способ получения покрытий

Формула изобретения

Способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование изделий в кислых растворах и последующий нагрев, отличающийся тем, что оксидирование осуществляют в течение 30-50 мин, затем изделия выдерживают в кипящем водном растворе с содержанием едкого натра 0,2-0,4 г/л в течение 40-50 мин, после чего нагревают от 250 до 550°С со скоростью 5-10°С/мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки поверхностей изделий и может использоваться в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.

Из источников научно-технической и патентной информации известны способы получения покрытий на алюминии и его сплавах, включающие оксидирование и последующий нагрев [Патент RU № 2136788. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Дурнев В.А. Бюл. 08/2002; Патент RU № 2166570. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Дрязгин А.В., Симцов В.В. - Бюл. 11/2003]. При этом оксидирование реализуется в микродуговом режиме в щелочных растворах с содержанием едкого кали (4 6 г/л) при высокой плотности тока (25 35 А/дм²). Это обеспечивает формирование покрытий, состоящих в основном из кристаллического оксида алюминия и имеющих высокие физико-механические свойства. Кроме кристаллического оксида алюминия данные покрытия содержат 5 8% кристаллического гидроксида алюминия, который при нагреве переходит в кристаллический оксид, обеспечивая дополнительное повышение свойств покрытий. Однако из-за большой энергоемкости оксидирования и высокой стоимости электролитов данные способы являются нерациональными.

Также известны способы получения покрытий на алюминии и его сплавах, включающие оксидирование в кислых растворах [Анодные окисные покрытия на легких сплавах / Под ред. И.Н.Францевича. - Киев: Наукова думка, 1977. - С.128-158], при этом оксидирование реализуется в безыскровом режиме при низкой плотности тока (1 5 А/дм²). Это обеспечивает формирование покрытий, состоящих в основном из аморфного оксида алюминия и имеющих низкие физико-механические свойства. Содержание кристаллического гидроксида алюминия в них не превышает 2 4%. Нагрев, обеспечивающий переход кристаллического гидроксида алюминия в кристаллический оксид, является нецелесообразным, поскольку не вызывает значимого повышения свойств покрытий. Однако из-за невысокой энергоемкости и низкой стоимости электролитов данные способы являются экономичным и, в частности, требуют затрат энергии примерно в 20 раз меньше, чем способы, известные по патентам RU № 2136788, 2166570. Поэтому представляет большой практический интерес повышение физико-механических свойств и функциональных возможностей покрытий, формируемых оксидированием в кислых растворах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий оксидирование в кислых растворах продолжительностью не более 5 минут и нагрев до 150 600°С с выдержкой не более 5 минут [Патент RU № 2081947. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Казанцев И.А. - Бюл. 17/2002]. Однако этот способ применяется только для получения тонких декоративных покрытий с низкими физико-механическими свойствами.

Задачей предлагаемого изобретения является комплексное повышение механических, электрических и химических характеристик покрытий.

Технический результат при решении данной задачи заключается в повышении твердости на 13 16%, износостойкости на 9 15%, электрического сопротивления на 60 90%, коррозионной стойкости в нейтральных и кислых средах на 6 13%.

Согласно предлагаемому способу, поставленная задача достигается оксидированием изделий в кислых растворах в течение 30 50 минут, дальнейшей выдержкой в кипящем водном растворе с содержанием едкого натра 0,2 0,4 г/л в течение 40 50 минут и последующим нагревом от 250°С до 550°С со скоростью 5 10°С/мин.

Способ реализуется следующим образом. Изделие помещают в ванну с электролитом, в качестве которого могут использоваться растворы на основе щавелевой, серной, сульфосалициловой и других кислот. Затем на электроды, закрепленные на обрабатываемом изделии (анод) и на внутренней поверхности ванны (катод), подают электрический ток, плотность которого на аноде составляет 1 5 А/дм². При взаимодействии электрического тока, электролита и алюминия обрабатываемого изделия в течение 30 50 минут на изделии формируется оксидное покрытие. Далее изделие промывают водой, помещают в кипящий водный раствор с добавкой едкого натра 0,2 0,4 г/л и выдерживают в течение 40 50 минут. Потом изделие помещают в печь и постепенно нагревают от 250°С до 550°С со скоростью 5 10°С/мин в течение 30 60 минут.

Оксидирование в кислых растворах продолжительностью 30 50 минут обеспечивает формирование покрытий, состоящих преимущественно из аморфного оксида алюминия Al₂O ₃. При этом данные покрытия содержат 2 4% кристаллического гидроксида алюминия, включая моногидроксид AlO(ОН) и тригидроксид Al(ОН)₃.

Промывка водой удаляет с поверхности покрытий остаток электролита. Последующая выдержка в кипящем водном растворе, содержащем 0,2 0,4 г/л едкого натра, нейтрализует кислотный остаток в порах покрытий, обеспечивая более высокую коррозионную стойкость покрытий при эксплуатации в нейтральных и кислотных средах. Вместе с тем, выдержка в кипящем водном растворе, содержащем 0,2 0,4 г/л едкого натра, в течение 40 50 минут обеспечивает частичный переход аморфного Al ₂O₃ в кристаллические AlO(ОН) и Al(ОН)₃ . В результате этого общее содержание кристаллических AlO(ОН) и Al(ОН)з в покрытии увеличивается от 2 4% до 5 10%, то есть в 2,5 раза.

Важно отметить, что концентрация едкого натра 0,2 0,4 г/л обеспечивает повышение интенсивности перехода аморфного Al₂O₃ в кристаллические AlO(ОН) и Al(ОН) ₃ и нейтрализацию кислотного осадка в порах покрытий. Меньшая концентрация не обеспечивает проявления данных процессов, а большая вызывает травление покрытий и появление в их порах щелочного остатка. Выдержка изделий в кипящем растворе указанного состава в течение 40 50 минут обеспечивает максимально полные превращения аморфного Al₂O₃ в кристаллические AlO(ОН) и Al(OH) ₃ в покрытиях.

Дальнейший нагрев от 250°С до 550°С со скоростью 5 10°С/мин обеспечивает переход кристаллических AlO(ОН) и Al(ОН)₃ в кристаллический Al₂O₃ , который превосходит аморфный Al₂O₃ и кристаллические AlO(ОН) и А1(ОН)₃ по твердости и износостойкости в 3 6 раз, а по электрическому сопротивлению на 1 2 порядка.

Важно отметить, что при постепенном нагреве переход Al(ОН)₃ и AlO(ОН) в кристаллический Al₂O₃ происходит ступенчато. При нагреве от 250°С до 350 400°С Al(ОН)₃ переходит в AlO(ОН), который при дальнейшем нагреве до 500 550°С переходит в кристаллический Al₂O ₃. Данные переходы требуют времени, с увеличением скорости нагрева они завершаются быстрее, но уже при более высоких значениях температуры. При этом скорость нагрева не должна быть выше 10°С/мин. В противном случае кристаллический Al(ОН)₃ может непосредственно перейти в кристаллический Al₂O₃, минуя состояние кристаллического AlO(ОН), поэтому из-за быстрого одновременного перехода кристаллических AlO(ОН) и Al(ОН)₃ в кристаллический Al₂O₃ могут возникнуть ускоренные изменения объема отдельных структурных составляющих покрытий, приводящие к возникновению микротрещин и снижению твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. При этом скорость нагрева не должна быть меньше 5°С/мин. В противном случае увеличивается время обработки и повышаются затраты энергии. Понижение скорости нагрева на 10% приводит к повышению времени обработки и затрат энергии примерно на 10%.

Предлагаемый способ поясняется схемой, приведенной на фиг.1. На схеме показаны интервалы описанных переходов при скоростях нагрева 5°С/мин и 10°С/мин. При скорости нагрева 5°С/мин между интервалами переходов имеется пауза продолжительностью не более 5 минут, а при скорости нагрева 10°С/мин между интервалами переходов паузы практически нет. Желательно, чтобы при нагреве имела место небольшая пауза (не более 5 минут), поскольку это гарантирует последовательность переходов и отсутствие микротрещин в покрытии.

Экспериментальные исследования в лабораторных условиях и в условиях опытного производства показывают, что по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет в 2,5 раза увеличить содержание кристаллического Al₂ O₃ в покрытиях, получаемых оксидированием в кислых растворах. Одновременно повышается твердость на 13 16%, износостойкость на 9 15%, электрическое сопротивление на 6 90%. Предлагаемый способ позволяет увеличить коррозионную стойкость покрытий в нейтральных и кислых средах на 6 13% относительно прототипа за счет нейтрализации кислотного остатка в порах покрытия. При этом себестоимость обработки покрытий в условиях серийного производства увеличивается всего на 5 7%.

Пример. Изделия из алюминия АД0 и сплавов АМг3, Д16 подвергали оксидированию согласно способу, описанному в работе [3, с.158], в растворе щавелевой кислоты (40 г/л) при плотности электрического тока на аноде 3 А/дм² и температуре электролита 20°С в течение 35 минут. Затем изделия из каждого сплава делили на 4 группы. Изделия первых групп не подвергали дополнительной обработке. Изделия вторых групп подвергали нагреву до 550°С с выдержкой 5 минут согласно прототипу [4]. Изделия третьих групп подвергали нагреву до 550°С с выдержкой 45 минут, увеличив время выдержки по прототипу [4] до времени выдержки по предлагаемому способу. Четвертые группы изделий подвергали выдержке в кипящем водном растворе с добавкой едкого натра 0,2 0,4 г/л в течение 45 минут, а затем нагревали в печи от 250°С до 550°С со скоростю 7,5°С/мин в течение 40 минут.

Далее по стандартным методикам [5,6] определяли твердость, износостойкость и электрическое сопротивление покрытий. Твердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3. Износостойкость определяли по результатам испытаний на трение и изнашивание на установке УМТ-1 и станке ЦРС-50М. Электрическое сопротивление измеряли на терраомметрах Е6-3 и ЕК6-7. Также определяли коррозионную стойкость покрытий по известной методике [7], при выдержке изделий в 5-% растворе уксусной кислоты в течение 1000 часов.

Результаты определения твердости, износостойкости, электрического сопротивления и коррозионной стойкости покрытий, представленные в таблице 1, указывают, что обработка согласно предлагаемому способу позволяет повысить все перечисленные свойства покрытий.

Таблица 1 Свойства изделий после оксидирования и дополнительной обработки
Марка сплава	№ группы изделий	Физико-механические свойства	Скорость коррозии, мг/м2/год
Поверхностная твердость, ГПа	Поверхностная износостойкость, условные единицы	Электрическое сопротивление, Ом
АД0	1	408,76	1,16	3,67×1011	189,15
2	424,71	1,21	5,17×1011	201,32
3	442,26	1,26	6,65×1011	206,70
4	509,07	1,45	1,24×1012	170,13
АМг3	1	356,79	1,08	3,81×1011	217,44
2	384,51	1,14	5,20×1011	234,13
3	420,35	1,23	8,12×1011	243,29
4	484,23	1,41	1,41×1012	192,67
Д16	1	323,90	1,00	3,98×1011	270,21
2	361,37	1,09	6,58×1011	291,76
3	394,72	1,21	9,65×1011	303,92
4	458,13	1,33	1,56×1012	248,25

Источники информации

1. Патент RU № 2136788. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Дурнев В.А. - Бюл. 08/2002.

2. Патент RU № 2166570. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Дрязгин А.В., Симцов В.В. - Бюл. 11/2003.

3. Анодные окисные покрытия на легких сплавах / Под. ред. И.Н.Францевича - Киев: Наукова думка, 1977. - 259 с.

4. Патент RU № 2081947. Способ получения покрытий. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Казанцев И.А. - Бюл. 17/2002, прототип.

5. Испытательная техника: Справ. в 2-х т. / Под ред. Клюева В.В. М.: Машиностроение, 1982. - 528 с.

6. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.

7. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защита металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 328 с.