Влияние электрических параметров катодного импульса тока процесса микродугового оксидирования на структуру и микротвердость модифицируемого слоя

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 620.197;669;621.794

Влияние электрических параметров катодного импульса тока

процесса микродугового оксидирования на структуру и микротвердость модифицируемого слоя

А. В. Рыбалко, 0. Сахин

Введение

При изучении особенностей процесса анод-но-катодного микродугового оксидирования (АКМДО) с использованием прямоугольных импульсов тока высоких плотностей нами была обнаружена качественная связь между структурой и свойствами слоев, с одной стороны, и длительностью импульсов и величиной импульсного напряжения катодного процесса — с другой[1]. В частности, удалось выяснить, что путем подбора этих параметров можно осуществлять управление пространственными составляющими модифицированного слоя — его плотной рабочей частью и технологической частью в самых широких границах (по терминологии работы [2]). Кроме того, при АКМДО использование катодных импульсов высоких плотностей тока приводит к появлению некоторых особенностей самого процесса формирования слоя. Так, если на первом этапе оксидирования толщина слоя увеличивается по всей модифицируемой площади образца в традиционном виде, то после того, как она достигнет 10-15 мкм, поверхностное свечение в основном пропадает. Видны только отдельные вспышки на общем затемненном фоне. Характерный треск, обычно сопровождающий процесс АКМДО, прекращается, и появляется свистящий звук, указывающий на наличие уже высокочастотной генерации искровых микроразрядов. При этом прирост толщины рабочего слоя происходит достаточно интенсивно (4 мкм/мин и более) при общих затратах на процесс всего 1,5 К электричества. Для краткости назовем подобный режим оксидирования высокочастотным режимом формирования слоя (ВРФС). После того как толщина слоя достигнет 40-70 мкм (в зависимо-

сти от параметров импульса), характерный треск снова возникает. Снова появляются и поверхностные искровые разряды, но гораздо меньшей частоты следования, пропадает и свистящий звук. В дальнейшем формирование слоя происходит уже сквозь поры крупного размера (макропоры, которых не так уж и много [1]).

Целью исследования является разработка технологического процесса формирования таких рабочих (плотных) слоев, толщина которых будет определять общую толщину слоя в целом. Продолжительность процесса оксидирования ограничена моментом появления макропор в слое. Предстоит выяснить конкретные электрические параметры катодных импульсов, определяющие максимальные размеры рабочего слоя при минимальных размерах технологического, а также микротвердость созданных рабочих слоев (изучение начинается со стороны подложки).

Оборудование и приборы,

методика эксперимента

Модифицировались образцы из сплава аллюминия АЬ-53 (А1 — 94,5 %, Мё — 2,7-3,7%, остальные элементы в незначительном количестве). Образцы представляли собой цилиндры диаметром 1 см и высотой образующей 0,5 см. За вычетом места крепления образца площадь обработки составляла около 3,0 см2. Использовался электролит: КОН — 2 г/л, Ыа^Юд • 5Н20 — 9,5 г/л. Температура электролита поддерживалась в интервале 15-35 °С.

Морфология поверхности, структура и размерные параметры сечения слоя изучались с применением электронного микроскопа ХЬ

i I

7,53мкм 14,3 мкм 21,1 мкм 27,8 мкм

Рис. 1. Элемент сечения слоя с указанием расположения места микроиндентирования относительно подложки

50мкс), 1,8 мК (100 мкс), 3,6 мК (200 мкс) 5,4 мК (300 мкс), 7,2 мК (400 мкс) соответственно. Напряжение катодного импульса было переменным для каждого эксперимента (для каждой длительности импульса) и составляло 200, 300, 400 и 500 В.

30 SFEG (Philips). Толщину покрытий с поверхности слоя определяли и с помощью прибора Fiscer Dualscope MP40E-S (Helmut Fischer). Параметры импульсного тока и пауз фиксировали с помощью двухлучевого осциллографа TDS2014B (Tektronix). Микротвердость оценивали с помощью прибора Anton Paar MHT-10 Microhardness Tester (Carl Zeiss). Микроиндентирование проводилось через фиксированные промежутки по толщине сформированного слоя, начиная от подложки в сторону поверхности образца. Для получения более точного результата микроидентирование делали по возможности как минимум в трех местах уровня каждой точки пространства толщины слоя (рис. 1). Фазовый состав определяли на полированных поверхностях слоев с помощью установки D8 Advance (Bruker).

Для осуществления процесса АКМДО использовался транзисторный генератор импульсов, подробно описанный в работе [3]. Применялись биполярные, симметричные по длительности, прямоугольные импульсы тока. Длительности импульсов были фиксированы и составляли 50, 100, 200, 300 и 400 мкс. Их параметры взяты из работы [1] как оптимальные с точки зрения возможности проведения процесса АКМДО с высокими плотностями тока. Во всех случаях, кроме специально оговоренных, паузы между анодным и катодным, а также между катодным и анодным импульсами были близки по длительности. Частота следования импульсов определялась как отношение количества электричества на процесс в целом (в данном случае 1,5 К) к суммарному количеству электричества анодного и катодного импульсов. Время оксидирования — 15 мин.

Поскольку изучалось влияние параметров катодной составляющей процесса АКМДО на структуру и микротвердость модифицированного слоя, параметры анодного процесса к началу каждого эксперимента выставлялись неизменными. Напряжение анодного импульса составляло 500 В, плотность импульса анодного тока — 6 А/см2. Количество электричества в импульсе зависило от длительности импульса и оценивалось на уровне 0,9 мК (длительность импульса —

Результаты эксперимента

Было выяснено влияние напряжения катодных импульсов на структуру и микротвердость формируемых рабочих слоев для каждой из выбранных длительностей импульсов. Полученные данные отражены на рис. 2-6. С их помощью легко выделить взаимоопределяющие параметры будущего технологического процесса. К примеру, толщины сформированных рабочих слоев опреде-

а)

Толщина, мкм

б)

Рис. 2. Изменение микротвердости слоев в зависимости от напряжения катодных импульсов (а) и вид сечения этих слоев после АКМДО импульсами 400 мкс и при напряжении катодного импульса (б—д): а: 1 — 500 В; 2 — 400 В; 3 — 300 В; 4 — 200 В; б — 200 В; в — 300 В; г — 400 В; д — 500 В

1летдАБРА™

МЕ1

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

ляют длину хода кривых «микротвердость — толщина слоя» по оси абсцисс каждого из рисунков. По мере снижения толщины рабочего слоя, а следовательно, снижения длительности импульсов и их напряжения, количество точек на кривых (расстояние от подложки) снижается и может достигать, например, 2 (рис. 5, а). А в случае использования для АКМДО длительности импульсов 50 мкс полученные толщины рабочего слоя уже были столь малы, что данные о микротвердости удавалось получить только в одной точке. Именно поэтому на рис. 6, а данные иллюстрируют распределение величин микротвердости на расстоянии только около 5 мкм от подложки для каждого из катодных напряжений процесса АКМДО.

Исследования кристаллической фазы модифицированных слоев, полученных при АКМДО с определенными параметрами им-

а)

С§

1600140012001000800600 400

10 15 20 25 30 Толщина, мкм

35

Рис. 3. Изменение микротвердости слоев в зависимости от напряжения катодных импульсов (а) и вид сечений этих слоев после АКМДО импульсами 300 мкс при напряжении катодного импульса (б—д): а: 1 — 300 В; 2 — 400 В; 3 — 200 В; 4 — 500 В; б — 200 В; в — 300 В; г — 400 В; д — 500 В

15 20 25 30 Толщина, мкм

40 45

б)

40 45

Рис. 4. Изменение микротвердости слоев в зависимости от напряжения катодных импульсов (а) и вид сечений этих слоев после АКМДО импульсами 200 мкс при напряжении катодного импульса (б—д): а: 1 — 400 В; 2 — 300 В; 3 — 200 В; 4 — 500 В;

б — 200 В; в — 300В; г — 400 В; д — 500 В

пульсов (длительность — 300 мкс, анодное напряжение — 500 В, катодное напряжение — 300 и 400 В) позволили индентифи-цировать ее как низкотемпературный эта-оксид алюминия ц—А120з.

Обсуждение результатов

В исследуемом диапазоне варьирования параметрами импульсов процесса АКМДО были получены слои, в некоторых случаях состоящие преимущественно из рабочего слоя. При определенных параметрах импульсов микротвердость, достигала 1500 НУ, ее величина незначительно менялась в зависимости от толщины (см. рис. 4, а). Основными параметрами, определяющими эти свойства, являются длительность импульсов и величина импульсного катодного напряжения. Чем меньше дли-

тельность импульсов (после 300 мкс), тем меньше толщина формируемого рабочего слоя в общей толщине слоя, меньше его микротвердость. При повышении катодного импульсного напряжения (до определенной величины) становится больше толщина рабочего слоя и значительнее его доля в общей толщине сформированного слоя. Очевидно, что разнонап-равленность воздействия указанных параметров на свойства слоя предполагает наличие максимума как по величине толщины рабочего слоя, так и по его микротвердости. Отметим некоторые тонкости в протекании технологического процесса.

Катодное напряжение импульсов 200 В. Уже при этом напряжении в процессе АКМДО удается получить слои, в которых доля рабочего слоя составляет более 50 % (см. рис. 3, а, б). По мере уменьшения длительностей импульсов начиная с 200 мкс общая толщина слоя

15 20 25 30 Толщина, мкм

б)

-  Г .4

...: - -у - -"-.-ч;^-, -

200 300 400

Напряжение, В

500

б)

Рис. 5. Изменение микротвердости слоев в зависимости от напряжения катодных импульсов (а) и вид сечений этих слоев после АКМДО импульсами 100 мкс при напряжении катодного импульса (б—д): а: 1 — 400 В; 2 — 200 В; 3 — 300В; 4 — 500 В; б — 200 В; в — 300 В; г — 400В; д — 500 В

Рис. 6. Микротвердость слоев толщиной 5 мм в зависимости от от напряжения катодных импульсов (а) и вид сечения этих слоев после АКМДО импульсами 50 мкс при напряжении катодного импульса (б—д): б — 200 В; в — 300 В; г — 400 В; д — 500 В

формируемых слоев становится меньше. Причина — снижение производительности анодного электрохимического процесса формирования плеки оксида в связи с запаздыванием скорости формирования величины потенциала электрохимической реакции относительно тока, определяющего его при малых длительностях импульсов [1]. Снижается и доля рабочего слоя в общей толщине слоя. Уже при длительности 100 мкс доля рабочего слоя не превышает 10-20 % (остальное — технологический слой), а при длительности импульса 50 мкс, она составляет не более 10 %. Микротвердость рабочего слоя наиболее высока при длительностях импульсов 300 мкс 1300+100 НУ. По мере дальнейшего снижения длительности импульса до 50 мкс микротвердость становится все меньше и меньше, причем достаточно интенсивно (до 500 НУ (рис. 5, а, б). Очевидно, спад толщины рабочего слоя и величины его микротвердости связан со снижением теплового воздействия искровых катодных разрядов на

процесс формирования оксидов. Причина — снижение энергии разрядов по мере уменьшения длительности импульсов.

Катодное напряжение импульсов 300-400 В. Осуществление процесса АКМДО с такими параметрами импульсов позволило получить модифицированные слои с очень высоким процентным соотношением доли рабочего слоя в общей толщине слоя (длительность — 400200 мкс). Местами доля рабочего слоя составляла не менее 80 % (рис. 2-4). При этом микротвердость рабочего слоя была на уровне 1150-1550 НУ. Однако уже при длительности импульса 100 мкс, несмотря на высокое напряжение катодных импульсов, доля рабочего слоя уже начинает снижается, особенно у образцов, модифицированных с использованием импульсов с напряжением 300 В (около 40 %). Наблюдается падение величины микротвердости рабочего слоя по мере удаления по его толщине от подложки. При использовании длительностей импульса 50 мкс доля рабочего слоя в общей его толщине очень мала. Незначительна и микротвердость слоя в зоне около подложки. Она составила всего 400-700 НУ (рис. 6).

Катодное напряжение импульсов 500 В. Повышение катодного напряжения не привело к ожидаемому улучшению своств модифицированного слоя, а напротив, ухудшило результаты, полученные ранее. Наибольшая доля толщины рабочего слоя в общей толщине слоя была получена при использовании длительности импульсов 400 мкс, причем она составила всего около 50 %. Микротвердость рабочего слоя значительно сокращалась по величине от подложки в толщу слоя. По мере снижения длительности импульса показатели качества слоя ухудшились еще больше. К положительному моменту микрооксидирования импульсами с такими параметрами можно отнести лишь появившуюся возможность формирования небольшого рабочего слоя при оксидировании импульсами длительностью 50 мкс, хотя микротвердость этого слоя невелика (рис. 6, а, д).

Отметим общую негативную тенденцию свойств модифицированных покрытий, сформированных при АКМДО с использованием импульсного катодного напряжения 500 В. В отдельных случаях наблюдается отслаивание участков технологического слоя (рис. 5, г). Возможная причина данного явления — повышение уровня остаточных напряжений и формирование технологического слоя с пустотелыми образованиями, полученными в результате выпаривания из них оксидноэлект-ролитной смеси (рис. 7).

б)

Рис. 7. Поверхности модифицированного слоя с пустотелыми образованиями

Отсутствие в рабочем слое высокотемпературных а- и Р-оксидов, очевидно, можно объяснить недостаточными термическими и химическими условиями, создаваемыми при выполнении АКМДО в изучаемых нами условиях. Напомним, что это режим, не сопровождающийся появлением видимых на поверхности образца искровых разрядов (есть микроразряды внутри пор). Возможно, именно поэтому, в слое и преобладает ^-А12Оз. Дополнительной причиной, сопутствующей формированию подобного оксида, может быть отсутствие в катодной составляющей определенных электрохимических процессов, отдельные образования которых служат «затравкой» для начала гамма-альфа фазового перехода [4]. В условиях нашего эксперимента последнее вполне возможно, поскольку используемые для АКМДО прямоугольные импульсы тока предусматривают режим отсечения катодного электрохимического процесса одновременно с отключением искрового (крутой задний фронт импульса).

Выводы

Показана возможность широкого управления структурой и микротвердостью модифицированных слоев в процессе микродугового оксидирования на стадии формирования микропор, когда искровые микроразряды на поверхности образцов еще не видимы. Определены электрические параметры катодной части процесса микродугового оксидирования, применение которых обеспечивает максимальную долю рабочего слоя в общей модифицированной толщине с максимальной микротвердостью, (1300 ± 100) НУ. Исследования кристаллической фазы модифицированных слоев, полученных в этих условиях, позволили индентифицировать ее, как низкотемпературный оксид ^-А12Оз.

Литература

1. Рыбалко А. В., Сахин О., Месяц А. А. Некоторые особенности процесса микродугового оксидирования при высоких плотностях тока // Металлообработка. 2010. № 2. С. 30-38.

2. Суминов И. В., Эпельфельд А. В., Людин В. Б. и др. Микродуговое оксидирование // М.: Экомет, 2005. 352 с.

3. Рыбалко А. В., Сахин О., Крит Б. Л. и др. О возможности снижения энергозатрат процесса микродугового оксидирования // Металлообработка. 2010. №2 1. С.28-33.

4. Слонова А. И., Терлеева О. П. Морфология, структура и фазовый состав микроплазменных покрытий, сформированных на сплаве Al-Cu-Mg // Защита металлов. 2008. Т. 44, № 1. С. 72-83.

УДК 621.719.048.4

Возможности электролитно-плазменного полирования при обработке деталей с различным начальным уровнем шероховатости поверхности

В. И. Новиков, А. И. Попов, М. И. Тюхтяев, М. Н. Зейдан

В настоящее время основными способами обработки деталей со сложными поверхностями (турбинные лопатки, лопасти гребных винтов) все еще остаются шлифование и ручная финишная полировка [1]. Предлагаемый для внедрения электролитно-плазменный метод полирования позволяет отказаться от ручного труда, и лишен недостатков элект-

а)

б) Высота рельефа, мкм 5,0

рохимического полирования, поскольку проводится в среде нетоксичных электролитов малой концентрации. Электролитно-плазмен-ное полирование (ЭПП) — финишная операция, при которой размеры обработанной поверхности практически не изменяются, а изменяется только шероховатость [2]. К технологическим параметрам процесса ЭПП относятся: состав электролита, концентрация и температура электролита, напряжение, сила тока, продолжительность полирования [3].

ОАО «Завод турбинных лопаток» использует традиционный технологический процесс. Полирование электролитно-плазменным методом сталей 15Х11МФШ12Х13, используемых на ОАО «Завод турбинных лопаток», производилось в течение 10 мин в среде водного раствора сернокислого натрия (Ма2804) с кон-

0,0

0£ 3,9 4,0 ДлиНа рельефа, мм

-5,0

з) Высота рельефа, мкм

0,0

-5,0

Л ^ /ч ---

^ V/ УЛ/ - ^ 0,3 - 0,9 -----'"Г - ^ Ч/'Л/^'Д^Л 19 1,9 Длина рельефа, мм

Рис. 1. Полированный образец (а) и профилограммы поверхности до (б) и после (1, б) полирования: а = 0,396 мкм; б — = 0,143 мкм; Яа = 0,86 мкм