УСТАНОВКА МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, предназначенному для электролитической обработки поверхностей деталей и изделий, выполненных из металлов и сплавов, а более конкретно - к технологическому оборудованию для осуществления процессов микродугового оксидирования, и может быть использована в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроении, приборостроении, авиационной, химической, электронной и электротехнической промышленности.
Технология анодного микродугового оксидирования применяется для формирования керамоподобных покрытий на основе оксидной керамики на поверхностях вентильных металлов, к которым относятся алюминий, титан, тантал, цирконий и их сплавов. Оксидная керамика формируется на основе термодинамически стабильных оксидов обрабатываемого металла. Образование керамического покрытия происходит при одновременном протекании двух процессов. Первый процесс связан с образованием поверхностной пленки на основе шпинельных соединений из электролита за счет электрохимического обмена. Второй процесс связан с формированием оксидного покрытия в поверхностном слое обрабатываемого металла за счет процесса его окисления. Данные процессы и сопутствующие им явления обуславливают образование диффузионной зоны в поверхностном слое металла обрабатываемого изделия, обеспечивая тем самым высокую адгезию покрытия с основой.
Сформированные на поверхности вентильных металлов оксидные пленки обладают униполярной или асимметричной проводимостью в системе металл-оксид-электролит. Положительный потенциал на металле, на котором образована оксидная пленка, соответствует запирающему потенциалу, аналогичному для полупроводникового вентиля. Создаваемые керамоподобные покрытия обладают рядом уникальных полезных свойств: высокой износо- и теплостойкостью, а также коррозионной стойкостью, что позволяет эксплуатировать изделия после обработки в условиях агрессивных сред и термоциклирования. Покрытия обладают стойкостью к абразивному и механическому износу. Кроме того, формируемое на поверхности деталей и изделий керамоподобное покрытие обладает диэлектрическими свойствами и может использоваться в качествеэлектроизоляционного слоя в электротехнических и электронных приборах различного назначения.
В настоящее время известны различные конструкции установок, с помощью которых осуществляется процесс микродугового оксидирования. Так, например, в патенте США №5616229 (МПК-6: C25D5/18, 11/00, опубликован 01.04.1997) описана установка для формирования керамического покрытия методом микродугового оксидирования. Покрытие создают на поверхности детали, выполненной из вентильных металлов, выбранных из группы, включающей алюминий, цирконий, титан, гафний и сплавы указанных металлов. Установка содержит стальную ванну, заполненную жидким электролитом и разделенную перегородками на несколько технологических секций, в которых осуществляются отдельные операции при обработке изделий. Ванна размещена в защитном вытяжном шкафу. В каждой секции электролитической ванны установлены лопастные устройства для перемешивания электролита в процессе обработки с целью выравнивания по объему температуры и концентрации электролита.
Обрабатываемое изделие, выполняющее функцию первого электрода (анода), устанавливается на держателе, который перемещается с помощью ручного или автоматического манипулятора. В качестве второго электрода (катода) установки используется сама ванна. Электропитание первого электрода осуществляется с помощью батареи конденсаторов, подключенной к преобразователю напряжения. Второй выход преобразователя напряжения соединен со вторым электродом. Управление установкой производится с пульта оператора, размещенного вблизи защитного шкафа ванны.
С целью снижения энергетической мощности источника электропитания применяют отдельные электроды (катоды), помещаемые в раствор электролита вблизи обрабатываемого изделия. В патенте Российской Федерации №2171665 (МПК-7: C25D 11/02, опубликован 10.08.2001) раскрыта конструкция установки, с помощью которой осуществляется электролитическое микродуговое нанесение покрытия на детали, выполненные из вентильных металлов. Установка содержит ванну, заполненную электролитом. В раствор электролита погружены обрабатываемая деталь, служащая анодом, и катод, площадь поверхности которого меньше площади поверхности детали.
Установка включает в свой состав также механический привод с держателем, на котором устанавливается деталь. Механический привод обеспечивает вращательное движение детали. Одновременно осуществляется возвратно-поступательное движение катода относительно поверхности детали в вертикальном направлении. За счетсканирования всей поверхности крупногабаритной детали, перемещаемой относительно катода, обеспечивается нанесение однородного покрытия по всей обрабатываемой поверхности при использовании маломощного источника электропитания.
Наиболее близким аналогом (прототипом) полезной модели является установка, предназначенная для формирования керамоподобного покрытия методом микродугового оксидирования на поверхности металлических деталей, которая описана в патенте США №6197178 (МПК-7: C25D 11/02, опубликован 06.03.2001). Установка включает в свой состав ванну, заполненную электролитом, которая сообщается с теплообменным устройством через насос, систему принудительного охлаждения хладоагента, прокачиваемого через теплообменник и систему вытяжной вентиляции ванны.
2
В электролитическую ванну погружены сразу несколько обрабатываемых деталей, установленных на держателях, соединенных с приводами вращательного движения деталей. Каждая деталь подключена к отдельной шине трехфазного источника электропитания. Разрядное напряжение прикладывается между перемещающимися друг относительно друга деталями (электродами). При величине потенциала электрода ~400 В величина плотности тока на поверхности электрода предпочтительно составляет от 0,1 до 0,7 А/см. Управление перемещением деталей, электропитанием установки и тепловым режимом в процессе работы осуществляется с помощью системы управления. За счет многофазного электропитания электродов установки и вращательного движения электродов происходит равномерное распределение плотности тока по поверхности деталей. Вследствие этого формируется однородное по толщине керамическое покрытие на всей поверхности деталей.
Вместе с тем известная установка не позволяет осуществлять одновременную обработку большого количества деталей с требуемым качеством покрытия и минимальными непроизводительными потерями электроэнергии. Как известно, в процессе анодного микродугового оксидирования происходит интенсивное выделение газообразных продуктов реакции, в том числе водорода. Данное явление приводит к газовому маскированию обрабатываемой поверхности детали, вследствие чего снижается проводимость электролита вблизи детали. Наиболее явно данный эффект проявляется при горизонтальном расположении обрабатываемой поверхности. Объясняется это тем, что удельное электрическое сопротивление газа на несколько порядков выше удельного сопротивления электролита, через который протекает электрический ток, обеспечивающий процесс микродугового оксидирования поверхностного слоя детали.
Таким образом, газовое маскирование обрабатываемой поверхности препятствует обработке поверхности с требуемой удельной плотностью тока. Интенсивное вращение детали в процессе микродугового оксидирования снижает концентрацию газообразных продуктов у обрабатываемой поверхности, но не исключает образование газообразной завесы, состоящей из пузырьков водорода, вокруг вращающейся детали.
Полезная модель направлена на исключение образования газообразной завесы вблизи обрабатываемой поверхности при одновременной обработке более чем трех деталей и на выравнивание температуры и концентрации электролита в области перемещения обрабатываемых деталей.
Решение поставленных технических задач позволяет повысить эффективность технологического процесса микродугового оксидирования при одновременной обработке нескольких деталей, а также повысить качество формируемого покрытия, как по толщине, так и по площади обрабатываемой поверхности.
Указанные технические результаты достигаются при использовании установки микродугового оксидирования, включающей в свой состав электролитическую ванну, электроды, неподвижно установленные в полости ванны, держатель обрабатываемых металлических деталей, механизм перемещения деталей, теплообменное устройство, сообщенное с полостью ванны через насос перекачки электролита, источник электропитания и систему контроля параметров и управления. В качестве механизма перемещения деталей используется карусельный механизм, обеспечивающий вращение держателя деталей, который выполняется в виде карусели. Детали и электроды подключены к источнику электропитания таким образом, что в процессе микродугового оксидирования на детали подается анодное напряжение, а на электроды - катодное напряжение.
Зажигание дуги на поверхности обрабатываемой детали происходит при наличии на поверхности металла диэлектрической пленки, которая образуется на вентильных металлах, и достаточно высокой напряженности электрического поля вблизи обрабатываемой поверхности. Пробои тонкой барьерной диэлектрической пленки последовательно сопровождаются искровыми, микродуговыми и дуговыми разрядами, в которых происходит образование прочного керамоподобного покрытия.
Применение карусельного механизма в качестве средства перемещения обрабатываемых деталей позволяет одновременно осуществлять вращательное движение обрабатываемой поверхности относительно неподвижно установленных в ванне катодови интенсивно перемешивать раствор электролита по всему объему ванны, При круговом (поступательном и вращательном) движении деталей с помощью карусельного механизма происходит интенсивное смывание набегающим потоком электролита газовых пузырьков с обрабатываемой поверхности. В результате снижается электрическое сопротивление приповерхностного слоя электролита. Вместе с тем, за счет постоянного перемешивания раствора электролита, выравниваются локальные температуры объемов электролита вблизи обрабатываемых поверхностей деталей. Кроме того, при круговом движении деталей в электролитической ванне происходит быстрое выравнивание концентрации носителей заряда и расходуемых компонентов электролита в приповерхностных областях вблизи обрабатываемой поверхности. Данные явления обеспечивают условия для нанесения однородных по свойствам керамоподобных покрытий сразу на несколько деталей (партию деталей), обрабатываемых за одну технологическую операцию микродугового оксидирования в одной электролитической ванне.
Карусельный механизм перемещения деталей может использоваться с различной степенью эффективности при подключении деталей и электродов к различным типам источников электропитания, в том числе к источникам постоянного и переменного тока, а также к источникам импульсно-периодического напряжения.
Для упрощения конструкции установки держатель деталей (карусель механизма перемещения) электрически соединяется с каждой обрабатываемой металлической деталью.
С целью снижения металлоемкости и стоимости установки может использоваться электролитическая ванна, выполненная из диэлектрического материала, в частности из полипропилена.
При интенсивном газовыделении из объема электролита в процессе обработки водорода, озона и паров слабощелочного электролита применяется система вытяжной вентиляции, вход которой сообщен с пространственной областью над поверхностью электролита, заполняющего ванну.
Установка может быть снабжена двумя электродами, которые устанавливаются в диаметрально противоположных частях полости ванны относительно оси вращения держателя деталей. Электроды, выполняющие функцию катодов в процессе микродугового оксидирования, могут выполняться в виде стрежней или пластин.Электроды могут иметь и другую форму в зависимости от формы, размеров и количества одновременно обрабатываемых деталей.
Держатель деталей (карусель механизма перемещения) целесообразно выполнять с возможностью установки на нем не менее трех обрабатываемых деталей с целью повышения эффективности процесса микродугового оксидирования за одну загрузку обрабатываемых деталей.
При высоком тепловыделении в объеме электролита, заполняющего ванну, целесообразно дополнительно применять систему охлаждения хладоагента теплообменного устройства. Для упрощения конструкции установки система охлаждения хладоагента теплообменного устройства может быть выполнена в виде системы принудительного воздушного охлаждения.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера реализации установки микродугового оксидирования. На прилагаемом чертеже (фиг.1) изображена принципиальная схема установки микродугового оксидирования со схемой конструкции механизма перемещения деталей в электролитической ванне.
2
3
Установка микродугового оксидирования включает в свой состав электролитическую ванну 1, выполненную из полипропилена. Ванна 1 установлена в металлическом поддоне 2, служащем защитной ванной при аварийном разливе электролита из основной электролитической ванны 1. В качестве электролита 3 используется экологически безопасный слабощелочной раствор (рН=8÷2), содержащий гидрат калия (KOH) и жидкое стекло (NaSiO). Объем электролита в ванне 1 составляет 180 л. С верхней частью поддона 2 соединена система вытяжной вентиляции (СВВ) 4, выполненная в виде вытяжного шкафа. Вход СВВ 4 сообщен с пространственной областью над поверхностью электролита 3, заполняющего ванну 1.
В полости ванны 1 (в растворе электролита) помещен карусельный механизм 5 перемещения обрабатываемых деталей 7, приводимый в движение с помощью управляемого электропривода. На оси вращения карусельного механизма 5 установлен держатель 6 деталей 7, выполненный в виде карусели. В рассматриваемом примере реализации полезной модели на держателе установлены тридцать деталей 7 (на фиг.1 для упрощения изображения показаны две обрабатываемые детали). Следует отметить, что для применяемой установки микродугового оксидирования не исключается возможность одновременной загрузки от 3 до 100 деталей.
Держатель 6 электрически соединен с обрабатываемыми деталями 7. В полости ванны 1 (в растворе электролита) размещены также два электрода 8, выполненные в виде стержней. Электроды 8 установлены в диаметрально противоположных относительно оси вращения держателя 6 частях полости ванны 1. Расстояние между близлежащими поверхностями детали 7 и расположенного напротив нее электрода 8 составляет 110 мм. В других примерах реализации полезной модели расстояние деталь-электрод может выбираться от 40 мм до 200 мм или в более широком диапазоне значений в зависимости от формы и размеров обрабатываемых деталей и требуемых свойств наносимого покрытия.
Электроды 8 и детали 7, служащие в процессе микродугового оксидирования соответственно катодами и анодами, подключены к соответствующим выводным клеммам источника электропитания (ИЭП) 9. В качестве ИЭП 9 в рассматриваемом примере реализации изобретения используется источник импульсно-периодического напряжения. Держатель 6, с которым электрически соединены детали 7, и электроды 8 подключены к выводным клеммам ИЭП 9 таким образом, что в процессе микродугового оксидирования на детали 7 подается анодной напряжение, а на электроды 8 - катодное напряжение.
Установка содержит теплообменное устройство (ТУ) 10, сообщенное через насос перекачки электролита (НПЭ) 11 с полостью ванны 1, заполненной электролитом 3. Входной патрубок 12 НПЭ 11 расположен в нижней части ванны 1. Выходной патрубок 13 НПЭ 11 установлен в верхней части ванны 1 у поверхности электролита 3. Данное расположение патрубков НПЭ 11 обеспечивает циркуляцию охлажденного электролита 3 через полость ванны 1. С ТУ 10 соединена система охлаждения хладоагента (СОХ) 14, которая выполнена в виде системы принудительного воздушного охлаждения. В качестве хладоагента, циркулирующего между ТУ 10 и СОХ 14, используется вода. В других вариантах осуществления полезной модели могут применяться иные жидкие теплоносители в зависимости от конструкции установки и потребляемой мощности. СОХ 14 включает в свой состав теплообменник, через который подается хладоагент из ТУ 10, и вентилятор, обеспечивающий принудительную подачу воздушного потока на теплообменник (на чертеже не показаны).
В состав установки входит также система контроля параметров и управления (СКПУ) 15, в качестве которой используется пульт управления с индикаторами контролируемых параметров процесса микродугового оксидирования. Измерительныевходы и управляющие выходы СКПУ 15 связаны соответственно с ИЭП 9, СВВ 4, НПЭ 11, ТУ 10, СОХ 14, датчиками уровня и температуры электролита в ванне 1, а также с электроприводом карусельного механизма 5 перемещения деталей 7.
Работа установки микродугового оксидирования, схема которой изображена на фиг.1, осуществляется следующим образом.
Перед включением установки оператор производит следующие подготовительные операции.
На держателе 6 устанавливаются и закрепляются с помощью цанговых зажимов тридцать обрабатываемых деталей 7. Ванна 1 заполняется приготовленным раствором электролита. Трубопроводы ТУ 10 заполняются хладоагентом (водой) путем открытия соответствующих вентилей (на чертеже не показаны). Для принудительной циркуляции и охлаждения электролита в ванне 1 включается НПЭ 11 и вентилятор СОХ 14. Электролит из нижней части ванны 1 поступает во входной патрубок 12 и через НПЭ 11 в теплообменник ТУ 10, который охлаждается набегающим потоком воздуха, создаваемым с помощью вентилятора СОХ 14. Охлаждаясь в теплообменнике, электролит затем направляется через выходной патрубок 13 в верхнюю часть ванны 1. За счет циркуляции охлаждаемого электролита происходит выравнивание температуры по всему объему ванны 1.
Включается вентилятор, установленный в вытяжном шкафу СВВ 4. За счет создаваемого потока воздуха осуществляется принудительная вентиляция пространства над поверхностью электролита 3 и удаление газообразных продуктов из ванны 1.
2
После завершения подготовительных операций производится запуск установки. Включается электропривод карусельного механизма 5 перемещения обрабатываемых деталей 7, установленных на карусели механизма (держателе 6). По команде, поступающей с СКПУ 15, с выходных клемм ИЭП 9 на держатель 6 с обрабатываемыми деталями 7 и на электроды 8 подаются периодические импульсы соответственно анодного и катодного напряжения. Величина напряжения составляет ~700 В. Начальная плотность тока у оксидируемой поверхности обрабатываемой детали 7 выбирается в диапазоне от 0,25 до 0,3 А/см. При меньших значениях плотности тока процесс микродугового оксидирования замедляется, а при больших значениях-образуются зоны перегрева, приводящие к образованию прогаров, и покрытие наносится на поверхность детали неравномерно.
При указанных выше электрических параметрах процесса оксидирования резко увеличивается электронная составляющая тока, протекающего через границы разделов «электролит-оксид» и «оксид-металл», и образуются множественные электрические пробои пленки. В результате этого существенно повышается температура в каналах пробоя пленки и окружающих их участках, что влияет на ускорение роста наносимого покрытия. Одновременно в каналах пробоя пленки образуется низкотемпературная плазма, в которой протекают реакции, приводящие к диффузии компонентов электролита в оксидную пленку.
2
3
Таким образом, вследствие пробоя при высоких напряженностях электрического поля происходит ускорение процесса образования оксидной пленки на поверхности обрабатываемой детали и изменение химических и физических свойств получаемого покрытия. Так, например, на поверхности алюминиевой детали формируются кристаллические включения и высокотемпературные модификации оксидов алюминия типа α-AlO.
Рабочая температура электролита поддерживается с помощью ТУ 10 и СОХ 14 на уровне 30°C÷40°C. Для данного диапазона температур характерна оптимальная концентрация носителей зарядов, при которой формируется равномерное покрытие без локальных перегревов. При больших температурах (50°С и более) начинается интенсивное испарение электролита и увеличивается его проводимость. В этом случае скорость процесса микродугового оксидирования неуправляемо возрастает. Из-за этого возникают локальные перегревы и нарушается равномерность нанесения покрытия на поверхность обрабатываемой детали. При температурах менее 30°C существенно снижается количество носителей заряда в электролите и, соответственно, проводимость и скорость химических реакций в электролите.
Поддержание оптимального диапазона температур электролита и равномерного по объему ванны 1 распределения концентрации электролита осуществляется не только за счет принудительной циркуляции электролита через ТУ 10, но и путем вращения держателя 6 вместе с размещенными на нем деталями 7 с помощью карусельного механизма 5. Вращение деталей 7 относительно оси карусельного механизма позволяет интенсивно перемешивать электролит и равномерно распределять концентрацию носителей заряда и компонентов электролита не только в приповерхностной области электролита, но во всем объеме ванны 1 на глубине погружения деталей 7. Кроме того,при вращении держателя 5 обеспечивается равномерное распределение локальных температур вблизи обрабатываемых деталей 7.
Наиболее существенное влияние вращение держателя 5 вместе с деталями 7 оказывает на образование слоя газовых пузырей у обрабатываемой поверхности, который ограничивает проводимость электролита в приповерхностном слое, снижая тем самым скорость обработки и качество наносимого покрытия. При включении карусельного механизма 5 перемещения деталей 7 за счет действия сил вязкостного трения происходит смывание набегающим потоком электролита газовых пузырьков, образовавшихся в приповерхностном слое в результате зажигания интенсивных микродуговых разрядов. Исключение возможности образования слоя газовых пузырьков у обрабатываемой поверхности позволяет увеличить общую проводимость электролита и повысить однородность наносимого покрытия как по толщине, так и по поверхности формируемого керамоподобного слоя. Скорость вращения деталей 7 может регулироваться оператором с пульта СКПУ 15.
В процессе микродугового оксидирования партии деталей с помощью средств контроля параметров, входящих в состав СКПУ 15, производится измерение температуры и уровня электролита в ванне 1, концентрации водорода над поверхностью электролита 3, а также контроль токов и напряжений в электрических цепях питания электродов 8 и держателя 6.
3
Длительность обработки одной партии деталей (30 штук), загруженных в ванну 1, составляет от 35 до 60 минут в зависимости от материала и формы деталей и используемого электролита. Продолжительность обработки может регулироваться и в более широком временном диапазоне, например от 10 до 150 мин, для достижения требуемых свойств наносимого покрытия. Объем электролита, необходимого для эффективной обработки 1 см поверхности детали, составляет 0,4 л. Расход электролита в процессе обработки не превышает 3 м/час. После окончания процесса микродугового оксидирования детали 7 снимаются с держателя 6, промываются водопроводной водой, затем просушиваются и передаются на технологический участок шлифовки.
2
Полученное керамоподобное оксидное покрытие обладает необходимой однородностью и имеет толщину ~40 мкм. Покрытие обладает высокой адгезией к подложке (до 350 МПа) и высокой микротвердостью (от 1700 до 2500 кгс/мм). Малая толщина и высокая однородность наносимого оксидного слоя обеспечивает требуемые теплопроводящие свойства покрытия. Хотя теплопроводность алюминия вышетеплопроводности оксида алюминия, но из-за малой толщины оксидного слоя общая теплопроводность алюминиевой подложки с покрытием практически не уменьшается.
ТР
Наличие в керамоподобном слое микропор размером от 20 до 80 нм обуславливает диэлектрические свойства покрытия и низкий коэффициент трения (К=008÷0,3). Следует также отметить, что полученное после микродугового оксидирования поверхности покрытие обладает высокой износостойкостью (в 3 раза выше, чем у стали У8) и коррозионной стойкостью в слабощелочных средах и морской воде. При микродуговом оксидировании размеры обрабатываемой детали изменяются незначительно, поскольку керамоподобное покрытие выращивается в поверхностном слое самой подложки.
Применение карусельного механизма перемещения деталей, установленных на общем держателе, выполненном в виде карусели и служащем анодом в процессе микродугового оксидирования, позволяет исключить возможность образования газообразной завесы вблизи обрабатываемой поверхности, осуществить выравнивание температуры и концентрации электролита в области перемещения обрабатываемых деталей, что в целом обеспечивает повышение эффективности процесса обработки и повышение качества формируемого керамоподобного покрытия.
Установка микродугового оксидирования, созданная на основе полезной модели, может использоваться для формирования упрочняющих, коррозионностойких, диэлектрических и декоративных покрытий на изделиях и деталях различного назначения, применяемых в приборостроении, машиностроении, автомобилестроении, судостроении, а также в электронной, электротехнической, нефтегазовой, инструментальной и медицинской отраслях промышленности.