СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ИЗДЕЛИЕ
PROCEDURE FOR APPLICATION OF CORROSION-RESISTANT COATING OF ALUMINIUM OXIDE ON METAL ITEM

Изобретение относится к защитным покрытиям на основе алюминия, а именно к способам получения коррозионно-стойкого покрытия на основе алюминия с высоким уровнем адгезии, методом термического разложения алюмоорганического соединения, и может применяться в авиационной, машиностроительной, приборостроительной, автомобильной промышленности для защиты поверхности металлических изделий от коррозии, а также улучшения свинчиваемости крепежных деталей.
Алюминий обладает склонностью к окислению на воздухе и образованию на поверхности естественного оксидного слоя, толщина которого не превышает 1 мкм. Известно, что микротвердость оксида алюминия значительно выше микротвердости чистого алюминия, но малая толщина оксидного слоя не позволяет обеспечить защиту от механических повреждений. Для увеличения толщины оксидного слоя на поверхности алюминия применяется анодное и химическое оксидирование.
Известно более двадцати способов нанесения алюминиевых покрытий, в т.ч. гальваническими методами. Наиболее применяемыми являются горячее, а также газотермическое алюминирование. Их общим недостатком является невозможность получения равномерного по толщине покрытия на изделиях сложной конфигурации и вредное воздействие на окружающую среду.
Известен способ нанесения коррозионно-стойкого алюминиевого покрытия из паровой фазы алюмоорганического соединения. Данный способ включает в себя получение алюминиевого покрытия путем пиролитического разложения паров алюмоорганического соединения в атмосфере сухого инертного газа (патент Великобритании №868845).
Основным недостатком наносимого данным способом покрытия является низкая механическая прочность слоя алюминия: покрытие нестойкое, в месте контакта с ответной деталью наблюдается его полное удаление.
Известен способ нанесения покрытия на основе алюминия для труб. Данный способ включает в себя газотермическое нанесение на внешнюю поверхность трубы сплава, содержащего 88 мас.% алюминия и 12 мас.% кремния (патент США №6554992).
Недостатком данного способа является невозможность нанесения покрытия на изделия сложной геометрической формы, с выступами, отверстиями, тела вращения и т.д.
Известен способ нанесения защитного коррозионно-стойкого покрытия на изделия из жаропрочного никелевого сплава. Способ включает нанесение покрытия из сплава на основе алюминия, содержащего платину, палладий или другие элементы при температурах более 1000°С на жаропрочные сплавы, применяемые в авиации (патент США №6533875).
Данный способ нанесения покрытия не нашел широкого применения из-за экономической неэффективности, обусловленной высокой температурой нагрева в течение продолжительного времени (~10 ч).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и принятым за прототип является способ нанесения оксида алюминия путем разложения паров алюмоорганических соединений, в т.ч. кислородсодержащих. Данный способ включает в себя:
- перевод алюмоорганического соединения в пар путем нагрева;
- подачу паров к покрываемой детали, нагретой до температуры разложения алюмоорганического соединения (300-700°С);
- разложение на поверхности покрываемой детали паров алюмоорганического соединения с образованием слоя оксида алюминия (патент США №6037003).
Недостатком данного способа является невозможность получить электрохимическую защиту от коррозии покрываемых металлов: при нарушении целостности покрытия возникают коррозионные процессы на поверхности покрытого изделия. Это вызвано диэлектрическими свойствами осаждаемого оксида алюминия.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа нанесения покрытия на металлические изделия, обеспечивающего получение оксидоалюминиевого покрытия, обладающего повышенной коррозионной стойкостью, прочностью сцепления с основой, при этом свинчиваемость резьбовых пар с покрытием, не должна уступать по своим параметрам свинчиваемости резьбовых пар с серийно применяемым хроматированным кадмиевым покрытием.
Для решения поставленной задачи предложен способ нанесения коррозионно-стойкого покрытия оксида алюминия на металлическое изделие путем пиролитического разложения паров кислородсодержащих органических соединений алюминия, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия оксида алюминия на металлическое изделие наносят подслой чистого алюминия, полученный пиролитическим разложением триизобутилалюминия или диизобутилалюминийгидрида с добавкой диэтилферроцена в количестве 2-5 об.%.
Нанесение алюминия и оксида алюминия осуществляют последовательно в одной реакционной камере.
В качестве кислородсодержащих органических соединений алюминия используют алюминий сек-бутоксид, изопропилат алюминия. Пиролитическое разложение паров кислородсодержащих органических соединений алюминия осуществляют при температуре 240-280°С при давлении, не превышающем 50 Па. Продолжительность процесса осаждения не превышает 1 ч.
Покрытие, наносимое по предлагаемому способу, не ухудшает механические свойства основного изделия. Нанесение подслоя чистого алюминия, полученного разложением триизобутилалюминия или диизобутилалюминийгидрида с добавкой диэтилферроцена в количестве 2-5 об.%, обеспечивает получение покрытия с повышенной коррозионной стойкостью, за счет электрохимической способности чистого алюминия анодно защищать основное изделие. Прочность сцепления обеспечивается за счет поверхностного диффузионного внедрения чистого алюминия в материал основного изделия при температуре 240-280°С. Микротвердость чистого алюминия близка к микротвердости кадмия, что позволяет обеспечить свинчиваемость резьбовых пар с покрытием, наносимым по предлагаемому способу, на уровне свинчиваемости резьбовых пар с серийно применяемым хроматированным кадмиевым покрытием.
Примеры осуществления:
Пример 1
Нанесение покрытия оксида алюминия с подслоем чистого алюминия на кронштейн из стали 30ХГСА, шероховатостью Ra=0,32 мкм.
Подслой чистого алюминия нанесли в вакуумной реакционной камере разложением паров триизобутилалюминия при температуре 280°С и давлении, не превышающем 50 Па. Расход триизобутилалюминия составил 20 мл, дополнительно было введено 0,4 мл (2 об.%) каталитической добавки диэтилферроцена. Слой оксида алюминия получили по аналогичным режимам из изопропилата алюминия. Расход изопропилата алюминия составил 10 мл.
На поверхности кронштейна получили покрытие, состоящее из подслоя чистого алюминия толщиной ~10 мкм и слоя оксида алюминия толщиной 1,5-2 мкм.
Шероховатость полученного покрытия соответствует исходной шероховатости кронштейна. Прочность сцепления покрытия с основой оценивали на образцах-свидетелях. Результаты испытаний приведены в таблице.
Пример 2
Нанесение покрытия оксида алюминия с подслоем чистого алюминия на болты 6-30, изготовленные по ОСТ 1.311.03-80 из стали 16ХСН.
Подслой чистого алюминия нанесли в вакуумной реакционной Камере разложением паров диизобутилалюминийгидрида при температуре 240°С и давлении, не превышающем 30 Па. Расход триизобутилалюминия составил 10 мл, дополнительно было введено 0,3 мл (3 об.%) каталитической добавки диэтилферроцена. Слой оксида алюминия получили по аналогичным режимам из алюминий сек-бутоксида. Расход алюминий сек-бутоксида составил 10 мл.
На поверхности болтов получили покрытие, состоящее из подслоя алюминия толщиной 7 мкм и слоя оксида алюминия толщиной 1 мкм.
Прочность сцепления покрытия с основой оценивали на образцах-свидетелях. Оценку свинчиваемости резьбовых пар с покрытием оксида алюминия проводили согласно требованиям стандарта SAE J 174М:1998. Результаты испытаний приведены в таблице.
Пример 3
Нанесение покрытия оксида алюминия с подслоем чистого алюминия на лопатки ГТД из никелевого сплава.
Подслой чистого алюминия нанесли при температуре 260°С и давлении, не превышающем 50 Па. Расход триизобутилалюминия составил 10 мл, дополнительно было введено 0,5 мл (5 об.%) каталитической добавки диэтилферроцена. Слой оксида алюминия получили по аналогичным режимам из алюминий сек-бутоксида. Расход алюминий сек-бутоксида составил 10 мл.
На поверхности лопаток получили покрытие, состоящее из подслоя алюминия толщиной 7 мкм и слоя оксида алюминия толщиной 1 мкм. Продольный шлиф показал наличие покрытия во внутренних полостях лопатки.
Прочность сцепления покрытия с основой оценивали на образцах-свидетелях. Результаты испытаний приведены в таблице.
Пример 4
Нанесение покрытия оксида алюминия на корпус охладителя по способу, описанному в прототипе.
Покрытие оксида алюминия наносили путем пиролитического разложения паров эквимолярной смеси триэтилалюминий+алюминий сек-бутоксид при температуре 400°С и атмосферном давлении в среде сухого азота. Расход смеси триэтилалюминий + алюминий сек-бутоксид составил 4 мл.
На поверхности корпуса охладителя получили покрытие оксида алюминия толщиной 1 мкм.
Прочность сцепления покрытия с основой оценивали на образцах-свидетелях. Результаты испытаний приведены в таблице.
Как видно из приведенных данных, предлагаемый способ позволяет получать покрытия с высокой коррозионной стойкостью, прочностью сцепления с изделием, свинчиваемостью резьбовых пар.
Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечит защиту поверхности металлических изделий, в том числе и крепежных деталей от коррозии, повысит ресурс и надежность изделий.
Пример
Время до появления первых очагов коррозии изделия, ч по ГОСТ
Адгезия по ГОСТ
Свинчиваемость по стандарту SAEJ 174М:1998
1
810
Вздутий, сколов, отслаивания покрытия не обнаружено.
Не определялась
2
720
Вздутий, сколов, отслаивания покрытия не обнаружено.
Достигаются необходимые условия затяжки: крутящий момент затяжки на 10-15% ниже (в сравнении с покрытием Cd 6-9 Хр); отмечены высокие смазывающие свойства покрытия.
3
780
Вздутий, сколов, отслаивания покрытия не обнаружено.
Не определялась
4
72
Вздутий, сколов не обнаружено, наблюдалось отслаивание покрытия в некоторых образцах
Не определялась