Создание диэлектрических слоев на медных деталях методом микродугового оксидирования

УДК 544.653.23; 544.55

В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова

СОЗДАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ НА МЕДНЫХ ДЕТАЛЯХ МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

Исследована возможность формирования на поверхности медной детали алюминиевого подслоя и его последующего преобразования в электроизоляционное покрытие методом микродугового оксидирования. Определено влияние режимов

нанесения подслоя алюминия и режимов микродугового оксидирования на протекание процесса и величину напряжения пробоя. Предложена модель процессов, протекающих на поверхности обрабатываемой детали.

Микродуговое оксидирование, напряжение пробоя, электроизоляционное покрытие

V.A. Koshuro, G.G. Nechaev, A.V. Lyasnikova

CREATION OF DIELECTRIC LAYERS ON COPPER DETAILS USING THE MICROARC OXYGENATING METHOD

The possibility of aluminum intermediate layer formation on the surface of a copper detail and its subsequent transformation to an insulating cover is investigated using the method of microarc oxygenating. The influence of the intermediate aluminum layer mode and MAO clips on the process and size of the breakdown tension is defined. The simulated process patterns found on the surface of the processed part are presented.

Microarc oxygenating, tension of breakdown, electroinsulating cover

Введение

На этапе современного развития техники одной из наиболее актуальных задач является создание материалов с улучшенными или заданными функциональными свойствами, особые требования к которым предъявляются в приборостроении. Наиболее распространенными способами получения новых конструкционных материалов являются: создание композиционных структур и формирование на поверхности изделий функциональных покрытий.

В электротехнике в качестве электроизоляционного материала часто применяется оксид алюминия и композиционные материалы на его основе в виде изделий или в качестве функциональных покрытий, полученных различными способами.

В настоящее время широкое распространение получил процесс микродугового оксидирования (МДО), применяемый для создания функциональных покрытий с 1958 года [1, 2]. Известно, что при МДО алюминиевых сплавов получают слои с высокой механической прочностью и имеющие напряжение пробоя 1500 В [3].

Проводились исследования влияния комплексных анионов, содержащих в своей структуре железо и медь на свойства защитных, износостойких и электроизоляционных покрытий на сплавах алюминия, информации об особенностях формирования покрытия на тонких слоях алюминия, находящихся на поверхности другого металла нет [4].

Постановка задачи

Целью данной работы является разработка технологии нанесения диэлектрического покрытия, изолированного от контактирующих с ней деталей в условиях высоких (до 400 о С) температур, на изделия, обладающие высокими показателями электропроводности.

Методика эксперимента

Для исследований использовались медные образцы в виде стержней квадратного сечения 2^2 мм длиной 150 мм.

Перед нанесением алюминия на боковую поверхность образцов, методом электроискрового легирования (ЭИЛ) на установке ЭФИ - 46А, медные стержни промывались в водном растворе этилового спирта. Алюминий наносился на боковые поверхности послойно при следующих режимах: первые слои наносились при токе от 2 до 2.5 А, последующие слои наносились при уменьшении тока, последний слой наносился при токе 0.8 - 1 А. Количество слоев варьировалось от 25 до 90.

Оксидирование предварительно сформированного слоя алюминия осуществлялось на экспериментальной установке МДО - 1 в щелочном электролите, содержащем 3 г/л NaOH и 10 г/л жидкого стекла натриевого при следующих режимах: процесс оксидирования - анодный, при плотности тока 30-40 А/дм2; перемешивание электролита осуществлялось распределенной подачей в придонную часть электролитической ванны сжатого воздуха; длительность процесса составляла 15 минут.

Контроль геометрических размеров образцов до и после процессов ЭИЛ и МДО производился цифровым микрометром модели МКЦ-0-25-0,001. Структура покрытия и приповерхностного слоя металла основы исследована на шлифах с использованием металлографического микроскопа МИМ8. Оценка толщины покрытия произведена на анализаторе геометрических параметров микрообъектов

77

АГПМ6М с использованием программы графической обработки изображений «Металлограф». Величина напряжения пробоя измерялась на лабораторном стенде «Изучение диэлектрической прочности твердых диэлектриков» МВ 002.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследование микрошлифов медных образцов с алюминиевым слоем, нанесенным методом ЭИЛ, позволило установить: алюминий растекался по поверхности меди, заполняя все дефекты поверхности, включая микротрещины шириной 2 и глубиной 22 мкм; в структуре алюминиевого слоя присутствуют включения меди размером до 4 мкм, возможно, появившихся в результате выброса меди из подложки под воздействием кумулятивных струй, возникающих при электрических разрядах; толщина сформированного алюминиевого слоя варьируется от 20 до 50 мкм (рис. 1).

Рис. 1. Фотография микрошлифа медного образца со слоем алюминия, сформированным методом электроискрового легирования: а - медные частицы в нанесенном алюминии; б - слой алюминия; в - зона термического воздействия

При изучении микрошлифа была обнаружена зона термического воздействия, распространяющаяся в среднем на глубину 37 мкм (рис. 2).

При проведении процесса МДО медных образцов с предварительно сформированным методом ЭИЛ алюминиевым слоем были отмечены следующие особенности:

-для реализации процесса МДО потребовалось вести процесс при повышенной плотности тока; -процесс МДО периодически «затухал» - пропадали микроразряды на оксидируемой поверхности, плотность тока при этом возрастала, а напряжение несколько снижалось. Через некоторое время (от нескольких секунд до минуты) процесс восстанавливался.

Исследование поверхности образцов после МДО позволило установить, что сформировано сплошное малопористое покрытие (рис. 2). Поры являются незатянувшимися каналами разрядов, возникающих при процессе МДО.

Рис. 2. Поверхность медных образцов со слоем алюминия, после МДО

Покрытие имеет участки с различной окраской, неоднородность которой, вероятно, связана с отличиями в химическом составе: темные участки содержат больше оксида меди (рис. 2).

Исследование микрошлифов медных образцов с алюминиевым слоем после МДО показало: покрытие является многослойным, состоящим из оксидной пленки неперерожденного алюминия

(толщина которого зависит от режима и времени проведения процесса МДО) с включениями меди и переходного слоя (рис. 3).

Рис. 3. Фотография микрошлифа медного образца со слоем алюминия после МДО: а - оксидная пленка; б - неперерожденный алюминий; в - переходной слой; г - зона термического воздействия

Переходный слой имеет структуру механической смеси алюминия, меди и медноалюминиевого сплава. Зона термического воздействия на структуру меди после процесса МДО приобрела ярко выраженную границу, глубина распространения зоны термического воздействия осталась практически неизменной после процесса электроискрового легирования и составляет в среднем 34 мкм (рис. 3).

Контроль геометрических размеров образца после процесса МДО показал: несмотря на малое время экспозиции, приращение геометрических размеров составило от 18 до 140 мкм.

Структура алюминиевого подслоя позволяет дать следующее объяснение особенностям протекания процесса МДО: начало процесса имеет характерные особенности, присущие оксидированию деталей из алюминиевых сплавов. Характер процесса изменяется при подходе границы оксидной пленки к частице меди, включенной в алюминий. Ток начинает протекать через медное включение, имеющее значительно меньшее сопротивление, чем оксидный слой. Окисление медного включения происходит при больших плотностях тока и меньших напряжениях, при этом возникновение пробоев оксидного слоя на поверхности алюминия и развитие микроразрядов становится невозможным из-за малой плотности тока, протекающего через остальную поверхность детали. По мере перерождения медного включения в оксид его сопротивление возрастает, повышается плотность тока на остальной поверхности и микроразряды появляются на остальной поверхности обрабатываемого образца.

Результаты измерения пробивного напряжения оксидных покрытий представлены в таблице.

Результаты измерений пробивного напряжения покрытий

Плотность тока при МДО, А/дм2 Длительность процесса оксидирования, мин Толщина оксидного слоя, мкм Пробивное напряжение, кВ

9,5 28 50 0,6

30 10 30 0,3

33,5 15,5 100 0,95

40 13 50 0,55

Наличие медных включений в слое алюминия не сказалось на диэлектрических свойствах сформированных покрытий.

При продолжении процесса МДО до полного перерождения алюминиевого слоя в оксид полученные покрытия разрушаются и отслаиваются при сравнительно небольших механических нагрузках.

Следует отметить, что скорость окисления слоя алюминия, сформированного методом ЭИЛ, значительно выше, чем компактного алюминия. Очевидно, это свидетельствует о наличии значительного количества пор и микротрещин в алюминиевом слое, формируемым методом ЭИЛ, которые увеличивают площадь активной поверхности и скорость образования оксида.

Выводы

В результате проведенного исследования установлено: на медной основе можно получать диэлектрические слои путем формирования слоя алюминия ЭИЛ и преобразования его в оксид методом МДО.

При ЭИЛ происходит термическое воздействие на структуру материала основы.

При МДО окисление медных включений шунтирует процесс образования микроразрядов.

Пробивное напряжение оксидных слоев, сформированных методом МДО, зависит от толщины слоя (достигает величины 1 кВ при толщине оксидного слоя около 100 мкм) и не зависит от плотности тока, при которой было сформировано покрытие.

1. Пат. 3.075.896 США, Кл.204-37. Process for coating titanium articles / L.D. McGraw, J.L. Stockdale (USA); Shuron Optical Company (USA). № 769569; Заявлено 27.10.58; Опубл. 29.01.63.

2. Марков Г.А. Микродуговые и дуговые методы нанесения защитных покрытий / Г.А. Марков, О.П. Терлеева, Е.К. Шулепко // Тр. Моск. ин-та нефти и газа им. И.М. Губкина. М., 1985. С. 54-56.

3. Харитонов Д.Ю. Электроискровые покрытия на алюминии и их свойства / Д.Ю. Харитонов, С.Ю. Гогиш-Клушин, Г.И. Новиков // Вестник АН БССР. Сер. хим. наук. 1987. № 6.

4. Тимошенко А.В. Влияние добавок в электролит оксидирования комплексных соединений на процесс нанесения микроплазменных покрытий и их свойства / А.В. Тимошенко, Ю.В. Магуро,

С.Ю. Артемова // Физика и химия обработки материалов. 1996. № 2. С. 57-64.

ЛИТЕРАТУРА

С. 105-109.

Кошуро Владимир Александрович -

аспирант, ассистент кафедры «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Vladimir A. Koshuro -

Postgraduate, Assistant Lecturer Department of Biotechnical and Medical Devices and Systems

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Нечаев Геннадий Георгиевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Gennady G. Nechaev -

Ph. D., Associate Professor

Department of Biotechnical and Medical Devices

and Systems

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Лясникова Александра Владимировна -

доктор технических наук, заведующая кафедрой «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Alexandra V. Lyasnikovа -

Dr. Sc., Professor

Head: Department of Biotechnical

and Medical Devices and Systems

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 17.08.13, принята к опубликованию 15.09.13