Устройство для электрохимического формирования керамикоподобных покрытий на поверхностях изделий из вентильных металлов
DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL FORMATION OF CERAMIC-LIKE COATINGS ON THE SURFACES OF PRODUCTS MADE OF VALVE METALS

Изобретение относится к области гальванотехники, в частности - к микродуговому оксидированию и может быть использовано для формирования на поверхностях изделий из вентильных металлов керамикоподобных износо- и термостойких, электроизоляционных, коррозионно-защитных и декоративных покрытий и может применяться в машино- и приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности.
Известно устройство, состоящее из источника питания с двумя клеммами, последовательно соединенных батареи электрических конденсаторов, двух встречно-параллельно включенных тиристоров с системой импульсно-фазового управления и электролитной ванны с размещенной в ней обрабатываемой деталью, закрепленной на токоподводе, в котором микродуговое оксидирование вентильных металлов и сплавов осуществляется в электролите под воздействием импульсов переменного напряжения с регулируемыми фронтами, что позволяет управлять процессами зажигания микродугового разряда в ведомом нагрузкой режиме. (И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд, В.Б. Людин, Б.Л. Крит, А.М. Борисов. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) - М.: ЭКОМЕТ, 2005, с. 156-157).
k
a
Недостатком данного устройства является то, что микродуговое оксидирование может проводиться в анодно-катодном режиме только при равных значениях катодного и анодного токов (I=I) и отсутствует возможность обработки в однополярных анодном или катодном режимах. Это существенно ограничивает технологические возможности устройства, сужая круг обрабатываемых вентильных металлов и сплавов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа устройство для нанесения электролитических покрытий на поверхности металлов или сплавов, состоящее из двух входных клемм, трех батарей электрических конденсаторов, четырех тиристоров с узлами гальванической развязки цепей управления, формирователя импульсов синхронизации, двух систем импульсно-фазового управления тиристорами и электролитной ванны с размещенной в ней обрабатываемой деталью, которое обеспечивает проведение процесса в анодно-катодном режиме с регулируемым соотношением катодного и анодного токов (Патент RU 90442, Опубл. 10.01.2010 г).
Недостатком данного устройства, в том числе технической проблемой, является то, что отсутствует возможность проведения электрохимического процесса в чисто анодном или катодном режимах, в анодно-катодных ведомых нагрузкой режимах с регулируемыми фронтами импульсов напряжения, а также не позволяет реализовывать циклическую мультирежимную обработку. Это ограничивает возможности нанесения высококачественных электролитических покрытий на поверхности изделий из вентильных металлов.
В основу заявленного изобретения был положен технический результат - повышение качества керамикоподобных упрочняющих покрытий формируемых на поверхностях изделий, и расширение возможностей технологии микродугового оксидирования за счет использования мультирежимной обработки.
Технический результат достигается тем, что устройство для электрохимического формирования керамикоподобных покрытий на поверхностях изделий из вентильных металлов, содержащее источник питания с двумя клеммами, электролитную ванну с размещенным в ней обрабатываемым изделием, две батареи электрических конденсаторов, четыре тиристора с четырьмя узлами гальванической развязки цепей управления, программно-аппаратную систему управления, причем первые обкладки батарей электрических конденсаторов подключены к первой клемме источника питания, ко второй обкладке первой батареи электрических конденсаторов подключены катод первого и анод второго тиристоров, а ко второй обкладке второй батареи электрических конденсаторов - катод третьего и анод четвертого тиристоров, анод первого и катод четвертого тиристоров подключены ко второй клемме источника питания и корпусу электролитной ванны, обрабатываемое изделие подключено к катоду второго и аноду третьего тиристоров, к управляющим переходам четырех тиристоров подключены выходы четырех узлов гальванической развязки цепей управления, к входам которых подключены выходы программно-аппаратной системы управления режимом, первый вход которой подключен ко второй обкладке первой батареи электрических конденсаторов, а второй вход - ко второй обкладке второй батареи электрических конденсаторов, при этом устройство снабжено пятым и шестым тиристорами с узлами гальванической развязки цепей управления, причем, анод пятого тиристора подключен к катодам второго и шестого и аноду третьего, а катод пятого тиристора соединен с анодом второго, анод шестого тиристора подключен к катоду третьего, к управляющим переходам пятого и шестого тиристоров подключены выходы двух узлов гальванической развязки цепей управления, к входам которых подключены выходы программно-аппаратной системы управления режимом. Изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 схематично представлена функциональная электрическая схема устройства для электрохимического формирования керамикоподобных покрытий на поверхностях изделий из вентильных металлов.
Устройство для электрохимического формирования керамикоподобных покрытий на поверхностях изделий из вентильных металлов, содержит источник питания с двумя клеммами 1, 2, электролитную ванну 3 с размещенным в ней обрабатываемым изделием 4, две батареи электрических конденсаторов 5, 6, четыре тиристора 7, 8, 9, 10 с четырьмя узлами гальванической развязки 11, 12, 13, 14 цепей управления, программно-аппаратную систему управления 15, причем, первые обкладки батарей электрических конденсаторов 5, 6 подключены к первой клемме 1 источника питания, ко второй обкладке первой батареи электрических конденсаторов 5 подключены катод первого 7 и анод второго 8 тиристоров, а ко второй обкладке второй батареи электрических конденсаторов 6 - катод третьего 9 и анод четвертого 10 тиристоров, анод первого 7 и катод четвертого 10 тиристоров подключены ко второй клемме 2 источника питания и корпусу электролитной ванны 3, обрабатываемое изделие 4 подключено к катоду второго 8 и аноду третьего 9 тиристоров, к управляющим переходам четырех тиристоров 7, 8, 9, 10 подключены выходы четырех узлов гальванической развязки 11, 12, 13, 14 цепей управления, к входам которых подключены выходы программно-аппаратной системы управления режимом 15, первый вход которой подключен ко второй обкладке первой батареи электрических конденсаторов 5, а второй вход - ко второй обкладке второй батареи электрических конденсаторов 6, устройство снабжено пятым 16 и шестым 17 тиристорами с узлами гальванической развязки 18, 19 цепей управления, причем, анод пятого 16 тиристора подключен к катодам второго 8 и шестого 17 и аноду третьего 9, а катод пятого 16 тиристора соединен с анодом второго 8, анод шестого тиристора 17 подключен к катоду третьего 9, к управляющим переходам пятого 16 и шестого 17 тиристоров подключены выходы двух узлов гальванической развязки 18, 19 цепей управления, к входам которых подключены выходы программно-аппаратной системы 15 управления режимом. Устройство работает следующим образом.
В электролитную ванну 3 помещается закрепленное на токоподводе обрабатываемое изделие 4.
К клеммам 1 и 2 подключается источник питания переменного тока промышленной частоты (50 Гц). В соответствии с требуемым для выбранного режима микродугового оксидирования алгоритмом программно-аппаратная система 15 управления режимом формирует управляющие импульсы, поступающие на входы узлов 11, 12, 13, 14, 18 и 19 гальванической развязки цепей управления, а оттуда - на управляющие переходы тиристоров 7, 8, 9, 10, 16 и 17 соответственно. Синхронизация программно-аппаратной системы 15 управления в процессе формирования сигналов управления тиристорами осуществляется от напряжений, прикладываемых между анодом и катодом каждого из тиристоров.
Изменение режима обработки осуществляется за счет изменения алгоритма управления тиристорами 7, 8, 9, 10, 16 и 17 программно-аппаратной системой 15, что позволяет осуществлять эти изменения по завершению каждого такта формирования импульсов управления, то есть в пределах от одного до трех периодов переменного напряжения источника питания. Таким образом, программно-аппаратная система 15 управления режимом позволяет реализовывать как чисто анодный, катодный или анодно-катодный режимы микродугового оксидирования, так и мультирежимную, в том числе циклическую, обработку с быстрой сменой последовательностей отдельных режимов, включая бестоковую паузу.
Например, при запертых 7, 10 и полностью открытых 8, 9, 16, 17 тиристорах обработка осуществляется в анодно-катодном режиме микродугового оксидирования при равенстве анодного и катодного токов. В этом режиме параметры электрических импульсов напряжения, прикладываемого между обрабатываемой деталью 4 и электролитной ванной 3, зависят от суммарной емкости батарей 5 и 6 электрических конденсаторов и параметров модифицированного слоя.
В течение первых секунд процесса на поверхности обрабатываемого металлического материала формируется барьерная анодная оксидная пленка, обладающая униполярной проводимостью в системе металл-оксид-электролит, то есть при приложении положительного потенциала к электролиту, а значит - к анодной оксидной пленке, и отрицательного к металлу подложки - проводимость в системе высокая и наоборот.
Различная проводимость в системе влияет на распределение падений напряжения в последовательной цепи, состоящей из общей емкости батарей 5 и 6 электрических конденсаторов и электролитной ванны 3 с обрабатываемой деталью 4. При высокой проводимости ток, протекающий через эту последовательную цепь, приводит к относительно быстрому заряду батарей 5 и 6 электрических конденсаторов. При низкой проводимости в системе напряжение на батареях 5 и 6 электрических конденсаторов, накопленное в результате предшествующего заряда, складывается с напряжением источника питания, тем самым, повышая напряжение между обрабатываемой деталью 4 и электролитной ванной 3. Это напряжение вызывает электрический пробой анодной оксидной пленки и зажигание разряда в местах пробоя.
Если необходимо модифицировать деталь в ведомом нагрузкой режиме при изменяемом соотношении катодного и анодного токов, то с помощью тиристоров 7 и 10 производится шунтирование нагрузки, состоящей из обрабатываемой детали 4 и электролитной ванны 3. При этом для уменьшения катодного тока через нагрузку программно-аппаратная система 15 управления в заданные моменты действия катодных импульсов напряжения отпирает тиристор 7, а для уменьшения анодного тока -тиристор 10. При обработке в однополярном анодном режиме программно-аппаратная система 15 управления полностью открывает тиристор 7, а в однополярном катодном режиме открывается тиристор 10.
Регулирование напряжений на фронтах приложенных к нагрузке анодных и катодных импульсов осуществляется за счет управления моментами включения пар тиристоров 8, 17 и 9, 16. При превышении заданного значения анодного напряжения на фронте импульса программно-аппаратная система 15 управления отпирает тиристоры 8, 17, тем самым прикладывая импульс анодного напряжения к нагрузке. Аналогично, с помощью тиристоров 9, 16 осуществляется управление фронтом катодных импульсов напряжения на нагрузке.
Устройство также позволяет обеспечить анодно-катодный режим модифицирования с изменяемыми соотношениями катодного и анодного токов и продолжительности функционирования и отсутствия микродуговых разрядов в течение периода следования импульсов напряжения на нагрузке, то есть регулировать жесткость процесса. При работе в этом режиме полностью открыты тиристоры 8, 11 и закрыты тиристоры 7, 17 или полностью открыты тиристоры 9, 17 и закрыты тиристоры 10, 16 при обеспечении соотношения катодного и анодного токов больше или меньше единицы соответственно.
Повышение соотношения катодного и анодного токов больше единицы обеспечивается тем, что в анодный (по отношению к обрабатываемой детали) полупериод выходного напряжения программно-аппаратная 15 система управления открывает тиристор 10, через который от источника питания заряжается батарея 6 электрических конденсаторов. При этом тиристоры 9 и 17 заперты, и анодный ток через открытый тиристор 8 протекает в обрабатываемую деталь 4, а его сила определяется емкостью батареи 5 электрических конденсаторов. В катодный полупериод выходного напряжения ток через обрабатываемую деталь 4 определяется емкостью батареи 5 электрических конденсаторов, а после отпирания в заданный программно-аппаратной системой 15 управления момент времени тиристора 9 - суммой емкостей батарей 5 и 6 электрических конденсаторов. При этом в катодный полупериод открыты тиристоры 8, 16, тиристоры 7, 10, 17 заперты, а момент отпирания тиристора 9 позволяет регулировать жесткость процесса модифицирования.
Снижение соотношения катодного и анодного токов меньше единицы обеспечивается тем, что в катодный полупериод выходного напряжения программно-аппаратная 15 система управления открывает тиристор 7, через который от источника питания заряжается батарея 5 электрических конденсаторов. При этом тиристоры 8, 16 заперты, и катодный ток в обрабатываемую деталь 4 подается через открытый тиристор 9, а его сила определяется емкостью батареи 6 электрических конденсаторов. В анодный полупериод выходного напряжения ток через обрабатываемую деталь 4 определяется емкостью батареи 6 электрических конденсаторов, а после отпирания в заданный программно-аппаратной системой 15 управления момент времени тиристора 8 - суммой емкостей батарей 5 и 6 электрических конденсаторов. При этом в анодный полупериод открыты тиристоры 9, 17 и заперты тиристоры 7, 10, 16, а момент отпирания тиристора 8 позволяет регулировать жесткость процесса модифицирования.
В данном устройстве электрический ток проходит по цепи: поверхность обрабатываемого изделия 4 - электролит 20 - корпус электролитной ванны 3 (основной проти-воэлектрод). Масса вещества покрытия в электрохимическом процессе, согласно закону Фарадея, формируется пропорционально количеству электричества, прошедшего через обрабатываемую поверхность. Таким образом, протекание большой плотности тока через внешнюю поверхность обрабатываемого изделия 4 приведет к более интенсивному формированию покрытия.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает достижение заявленного технического результата - повышение качества керамикоподобных упрочняющих покрытий формируемых на поверхностях изделий, и расширение возможностей технологии микродугового оксидирования за счет использования мультирежимной обработки.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении предназначен для микродугового оксидирования и может быть использовано для формирования на поверхностях изделий из вентильных металлов керамикоподобных износо- и термостойких, электроизоляционных, коррозионно-защитных и декоративных покрытий и может применяться в машино- и приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательный уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.