ТОНКОСЛОЙНОЕ КЕРАМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ, ПОВЕРХНОСТЬ ТРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОСЛОЙНОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
THIN-LAYER CERAMIC COATING, METHOD OF MAKING SAME, FRICTION SURFACE BASED ON THIN-LAYER CERAMIC COATING AND METHOD OF MAKING SAME

Изобретение относится к области металловедения, касающейся тонкослойных керамических покрытий на основе их нанесения электролитическим методом, а более конкретно к получению на поверхности черных и цветных металлов износостойких покрытий методом микродугового оксидирования, и может быть использовано в машиностроении, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Из существующего уровня техники известен способ получения тонкослойного керамического покрытия, заключающийся в том, что в электролит в виде водного раствора щелочи с добавлением силиката щелочного металла погружают обрабатываемый материал, являющийся одним электродом, и второй электрод, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование с определенными параметрами тока и в течение определенного времени с получением тонкослойного керамического покрытия с заданными параметрами (см. авторское свидетельство СССР №1200591, МПК С25D 11/02, 1989 г.).
6
Кроме того, известно тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения по патенту Российской Федерации №2086713, МПК C25D 11/02, 15/00, 1995 г.
2
3
2
3
2
3
2
Тонкослойное керамическое покрытие в данном аналоге характеризуется наличием кристаллов альфа-АlО, имеющих нитевидную форму и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-АlО и муллита 3АlО·2SiO.
2
2
3
Способ получения тонкослойного керамического покрытия в данном аналоге характеризуется тем, что в электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1-6 г/л с добавлением жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO и АlО дисперсностью 1-10 мкм, в концентрации 0,5-2,0 г/л погружают обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 4-10%, являющийся одним электродом, и второй электрод из электролитически нерастворимого металла, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование в анодно-катодном режиме в течение определенного времени.
Известно также техническое решение, касающееся поверхности трения и способа ее получения из источника В.М.Грошева и др. Синтетический муллит и материалы на его основе. - Киев, Техника, 1971 г.
2
3
2
3
2
3
2
Поверхность трения в данном техническом решении на основе тонкослойного керамического покрытия характеризуется наличием кристаллов альфа-АlО, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-АlО и муллита 3АlО·2SiO и выходящих непосредственно на поверхность трения и образующих ее.
2
3
2
3
2
3
2
Способ получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-АlО, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-АlО и муллита 3АlО·2SiO, заключается в том, что поверхность трения обрабатывают с использованием абразива до получения заданных износостойких характеристик.
7
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения и тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, полученное данным способом по патенту РФ №2165484, МПК С25D 11/02, 2000 г.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
2
2
3
Данное техническое решение характеризуется тем, что нитевидные кристаллы альфа-АlО состоят из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетаются между собой и расплетаются с образованием на участках переплетения жгутов, формируя, таким образом, в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-АlО; описан способ получения тонкослойного керамического покрытия; поверхность трения на основе данного покрытия характеризуется тем, что она образована свободными концами нитевидных кристаллов альфа-АlО, выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-АlО и муллита 3АlО·2SiO, образующей подложку поверхности трения, противоположные концы которых расположены в мелкокристаллической матрице, причем, свободные концы нитевидных кристаллов альфа-АlО размещены по поверхности трения с образованием псевдовязкого слоя по поверхности, исключающего контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой; описан способ получения таковой поверхности трения.
Получению требуемого технического результата в известных способах получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения и тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения, полученным данным способом препятствует, для способа, недостаточная эффективность достигаемой степени регулирования анодно-катодного режима, особенностью которого является наличие двух типов разрядов, возникающих, как при положительной, так и при отрицательной полярности импульсов напряжения, а также из-за выбранных параметров и процентного соотношения определенных химических веществ, как в составе оксидируемого металла, так и в составе электролита, а для поверхности трения препятствует низкая критическая нагрузка растрескивания под действием ударных нагрузок. Подобным же образом термическая стойкость керамики, армированной нитевидными кристаллами, намного выше термической стойкости неармированной.
Износостойкость в результате трения анализируемых поверхностей трения также недостаточна.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение для всех его объектов - это получение материала с высокой несущей способностью в паре трения с покрытием на основе тонкослойной керамики на поверхности оксидируемого материала, образующим поверхность трения.
Технический результат, получаемый от использования данного изобретения во всех его объектах - это повышение несущей способности тонкослойного керамического покрытия и поверхности трения на его основе, за счет повышения демпфирования механического воздействия на ее поверхность в парах трения, образованных на ее основе.
2
2
3
2
3
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому объекту изобретения тем, что в способе получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения, включающий микродуговое оксидирование детали, содержащей алюминий, и включающей медь в количестве 3,5-10% с использованием катода из электролитически нерастворимого металла в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Iс/Iа=1,0-1,15 в течение 90-240 мин последовательно в двух электролитах, при этом первый электролит представляет собой водный раствора щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением 2-5 г/л жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO и АlО в соотношении 70% и 30%, соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л, а второй электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 1-3 г/л с добавлением 1-3 г/л жидкого стекла, а микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30-50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных кристаллов альфа-АlО.
2
3
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму объекту изобретения тем, что тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, полученное способом по первому объекту изобретения, состоит из нитевидных кристаллов альфа-АlО, имеющих продольные трещины с поперечным размером ~ 1 нм и более с возможностью впитывания смазки и характеризующихся способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов.
Изобретение по первым двум объектам иллюстрируется следующим образом.
Обрабатываемую деталь, содержащую алюминий и включающую медь в количестве 3,5-10%, и являющуюся одним электродом, подключенным к источнику питания, оксидируют с использованием катода из электролитически нерастворимого металла, также подключенного к источнику питания.
Катод из электролитически нерастворимого металла может быть выполнен, например, в частности, из никеля; также для изготовления электролитически нерастворимого катода может быть применена ограниченно нержавеющая сталь с высоким содержанием хрома и никеля типа Х18Н9.
Обработку поверхности детали из указанной металлической композиции, содержащей алюминий, ведут в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Iс/Iа=1,0-1,15, напряжении 350-400 В переменного тока и в течение 90-240 мин.
Обработку проводят последовательно в двух электролитах.
2
2
3
В качестве первого электролита используют электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением 2-5 г/л жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO и АlО в соотношении 70% и 30% соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л.
Второй электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 1-3 г/л с добавлением 1-3 г/л жидкого стекла,
2
3
При этом микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30-50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных кристаллов альфа-АlО.
2
Постоянный режим тока нанесения покрытия при выбранном режиме микродугового оксидирования составляет от 5 до 20 А/дм обрабатываемой детали, при этом отношение анодного и катодного токов промышленной частоты 50 или 60 Гц поддерживается в соотношении Iс/Iа=1,0-1,15 в течение 90-240 мин.
Время пульсации одного импульса составляет 5-10% от времени протекания заданного режима тока с интервалом между пульсациями в 1-3 мин.
Периодичность пульсаций анодного и катодного тока составляет 1-3 мин.
2
3
Поверхность обрабатываемого металла в процессе электролитической обработки модифицируется за счет образования тонкослойной окисной керамики, являющейся продуктом высокотемпературных химических превращений, происходящих в очагах микродуговых или дуговых электрических разрядов с возможностью получения при данном режиме нанесения покрытия и формирования нитевидных кристаллов альфа-АlО с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.
2
3
Создаваемые условия обеспечивают перемещение микродуги по поверхности упрочняемого материала, где на границе расплавленной области в зоне дуги происходит высокоскоростная кристаллизация, приводящая к мелкокристаллической структуре. В области воздействия микродуги происходит рост кристаллов, которые под воздействием внутренних напряжений и изменяющихся термических полей образуют нитевидные кристаллы альфа-АlО, составляющие основу слоя.
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
На обработанной поверхности содержащего алюминий металла образуется упрочненный износостойкий слой, представляющий собой композит на основе твердых фаз, содержащий альфа-АlО, гамма-АlО и муллит 3АlO·2SiO. По крайней мере часть кристаллов или все кристаллы альфа-фазы АlО имеют нитевидную форму и, под действием процесса оксидирования с заявленными параметрами участвующих компонентов образуют пространственную сетку из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетаются между собой и расплетаются с образованием на участках переплетения жгутов, формируя, таким образом, в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-АlО.
2
3
Указанные условия проведения процесса микродугового оксидирования обеспечивают возможность получения нитевидных кристаллов альфа-АlО с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.
2
3
Исследования основной зоны полученного упрочненного слоя показали, что преобладает анизотропная фаза альфа-АlО в виде нитевидных кристаллов длинной 3-5 мкм с отношением длины к толщине более 20 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, как было отмечено выше, приводящих при механическом воздействии к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.
2
3
При обработке содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве <3,5%, требуемая для повышения несущей способности пар трения пространственная структура поверхностного слоя с преобладанием анизотропной фазы альфа-АlО, в виде нитевидных кристаллов длинной 3-5 мкм с отношением длины к толщине более 20 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов не образуется.
Содержание меди в количестве >10% приводит к осложнениям поддержания анодно-катодного режима обработки.
2
2
3
Содержание в электролите добавки в виде порошка из 70% SiO и 30% АlО в количестве <0,5 г/л не дает возможности получить требуемые параметры упрочненного слоя.
Содержание же той же добавки в количестве >2,0 г/л вызывает активное горение электрической дуги и образование прожогов упрочненного слоя.
2
3
2
3
2
3
2
Полученная, как указано выше - с описанными параметрами и заявленным способом, тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения состоит из кристаллов альфа-АlО, имеющих нитевидную форму с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, в виде трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-АlО и муллита 3AlO·2SiO и образующих, таким образом, наноструктуру в виде частично расслоенных нитевидных кристаллов, способных в силу размера трещин ~ 1 нм и более при смазке низковязкими жидкостями за счет осмотических сил формировать псевдовязкий слой по поверхности трения, демпфирующий механический контакт непосредственно с их подложкой в паре поверхностей трения.
Тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения получено с возможностью впитывания им смазки и характеризуется способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов.
Структура поверхности трения получена за счет реализации определенного механического способа ее получения. В качестве конкретного примера реализации способа получения тонкослойного керамического покрытия с поверхностью трения можно привести следующий.
2
3
2
3
2
3
2
Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из кристаллов альфа-АlО, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-АlО и муллита 3АlO·2SiO, получают на поверхности конкретной детали, предназначенной для использования, например, в парах трения между собой или с подобными деталями, имеющими упрочненную поверхность трения. При этом заведомо знают прочностные характеристики этого покрытия. Далее выбирают абразив, прочность которого специально подбирают.
Термин «прочность» для взаимной характеристики абразива и обрабатываемой с его помощью поверхности выбран исходя из следующих его трактовок.
«Прочность» от слова «прочный» - с трудом поддающийся разрушению, …, крепкий …» (см. С.И.Ожегов, Н.Ю.Шведова. Толковый словарь русского языка. - М., 1999 г., стр.627).
Кроме того, «прочность» - свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия» (см. Политехнический словарь. Под редакцией А.Ю.Ишлинского, М., 1998 г., стр.425). Различают прочность, в частности техническую, конструкционную, динамическую и т.п.
2
3
Таким образом, термин «прочность» выбран заявителем в прямом значении по отношению к обрабатываемой поверхности, однако использован в сочетании с абразивом, т.к. подбирают именно абразив с определенной прочностью при заведомо известной прочности тонкослойного керамического покрытия и прочности нитевидных кристаллов альфа-АlО.
Итак, подбирают абразив определенной прочности. Далее с помощью выбранного абразива начинают обрабатывать поверхности детали, на которые уже нанесено тонкослойное керамическое покрытие. Обработку ведут до получения заданных несущих характеристик.
2
3
2
3
2
2
3
2
3
Прочность выбранного абразива, которым обрабатывают тонкослойное керамическое покрытие детали, должна быть всегда выше прочности подложки поверхности трения, образованной мелкокристаллической матрицей гамма-АlО и муллита 3АlO·2SiO и прочности нитевидных кристаллов альфа-АlО в поперечном направлении, но ниже прочности нитевидных кристаллов альфа-АlО в продольном направлении.
2
3
Обработку могут вести ступенчато с использованием нескольких абразивов, прочность которых повышается от операции к операции, или с использованием одного абразива с прочностью, заведомо обеспечивающей получение поверхности трения с заданными характеристиками. Но всегда должно выполняться одно условие - прочность абразива всегда должна быть выше прочности подложки поверхности трения и прочности нитевидных кристаллов альфа-АlО в поперечном направлении.
2
3
Обработку поверхности детали ведут, периодически контролируя качество получаемой поверхности трения с использованием имеющихся средств контроля. Обработку продолжают до момента, когда с помощью имеющихся средств контроля состояния поверхности определяют достаточность высвобождения нитевидных кристаллов альфа-АlО из взаимосвязи их с подложкой с образованием наноструктуры в виде частично расслоенных нитевидных кристаллов.
2
3
Обработав поверхность детали таким образом, получают на обработанной поверхности трения при смазке низковязкими жидкостями псевдовязкий слой, образованный высвобожденными в результате обработки абразивом свободными частями расслоенных нитевидных кристаллов альфа-АlО, способных в силу размера трещин ~ 1 нм и более впитывать и удерживать за счет осмотических сил низковязкую смазку.
В качестве основного вида смазки в данном случае может быть использована вода или же иная жидкость с аналогичной низкой вязкостью, например керосин. Смазка может содержать высокодисперсные твердые порошки, например графит, в различных пропорциях.
2
3
Свободные части расслоенных нитевидных кристаллов альфа-АlО после обработки поверхности детали распределены по всей поверхности трения на обработанной детали, что исключает механический контакт и износ подложек в паре поверхностей трения.
Таким образом, заявленное изобретение во всех его объектах позволяет в комплексе решить вопрос как непосредственно с получением тонкослойного керамического покрытия, так и с возможностью его прикладного использования непосредственно в парах трения машин и механизмов.