Износостойкость и защитные свойства композиционных покрытий, полученных микродуговым оксидированием

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 514.13

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ

© 2012 г. Ж.И. Беспалова, И.Н. Паненко, А.В. Большенко, А.В. Бородай

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Исследовано влияние включений фторопласта и коллоидного графита в состав оксидно-керамических покрытий на их износостойкость и защитные свойства. Показано, что в результате их соосаждения с покрытием коррозионно-защитные свойства и износостойкость основы возрастают.

Ключевые слова: микродуговое оксидирование; покрытия; суспензия фторопласта; коллоидный графит; зашитые свойства; износостойкость.

In this study the influence of including of particles of colloidal graphite and PTFE in the composition of oxide-ceramic coatings on their durability and protective properties is investigated. It is shown that in the result of coprecipitation with Teflon-coated corrosion-protective properties of the foundation have increased in ten and three times the durability, the inclusion of colloidal graphite in the composition of the oxide-ceramic coating has a negligible impact.

Keywords: micro arc oxidation; coatings; PTFE suspension; colloidal graphite; protective properties; wear resistance.

Введение

Метод микродугового оксидирования (МДО) ввиду своих специфических особенностей, простоты оснащения и технологичности является перспективным для формирования на вентильных металлах ке-рамикоподобных оксидных структур различного состава [1]. При пропускании тока большой плотности через границу раздела металл - электролит создаются условия, когда на поверхности металла возникают микроплазменные разряды. В результате чего формируется слой покрытия (Пк), состоящий из окисленных форм элементов металла основы и составляющих электролита. Полученное многофункциональное Пк обладает уникальным комплексом физико-механических свойств, что дает возможность в гораздо большей степени увеличить износостойкость, химическую инертность и микротвердость основы по сравнению с традиционным оксидированием.

В настоящее время технология микродугового оксидирования находится на стадии становления и представляет собой один из наиболее эффективных способов получения высокоизносостойких и коррозионно-стойких Пк на алюминиевых сплавах.

Целью данной работы являлось повышение кор-розионно- и износостойких свойств алюминиевого сплава Д16 за счет соосаждения фторопласта и коллоидного графита с МДО-покрытием в процессе его формирования без дополнительного уплотнения.

Экспериментальная часть

Процесс микродугового оксидирования осуществляли на установке, которая состояла из технологического источника тока, представляющего собой реверсивный тиристорный преобразователь напряжения [2], позволяющий формировать биполярные импульсы напряжения (тока) с заданной длительностью и амплитудой.

Оксидирование проводили в ванне, изготовленной из нержавеющей стали и имеющей водоохлаждаю-щую рубашку для поддержания постоянной температуры. В этом случае ванна выполняла роль противо-электрода. Перемешивание электролита осуществляли с помощью магнитной мешалки.

Проведенные исследования позволили разработать состав электролита, состоящий из трех растворов, в которых последовательно осуществляли МДО-процесс. При ступенчатом последовательном оксидировании в каждом растворе процессы формирования оксидного слоя протекают наиболее интенсивно, что обусловлено относительно свободным доступом кислорода к поверхности материала основы в течение первых 10 мин процесса. За этот промежуток времени формируется очень тонкая оксидная пленка, приводящая затем к интенсификации искровых разрядов. При получении МДО-покрытий использовали асимметричный импульсный ток с длительностью анодных пачек импульсов 50 мс и катодных пачек 40 мс, пау-

зами между ними 10 мс при соотношении анодного и катодного токов, равным 1,1: 0,9 А. Время оксидирования в каждом растворе составляло 10 мин, а общее время оксидирования - 30 мин. Каждый раствор содержал гидроксид, метасиликат и тетраборат натрия в порядке возрастания в них щелочности и концентрации солей. В растворы добавляли водные суспензии фторопласта Ф-4Д или Ф-4МД, активный (углерод технический К-354), и инертный (коллоидный) графит. Введение этих компонентов в состав электролита преследовало цель упрочнения Пк и увеличения его износо- и коррозионной стойкости.

Известно [3], что Пк с частицами фторопласта обладают высокой химической инертностью в отношении сильных кислот, щелочей и органических растворителей, имеют достаточную механическую прочность. Структура таких Пк такова, что расходуемая антифрикционная пленка постоянно пополняется поступающим в зону трения смазывающим материалом, который содержится в порах Пк. Активный и инертный углерод, находящийся в составе электролита, будет увеличивать износо- и коррозионную стойкость за счет образования карбидов алюминия и кремния в поверхностных слоях Пк.

Коррозионные испытания были основаны на фиксировании потери массы и изменении внешнего вида Пк в коррозионной среде [4] и использовании капельного метода. Перед коррозионными испытаниями Пк термообрабатывали в атмосфере кислорода при 370 °С. Сопротивление механическому износу оценивали по величине коэффициента кинетического трения /. Коэффициент сухого трения и со смазкой МС 20 определяли на торцевой машине трения для обратного по-

крытия - сталь 45 нормализованная. Нагрузка составляла 0,8 МПа, время испытания 60 с при скорости скольжения 0,13 мт-1, передаточное число системы нагружения U = 21. Состав, толщину и морфологию Пк исследовали с помощью сканирующего микроскопа QUANTA 200. Для определения микротвердости Пк использовали микротвердомер ПМТ-3.

Результаты и их обсуждение

Рентгеноспектральный микроанализ (таблица) и электронно-микроскопические снимки поверхности Пк (рис. 1) подтвердили факт соосаждения фторопласта и коллоидного графита с МДО-покрытием. Углерод технический с МДО-покрытием осаждается плохо. Как видно из рис. 1, поверхность Пк, не содержащая фторопласт и коллоидный графит, построена из отдельных оплавленных фрагментов, на вершинах или склонах которых расположены поры, являющиеся устьями каналов пробоя. Содержание углерода и фторопласта после термообработки в покрытиях составляет соответственно 10,63 и 11,65 % по массе. Количество фторопласта в неподвергавшихся термообработке Пк - 16,26 % по массе. Фторопласт и коллоидный графит, соосажденные с оксидом, концентрируются вокруг каналов пробоя, поэтому на поверхности Пк не видно оплавленных фрагментов и пор. Они заполнены частицами фторопласта или коллоидного графита. Пк гидрофобны, краевой угол смачивания составляет 121°. Коррозионно-защитные свойства основы при наличии в составе Пк фторопласта возросли в 10 - 15 раз при его толщине 20 мкм по сравнению с теми Пк, в которых фторопласт отсутствовал, а при наличии коллоидного графита в 3 - 4 раза.

а б в

Рис. 1. Электронно - микроскопические снимки поверхности МДО-покрытий, ненаполненных

Данные рентгеноспектрального микроанализа

Элемент МДО - покрытия, не содержащие фторопласта и коллоидного графита МДО - покрытия, соосажденные с

коллоидным графитом фторопластом

% масс. % ат. % масс. % ат. % масс. % ат.

Кислород 47,90 61,10 47,17 54,92 28,23 42,08

Алюминий 34,91 26,41 22,30 15,39 54,14 47,87

Кремний 17,19 12,49 19,90 13,20 5,98 5,07

Углерод - - 10,63 16,48 - -

Фтор - - 11,65 4,98

Причем частицы, заполняющие поры Пк, и его само покрытие имеют наноразмеры, лежащие в интервале 200 - 500 нм, что несомненно способствует увеличению защитных свойств Пк. Наличие в составе МДО-покрытий коллоидного графита и фторопласта оказывает существенное влияние на их износостойкость и снижает коэффициент трения (рис. 2).

/ 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1

2

3

4 N

Рис. 2. Коэффициент трения для МДО-покрытий: 1 - МДО-покрытие; 2, 3, 4 - МДО - покрытие, соосажденное соответственно с фторопластом (2), коллоидным графитом (3) и техническим углеродом (4) со смазкой (а) и без смазки (б).

N - номер образца

Кинетический коэффициент трения МДО-покрытий, соосажденных с фторопластом, составил 0,069 без смазки и со смазкой 0,021. В то время как для МДО-покрытий эти величины соответственно равны 0,161 и 0,064. Износостойкость Пк возросла в 3 раза.

Наличие коллоидного графита в МДО-покрытии оказывает слабое влияние на кинетический коэффициент трения без смазки и уменьшает в 1,5 раз со

смазкой. Наличие технического углерода в МДО-покрытии незначительно увеличивает его износостойкость. Микротвердость разработанных Пк составляет 25 - 30 ГПа. Высокая микротвердость Пк объясняется тем, что рабочий слой Пк состоит в основном из корунда (a-Al2O3), силлиманита (Al2SiO5), муллита (3Al2O3-2SiO3) и у-АЬОз.

Таким образом, сформированные МДО-покрытия, соосажденные с фторопластом и коллоидным графитом, являются весьма перспективными композиционными покрытиями, которые позволяют увеличивать износо- и коррозионную стойкость алюминиевых сплавов. Несомненным преимуществом полученных Пк является и то, что они сформированы в одну стадию, с исключением стадии предварительного формирования оксидного слоя, в результате того, что фторопласт и коллоидный графит соосаждаются с оксидно-керамическим покрытием в процессе электролиза.

Литература

1. Баковец В.В., Поляков О.В., Долговесова И.А. Плазменная - электролитическая анодная обработка металлов. Новосибирск, 1991. 168 с.

2. Источник питания для устройств микродугового оксидирования / А.В. Павленко [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 1. С. 69 - 74.

3. Формирование композиционных гальванических покрытий никель - фторопласт / П.С. Кухтаков [и др.] // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1999. Т. 42. № 6. С. 60 - 63.

4. Пашкова О.А., Кульмизев А.Е., Рагожина Е.П. Метод ускоренного испытания анодированного алюминия // Заводская лаборатория. 1975. Т. 41. С. 289 - 291.

Поступила в редакцию 11 октября 2011 г.

Беспалова Жанна Ивановна - канд. хим. наук, доцент, кафедра «Химическая технология высокомолекулярных соединений, органической, физической и коллоидной химии», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)23-57-45.

Паненко Илья Николаевич - магистрант, кафедра «Технологии электрохимических производств, аналитической химии, стандартизации и сертификации», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 9081802237. E-mail: Ilyapanenko@mail.ru

Большенко Андрей Викторович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: bolwoi@rambler.ru

Бородай Александр Васильевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Основы конструирования машин», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-8635-25-54-12. E-mail: borodai06@mail.ru

Bespalova Joanna Ivanovna - Candidate of Chemical Science, assistant professor, department «Chemical Technology of Macromolecular Compounds, Organic, Physical and Colloid Chemistry», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-86352-3-57-45.

Panenko Ilya Nikolaevich - the second year undergraduate, department «Electrochemical Production Technology, Analytical Chemistry, Standardization and Certification», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 9081802237. E-mail: Ilyapanenko@mail.ru

Bolshenko Andrey Viktorovich - post-graduate student, department «Electric and Electronic Devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: bolwoi@rambler.ru

Borodai Alexander Vasilievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Machine Design», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-8635-25-54-12. E-mail: borodai06@mail.ru_