Технологический источник тока для процесса микроплазменного оксидирования

УДК 621.318

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА ДЛЯ ПРОЦЕССА МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

© 2011 г. В.П. Гринченкое, А.В. Большенко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассмотрена технология микроплазменного оксидирования, проведены обзор и классификация электрических режимов процесса микроплазменного оксидирования, а также обзор известных схемотехнических решений построения технологических источников тока для микроплазменного оксидирования, обозначены их преимущества и недостатки. Сформированы требования к технологическому источнику тока, позволяющего получать покрытия с качественно новыми характеристиками.

Ключевые слова: микроплазменное оксидирование; микродуговое оксидирование; источник питания; система управления.

Considered the micro-arc technology, the review and classification of electric modes of micro-arc process are spent. The review known circuitry decisions of construction of technological current sources for micro-arc process is spent, their advantages and lacks are designated. Requirements to the technological current source are generated, allowing to receive coverings with qualitatively new characteristics.

Keywords: micro-arc oxidation; plasma electrolytic oxidation; power supply; control system.

Микроплазменное оксидирование (МПО) - сравнительно новый и перспективный вид поверхностной обработки и упрочнения главным образом металлических материалов, берущий свое начало от традиционного анодирования и соответственно относящийся к электрохимическим процессам. Метод МПО позволяет получать многофункциональные керамикоподоб-ные покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия.

Сущность метода микроплазменного оксидирования заключается в высоковольтной поляризации, в результате которой на поверхности возникают микроплазменные разряды, сопровождаемые высокими локальными температурами и давлениями.

Поверхностные микроразряды оказывают весьма существенное и специфическое воздействие на формирующееся покрытие, в результате которого состав и структура получаемых оксидных слоев существенно отличаются, а их свойства существенно улучшаются по сравнению с обычными анодными пленками. Другими положительными отличительными чертами процесса микроплазменного оксидирования являются его экологичность, а также отсутствие необходимости тщательной предварительной подготовки поверхности в начале технологической цепочки и применения холодильного оборудования для получения относительно толстых покрытий.

Типовая установка для процесса МПО (рис. 1) состоит из гальванической ванны, технологического

источника тока, системы охлаждения и перемешивания электролита, и системы вентиляции. Перемешивание электролита реализуется или продувом воздуха через электролит путем барботажа, или механическим перемешиванием при помощи мешалки. Состав оборудования конкретной установки определяется ее технико-экономическими параметрами, такими как назначение формируемого покрытия, максимальные размеры обрабатываемых деталей, производительность, стоимость и т.д.

С точки зрения управления технологическими процессами, в рассматриваемых установках можно выделить следующие объекты: технологический источник тока для управления электрическим режимом, система прокачки электролита для перемешивания и охлаждения электролита, система охлаждения электролита, система вентиляции для отвода выделяющихся газов. Структура, состав и физико-химические свойства формируемых покрытий непосредственно зависят от состава электролита, материала детали, режима поляризации, температуры и плотности электролита. Состав электролита и состав обрабатываемого материала определяются на начальной стадии подготовки процесса МПО, а управление режимами обработки поверхности материалов осуществляется изменением параметров поляризующего напряжения, формируемого технологическим источником тока. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства формируемых покрытий, является режим поляризации, определяемый электрическим режимом технологического источника тока (ТИТ).

Рис. 1. Структурная схема типовой установки для микроплазменного оксидирования

Обзор различных литературных источников (публикаций, патентов т.д.) показал наличие большого числа различных электрических режимов ТИТ, используемых при поверхностной обработке микроплазменным методом для получения покрытий с определенным набором физико-химических свойств. Как правило, эти работы содержат также информацию о составе электролита и режиме поляризации. В некоторых случаях приводится схемотехника источника питания для реализации того или иного метода микроплазменного оксидирования.

Проведенный анализ ТИТ позволил классифицировать используемые на практике электрические режимы формирования МПО-покрытий (рис. 2).

Большинство ТИТ, реализующих указанные режимы, построены на основе конденсаторных схем, которые позволяют формировать на выходе ТИТ импульсы тока с частотой питающей сети. В некоторых схемах ТИТ используются методы удвоения напряжения. Однако общим недостатком этих схем является низкая нагрузочная способность. В регулируемых ТИТ для реализации униполярного режима используется управляемый тиристорный выпрямитель, а для биполярного режима - реверсивный тиристорный выпрямитель. Тиристорные выпрямители позволяют производить регулировку величины выходного тока посредством изменения угла отпирания тиристоров, что дает возможность автоматического поддержания необходимого режима процесса МПО за счет использования соответствующей системы управления. Однако предлагаемые варианты ТИТ имеют ограниченный диапазон регулирования параметров выходных величин (выходного тока, напряжения, длительности импульсов и др.), что резко сужает спектр возможных свойств формируемых покрытий.

На рынке представлены промышленные образцы ТИТ [1] нескольких производителей оборудования для обеспечения процесса МПО. Однако технические характеристики этих ТИТ позволяют реализовать лишь ограниченный диапазон электрических режимов формирования МПО-покрытий. Кроме того, существенным недостатком промышленных ТИТ является фиксированная частота выходных импульсов напряжения, которая равна 50 Гц при однофазном и 300 Гц при трехфазном питании.

Повышение качества покрытий и получение в них новых физико-химических свойств возможно двумя способами: разработкой и использованием новых составов электролита или применением специальных электрических режимов формирования покрытий. В настоящее время проведено большое число исследований свойств покрытий от компонентного состава электролита, который, как правило, является уникальным для каждого материала и режима. Более перспективным направлением в плане качественного повышения свойств покрытий является расширение функциональных возможностей ТИТ, что подтверждается большим числом опубликованных в последнее время результатов экспериментальных исследований зависимости физико-химических параметров покрытий от электрического режима работы ТИТ.

Особо следует отметить исследования, проводимые сотрудниками Томского государственного университета [2, 3], в работах которых представлены результаты исследования процесса МПО, а также математические модели, описывающие процессы на границе раздела металл - электролит и дана оценка влияния параметров поляризации на свойства формируемых покрытий.

Рис. 2. Классификация режимов микроплазменного оксидирования

Авторы установили зависимость вольт-амперной характеристики (ВАХ) системы металл - оксид -электролит от состава электролита и материала обрабатываемой детали. ВАХ системы металл - оксид -электролит зависит от свойств материала заготовки (сплав, степень отжига и др.). Установлено, что знание вольт-амперных зависимостей дает возможность прогнозировать свойства покрытий еще на стадии их формирования, а также позволяет управлять процессом формирования покрытий с заданными свойствами посредством корректировки электрических параметров ТИТ.

Исследования [3] показали, что форма ВАХ и динамика их изменения на начальном этапе формирования покрытия при одинаковых параметрах системы и одинаковом составе электролита существенно зависят от материала заготовки. Каждому сплаву соответствует своя, характерная только ему вольтамперная зависимость, отражающая его химический состав.

Авторами [4] получены данные о влиянии анодной и катодной составляющих реверсивного асимметричного тока на процесс формирования микроплазменных покрытий, которые позволяют подбирать режим поляризации для получения покрытия с заданными функциональными возможностями.

Установлено, что процесс микроплазменного оксидирования сопровождается выделением большого количества тепловой энергии и снижением плотности электролита [5, 6]. Температура и плотность электролита являются лимитирующими факторами в процессе МПО. Превышение температуры выше допустимого значения влечет за собой необратимое ухудшение свойств покрытия. Аналогичное явление наблюдается и при снижении плотности электролита. Таким образом, немаловажной функцией ТИТ является контроль

температуры и плотности электролита и в случае превышения температуры заданного значения следует или приостановить процесс МПО, или корректировать электрические параметры ТИТ.

При снижении плотности электролита необходимо прекратить процесс для замены электролита, что ведет к производственному браку. Для исключения этого, система управления ТИТ должна прогнозировать пригодность электролита для завершения полного цикла процесса МПО и в случае возникновения аварийной ситуации оповестить оператора о необходимости смены электролита между полными циклами обработки.

Анализ известных способов и режимов проведения процесса МПО, а также результатов последних исследований позволил сформировать функциональные требования к ТИТ, который позволит получать МПО-покрытия с заданным набором свойств и проводить экспресс-диагностику материала заготовки.

Проектируемый ТИТ должен обеспечивать следующие режимы и функции:

- реализацию импульсного и непрерывного режима работы;

- прямоугольная форма импульсов выходного напряжения;

- униполярный и биполярный режим выходного напряжения;

- раздельная регулировка амплитудных значений выходного тока и напряжения;

- раздельная регулировка средних значений выходного тока и напряжения;

- раздельная регулировка длительностей анодных и катодных импульсов напряжения;

- автоматическое включение и выключение системы вентиляции, охлаждения и перемешивания электролита;

- регистрация ВАХ на начальной стадии процесса МПО и непосредственно во время процесса;

- возможность использования различных режимов работы на заданных участках времени процесса оксидирования;

- мониторинг и протоколирование основных параметров процесса МПО;

- расчет ресурса электролита;

- автоматическое изменение параметров процесса МПО или его приостановка при превышении температуры заданного значения;

- наличие базы данных параметров процесса МПО, которая содержит информацию о параметрах процесса, полученную как эмпирическим путем, так и аналитическим, используя параметрическую модель процесса, с возможностью ее пополнения;

- реализация алгоритма экспресс-диагностики материала заготовки.

Технические характеристики ТИТ зависят от его назначения и требований производства.

Максимальные амплитудные и средние значения выходного тока и напряжения определяются исходя из площади обрабатываемой детали и метода МПО. Как правило, значение плотности тока в импульсном режиме лежит в пределах 10^100 А/дм2. Амплитудное значение выходного напряжения также зависит от метода МПО и материала обрабатываемой детали и лежит в пределах 100^1000В.

Контроль плотности электролита может осуществляться или непосредственным измерением с помощью датчика плотности или косвенным (расчетный метод), при котором вычисляется количество электричества, пройденного через гальваническую ванну. Второй метод является более рациональным, не требующим применения дополнительных элементов.

Контроль температуры электролита обычно проводится непосредственным измерением датчиком температуры, погруженным в раствор электролита.

Поступила в редакцию

Немаловажным требованием к ТИТ является обеспечение заданного значения коэффициента мощности, что вызвано ужесточением требований по электромагнитной совместимости потребителей электроэнергии. Помимо этого, к ТИТ и установке в целом предъявляются повышенные требования по безопасности.

Таким образом, спроектированный на основе вышеперечисленных требований ТИТ для процесса МПО позволит в значительной степени расширить спектр свойств получаемых покрытий и номенклатуру обрабатываемых деталей. Снижение коэффициента потребляемой мощности позволит повысить энергоэффективность процесса МПО. При этом весь процесс МПО будет максимально автоматизированным и безопасным.

Литература

1. НПП «Техника и технологии электрохимии»: сайт. URL: http://tte-tomsk.ru/ (дата обращения 12.09.2010).

2. Будницкая Ю.Ю. Конструирование и технология получения оксидных покрытий с заданными физико-химическими свойствами в импульсном микроплазменном режиме : дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2003. 200 с.

3. Мамаева В.А. Физико-химия процессов на границе раздела фаз при высокоэнергетическом импульсном воздействии : дис. ... д-ра хим. наук. Томск, 2007. 310 с.

4. Магурова Ю.В. Формирование микроплазменных покрытий на сплавах алюминия, легированных Си, Mg и Si, из водных растворов электролитов на переменном токе : дис. ... канд. техн. наук. М., 1994. 197 с.

5. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) / И.В. Суминов [и др.]. М., 2005.

6. Микродуговое оксидирование (обзор) / И.В. Суминов [и др.] // Приборы. 2001. № 9. С. 13 - 23.

9 июля 2011 г.

Гринченков Валерий Петрович - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-51-13. E-mail: grinvp@yandex.ru

Большенко Андрей Викторович - инженер-программист, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: bolwoi@rambler.ru

Grinchenkov Valery Petrovich - Candidate of Technical Sciences, professor, department Electric and electronic devices» South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-51-13. E-mail: grinvp@yandex.ru

Bolshenko Andrey Viktorovich - programming engineer, department Electric and electronic devices» South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: bolwoi@rambler.ru