СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ПРИГОДНОСТИ СТАНДАРТНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА К ОБРАБОТКЕ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ И ТОЛЩИНЫ ПОЛУЧАЕМОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD FOR PRE-ASSESSMENT OF SUITABILITY OF STANDARD ALUMINIUM ALLOY TO PROCESSING BY MICRO-ARC OXIDATION AND THICKNESS OF OBTAINED COATING

Изобретение относится к области обработки поверхностей деталей, в частности к микродуговому оксидированию, и может использоваться в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.
Микродуговое оксидирование - наиболее производительный метод анодного оксидирования в растворах электролитов, позволяющий получать на поверхности деталей из алюминия и его сплавов оксидные покрытия. Толщина и другие характеристики данных покрытий, значения которых, как правило, коррелируют со значениями толщины, зависят от химического состава материала детали. На техническом алюминии получаются толстые, твердые покрытия. На сплаве Д16 получаются покрытия небольшой толщины, имеющие невысокую твердость. На сплаве АК9М2 получаются рыхлые покрытия малой толщины с низкой твердостью, склонные к разрушениям при незначительных нагрузках. Также существуют сплавы, о пригодности которых к обработке микродуговым оксидированием нет никаких данных и их нужно получать самостоятельно экспериментальным путем. В данной связи представляется важным создание способа предварительной оценки пригодности алюминиевых ставов к обработке микродуговым оксидированием и ожидаемой толщины получаемых покрытий, позволяющего:
1) делать количественные оценки пригодности к обработке микродуговым оксидированием любых стандартных алюминиевых сплавов по результатам определения их химического состава без проведения микродугового оксидирования;
2) делать количественные оценки толщины покрытий, которые можно получать микродуговым оксидированием на ряде стандартных алюминиевых сплавов в определенных условиях, без проведения микродугового оксидирования данных сплавов, по результатам измерения толщины покрытия, полученного микродуговым оксидирование на каком-либо одном стандартном алюминиевом сплаве в таких же условиях, и определения химического состава всех сплавов.
Данный способ поможет решить задачу выбора наиболее рационального алюминиевого сплава для изготовления изделий, технология изготовления которых включает микродуговое оксидирование.
Из источников научной информации известно, что химический состав алюминиевых сплавов оказывает значительное влияние на их пригодность к обработке микродуговым оксидированием и на толщину покрытий, получаемых на данных сплавах микродуговым оксидированием. При этом, чем выше пригодность сплава к микродуговому оксидированию, тем больше толщина покрытия, получаемого на нем [Черненко В.И., Снежко Л.А., Папанова И.И. Получение покрытий анодно-искровым электролизом. Л.: Химия, 1991. - 126 с.].
Известен способ предварительной оценки пригодности алюминиевых сплавов к обработке микродуговым оксидированием и свойств формируемых покрытий [Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Голованова Н.В. Выбор марки алюминиевого сплава для обработки микродуговым оксидированием // Материалы научн.-техн. конф. «Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении. Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении». Пенза: Приволжский дом знаний, 1997. - С.11-14]. Согласно данному способу считается, что содержание магния до 5% и кремния до 1,5% оказывает небольшое негативное влияние на пригодность алюминиевых сплавов к обработке микродуговым оксидированием и толщину формируемых покрытий. Содержание железа более 0,2%, цинка более 0,1%, марганца более 0,2% оказывает более отрицательное влияние, а самое негативное влияние оказывает присутствие меди. Однако данный способ не дает количественной оценки пригодности конкретных сплавов к обработке микродуговым оксидированием, а также количественной оценки толщины покрытий, которые можно получить на данных сплавах.
Также известно, что для каждой марки алюминиевого сплава можно установить значение эмпирического коэффициента, пропорциональное толщине получаемых покрытий [Чуфистов О.Е. Изменение геометрических размеров изделий из алюминиевых сплавов в процессе обработки анодным оксидированием // Практика противокоррозионной защиты. 2006. №5(41). С.49-53]. Однако химический состав марок алюминиевых сплавов может изменяться в некоторых интервалах, поэтому одно значение коэффициента для каждой марки не может обеспечить достаточную точность предварительной оценки пригодности какого-либо сплава к микродуговому оксидированию и толщины покрытия, которое на нем можно получить.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ предварительной оценки пригодности алюминиевых сплавов систем Al-Cu-Mg, Al-Mg, Al-Mn к микродуговому оксидированию в электролите на основе борной кислоты и едкого кали [Чуфистов О.Е., Холудинцев П.А. Оценка пригодности алюминиевых сплавов систем Al-Cu-Mg, Al-Mg, Al-Mn к микродуговому оксидированию // Сб. статей IV междунар. научн.-техн. конф. «Проблемы исследования и проектирования машин». Пенза: ПДЗ, 2008. - С.76-80, прототип]. Согласно данному способу проводится предварительная количественная оценка пригодности алюминиевого сплава к микродуговому оксидированию и толщины получаемого покрытия с расчетом коэффициента, учитывающего негативное влияние меди, магния и марганца. Однако данный способ применим только для оценки сплавов только трех систем (Al-Cu-Mg, Al-Mg, Al-Mn), но и применительно к ним он обеспечивает среднюю погрешность предварительной оценки пригодности к обработке микродуговым оксидированием ±10%, поскольку основан только учете негативного влияния меди, магния и марганца, без учета остальных элементов (кремния, железа, цинка и др.)
Задачами предлагаемого изобретения являются расширение номенклатуры стандартных алюминиевых сплавов ГОСТ 4784-97, в отношении которых можно давать предварительную оценку пригодности к обработке микродуговым оксидированием в электролитах на основе едкого кали и борной кислоты, от сплавов трех систем (Al-Cu-Mg, Al-Mg, Al-Mn) до всех стандартных алюминиевых сплавов, повышение точности предварительной оценки пригодности алюминиевых сплавов к обработке микродуговым оксидированием и толщины покрытий, которые можно получить на данных сплавах.
Технический результат решения данной задачи заключается том, что многократно расширена номенклатура алюминиевых сплавов, в отношении которых возможна количественная оценка их пригодности к обработке микродуговым оксидированием, повышена точность данной оценки до ±8%, получена возможность предварительной оценки толщины покрытий, которые можно получить микродуговым оксидированием на стандартных алюминиевых сплавах, с точностью ±8%.
Поставленная задача решается тем, что проводится предварительная оценка пригодности стандартных алюминиевых сплавов к обработке микродуговым оксидированием в электролите на основе едкого кали и борной кислоты и толщины покрытий, которые можно получить на данных сплавах микродуговым оксидированием, включающая определение химического состава сплавов и оценку влияния компонентов сплавов на их пригодность к обработке микродуговым оксидированием, причем сначала определяется количественный химический состав сплавов, затем рассчитываются значения коэффициента их пригодности к микродуговому оксидированию по формуле
Cu
Mg
Mn
Fe
Si
Zn
пр
где k - коэффициент пригодности сплава к микродуговому оксидированию (безразмерный), с уменьшением значений которого снижается пригодность сплава к микродуговому оксидированию; C, C, C, C, C, C, С - содержание в сплаве соответственно меди, магния, марганца, железа, кремния, цинка, прочих примесей в процентах, далее экспериментально определяется толщина покрытия, получаемого микродуговым оксидированием на одном выбранном сплаве, после чего рассчитываются ожидаемые значения толщины покрытий, которые можно получить на остальных сплавах по формуле (2):
i
э
1
э
где h - ожидаемое значение толщины покрытия на любом стандартном алюминиевом сплаве в мкм, h - экспериментально определенное значение толщины покрытия на выбранном сплаве в мкм, k и k - значения коэффициента пригодности к микродуговому оксидированию соответственно для любого стандартного алюминиевого сплава и выбранного сплава.
Способ реализуется следующим образом. Сначала определяют количественный химический состав алюминиевых сплавов по сертификату или экспериментально, например, с помощью микроспектрофотометра. Затем по формуле (1) рассчитывают значения коэффициента k, учитывающего влияние компонентов алюминиевых сплавов на их пригодность к микродуговому оксидированию. Далее в определенных условиях (состав и температура электролита, плотность электрического тока, время оксидирования) получают покрытие на любом из алюминиевых сплавов в электролите на основе едкого кали и борной кислоты, измеряют его толщину с применением разрушающих или неразрушающих методов, например металлографическим методом по поперечному микрошлифу покрытия. Затем по формуле (2) рассчитывают значения толщины покрытий, которые можно получить на всех остальных сплавах в таких же условиях микродугового оксидирования. Относительная средняя погрешность такой предварительной оценки толщины покрытий не превышает ±8%.
В процессе микродугового оксидировании алюминий, взаимодействуя с кислородом, окисляется, образуя плотный и прочный оксид. Другие химические элементы, входящие в состав алюминиевых сплавов, не способны образовывать столь плотные и прочные оксиды. Магний и титан образуют оксиды, имеющие большую пористость и меньшую прочность, чем оксид алюминия. Медь, железо, цинк и марганец в процессе оксидирования образуют рыхлые непрочные оксиды [1, 5]. Поэтому увеличение содержания каждого химического элемента (кроме алюминия), присутствующего в стандартном алюминиевом сплаве в качестве основного компонента или примеси, способствует снижению способности сплава к образованию толстослойных плотных покрытий при микродуговом оксидировании в растворах электролитов. Исследованиями установлено, что зависимости между содержанием в алюминиевом сплаве других химических элементов и толщиной покрытия имеют монотонный характер, причем эффект от вредного влияния компонентов по отдельности не имеет значимых отличий от эффекта их вредного влияния в совокупности [4]. Следовательно, при оценке пригодности алюминиевого сплава к микродуговому оксидированию нужно учитывать негативное влияние каждого компонента. Экспериментально доказано, что для такой оценки рационально использовать эмпирически полученную формулу (1), приведенную выше.
Толщина покрытия является важной характеристикой, ее значения, как правило, пропорциональны, значениям твердости, электрического сопротивления, пробойного напряжения и других показателей свойств покрытий [6, 7]. В связи с этим предварительная оценка толщины покрытий представляет особый интерес для производственной практики. Толщина покрытий пропорциональна пригодности сплава к микродуговому. Чем выше пригодность сплава к микродуговому оксидированию, тем выше толщина получаемых покрытий. Экспериментально установлено, что справедливой является формула:
1
2
3
1
2
3
где h, h, h - значения толщины покрытий на первом, втором, i-том сплавах соответственно, а k, k, k - значения коэффициента, учитывающего влияние компонентов на пригодность первого, второго, i-того сплавов к микродуговому оксидированию соответственно. Таким образом, с помощью данной формулы можно рассчитать значения толщины покрытий на любых сплавах, зная значения коэффициента k, учитывающего влияние компонентов на пригодность сплавов к микродуговому оксидированию, и значение толщины покрытия на одном из сплавов.
По сравнению с прототипом [4] предлагаемый способ позволяет расширить область предварительной оценки пригодности алюминиевых сплавов к обработке микродуговым оксидированием в электролитах на основе едкого кали и борной кислоты - если прототип охватывает только сплавы трех систем (Al-Cu-Mg, Al-Mg, Al-Mn), то предлагаемый способ охватывает все стандартные алюминиевые сплавы. Кроме того, предлагаемый способ позволяет повысить точность предварительной оценки толщины покрытия, которое можно получить на сплаве - если погрешность прототипа в среднем составляет ±10%, то погрешность предлагаемого способа в среднем составляет ±8%.
2
ож
ф
Пример. Пластины из технического деформируемого алюминия АД000 и стандартных алюминиевых сплавов различного химического става после удаления плакирующих слоев, очистки и обезжиривания подвергались обработке МДО в растворе едкого кали (5 г/л) и борной кислоты (20 г/л) при температуре раствора 15°С и плотности тока 30 А/дм в течение 90 минут. Затем на поперечных шлифах оксидированных пластин из АД000 металлографическим методом измерялась средняя толщина покрытия, значение которой составило 205,7 мкм. Далее по формуле (1) для алюминия АД000 всех сплавов рассчитывались значения коэффициента k, учитывающего влияние компонентов на пригодность сплава к микродуговому оксидированию. Затем по формуле (2) рассчитывались ожидаемые толщины покрытий (h) на сплавах. Потом на поперечных шлифах пластин из сплавов металлографическим методом определялись значения фактической толщины покрытий (h) и рассчитывались значения относительной погрешности между ожидаемыми и фактическими значениями толщины покрытий . Результаты эксперимента представлены в таблице.
Таблица
Результаты эксперимента (химический состав сплавов и толщина покрытий)
Сплав
Химический состав сплава, %
k
h<sub>ож, </sub>мкм
h<sub>ф</sub>, мкм
Δ, %
Cu
Mg
Mn
Fe
Si
Zn
прочее
АД000
-
-
-
0,12
0,05
0,03
-
0,989
-
205,7
-
АМц
0,16
0,02
1,35
0,48
0,51
0,07
0,04
0,852
177,2
172,2
2,90
АМг3
0,08
3,6
0,44
0,39
0,63
0,09
0,09
0,838
174,3
177,6
-1,86
АМг6
0,07
6,33
0,5
0,37
0,29
0,13
0,1
0,793
164,9
169,2
-2,54
Д16
3,85
1,41
0,33
0,12
0,26
0,19
0,08
0,650
135,2
125,6
7,65
АК5М2
2,47
0,38
0,51
0,24
4,87
0,86
0,21
0,520
108,1
101,1
6,92
АК9ч
0,26
0,27
0,43
0,4
9,79
0,17
0,15
0,519
107,9
110,3
-2,18
АК12
0,38
0,1
0,34
0,58
12,27
0,27
0,08
0,406
84,4
82,8
1,93
АК12М2
2,02
0,13
0,18
0,6
11,81
0,48
0,23
0,299
62,1
58,2
6,70
Экспериментально доказано, что алюминиевые сплавы, у которых значение коэффициента k меньше 0,4, например сплав АК12М2, практически непригодны к микродуговому оксидированию в электролитах на основе едкого кали и борной кислоты, поскольку на них формируются покрытия малой толщины с высокой пористостью и низкой адгезией, такие покрытия могут отслаиваться от сплава при малых нагрузках.
По сравнению с прототипом [4] предлагаемый способ имеет более широкие возможности, лучше адаптирован к производственной практике, является одновременно более точным и универсальным.
Источники информации
1. Черненко В.И., Снежко Л.А., Папанова И.И. Получение покрытий анодно-искровым электролизом. Л.: Химия, 1991. - 126 с.
2. Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Голованова Н.В. Выбор марки алюминиевого сплава для обработки микродуговым оксидированием // Материалы научн.-техн. конф. «Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении. Новые материалы и технологии машиностроении и приборостроении». Пенза: ПДЗ, 1997. - С.11-14.
3. Чуфистов О.Е. Изменение геометрических размеров изделий из алюминиевых сплавов в процессе обработки анодным оксидированием // Практика противокоррозионной защиты. 2006. №3(41). С.49-53.
4. Чуфистов О.Е., Холудинцев П.А. Оценка пригодности алюминиевых сплавов систем Al-Cu-Mg, Al-Mg, Al-Mn к микродуговому оксидированию // Сб. статей IV междунар. научн.-техн. конф. «Проблемы исследования и проектирования машин». Пенза: ПДЗ, 2008. - С.76-80 [прототип].
5. Францевич И.Н., Лавренко В.А., Пилянкевич А.Н. и др. Анодные окисные покрытия на легких сплавах. Киев: Наук. Думка, 1977. - 259 с.
6. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Симцов В.В. Структура и микротвердость покрытий, формируемых методами анодного оксидирования, на изделиях из алюминиевых сплавов // Материаловедение. 2001. №9. - С.43-46.
7. Атрощенко Э.С., Чуфистов О.Е., Казанцев И.А., Камышанский С.И. Формирование структуры и свойств покрытий, получаемых микродуговым оксидированием, на изделиях из алюминиевых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. №10. - С.34-38.