СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА СПЛАВАХ ВЕНТИЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ
PRODUCTION OF COMPOSITE COATINGS ON GATE METAL ALLOYS

Изобретение относится к области обработки поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности.
Известен способ микродугового оксидирования (МДО) изделий из вентильных металлов в щелочных электролитах (RU 2046157, 1992).
Известен также способ получения покрытий на изделиях из металлов и сплавов, включающий анодно-катодное микродуговое оксидирование в щелочном электролите на основе жидкого стекла (RU 2077612, 1993).
Недостатком известных способов является то, что технологический процесс получения покрытия происходит при воздействии анодных и катодных импульсов сложной формы, включающих различные длительности с изменяющейся плотностью тока в пределах одного импульса и три стадии обработки: микродуговое оксидирование в двух электролитах, а также трудоемкую и дорогостоящую операцию шлифования для удаления внешнего рыхлого слоя и обеспечения требуемой шероховатости поверхности изделия. Шлифование, особенно при обработке изделий сложной геометрической формы, в ряде случаев произвести трудно или невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения композиционных покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов, включающий электролитическое оксидирование с последующим нанесением полимерной пленки путем механического натирания (RU 2068037, 1993).
Недостатком данного способа является то, что технологический процесс получения покрытия включает в себя электролитическое оксидирование в гальваностатическом режиме постоянным током, что не позволяет получить оксидированное покрытие с высокими механическими характеристиками и ограничивает промышленное применение данного способа. Кроме того, способом механического натирания полимерной фторопластовой пленки не обеспечивается достаточной толщины ее при дальнейшем механическом изнашивании в узлах трения.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения композиционных покрытий на сплавах вентильных металлов, обеспечивающего повышение качества обработки поверхности.
2
к
а
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения композиционных покрытий на сплавах вентильных металлов, включающем микродуговое оксидирование изделия в щелочном электролите с последующим импрегнированием оксидированной поверхности полимерной пленкой, оплавлением верхнего слоя полимера и охлаждением, согласно изобретению, микродуговое оксидирование проводят в анодно-катодном режиме при значениях плотностей анодного и катодного токов 0,5-30 А/дм и соотношении между ними I/I=1.1-1.2, а в качестве импрегната используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен. В частных случаях выполнения изобретения:
• импрегнирование сверхвысокомолекулярным полиэтиленом осуществляют шликерным способом,
• импрегнирование сверхвысокомолекулярным полиэтиленом осуществляют плазменным напылением,
• импрегнирование сверхвысокомолекулярным полиэтиленом осуществляют пневматическим распылением в кислородно-ацетиленовом пламени.
Достигаемый технический результат заключается в повышении износостойкости и снижении коэффициента трения за счет создания однородной структуры, а также в упрощении технологии за счет исключения операции дополнительного шлифования изделий.
Способ получения композиционных покрытий осуществляют следующим образом.
Изделие из алюминиевого сплава помещают в ванну из нержавеющей стали с электролитом из слабощелочного водного раствора. Подводят электрический ток к электродам, один из которых анод (на нем закреплено изделие), другой - катод - поверхность ванны. При взаимодействии электрического тока, электролита и материала обрабатываемого изделия происходит процесс анодно-катодного микродугового оксидирования и окисление его поверхности с образованием оксидного покрытия. В процессе оксидирования температура электролита поддерживается постоянной за счет охлаждения проточной водой через рубашку охлаждения ванны. Перемешивание раствора производится барботированием сжатым воздухом при помощи компрессора. После завершения процесса оксидирования, изделие извлекают из ванны, промывают, сушат. Затем производят процесс импрегнирования (нанесения) сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в виде порошка с размером частиц - 40-50 мкм на оксидированную поверхность одним из методов: либо шликерным, либо путем плазменного напыления, либо с использованием кислородно-ацетиленового пламени. Затем окончательно оплавляют верхний слой полимера до пленкообразования (спекания) и охлаждают при комнатной температуре. Оптимально полезная толщина наполняемого слоя СВМПЭ для узлов трения не более 50-70 мкм, так как при большей толщине этого слоя исключается участие твердой подложки из МДО-покрытия в процессе трения.
2
2
2
к
а
Анодно-катодное микродуговое оксидирование в щелочном электролите позволяет получить на изделии из алюминиевого сплава оксидированное покрытие с высокими механическими характеристиками - микротвердостью 16-25 ГПа, износостойкостью на уровне износостойкости твердых карбидов металлов. Заявленный диапазон плотностей анодного и катодного токов 0,5 - 30 А/дм обусловлен тем, что при более высоких плотностях токов (>30А/дм) выделяется слишком большая мощность на поверхности изделия (электролит может вскипеть), а на поверхности противоэлектрода (ванны) могут образоваться продукты окисления, которые быстро ухудшают качество раствора электролита. При плотностях токов, ниже заявленных (<0,5 А/дм), необходимо слишком длительное время выхода на режим микродугового оксидирования, что значительно удорожает процесс оксидирования. Выбранное соотношение катодного и анодного токов I/I=1.1-1.2 обусловливает получение необходимой толщины покрытия микродугового оксидирования (70-120 мкм), достаточной для дальнейшего формирования композиционного покрытия.
При импрегнировании с использованием шликерного способа предварительно готовят шликер, состоящий из порошка СВМПЭ и глицерина. Для этого в необходимое количество порошка СВМПЭ добавляют глицерин до образования сметанообразной суспензии. После чего данную смесь шпателем или лопаткой равномерным слоем наносят на поверхность изделия, предварительно обработанную методом микродугового оксидирования. Затем изделие помещают в предварительно разогретую до температуры 240-250°C печь, выдерживают до полного расплавления и пленкообразования (спекания) полимерного слоя, после чего изделие выставляют на воздух, где происходит охлаждение и полимеризация полимерного слоя при комнатной температуре. Такой способ импрегнирования хорошо подходит для изделий, в которых необходимо выполнить композиционное покрытие на отдельных участках поверхности.
При импрегнировании с использованием плазменного напыления, порошок СВМПЭ вводят в струю низкотемпературной плазмы в соответствующем месте плазменной горелки так, чтобы обеспечивался нагрев подлетающего к изделию порошка полимера до температуры, при которой происходит его активация, плавление и полимеризация, но исключается сгорание в струе плазмы. Подобранные наиболее оптимальные параметры плазменного напыления порошка СВМПЭ следующие: плазмообразующий газ - аргон, напряжение дуги - 20-25B, рабочий ток - 350A, расстояние до изделия - 100 мм, расстояние от изделия до места ввода порошка - 120 мм.
При импрегнировании порошка СВМПЭ с использованием кислородно-ацетиленового пламени путем пневматического распыления его наносят на предварительно нагретое до температуры 300-320°C изделие с последующей активацией и плавлением кислородно-ацетиленовым пламенем, и последующим затем охлаждением полимерного слоя при комнатной температуре.
2
к
а
Повышение износостойкости и антифрикционности получаемых композиционных покрытий достигается за счет синергетического действия твердой основы МДО-покрытия, формируемого анодно-катодным методом при плотностях анодного и катодного токов 0,5-30 А/дм и соотношении между ними I/I=1.1-1.2, и более мягкого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, импрегнированного в поверхность МДО-покрытия и обладающего высокими антифрикционными свойствами (см. табл.1).
Таблица 1
Полимер
Плотность
Твердость
Износостойкость по кварцевому песку
Коэффициент трения
кг/м3
МПа
мин/мм<sup>3</sup>
СВМПЭ
934
40
18,40
0,08
СВМПЭ+MoS2
1150
55
31,60
-
ПЭНД (ПТР=0,3 г/10 мин)
950
55
10,50
0,10
ПЭВД
900
28
2,79
0,27
Полипропилен
850
51
2,08
0,35
Фторопласт-4
2130
38
6,36
0,05
Фторопласт-3
2160
130
5,46
-
Полистирол
1040
175
0,93
0,45
Полиметил-метакрилат
1170
181
1,30
0,55
Полиамидная смола
1080
109
12,90
0,22
Капролон
1130
180
3,38
0,23
Ниже приведены примеры выполнения образцов.
2
к
а
Пример №1. Образцы подготавливались следующим образом. Образцы типа «колодка», размером 10×10×10 мм, из алюминиевого сплава Д16 погружались в ванну со слабощелочным электролитом на основе KOH (2 г/л) с добавлением жидкого стекла (8 г/л) и гексаметафосфата натрия (2 г/л). Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 610-650 B на аноде и 190-290 B на катоде в течение 25 минут, при этом плотность тока не превышала 30 А/дм, соотношение токов I/I=1.1. После завершения процесса оксидирования образцы извлекали из ванны, промывали, сушили при комнатной температуре. Таким образом, в результате микродуговой обработки образцов толщина МДО-покрытий составила 60-70 мкм. Затем на обезжиренную поверхность образцов наносили сверхвысокомолекулярный полиэтилен в виде порошка шликерным способом. После чего образец помещался в предварительно разогретую печь до температуры 240-245°C. При достижении температуры плавления СВМПЭ равномерно растекался по поверхности, заполняя все поры и микронеровности. Образцы выдерживались в печи до полного расплавления и пленкообразования (спекания) полимерного слоя и затем выставлялись на воздух, где происходила полимеризация полимерного слоя при комнатной температуре. Толщина полимерного слоя составила 50-60 мкм.
2
к
а
Пример №2. Образцы подготавливались следующим образом. Образцы типа «колодка», размером 10×10×10 мм, из алюминиевого сплава АМг6 погружались в ванну со слабощелочным электролитом на основе KOH (2 г/л) с добавлением алюмината натрия (15 г/л). Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 470-500 В на аноде и 50-80 В на катоде в течение 60 минут, при этом плотность тока была 20 А/дм, соотношение токов I/I=1.2. После завершения процесса оксидирования образцы извлекали из ванны, промывали, сушили при комнатной температуре. Таким образом, в результате микродуговой обработки образцов толщина МДО-покрытий составила 90-100 мкм. Затем на обезжиренную поверхность образцов наносили сверхвысокомолекулярный полиэтилен в виде порошка шликерным способом. После чего образец помещался в предварительно разогретую печь до температуры 240-245°C. При достижении температуры плавления СВМПЭ равномерно растекался по поверхности, заполняя все поры и микронеровности. Образцы выдерживались в печи до полного расплавления и пленкообразования (спекания) полимерного слоя и затем выставлялись на воздух, где происходила полимеризация полимерного слоя при комнатной температуре. Толщина полимерного слоя составила 50-60 мкм.
2
к
а
Пример №3. Образцы подготавливались следующим образом. Образцы типа «колодка», размером 10×10×10 мм, из титанового сплава ВТ-3 погружались в ванну со слабощелочным электролитом на основе KOH (2 г/л) с добавлением жидкого стекла (2 г/л), гексаметафосфата натрия (2 г/л) и алюмината натрия (2 г/л). Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 500-560 В на аноде и 110-190 B на катоде в течение 60 минут, при этом плотность тока была 10 А/дм, соотношение токов I/I=1.1. После завершения процесса оксидирования образцы извлекали из ванны, промывали, сушили при комнатной температуре. Таким образом, в результате микродуговой обработки образцов толщина МДО-покрытий составила 80-90 мкм. Затем на обезжиренную поверхность образцов наносили сверхвысокомолекулярный полиэтилен путем предварительного нагрева поверхности образцов кислородно-ацетиленовым пламенем до температуры 300-320°C и пневматического распыления порошка СВМПЭ с одновременной активацией его кислородно-ацетиленовым пламенем. После этого окончательно оплавляли верхний слой полимера до пленкообразования (спекания) и охлаждали при комнатной температуре. Толщина полимерного слоя составила 70 мкм.
2
к
а
Пример №4. Образцы подготавливались следующим образом. Образцы типа «колодка», размером 10×10×10 мм, из алюминиевого сплава Д16 погружались в ванну со слабощелочным электролитом на основе KOH (2 г/л) с добавлением жидкого стекла (8 г/л) и гексаметафосфата натрия (2 г/л). Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 470-500 B на аноде и 50-80 B на катоде в течение 120 минут, при этом плотность тока составляла 5 А/дм, соотношение токов 1/1=1.2. После завершения процесса оксидирования образцы извлекали из ванны, промывали, сушили при комнатной температуре. Таким образом, в результате микродуговой обработки образцов толщина МДО-покрытий составила 80-90 мкм. Затем на обезжиренную поверхность образцов наносили сверхвысокомолекулярный полиэтилен в виде порошка методом плазменного напыления. Процесс плазменного напыления велся при следующих технологических характеристиках: напряжение дуги 20-25 B, ток 350 A, расход плазмообразущего газа (аргона) 20-25 л/мин, расход порошка 0,5-1,5 кг/ч, дистанция напыления 100-120 мм, диаметр пятна напыления 10 мм, скорость перемещения плазмотрона 2-5 мм/сек. Температура нагрева деталей при плазменном напылении не превышала 150-200°C. Слой СВМПЭ доводился до полного расплавления и пленкообразования (спекания) полимерного слоя, и затем образцы выставлялись на воздух, где происходила полимеризация полимерного слоя при комнатной температуре. Толщина полимерного слоя составила 60 мкм.
2
к
а
Пример №5. Образцы подготавливались следующим образом. Образцы типа «колодка», размером 10×10×10 мм, из алюминиевого сплава АМц погружались в ванну со слабощелочным электролитом на основе KOH (2 г/л) с добавлением жидкого стекла (8 г/л) и гексаметафосфата натрия (2 г/л). Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 470-500 B на аноде и 50-80 B на катоде в течение 220 минут, при этом плотность тока составляла 0,5 А/дм, соотношение токов I/I=1.2. После завершения процесса оксидирования образцы извлекали из ванны, промывали, сушили при комнатной температуре. Таким образом, в результате микродуговой обработки образцов толщина МДО-покрытий составила 80-90 мкм. Затем на обезжиренную поверхность образцов наносили сверхвысокомолекулярный полиэтилен в виде порошка методом плазменного напыления. Процесс плазменного напыления велся при следующих технологических характеристиках: напряжение дуги 20-25 B, ток 350 A, расход плазмообразущего газа (аргона) 20-25 л/мин, расход порошка 0,5-1,5 кг/ч, дистанция напыления 100-120 мм, диаметр пятна напыления 10 мм, скорость перемещения плазмотрона 2-5 мм/сек. Температура нагрева деталей при плазменном напылении не превышала 150-200°C. Слой СВМПЭ доводился до полного расплавления и пленкообразования (спекания) полимерного слоя, и затем образцы выставлялись на воздух, где происходила полимеризация полимерного слоя при комнатной температуре. Толщина полимерного слоя составила 50 мкм.
2
к
а
Пример №6. Образцы подготавливались следующим образом. Образцы типа «колодка», размером 10×10×10 мм, из титанового сплава ВТ-22 погружались в ванну со слабощелочным электролитом на основе KOH (2 г/л) с добавлением жидкого стекла (2 г/л), гексаметафосфата натрия (2 г/л) и алюмината натрия (2 г/л). Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 500-560 B на аноде и 110-190 B на катоде в течение 90 минут, при этом плотность тока была 10 А/дм, соотношение токов I/I=1.1. После завершения процесса оксидирования образцы извлекали из ванны, промывали, сушили при комнатной температуре. Таким образом, в результате микродуговой обработки образцов толщина МДО-покрытий составила 100-110 мкм. Затем на обезжиренную поверхность образцов наносили сверхвысокомолекулярный полиэтилен путем предварительного нагрева поверхности образцов кислородно-ацетиленовым пламенем до температуры 300-320°C и пневматического распыления порошка СВМПЭ с одновременной активацией его кислородно-ацетиленовым пламенем. После этого окончательно оплавляли верхний слой полимера до пленкообразования (спекания) и охлаждали при комнатной температуре. Толщина полимерного слоя составила 60 мкм.
Для сравнения были приготовлены также образцы композиционных покрытий по прототипу.
2
2
2
Все образцы испытывали на машине трения типа СМЦ-2 по схеме трения колодка-ролик в условиях однонаправленного скольжения в технической воде. Линейная скорость скольжения составляла 0,9 м/с (для роликов ⌀35 мм) и 1,3 м/с (для роликов ⌀50 мм) при первоначальной удельной нагрузке 20 кг/см с последующим (через 10000 об) увеличением ее до 50 кг/см для одного типа образцов и до 100 кг/см для другого типа. При испытании материалов на трение фиксировали момент трения и определяли коэффициент трения трущейся пары. В данном случае определяли коэффициент трения колодки, изготовленной по предлагаемой технологии, по контртелу (ролику) из стали 40X13, закаленной до HRC 45.
При исследовании антифрикционных свойств образцов фиксировали время начала испытаний, и через 10000 оборотов замеряли весовой износ при увеличении удельной нагрузки, при этом путь трения образца составлял 1099 м и 1578 м соответственно. Коэффициент трения записывался в течение всего времени эксперимента и затем рассчитывалось среднее значение.
В таблице 1 приведены данные для образцов с МДО-покрытием и с композиционным покрытием, полученным по предлагаемому методу (МДО с импрегнированным СВМПЭ), по коэффициенту трения, износу, в зависимости от удельной нагрузки.
2
2
2
2
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что применение дополнительной обработки (импрегнирование СВМПЭ) покрытия, сформированного методом анодно-катодного МДО, приводит к положительному эффекту: повышению износостойкости и улучшению антифрикционных свойств по сравнению с ненаполненным полимером МДО-покрытием. Снижение коэффициента трения при удельной нагрузке 20 кг/см составляет практически 70%, а при 50 кг/см - 45%. При удельной нагрузке 100 кг/см образцы, изготовленные по рекомендуемой технологии, показывали высокие результаты при относительно небольшой скорости изнашивания образца и контртела, в отличие от образцов с ненаполненным полимером МДО-покрытием. В некоторых случаях (см. пример 2 в табл.) особенно при высокой удельной нагрузке (100 кгс/см) это приводило к заеданию пары трения. Помимо этого все образцы, изготовленные по рекомендуемой технологии, сохраняли высокую износостойкость и прочностные характеристики. Существенны также отличия рассматриваемых параметров образцов от прототипа.
Как видно из таблицы 2, преимущества заявленного способа получения композиционных покрытий перед МДО-покрытием без импрегнирования, а также перед прототипом заключаются в повышении антифрикционных характеристик и износостойкости, что обеспечивает возможность использования изделий с такими композиционными покрытиями в различных тяжело нагруженных узлах трения.
Таблица 2
Поряд-ковый номер испыта-ния
Покрытие
Материал основы
Лин. скорость, м/с
Уд. нагрузка 20 кг/см<sup>2</sup>
Уд. нагрузка 50 кг/см<sup>2</sup>
Уд. нагрузка 100 кг/см<sup>2</sup>
f<sub>тр</sub>
Скорость изнашивания, г/ч
f<sub>тр</sub>
Скорость изнашивания, г/ч
f<sub>тр</sub>
Скорость изнашивания, г/ч
колодка
ролик
колодка
ролик
колодка
ролик
1
МДО
Д16
0,9
0,315
0,013
0,009
0,378
0,031
0,026
-
-
-
МДО+СВМПЭ
0,128
0,012
0,011
0,207
0,012
0,011
-
-
-
2
МДО
АМг6
0,9
0,232
0,078
0,009
-
-
-
нестабильное трение, заедание, большой износ ролика
МДО+СВМПЭ
0,074
0,023
0,011
-
-
-
0,244
0,017
0,002
3
МДО
ВТ-3
0,9
0,225
0,012
0,015
0,236
0,029
0,018
0,194
0,031
0,015
МДО+СВМПЭ
-
-
-
-
-
-
0,044
0,015
0,008
4
МДО
Д16
0,9
0,253
0,007
0,018
0,361
0,011
0,032
-
-
-
МДО+СВМПЭ
0,109
0,009
0,018
0,208
0,010
0,011
-
-
-
5
МДО
АМц
0,9
0,346
нет
0,017
0,325
0,006
0,005
-
-
-
МДО+СВМПЭ
0,106
0,027
0,004
0,094
0,031
0,021
-
-
-
6
МДО
ВТ-22
1,3
0,394
нет
0,046
0,482
0,023
0,073
-
-
-
МДО+СВМПЭ
0,028
0,006
0,009
0,183
0,002
0,035
-
-
-
7
Прототип
Д16
0,9
0,153
0,016
0,027
0,296
0,047
0,065
-
Катастр. износ
0,095