СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ ИЗ АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF ELECTROCHEMICAL PROCESSING OF PARTS FROM ALUMINIUM AND ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к области повышения прочностных характеристик алюминиевых сплавов за счет электрохимической обработки поверхности, а именно методом микродугового оксидирования (МДО). Алюминиевые сплавы широко применяются в качестве конструкционного материала для авиастроения. Для обеспечения коррозионной стойкости алюминиевые сплавы подвергают специальной электрохимической обработке с последующим нанесением лакокрасочных покрытий (ЛКП).
Традиционным методом нанесения защитных оксидных покрытий на алюминиевые сплавы, применяемым на промышленных заводах, является электрохимическое анодирование в сернокислом электролите, содержащем концентрированную серную кислоту 7-20%, остальное - вода. Анодирование проводят при постоянной температуре путем подъема напряжения до 20-40 В [1].
Оксидные анодные покрытия обладают высокой сопротивляемостью коррозии, адгезионной прочностью с ЛКП. При этом существенным недостатком данного метода является низкая сопротивляемость к усталостному износу.
Известен способ повышения усталостной долговечности алюминиевых сплавов наноструктурированием поверхностных слоев, который заключается в формировании наноструктурированного слоя за счет применения методов ультразвуковой ударной механической обработки [2]. Однако недостатком является то, что в результате ультразвуковой ударной обработки структура поверхностного слоя претерпевает существенные изменения, что в свою очередь приводит к изменению механических свойств, а именно снижению пластичности.
Также известен способ повышения усталостной долговечности, который заключается в поверхностной упрочняющей обработке стеклянными и стальными шариками, а также корундовым песком [3]. Недостатками данного способа является высокий расход корундового песка и шариков в связи с их разрушением и изменение размера в связи с поверхностным абразивным износом.
Наиболее близким по технической сущности [4] к предлагаемому изобретению является способ нанесения защитных покрытий на алюминий и его сплавы, включающий анодное оксидирование в растворе фосфорной кислоты - 150-400 г/л, серной кислоты 10-30 г/л, тетрабората натрия 5-10 г/л с последующей гомогенизирующей обработкой при напряжении 4-6 В в течение 4-6 минут и далее с применением двухступенчатого непрерывного режима оксидирования, где:
- первая ступень - напряжение 7-9 В, выдержка 8-10 минут;
- вторая ступень - напряжение 19-21 В, выдержка 15-20 минут.
После анодного оксидирования проводят уплотнение покрытия при температуре 95-100°С в растворе экстракта дубильного растительного 5-50 г/л, бензотриазол 0,0001-0,0005 г/л, однозамещенного фосфата натрия 0,02-2 г/л.
Недостатком данного способа нанесения защитных покрытий является использование в качестве электролита раствора кислот. Серная и фосфорная кислоты оказывают негативное влияние на организм человека, также утилизация невозможна без дополнительной нейтрализации.
Задачей данного изобретения является создание метода нанесения защитных покрытий на алюминий и его сплавы с целью получения оксидных пленок с повышенной усталостной долговечностью.
Для достижения этой цели предлагается способ нанесения оксидных покрытий методом МДО, отличающийся тем, что в качестве электролита используется раствор карбоната натрия, и процесс проходит при больших, чем при анодировании, значениях напряжения импульсного тока.
Технический результат заключается в повышении усталостной долговечности алюминиевых сплавов, повышении экологичности за счет применения при оксидировании водного раствора карбоната натрия, являющегося менее агрессивным, и сокращении подготовительных мероприятий промывки, осветления и травления.
Микродуговое оксидирование проводится в растворе электролита следующего состава:
- карбонат натрия: 10 г/л;
- дистиллированная вода: 1 л.
Температура раствора составляет 20°С.
Процесс оксидирования проходит непрерывно при следующем электрическом режиме МДО:
- первый этап - подъем напряжения импульсного тока до 250 В в течение 5 минут;
- второй этап - выдержка при максимальном значении напряжения импульсного тока 250 В в течение 15 минут.
Пример осуществления способа
Были изготовлены образцы алюминиевого сплава по форме балки равного сопротивления нагрузки с габаритными размерами: толщина 2 мм, ширина 30 мм, длина 100 мм. Образец прикрепляется к токопроводящему элементу с помощью зажима. Затем образец погружается в ванну, изготовленную из нержавеющей стали, заполненную раствором электролита. Токопроводящий элемент присоединяется к положительному полюсу источника питания, ванна - к отрицательному. Далее включается источник питания и по заданному режиму осуществляется микродуговое оксидирование путем подачи напряжения импульсного тока. При этом под величиной напряжения импульсного тока понимается величина напряжения анодного тока. Период импульсов напряжения анодного тока составлял 3 мс, а длительность импульсов изменялась в процессе оксидирования от 0,1 мс до 2,5 мс.
В результате на поверхности алюминиевого сплава образуется оксидное покрытие серого цвета.
max
max
max
2
Усталостные характеристики определялись по методу консольного изгиба при симметричном цикле испытания. Максимальное напряжение цикла составляло σ=156 МПа при частоте испытаний 29 Гц. В результате испытаний образцов была получена усталостная долговечность N=87000 циклов при σ=156 МПа, что является более высоким показателем малоцикловой усталости, представленной в способе прототипе (N=49000 при σ=18 кгс/мм (156 МПа)) [4].
Предлагаемый способ отличается от приведенного в [4] способа прототипа тем, что электролит состоит из водного раствора карбоната натрия, являющегося менее агрессивным и более экологичным, что позволяет не использовать специальные очистные сооружения для утилизации электролита или сильную щелочь для нейтрализации серной и фосфорной кислот. При этом вместо непрырывного двухступенчатого анодного оксидирования проводится микродуговое оксидирование в два этапа. На первом этапе осуществляется подъем напряжения импульсного тока до 250 В в течение 5 минут, на втором этапе - выдержка при максимальном значении напряжения импульсного тока 250 В в течение 15 минут. Кроме того, увеличение подаваемого на образец напряжения избавляет от необходимости в специальной подготовке детали, такой как промывка, осветление, травление. При этом нанесение оксидных покрытий предлагаемым способом приводит к повышению усталостной долговечности образцов.
Данное изобретение может найти применение в авиационной, автомобильной промышленности для изготовления корпусных изделий, работающих в условиях циклических нагрузок.
Источники информации
1. Верник С., Пиннер Р. Химическая и электролитическая обработка алюминия и его сплавов // Судпромгиз. - 1960. - С. 134-135.
2. Почивалов Ю.И., Панин В.Е., Острижная А.С. Влияние наноструктурирования поверхностных слоев на усталостную долговечность конструкционных материалов и их сварных соединений [Электронный ресурс: www.imach.uran.ru/conf/mp2014/Doklad/d88.doc] // VIII Российская научно-техническая конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций».
3. Клевцов Г.В., Фролова О.А., Клевцова Н.А. Влияние поверхностной обработки на усталостную прочность и механизм разрушения литейных алюминиевых сплавов // Успехи современного естествознания. - 2005. - №7 - С. 60-63.
4. Патент RU 2186159, опубликовано 27.07.2002.