СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА АЛЮМИНИИ И ЕГО СПЛАВАХ
PROCEDURE FOR APPLICATION OF WEAR RESISTANT COATING ON ALUMINIUM AND ITS ALLOYS

Изобретение относится к области формирования защитных износо- и коррозионно-стойких покрытий на деталях из алюминия и его сплавов или деталях с покрытием из алюминия и его сплавов.
2
Известен способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры для газовых и жидких потоков, включающий формирование слоя алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава и микродуговое оксидирование, при этом после формирования слоя его механически обрабатывают до восстановления геометрии поверхности, причем слой формируют со сквозной пористостью не более 8%, с размером пор не более 1 мкм, а микродуговое оксидирование ведут в слабощелочном электролите, содержащем 3 г/л КОН и 10 г/л жидкого стекла, при плотности тока 10-15 А/дм и температуре электролита 40-60°С до получения слоя оксида алюминия толщиной 100-250 мкм (RU №2199613, кл. C25D 11/06, 2003).
Однако механическая обработка полученного керамического слоя до восстановления геометрии поверхности из-за его высокой твердости требует больших затрат времени, электроэнергии и инструментального материала.
2
Прототипом является способ получения износостойкого покрытия на алюминии и его сплавах путем их анодирования в растворе силиката или алюмината щелочного металла при переменном токе плотностью 5-150 А/дм. При этом процесс анодирования ведут в две стадии, на первой - раствор алюмината или силиката щелочного металла концентрацией 20-150 г/л соединяют с кремнефтористым натрием концентрацией 2-20 г/л и выдерживают в нем деталь в течение 20-40 мин, а на второй стадии - деталь помещают в щелочной раствор силиката или алюмината с концентрацией 2-10 г/л и концентрацией щелочи 0,5-4,0 г/л и выдерживают в нем 1,5-2 ч (RU №2039133, кл. C25D 11/02, 1995).
Недостатком прототипа является получение очень грубой поверхности обрабатываемых деталей. Верхний слой композиционного керамического покрытия также склонен к саморазрушению из-за его высокой пористости. Это существенно ограничивает их область применения и снижает износоустойчивость деталей. Данный способ может быть использован для упрочнения поверхности шкивов ременных передач прядильных и ткацких станков, где не предъявляются высокие требования к шероховатости поверхности деталей узлов трения и других аналогичных случаях.
Задачей изобретения является расширение области применения способа получения износостойкого покрытия на алюминии и его сплавах и повышение износоустойчивости деталей.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости, надежности и долговечности покрытия с одновременной интенсификацией процесса получения керамического слоя покрытия с заданной шероховатостью.
2
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе получения износостойкого покрытия на алюминии и его сплавах, включающем анодирование в две стадии в растворе силиката или алюмината щелочного металла при переменном токе плотностью 5-150 А/дм, где на первой стадии используют раствор алюмината или силиката 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, согласно изобретению после анодирования покрытие обрабатывают 50-65% раствором плавиковой кислоты при температуре 30-60°С в течение 5-30 минут с последующим промыванием его в воде и механической обработкой.
Обработка анодированных деталей 50-65% раствором плавиковой кислоты обеспечивает разрушение силикатов, из которых преимущественно состоит верхний слой керамического покрытия, и уменьшение толщины стенок, разделяющих его поры, при этом при процентном соотношении плавиковой кислоты меньше 50% произойдет травление и, соответственно, уменьшение прочности только наружной части технологического слоя покрытия, полученного на первой стадии микродугового оксидирования, что не приведет к интенсификации процесса получения керамического слоя покрытия с заданной шероховатостью. При повышении концентрации плавиковой кислоты выше 65% происходит растворение силикатов не только в верхнем слое, но и в основном высокотвердом поликристаллическом слое покрытия, тем самым, ослабляя его.
При выдержке в растворе плавиковой кислоты менее 5 минут произойдет травление и, соответственно, уменьшение прочности также только наружной части технологического слоя покрытия. В случае повышения времени выдержки более 30 минут плавиковая кислота проникает в поры основного высокотвердого поликристаллического слоя покрытия и по ним достигает практически материала подложки, вызывает травление силикатов, которые в небольшом количестве также в нем содержатся, тем самым, способствуя его отслаиванию и растрескиванию при последующей механической обработке, что в конечном итоге приводит к разрушению керамического слоя.
Экспериментально установлено, что при температуре менее 30°С химическая реакция травления идет медленно, основная часть силикатов остается не разрушенной, ее необходимо удалить, и, соответственно, снижение энергоемкости, материалоемкости, времени последующей механической обработки при этом незначительно. В случае повышения температуре более 60°С плавиковая кислота вызывает интенсивное травление силикатов во всем керамическом слое, тем самым вызывая его отслаивание и растрескивание при последующей механической обработке, что в конечном итоге приводит к разрушению керамического слоя.
Промывка водой осуществляется для удаления остатков плавиковой кислоты с поверхности детали и остановки процесса травления.
Механическая обработка поверхности детали производится на шлифовальном оборудовании для достижения заданной шероховатости поверхности. В качестве инструмента могут быть использованы абразивные бруски, круги на основе электрокорунда.
Способ получения износостойкого покрытия на алюминии и его сплавах иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Нанесение покрытия на образец из дюралюминия Д16 осуществляли из ванны с электролитом следующего состава (г/л) на 1-й стадии:
Силикат натрия - 20 г/л
Кремнефтористый натрий - 2 г/л
Вода до 1 л
2
при последовательном чередовании положительных и отрицательных импульсов напряжения с частотой 50 Гц. Плотность тока 5 А/дм. Процесс вели в течение 20 мин.
На 2-й стадии нанесение покрытия осуществляли в следующем составе:
Едкий натрий - 0,5 г/л
Жидкое стекло - 2 г/л
Вода до 1 л
2
2
3
при использовании переменного напряжения. Плотность тока 5 А/дм. Процесс вели 1,5 ч. Затем деталь помещали в 50% раствор плавиковой кислоты при температуре 30°С на 5 минут. После этого проводили абразивную обработку детали площадью 20 см. Для достижения шероховатости поверхности Ra 0,8-1,6 потребовалось 1 минута, расход абразивного материала при этом составил 4 см.
Одновременно осуществляли нанесение покрытия на образец из дюрали Д16 в ванне с электролитом следующего состава:
Едкий натрий - 0,5 г/л
Жидкое стекло - 2 г/л
Вода до 1 л
2
2
3
при использовании переменного тока. Плотность тока 5 А/дм. Процесс вели 4,5 ч. После этого проводили абразивную обработку детали площадью 20 см. Для достижения шероховатости поверхности Ra 0,8-1,6 потребовалось 25 минут, расход абразивного материала при этом составлял 35 см.
Пример 2
Нанесение покрытия на образец из дюралюминия Д16 осуществляли из ванны с электролитом следующего состава (г/л) на 1-й стадии:
Силикат натрия - 100 г/л
Кремнефтористый натрий - 10 г/л
Вода до 1 л
2
при последовательном чередовании положительных и отрицательных импульсов напряжения с частотой 50 Гц. Плотность тока 80 А/дм. Процесс вели в течение 40 мин.
На 2-й стадии нанесение покрытия осуществляли в следующем составе:
Едкий калий - 4 г/л
Жидкое стекло - 10 г/л
Вода до 1 л
2
2
3
при использовании переменного напряжения. Плотность тока 80 А/дм. Процесс вели 2 ч. Затем деталь помещали в 65% раствор плавиковой кислоты при температуре 60°С на 30 минут. После этого проводили абразивную обработку детали площадью 20 см. Для достижения шероховатости поверхности Ra 0,8-1,6 потребовалось 2 минуты, расход абразивного материала при этом составлял 6 см.
Одновременно осуществляли нанесение покрытия на образец из дюрали Д16 в ванне с электролитом следующего состава:
Едкий натрий - 4 г/л
Жидкое стекло - 10 г/л
Вода до 1 л
2
2
3
при использовании переменного тока. Плотность тока 80 А/дм. Процесс вели 4,5 ч. После этого проводили абразивную обработку детали площадью 20 см. Для достижения шероховатости поверхности Ra 0,8-1,6 потребовалось 50 минут, расход абразивного материала при этом составил 72 см.
Пример 3
Нанесение покрытия на образец из дюралюминия Д16 осуществляли из ванны с электролитом следующего состава (г/л) на 1-й стадии:
Силикат натрия - 60 г/л
Кремнефтористый натрий - 6 г/л
Вода до 1 л
2
при последовательном чередовании положительных и отрицательных импульсов напряжения с частотой 50 Гц. Плотность тока 40 А/дм. Процесс вели в течение 30 мин.
На 2-й стадии нанесение покрытия осуществляли в следующем составе:
Едкий натрий - 1 г/л
Жидкое стекло - 6 г/л
Вода до 1 л
2
при использовании переменного напряжения. Плотность тока 40 А/дм. Процесс вели 1,75 ч.
2
3
Затем деталь помещали в 60% раствор плавиковой кислоты при температуре 45°С на 15 минут. После этого проводили абразивную обработку детали площадью 20 см. Для достижения шероховатости поверхности Ra 0,8-1,6 потребовалось 1,5 минуты, расход абразивного материала при этом составил 5 см. Одновременно осуществлялось нанесение покрытия на образец из дюрали Д16 в ванне с электролитом следующего состава:
Едкий натрий - 1 г/л
Жидкое стекло - 6 г/л
Вода до 1 л
2
2
3
при использовании переменного тока. Плотность тока 40 А/дм. Процесс вели 4,5 ч. После этого проводили абразивную обработку детали площадью 20 см. Для достижения шероховатости поверхности Ra 0,8-1,6 потребовалось 37 минут, расход абразивного материала при этом составил 58 см.
2
2
3
Полученные детали, изготовленные по предлагаемому и известному способам, были испытаны на износ. Исследования показали, что интенсивность износа полученного упрочненного слоя по предлагаемому способу в паре с керамикой состава BaO-SiO-AlO составила 5-6 мкм/м. Интенсивность износа слоя, полученного по известному способу, - 8-10 мкм/м. Сравнительный анализ предлагаемого и известного способов показывает, что время обработки, расход электроэнергии сокращается в 2-2,5 раза, износ абразивного инструмента в 8-10 раз.