способ электролитического микроплазменного нанесения покрытий на электропроводящее изделие

Формула изобретения

Способ электролитического микроплазменного нанесения покрытий на электропроводящее изделие, заключающийся в том, что электропроводящее изделие, которое является рабочим электродом, погружают в ванну с электролитом, являющуюся основным противоэлектродом, имеющим большую поверхность, чем у электропроводящего изделия, при этом поверхность электропроводящего изделия частично экранируют с помощью диэлектрического материала путем установки диэлектрических экранов внутри ванны с электролитом и непосредственного нанесения диэлектрического материала на часть поверхности электропроводящего изделия, а покрытие наносят на неэкранированную часть поверхности электропроводящего изделия площадью S, дм², лежащей в пределах от N/2 до N/8, где N - расходуемая в процессе электролиза величина электрической мощности в кВт, при перемещении электропроводящего изделия и диэлектрических экранов относительно друг друга.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии формирования на поверхности изделий, изготовленных из электропроводящих материалов, износостойких, диэлектрических, антикоррозионных и декоративных покрытий. Изобретение может быть использовано, в частности, для нанесения неорганических покрытий на детали и изделия из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, используемых в авиационной, машиностроительной, химической и строительной промышленности.

Известен способ электролитического нанесения покрытий на металлы, в том числе на алюминий (SU 926083, 1987, кл. C 25 L 9/06), включающий полное погружение детали в щелочной электролит при напряжении до 1000 В и начальной плотности тока 25-50 А/дм², с последующим установлением плотности тока 5-20 А/дм². Площадь электрода выбирают больше площади обрабатываемой детали.

Недостатками известного способа являются:

- необходимость использования мощного по энергетике источника питания при нанесении покрытия на крупногабаритное изделие;

- невозможность получения равномерных как по толщине, так и функциональным свойствам покрытий на всей поверхности изделий сложной геометрической формы;

- невозможность получения покрытий только на отдельных заданных участках поверхности изделий или покрытий с заданной неравномерностью по толщине и функциональным свойствам на различных участках поверхности изделия.

Известен способ микродугового нанесения покрытий на деталь вентильного металла (RU 2171865 С1, опублик. 10.08.2001, кл. С 25 D 11/02), включающий полное погружение детали в электролит, предварительное и в соответствии с конфигурацией детали изготовление формы противоэлектрода, причем выбирают его площадь, по меньшей мере, на порядок меньше площади обрабатываемой поверхности детали. Нанесение покрытия ведут путем сканирования электродом вдоль поверхности детали или, по другому варианту, сканирование осуществляют путем одновременного перемещения электрода и обрабатываемой поверхности детали относительно друг друга.

Известный способ также имеет существенные недостатки:

- зажигание микроплазменных разрядов происходит в первую очередь на противоэлектроде из-за значительно большей плотности тока на нем, чем на детали;

- необходима большая электрическая мощность, задаваемая между противоэлектродом и поверхностью детали, которая полностью погружена в электролит, для зажигания микроплазменных разрядов только на участки поверхности детали, расположенной вблизи противоэлектрода;

- для большинства крупногабаритных деталей, изготовленных из различных алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, процесс микродугового оксидирования на участке поверхности детали не реализуется. На нем протекает, как правило, процесс анодирования. Производительность процесса анодирования намного ниже, чем у процесса микродугового оксидирования. Свойства анодных покрытий также намного ниже, чем у покрытий, полученных методом микродугового оксидирования. Следовательно, осуществить микродуговое оксидирование деталей по этому способу практически невозможно.

Прототипом изобретения является способ электролитического микродугового нанесения силикатного покрытия на алюминиевую деталь (RU 2006531 С1, опублик. 30.01.94, Кл. С 25 D 11/04), включающий предварительное погружение детали в щелочной электролит на 5-10% от площади ее поверхности, при начальной плотности тока 5-25 А/дм², и дальнейшее погружение детали в электролит равномерно со скоростью, определяемой соотношением:

S/ =0,38+1,93i,

где S - площадь поверхности детали, погружаемой в электролит;

- время погружения, мин;

i - начальная плотность анодного тока.

Этот способ имеет аналогичные недостатки, что и предыдущий известный способ:

- при постепенном погружении непокрытого участка поверхности изделия происходит образование активной зоны микродуговых разрядов, которая частично шунтирует ток, протекающий между предварительно покрытой поверхностью изделия и противоэлектродом. Этот ток увеличивается с увеличением площади покрытой поверхности изделия из-за наличия в нем пор и достигает больших значений, что и приводит к необходимости использования установок с большой электрической мощностью;

- нанесение покрытий этим способом на крупногабаритные изделия приводит к большим энергозатратам и низкой производительности процесса.

Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в получении равномерного или с заданной по толщине и функциональным свойствам оксидное или оксидно-керамическое покрытие на заданной поверхности изделия сложной геометрической формы и любого размера, в том числе, крупногабаритного, при высокой производительности и использовании источника питания с относительно малой электрической мощностью.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ электролитического микроплазменного нанесения покрытий на электропроводящее изделие заключается в том, что электропроводящее изделие, которое является рабочим электродом, погружают в ванну с электролитом, являющуюся основным противоэлектродом, имеющим большую поверхность, чем у электропроводящего изделия. Поверхность электропроводящего изделия частично экранируют с помощью диэлектрического материала. Экранирование осуществляют как с помощью установки диэлектрических экранов внутри ванны с электролитом, так и с помощью непосредственного нанесения диэлектрического материала на часть поверхности электропроводящего изделия. Покрытие наносят на неэкранированную часть поверхности электропроводящего изделия с площадью S, дм², лежащей в пределах от N/2 до N/8, где N - расходуемая в процессе электролиза величина электрической мощности, кВт. В процессе покрытия перемещают электропроводящее изделие и диэлектрические экраны относительно друг друга.

В изобретении площадь противоэлектрода значительно больше площади обрабатываемого изделия, за счет чего на изделии достигается большая плотность тока, чем на противоэлектроде, что приводит к реализации процесса микроплазменного оксидирования изделия и позволяет получать равномерные оксидные или оксидно-керамические покрытия на всей поверхности изделия, в том числе и на поверхности изделия сложной геометрической формы.

Установка в электролите диэлектрического экрана, который увеличивает сопротивление ионному току, протекающему между противоэлектродом и активированной частью поверхности изделия: внешняя поверхность, острые выступы, углы, торцы и т.д., приводит к реализации локальных перемещающихся микроплазменных разрядов практически одинаковой мощности на всей поверхности изделия. Для крупногабаритных изделий экранируют часть поверхности изделия диэлектрическим материалом.

Покрытие наносят на неэкранированной части поверхности электропроводящего изделия с площадью S, дм², лежащей в пределах от N/2 до N/8, где N - расходуемая в процессе электролиза электрическая мощность, кВт.

Указанный интервал выбран из следующих предпосылок. При площади покрытия, большей N/2, мощности установки недостаточно для реализации процесса микроплазменного оксидирования на крупногабаритные изделия. При площади покрытия меньшей N/8 существенно уменьшается производительность способа.

Перемещение электропроводящего изделия и диэлектрических экранов относительно друг друга приводит к обнажению новых участков поверхности изделия и экранированию ранее открытых участков его поверхности, что необходимо для поэтапного нанесения покрытия на заданную поверхность изделия.

Диэлектрический экран в ряде случаев должен быть пластичным, чтобы, перемещаясь относительно изделия, не истирать и без зазоров закрывать нанесенное покрытие.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема нанесения покрытия на изделие, в качестве которого выбрана боковая поверхность цилиндра.

На чертеже показаны ванна 1, являющаяся противоэлектродом, диэлектрические экраны 2, электропроводящее изделие, выполненное в виде цилиндра 3, электромешалки 4, электролит 5, диэлектрическое покрытие 6, нанесенное непосредственно на цилиндр 3, провода 7, присоединенные к цилиндру 3 и механическому двигателю.

В приведенном примере осуществления способа возможностью перемещения в ванне 1 - основном противоэлектроде - обладает электропроводящее изделие - цилиндр 3, а диэлектрические экраны 2 в процессе нанесения покрытия остаются неподвижными.

Способ может быть осуществлен также при возможности перемещения в ванне 1 диэлектрических экранов 2 и неподвижном электропроводящем изделии - цилиндре 3.

Пример 1.

Цилиндр 3 - рабочий электрод, изготовленный из сплава МА2-1, диаметром 150 мм и высотой 600 мм, с нанесенным диэлектрическим покрытием 6 на основе полиуретана на торцевые поверхности, напряжение пробоя которого выше 460 В, вставляют в диэлектрический экран 2. Экран 2 изготовлен из пластичного материала на основе фторопласта и жестко присоединен к стенкам охлаждаемой ванны 1 - противоэлектрода, изготовленной из нержавеющей стали. Ванна 1 заполнена электролитом 5 (г/л): 2 NaOH, 10 Na₂SiO₃, остальное вода. В процессе микроплазменного оксидирования вертикально (при вертикальном расположении ванны) при помощи механического двигателя и проводов 7 осуществляют передвижение цилиндра 3 со скоростью 10 мм/мин. Неэкранированная часть поверхности цилиндра, открываемая между двумя частями экрана в процессе движения, равна N/2 - 11 дм², так как расходуемая мощность N равна 22 кВт. Охлаждение ведут по замкнутой системе прокачки воды через стенки ванны 1, с одновременным перемешиванием электромешалками 4 электролита 5. Переменный ток задают и поддерживают равным 70 А в течение всего процесса. Получаемая на всей поверхности цилиндра 3 толщина покрытия находится в интервале 16÷19 мкм.

Пример 2.

По аналогичному технологическому режиму наносят диэлектрическое покрытие на цилиндр, изготовленный из сплава Д16, диаметром 100 мм и высотой 500 мм. Неэкранированная часть поверхности цилиндра 3, открываемая между двумя частями экрана в процессе движения, равна N/8 - 2,75 дм². При этом скорость передвижения составляет 2 мм/мин. Получаемая на всей поверхности цилиндра 3 толщина покрытия находится в интервале 27-29 мкм.

В изобретении достигается создание локальных, перемещающихся микроплазменных разрядов практически одинаковой мощности в них на всей поверхности обрабатываемых изделий, в том числе и изделий сложной геометрической формы, их локализация на относительно небольшом участке поверхности изделий и последующего их поэтапного перемещения по поверхности крупногабаритного изделия. За счет этого удается достигнуть снижения энергетической мощности источника питания, увеличения производительности процесса, экономии электролита и сформировать при этом качественные равномерные или заданные неравномерные по толщине и свойствам покрытия на поверхности изделия.