УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Область техники
Полезная модель относится к устройствам для нанесения покрытий преимущественно на вентильных металлах и сплавах и может найти применение в машиностроении и других отраслях промышленности.
Предшествующий уровень техники
2
3
Одним из перспективных методов поверхностного упрочнения деталей, позволяющим формировать на поверхности принципиально новые высококачественные покрытия с высокой износостойкостью и прочностью сцепления к основе является метод микродугового оксидирования (МДО). Метод МДО, представляющий собой электрохимический процесс окисления поверхностного слоя в сочетании с электроразрядными явлениями на границе металл-электролит, позволяет получать на деталях из вентильных металлов и их сплавов принципиально новые покрытия. Суть метода заключается в формировании на поверхности детали в условиях воздействия микродуговых разрядов высокопрочного износостойкого покрытия (МДО-покрытия), состоящего, например, на алюминиевых сплавах преимущественно из а-АlO (корунда) и других окислов алюминия.
2
Известно устройство для микродугового оксидирования (патент РФ N 2224828). Процесс ведут при плотностях тока до 20 кА/м и завершают подачей напряжения с увеличенной катодной составляющей. Устройство содержит ванну с электролитом, корпус которой соединен с клеммой сети переменного напряжения, формирователь напряжений для электрохимического травления и покрытия деталей пленкой, соединенный с деталью, блок управления, конденсаторную батарею, состоящую из двух частей, соединяемых при помощи переключателей параллельно или последовательно, через которую от второй клеммы сети через переключатель подается напряжение на деталь и электрический вентиль, один конец которого соединен с одним выводом второй части конденсаторной батареи, а второй конец - с другим выводом второй части батареи.
Известно также, что процесс МДО можно проводить на постоянном токе, однако, он становится чувствительным к величине напряжения (Казанцев И.А., Кривенков А.О. Технология получения композиционных материалов микродуговым оксидированием. Монография. Пенза, ИНЦ, ПГУ 2007, с.78), диапазон напряжений с устойчивым мелким искрением очень узкий. При небольших его отклонениях процесс либо прекращается, либо переходит в дуговой режим, при котором мощные разряды прожигают образовавшуюся пленку до основы. Более устойчиво идет этот процесс при импульсном питании, когда между активными участками есть промежутки. Процесс
МДО проводится при 50 Гц промышленной сети, что позволяет устойчиво проводить его при повышенных напряжениях (до 600 и более вольт), что необходимо для наращивания толстых пленок.
Наиболее близким по своему техническому выполнению является устройство для получения твердых покрытий на алюминиевые сплавах, обеспечивающее формирование импульсов напряжения в виде усеченных синусоид с передними фронтами крутизной более 10 В/мкс (патент РФ N2073751).
Недостатком предложенного устройства является невозможность независимого регулирования амплитуд и длительностей анодного и катодного импульсов, не позволяющая оптимизировать процесс покрытия по необходимым параметрам воздействий и расходу электроэнергии.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в необходимости получения качественных твердых покрытий на алюминиевых сплавах путем создания оптимальных условий формирования покрытия при максимальной экономии электроэнергии.
Целью полезной модели является повышение свойств создаваемых покрытий (повышение микротвердости, коррозионной и износостойкости, регулируемая пористость и т.д.) на вентильных металлах и сплавах. Также достигаются следующие преимущества:
- возможность нанесения покрытия на сложнопрофильные изделия, их внутренние поверхности и скрытые полости;
- получение покрытий толщиной от 10-200 мкм до 400-800 мкм с адгезией, сопоставимой с прочностью материала подложки;
- возможность полной автоматизации процесса;
- широкие возможности регулирования скорости процесса.
Раскрытие полезной модели
Указанная цель достигается тем, что в устройстве для микродугового оксидирования металлов и сплавов, содержащем силовой трансформатор, связанный с ним силовой блок, соединенный с ванной с электролитом с погруженной в нее деталью и измерительным блоком, причем деталь соединена с выходом обмотки трансформатора, а ванна со входом силового блока, его выход соединен с другим концом обмотки, силовой блок содержит регулирующий элемент, обеспечивающий управление напряжением, временем начала и конца и длительности анодного и катодного циклов независимо друг от друга.
Указанная цель достигается также тем, что в устройстве для микродугового оксидирования металлов и сплавов, силовой блок выполнен в виде диодного моста, в
диагональ которого помещен переключающий регулирующий элемент - биполярный или полевой транзистор, связанный с блоком управления.
Указанная цель достигается также тем, что в устройстве для микродугового оксидирования металлов и сплавов, силовой трансформатор выполнен по схеме автотрансформатора.
Краткое описание фигур чертежей
Полезная модель поясняется фигурами чертежей, где на фиг.1 показана принципиальная схема устройства с автоматизированным процессом управления нанесения покрытия, на фиг.2 вариант устройства с ручным управлением процессом, на фиг.3 даны зависимости напряжения от времени на детали в анодном и катодном режимах, а на фиг.4 зависимости импульсов тока на детали от времени.
Устройство (фиг.1) содержит силовой трансформатор 1, повышающий напряжение сети с 220 или 380 В до амплитудного значения 600-1000 В с отводками во вторичной обмотке, силовой блок 2, служащий источником технологического тока, ванну 3 с электролитом 4, погруженной в него деталью 5, а также сенсорами 6, измерительный блок 7 для измерения напряжения, тока и сигналов сенсоров с гальванической развязкой на выходе, платой ввода-вывода 8, соединенной с персональным компьютером или процессором 9 и блоком управления 10, узлом 11 гальванической развязки с силовым блоком 2. Блок 2 содержит силовые диоды 12, соединенные в мост, и регулирующий элемент, например силовой биполярный или полевой транзистор 13. При этом деталь 5 соединена с выходом обмотки трансформатора, а ванна 3 со входом силового моста, а его выход с другим концом обмотки трансформатора.
Варианты осуществления полезной модели.
Пример 1. Деталь 5 размещают в электролите и соединяют с выходом обмотки трансформатора 1 (фиг.1). Электролит 4 содержит, например, водный раствор щелочи с концентрацией 1-12 г/л и жидкого стекла с концентрацией 2-110 г/л и может иметь другие добавки соответственно материалу детали.
Для заданного состава электролита, материала и потребной толщины покрытия детали 5 устанавливают необходимое напряжение для процесса использованием той или иной отводки от силового трансформатора 1. Управление моментами подачи на деталь анодных и катодных токов и их отключение осуществляют по заданной программе от компьютера 9 через плату ввода-вывода 8 путем подачи необходимых сигналов на блок управления 10, соединенного с регулирующим элементом 13.
Первоначальное наращивание пленки на детали 5 ведут в анодном гальваностатическом режиме, смещая моменты включения импульса от конца анодного полупериода, к его началу до достижения мелкоискрового, а затем микродугового режимов. Далее осуществляется практически потенциостатический
Ak
режим на заданной амплитуде напряжения, при этом устанавливают заданную длину анодного импульса, например, в пределах 3-6 м/сек. При достижении микродугового режима включают катодный импульс нужной амплитуды, длительности и времени задержки между анодным и катодным циклами t.
N
AS
KS
A
K.
Транзистор 13 включает анодное и катодное напряжение на детали в момент достижения им необходимого для процесса уровня U (времена t и t, фиг.3, 4) и обрезает импульсы тока в момент прекращения процесса при длительности импульсов t и t
По результатам экспериментов, катодный импульс, подготавливающий работу анодного, должен лежать в пределах 0,5...1,1 по амплитуде от анодного, быть короче его и расположен ближе к анодному (фиг.3, 4). Выполнение этих условий позволяет оптимизировать процесс покрытия. Дополнительно обеспечивается мягкое начало процесса, полное использование полезной части импульсов тока, и, тем самым, минимальный расход электроэнергии и высокое качество покрытия.
Пример 2. В другом варианте (фиг.2) управление процессом осуществляется вручную оператором при помощи блока 10 с использованием данных с измерительного блока 7. Предлагаемое техническое решение дает возможность полного регулирования параметров процесса нанесения, так как повышение качества нанесения покрытия достигается, например, тем, что устройство позволяет устанавливать параметры амплитуд токов и длительности анодных и катодных импульсов в течение всего времени нанесения покрытия.
Достоинства заявляемого технического решения заключаются в создании оптимальных условий процесса, позволяющих достигнуть высоких эксплуатационных параметров при упрощении и сокращении состава оборудования.