnesium or its alloy, with a textured metal-coating interface. Such a coating, due to better adhesion to the substrate material, is resistant to external factors (external mechanical influences).
Заявляемый способ включает в себя чередование процедур нанесения покрытия методом микродугового оксидирования (МДО) и процедур его химического стравливания, что позволяет проводить пошаговое текстурирование до достижения требуемой текстуры границы раздела металл – наноструктурное неметаллическое покрытие. При нанесении покрытия методом МДО за счет множества микроплазменных разрядов и сопутствующих процессов происходит текстурирование границы раздела металл – наноструктурное неметаллическое покрытие.The inventive method includes the alternation of coating methods by microarc oxidation (MAO) and chemical etching procedures, which allows stepwise texturing to achieve the desired texture of the metal-nanostructured non-metallic coating interface. When coating by the MAO method due to the multitude of microplasma discharges and associated processes, the metal – nanostructured nonmetallic coating is textured.
Под текстурированием мы понимаем совокупность операций, в результате которых изменяется структура поверхности металла и возникают требуемые параметры профиля поверхности, включая его шероховатость.By texturing we mean a set of operations, as a result of which the structure of the metal surface changes and the required parameters of the surface profile arise, including its roughness.
Под наноструктурным неметаллическим покрытием в настоящем изобретении понимают керамическое силикатно-оксидное покрытие, сформированное на поверхности изделия/образца из магния или магниевого сплава методом МДО.By nanostructured nonmetallic coating in the present invention is meant a ceramic silicate-oxide coating formed on the surface of an article / sample of magnesium or magnesium alloy by the MAO method.
Выбор состава первого раствора электролита, включающего водорастворимые метасиликаты, фториды и щелочь, обусловлен возможностью формирования в нем наноструктурных неметаллических покрытий с высокой скоростью и быстрым переходом процесса в микроплазменный режим, дешевизной и доступностью реактивов. Кроме того, использование данного состава электролита для нанесения финишного слоя покрытия позволяет получать плотные наноструктурные неметаллические покрытия, обеспечивающие надежную защиту магниевых изделий от коррозии и износа [US4620904, US5240589, US5264113, US5266412, US5470664, RU2357016]. Формирование покрытия на поверхности магния в данном электролите происходит в соответствии со следующими основными реакциями:The choice of the composition of the first electrolyte solution, including water-soluble metasilicates, fluorides and alkali, is due to the possibility of forming nanostructured nonmetallic coatings in it with a high speed and a quick transition of the process to the microplasma mode, low cost and availability of reagents. In addition, the use of this electrolyte composition for applying the final coating layer allows one to obtain dense nanostructured nonmetallic coatings that provide reliable protection of magnesium products from corrosion and wear [US4620904, US5240589, US5264113, US5266412, US5470664, RU2357016]. The formation of a coating on the surface of magnesium in this electrolyte occurs in accordance with the following main reactions:
Формирующееся покрытие обладает микропористостью и нанопористостью.The forming coating has microporosity and nanoporosity.
Последующее стравливание полученного на первом этапе заявляемого способа первичного наноструктурного неметаллического покрытия обеспечивает получение металлической поверхности с заданной текстурой. Один из возможных вариантов такой текстуры соответствует изображению на фиг. 2. В процессе стравливания также происходит дополнительное текстурирование за счет более активного проникновения травильного раствора (второй раствор) через поры покрытия. Многократное чередование этапов нанесения и стравливания покрытия позволяет добиваться требуемых параметров поверхности, что позволяет считать количество операций нанесение–стравливание фактором управления текстурой поверхности магниевого материала.Subsequent etching obtained at the first stage of the proposed method of the primary nanostructured non-metallic coating provides a metal surface with a given texture. One of the possible variants of such a texture corresponds to the image in FIG. 2. In the process of etching, additional texturing also occurs due to more active penetration of the etching solution (second solution) through the pores of the coating. Repeatedly alternating the steps of applying and etching the coating allows us to achieve the required surface parameters, which allows us to consider the number of application – etching operations as a factor in controlling the surface texture of the magnesium material.
Выбор состава второго раствора, включающего фосфорную кислоту, плавиковую кислоту и/или водорастворимые фториды, обусловлен возможностью данной композиции растворять сформированное на первом этапе оксидно-силикатное покрытие. Наличие ионов фтора в составе второго раствора минимизирует воздействие непосредственно на магниевую основу вследствие образования пассивирующей фторидной пленки.The choice of the composition of the second solution, including phosphoric acid, hydrofluoric acid and / or water-soluble fluorides, is due to the ability of this composition to dissolve the oxide-silicate coating formed in the first stage. The presence of fluorine ions in the composition of the second solution minimizes the effect directly on the magnesium base due to the formation of a passivating fluoride film.
Микроплазменное текстурирование (микроплазменное осаждение покрытия с последующим стравливанием) содержит значительное количество управляющих факторов, включающее в себя как состав электролита и продолжительность воздействия, так и способы его организации, а также электрические параметры.Microplasma texturing (microplasma deposition of the coating followed by etching) contains a significant number of control factors, including both the composition of the electrolyte and the duration of exposure, and methods of organization, as well as electrical parameters.
На третьем этапе – этапе нанесения финишного покрытия - магниевая поверхность с достигнутой определенной текстурой вновь покрывается, что позволяет, с учетом дополнительного этапа микроплазменного воздействия, согласно заявляемому способу, сформировать двухслойный материал с текстурованной границей раздела металл – керамическое покрытие.At the third stage - the stage of applying the finish coating - the magnesium surface with the achieved specific texture is again coated, which allows, taking into account the additional stage of microplasma exposure, according to the claimed method, to form a two-layer material with a textured metal-ceramic coating interface.
Сформированная текстура границы раздела с максимальными параметрами шероховатости Ra позволяет достичь максимальной площади и прочности сцепления покрытия с магниевым материалом основы, что, в свою очередь, обуславливает устойчивость покрытия к внешним механическим воздействиям. На текстурированной поверхности распределение отрывающей и растягивающей сил, возникающих при внешних воздействиях (механических либо термических), существенно отличается от их распределения на гладкой границе раздела слоев [Мамаев А.И., Мамаева В.А., Дорофеева Т.И., Емельянова Е.Ю. Механизм моделирования нагрузок деформации и разрушения слоистых неметаллических неорганических материалов с нано- и микроразмерным волновым текстурированием поверхности // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 9/3. С. 78 – 86], что позволяет избежать отслоения покрытия. The formed texture of the interface with the maximum roughness parameters Ra allows to achieve the maximum area and adhesion of the coating to the magnesium base material, which, in turn, determines the resistance of the coating to external mechanical stresses. On a textured surface, the distribution of tearing and tensile forces arising from external influences (mechanical or thermal) differs significantly from their distribution on a smooth layer interface [Mamaev AI, Mamaeva VA, Dorofeeva TI, Emelyanova E .YU. The mechanism of modeling the loads of deformation and fracture of layered non-metallic inorganic materials with nano- and micro-sized wave surface texturing // Bulletin of Higher Education. Physics. 2012.V. 55. No. 9/3. S. 78 - 86], which allows to avoid delamination of the coating.
Покрытия, полученные по заявляемому способу, характеризуются стойкостью к внешним механическим воздействиям и повышенной прочностью сцепления с материалом основы.The coatings obtained by the present method are characterized by resistance to external mechanical stress and increased adhesion to the base material.
Изобретение поясняется графическими материалами и примерами его конкретного выполнения.The invention is illustrated by graphic materials and examples of its specific implementation.
На фиг. 1 представлена проекция профиля поверхности магниевого образца № 4 (Таблица 1) с максимальной шероховатостью Ra, полученной по заявляемому способу после трех этапов нанесения/стравливания покрытия МДО, демонстрирующая реальность получения текстурированной поверхности в соответствии с заявляемым способом.In FIG. 1 shows a projection of the surface profile of a magnesium sample No. 4 (Table 1) with a maximum roughness Ra obtained by the present method after three stages of applying / etching the MAO coating, demonstrating the reality of obtaining a textured surface in accordance with the claimed method.
На фиг. 2 представлена микрофотография поверхности образца №4′ (Таблица 1) до механической нагрузки (а) и после механической нагрузки (б).In FIG. 2 shows a micrograph of the surface of sample No. 4 ′ (Table 1) before mechanical load (a) and after mechanical load (b).
ПримерыExamples
Образцы (в форме плоских пластин шириной 7 мм и толщиной 1мм), выполненные из сплава магния марки МА2-1 шлифовали до 10 класса, шероховатости. Затем 1 М раствором Na3PO4 при температуре не ниже 60оС проводили очистку поверхности образцов от органических загрязнений. После промывки дистиллированной водой, спиртом и снова дистиллированной водой образцы высушивали в сушильном шкафу при температуре 70°С.Samples (in the form of flat plates with a width of 7 mm and a thickness of 1 mm) made of a magnesium alloy of grade MA2-1 were polished to grade 10, roughness. Then, 1 M solution of Na 3 PO 4 at a temperature not lower than 60 ° C was carried out by cleaning the surface of sample of organic contaminants. After washing with distilled water, alcohol, and again with distilled water, the samples were dried in an oven at a temperature of 70 ° C.
Затем на поверхностях образцов в микродуговом режиме формировались покрытия. Образец служил анодом, в качестве катода выступала ванна из нержавеющей стали, снабженная рубашкой водяного охлаждения. Состав раствора для нанесения покрытия: фторид натрия (NaF) 4г/л, гидроксид калия (KOH) 4 г/л, метасиликат натрия (Na2SiO3⋅9H2О) 30 г/л, остальное дистиллированная вода. Then, coatings were formed on the surfaces of the samples in the microarc mode. The sample served as an anode; a stainless steel bath with a water cooling jacket acted as a cathode. The composition of the coating solution: sodium fluoride (NaF) 4 g / l, potassium hydroxide (KOH) 4 g / l, sodium metasilicate (Na2SiO3⋅9H2O) 30 g / l, the rest is distilled water.
Образцы обрабатывались при пропускании импульсного тока следующих параметров: амплитуда импульсов напряжения 400-450 В, длительность импульсов 200 мкс, длительность обработки 20 минут. Толщина покрытия после первого этапа нанесения составляла (20±5) мкм. Покрытия стравливались раствором, содержащим 1 моль/л ортофосфорной кислоты и 0,5 моль/л фторида натрия в течение 5 минут.The samples were processed by passing a pulse current of the following parameters: amplitude of voltage pulses 400-450 V, pulse duration 200 μs, processing time 20 minutes. The coating thickness after the first application step was (20 ± 5) μm. The coatings were etched with a solution containing 1 mol / L orthophosphoric acid and 0.5 mol / L sodium fluoride for 5 minutes.
Путем поэтапного осаждения покрытия методом МДО с последующим его стравливанием достигалось текстурирование поверхности. Образец, обозначенный №1, подвергали травлению в растворе для снятия покрытий (второй раствор) без предварительного нанесения покрытия для выявления влияния собственно химического травления на текстуру поверхности.By stagewise deposition of the coating by the MAO method with its subsequent etching, surface texturing was achieved. Sample No. 1 was etched in a stripping solution (second solution) without first coating to determine the effect of chemical etching on the surface texture.
Определение величин шероховатости и построение профиля поверхности после текстурирования проводилось при помощи коммерчески доступного трехмерного бесконтактного профилометра Micro Measure 3D Station производства фирмы STIL и программного обеспечения Mountains Map Universal (Version 2.0.13), позволяющего строить проекции профиля поверхности и определять параметры шероховатости в соответствии с ISO 25178 и ISO 4287. Перед определением величин шероховатости текстурированных металлических поверхностей продукты реакции удалялись путем кратковременного погружения в 30 % раствор азотной кислоты.Roughness values and surface profiles after texturing were determined using a commercially available STIL Micro Measure 3D Station non-contact profilometer manufactured by STIL and Mountains Map Universal software (Version 2.0.13), which allows projection of surface profiles and determination of roughness parameters in accordance with ISO 25178 and ISO 4287. Before determining the roughness values of textured metal surfaces, the reaction products were removed by short-term immersion in 30% astvor nitric acid.
Количество циклов нанесения/стравливания покрытия и достигнутые параметры шероховатости текстурированных образцов приведены в таблице 1.The number of cycles of application / etching of the coating and the achieved roughness parameters of the textured samples are shown in table 1.
Таблица 1 – Параметры обработки и свойства образцов (для образцов с покрытием 2′-6′ приведены предполагаемые величины Ra подложки на границе раздела)Table 1 - Processing parameters and properties of the samples (for samples with a 2′-6 ′ coating, the expected values of Ra for the substrate at the interface are given)
(1-6)Sample Number
(1-6)
Ra cp., Microns
Полученные образцы покрытий с текстурированной границей раздела фаз были подвергнуты испытаниям на разрушение при растяжении. Испытания проводились на испытательной машине INSTRON 5948 в соответствии с ISO 21180–201. К образцам прикладывали нагрузку при постоянной скорости растяжения 5 мм/мин до достижения относительного удлинения 15%, после чего проводили оценку характера разрушения покрытий.The resulting coating samples with a textured phase boundary were subjected to tensile testing. The tests were carried out on an INSTRON 5948 test machine in accordance with ISO 21180–201. A load was applied to the samples at a constant tensile speed of 5 mm / min until a relative elongation of 15% was reached, after which the nature of the destruction of the coatings was evaluated.
Анализ микрофотографий образца 4′ (фиг. 2), полученного по заявляемому способу, говорит о наличии характерных продольных трещин, соответствующих шагу текстурирования и позволяющих релаксировать возникающие механические напряжения без отслаивания покрытия. The analysis of microphotographs of sample 4 ′ (Fig. 2) obtained by the claimed method indicates the presence of characteristic longitudinal cracks corresponding to the step of texturing and allowing to relax emerging mechanical stresses without peeling of the coating.
Таким образом, приведенные в таблице результаты свидетельствуют о достижении оптимальной стойкости покрытий к механическим воздействиям при проведении двух циклов нанесения–стравливания перед нанесением финишного покрытия. Аналогичный результат может быть достигнут при проведении трех циклов нанесения–стравливания перед нанесением финишного покрытия, однако с точки зрения трудозатрат предпочтительным представляется проведение именно двух циклов нанесения–стравливания.Thus, the results presented in the table indicate the achievement of optimal resistance of the coatings to mechanical stresses during two application – etching cycles before applying the topcoat. A similar result can be achieved by carrying out three application – etching cycles before applying the finish coating, however, from the point of view of labor costs, it is preferable to carry out exactly two application – etching cycles.
Пять образцов с полученным по заявляемому способу покрытием (образцы типа 4′ – Таблица 1) также были подвергнуты испытаниям на коррозионную стойкость в камере солевого тумана при температуре (35±2)°С согласно ГОСТ 9.308-85, метод 1. Результаты испытаний показали отсутствие коррозионных разрушений после 400 часов нахождения в камере солевого тумана для всех пяти образцов.Five samples with the coating obtained by the present method (type 4 ′ samples - Table 1) were also tested for corrosion resistance in the salt spray chamber at a temperature of (35 ± 2) ° С according to GOST 9.308-85,
Таким образом, получаемые по заявляемому способу покрытия являются устойчивыми к воздействию внешних механических нагрузок и являются защитными по отношению к воздействию коррозионной среды.Thus, obtained by the present method, the coatings are resistant to external mechanical loads and are protective against the effects of a corrosive environment.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015145541A RU2620224C2 (en) | 2015-10-23 | 2015-10-23 | Method of obtaining protective coating on magnesium and its alloys |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015145541A RU2620224C2 (en) | 2015-10-23 | 2015-10-23 | Method of obtaining protective coating on magnesium and its alloys |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015145541A RU2015145541A (en) | 2017-04-26 |
RU2620224C2 true RU2620224C2 (en) | 2017-05-23 |
Family
ID=58642083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015145541A RU2620224C2 (en) | 2015-10-23 | 2015-10-23 | Method of obtaining protective coating on magnesium and its alloys |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2620224C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2676550C1 (en) * | 2017-07-07 | 2019-01-09 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of obtaining protective coating on bearing structures of on-board radioelectronic equipment for aircraft and spacecraft made of magnesium or its alloys, and protective coating obtained by this method, and bearing structure with protective coating |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5240589A (en) * | 1991-02-26 | 1993-08-31 | Technology Applications Group, Inc. | Two-step chemical/electrochemical process for coating magnesium alloys |
RU2357016C1 (en) * | 2008-05-08 | 2009-05-27 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Method of receiving of protective coating on magnesium alloys |
RU2445409C1 (en) * | 2011-03-17 | 2012-03-20 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Институт химии ДВО РАН) | Method of obtaining anticorrosion calcium-containing coatings on magnesium alloys |
RU2543580C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method of obtaining protective coatings on magnesium alloys |
-
2015
- 2015-10-23 RU RU2015145541A patent/RU2620224C2/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5240589A (en) * | 1991-02-26 | 1993-08-31 | Technology Applications Group, Inc. | Two-step chemical/electrochemical process for coating magnesium alloys |
RU2357016C1 (en) * | 2008-05-08 | 2009-05-27 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Method of receiving of protective coating on magnesium alloys |
RU2445409C1 (en) * | 2011-03-17 | 2012-03-20 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Институт химии ДВО РАН) | Method of obtaining anticorrosion calcium-containing coatings on magnesium alloys |
RU2543580C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method of obtaining protective coatings on magnesium alloys |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2676550C1 (en) * | 2017-07-07 | 2019-01-09 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of obtaining protective coating on bearing structures of on-board radioelectronic equipment for aircraft and spacecraft made of magnesium or its alloys, and protective coating obtained by this method, and bearing structure with protective coating |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015145541A (en) | 2017-04-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Dehnavi et al. | Corrosion properties of plasma electrolytic oxidation coatings on an aluminium alloy–The effect of the PEO process stage | |
Sreekanth et al. | Effect of various additives on morphology and corrosion behavior of ceramic coatings developed on AZ31 magnesium alloy by plasma electrolytic oxidation | |
Gowtham et al. | An investigation on pulsed DC plasma electrolytic oxidation of cp-Ti and its corrosion behaviour in simulated body fluid | |
US10309029B2 (en) | Method for forming a multi-layer anodic coating | |
Kumar et al. | Corrosion protection performance of single and dual Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) coating for aerospace applications | |
Arunnellaiappan et al. | Fabrication of corrosion-resistant Al2O3–CeO2 composite coating on AA7075 via plasma electrolytic oxidation coupled with electrophoretic deposition | |
Arunnellaiappan et al. | Fabrication of multifunctional black PEO coatings on AA7075 for spacecraft applications | |
Sajjad et al. | Enhancing corrosion resistance of Al 5050 alloy based on surface roughness and its fabrication methods; an experimental investigation | |
JP2016529404A (en) | Anodizing architecture for electroplating adhesion | |
TW201414878A (en) | Anodized aluminum alloy products having improved appearance and/or abrasion resistance, and methods of making the same | |
JP2010538158A (en) | Corrosion-resistant aluminum alloy substrate and method for producing the same | |
Vermesse et al. | Surface integrity after pickling and anodization of Ti–6Al–4V titanium alloy | |
MX2014009607A (en) | Method for anodizing parts made of an aluminum alloy. | |
Zalnezhad et al. | Investigating the effects of hard anodizing parameters on surface hardness of hard anodized aerospace AL7075-T6 alloy using fuzzy logic approach for fretting fatigue application | |
CN106282881A (en) | Phosphatization or anodic oxidation are to improve the bonding of thermal spraying figure layer in electromotor cylinder bore | |
Premchand et al. | Assessment of corrosion and scratch resistance of plasma electrolytic oxidation and hard anodized coatings fabricated on AA7075-T6 | |
JP4418985B2 (en) | Manufacturing method of product made of magnesium or magnesium alloy | |
Zhang et al. | The enhanced properties of anodic films on AZ91D magnesium alloy by addition of oxide nanoparticles | |
RU2620224C2 (en) | Method of obtaining protective coating on magnesium and its alloys | |
Asoh et al. | Effect of alcohol addition on the structure and corrosion resistance of plasma electrolytic oxidation films formed on AZ31B magnesium alloy | |
US20140255682A1 (en) | Nanoengineered superhydrophobic anti-corrosive aluminum surfaces | |
Lee et al. | Effect of surface properties on corrosion resistance of ZK60 mg alloy microarc oxidation coating | |
Ramazanova et al. | Study of the properties of qxide coatings formed on titanium by plasma electrolytic oxidation method | |
Liu et al. | Characterization of anodic oxide film growth on Ti6Al4V in NaTESi electrolyte with associated adhesive bonding behaviour | |
Khanmohammadi et al. | Microstructural, corrosion and mechanical behavior of two-step plasma electrolyte oxidation ceramic coatings |