Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

Д.т.н. А.Е. Михеев, к.т.н. А.В. Гирн, Е.В. Вахтеев, Е.Г. Алексеева,

Д.В. Раводина

 

Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, Россия

 

Процесс формирования поверхностного слоя при микродуговом оксидировании алюминиевых сплавов

 

Микродуговое оксидирование (МДО) перспективный способ поверхностного упрочнения деталей из вентильных металлов (Al, Ti, Mg и др), который позволяет получать керамикоподобные покрытия с высокими механическими, электро- и теплофизическими характеристиками [1-5]. Процесс образования МДО покрытий обладает сложным механизмом и состоит из нескольких стадий, протекающих последовательно – доискровой, искровой, микродуговой и дуговой периоды. Формирование покрытий происходит в результате одновременного воздействия нескольких факторов, таких как плазмохимические, термические, гидродинамические [1]. Все эти три факторы действуют одновременно, хотя степень их воздействия различна в зависимости от условий обработки. Несмотря на большое количество работ посвященных изучению процесса формирования МДО-покрытий единой теории механизма образования и роста покрытий в настоящее время нет. Практически все исследователи сходятся во мнении, что процесс формирования покрытия начинается в доискровой период обработки (1-20 секунд после начала обработки – в зависимости от плотности тока). По наиболее распространенной версии считается, что в этот период происходит образование тонкого оксидного слоя аналогично традиционному анодированию. Некоторые исследователи считают, что этот слой аморфный и безпористый [1,2,6], другие наоборот утверждают, что это слой имеет высокую пористость [7-9]. В дальнейшем (искровой период) по мнению авторов [1,2] происходит электрический пробой плотной анодной пленки в местах зарождения электронных лавин. Часть энергии электронов превращается в теплоту, что значительно повышает температуру в канале пробоя. В местах контакта каналов пробоя с раствором происходит взаимодействие расплавленного вещества пленки с компонентами электролита. В результате таких процессов в МДО слое образуется высокотемпературная модификация оксида алюминия α – Al2O3.

По другой теории [7-9] в порах анодного покрытия в результате электролиза возникают пузыри парогазовой фазы. В этих пузырях происходят электрические разряды, которые являются мощным тепловым источником и причиной возникновения ионизации газа и ударных волн. Разряды приводят к разложению молекул кислорода в газовом пузыре на атомы, которые под действием ударной волны приобретают значительную кинетическую энергию, благодаря чему проникают вглубь металла.

Таким образом, множество предлагаемых теорий формирования покрытия можно разделить на две основные группы [10]: ионный пробой, причиной которого считают внедрение в оксид ионов электролита и соответственно локальный рост его ионной проводимости и электронный пробой, причиной, которого считают «инжектирование» электронов в зону проводимости оксида и электронную лавину, возникающую вследствие ударной ионизации.

Дальнейший рост покрытия обусловлен двумя параллельно протекающими процессами [7-9]:

- экзотермическим взаимодействием окислителей с ювенильной поверхностью дна каналов микроразрядов с последующим окислением испаряющихся атомов металлических компонентов сплава;

- осаждением на поверхности покрытия или втягиванием в каналы микроразрядов оксидов после плазмо- и термохимических преобразований составляющих электролит.

Корректные представления о механизме протекания МДО алюминиевых сплавов позволят управлять этим процессом и получать покрытия с требуемыми структурой и свойствами.

Для выявления механизма формирования МДО покрытия в работе проведено определение структуры и состава покрытия на всех стадиях процесса.

Первым этапом исследований являлось определение динамики формирования МДО покрытий на начальных стадиях. В качестве образца использовалась пластина из сплава АМг-6 размерами 16х20 мм толщиной 3 мм. Для получения качественного изображения структуры на оптическом микроскопе образец был предварительно отполирован. Микроструктура образца без обработки представлена на рисунке 1а. Нанесение покрытий производилось на установке ИАТ-Т в щелочном электролите содержащем NaOH (5 г/л) и Na2SiO3 (10 г/л). Установка ИАТ-Т позволяет осуществлять независимую регулировку анодной и катодной составляющих тока.

Для проведения исследований начальных стадий формирования МДО покрытий использовали следующие параметры: соотношение Ik/Iа=1, плотность тока 10 А/дм2. Время обработки: 5, 15, 25, 40, 55, 300 секунд. После каждой обработки образец промывали, сушили и производили исследование микроструктуры поверхности на оптическом микроскопе NEOPHOT 32 на увеличениях x250-x800. после чего образец помещали в электролитическую ванну и продолжали обработку до следующего временного интервала.

В результате экспериментальных исследований выявлено, что первые искровые разряды появляются на поверхности образца через 15 секунд после начала обработки. Напряжение при этом составляло 250 В. До этого покрытие формируется на поверхности образца электрохимическим способом, и очаги нарастания покрытия (барьерный слой) расположены по образцу не равномерно.

Таким образом покрытие растет неравномерно по площади образца и невозможно различить четкий переход от доискровой к искровой стадии по поверхности всего образца. Переход осуществляется в местах, где образовался барьерный слой достаточной толщины (по нашим измерениям 1-2 мкм). Данное наблюдение не согласуется с имеющимися представлении о стадийности нанесения МДО покрытий. Неравномерность нарастания «барьерного слоя» с последующей искровой стадией на нем, по нашим представлениям, связана с неравномерностью распределения напряженности электрического поля по поверхности образца, неравномерностью концентрации действующих веществ электролита.

На втором этапе исследования определяли влияние параметров обработки на формирование микроструктуры в стадии роста.

В качестве образца использовались пластины из сплава АМг-6 размером 100х100мм толщиной 3 мм, без предварительной обработки. Нанесение покрытий производилось на установке ИАТ-Т в двух типах электролитов:

1)     NaOH(5 г/л) + Na2SiO3(10 г/л);

2)     Na2HPO4 *12H2O (40 г/л), Na2B4O7 *10H2O (30 г/л), NaF (10 г/л), H3BO3 (20 г/л)

В процессе обработки изменялись следующие параметры:

Для электролита №1: плотность тока (от 10 до 20 А/дм2), время обработки от 30 до 60 минут.

Для электролита №2: плотность тока (от 30 до 60 А/дм2), время обработки от 5 до 30 минут.

Электронно-микроскопические исследования проведены на растровом электронном микроскопе JSM-7001F при увеличениях от х500 до х10000. Поперечный срез приготовлен методом механического утонения.

Результаты показывают, что в зависимости от времени обработки, меняется динамика роста покрытия. Наблюдается рост покрытия вглубь образца, с большими и ярко выраженными пробойными каналами. С течением времени и увеличением плотности тока происходит закупоривание пробойных каналов посредством осаждения и втягивания в них оксидов, полученных в результате термохимических преобразований составляющих электролита (в данном исследовании оксиды кремния, и фосфора).

Результаты проведенных исследований показывают различия в структуре сформированных покрытий в зависимости от используемого электролита. При этом различия касаются именно внешнего слоя, образуемого в результате термохимических преобразований электролита. Внутренняя структура покрытия, различимая в каналах пробоя остается практически неизменной, так как сформирована оксидированием поверхности образца и состоит из Al2O3.

На электронно-микроскопических изображениях видны внутренние поры "частиц", диаметр пор составляет порядка 0.1-0.2 мкм. Диаметр макропор порядка 5-10 мкм.

Также были проведены микроскопические исследования поперечного слоя получаемых покрытий. Покрытие состоит из двух слоев, не имеющих четкой границы раздела.

На заключительном этапе исследований было проведено определение химического состава формируемых покрытий.

В качестве образцов использовались пластины из сплава АМг-6 100х100мм, толщиной 3 мм, без предварительной обработки. Нанесение покрытий производили в электролите № 1. Плотность тока 20 А/дм2, время обработки от 5 до 120 минут.

Микроанализ химического состава проводили на сканирующем электронном микроскопе GEOL GSM6380 позволяющего измерять поверхностно-химический состав с глубиной проникновения зондирующего излучения от 1 до 3 мкм и выявлять элементы с атомной массой более 3 а.е.м.

Микроанализ покрытий различной толщины показывает, что состав получаемых покрытий зависит от времени обработки. С увеличением продолжительности времени обработки растет процентное содержание соединений полученных в результате термохимических преобразований электролита, по отношению к оксиду алюминия (Al2O3).

Выводы:

1)                В результате проведенных исследований установлено, что в отличие от имеющихся представлений о начальных стадиях процесса микродугового оксидирования, «барьерный слой» растет неравномерно по площади образца и четкой границы между доискровым и искровым режимами процесса не выявлено. Неравномерность нарастания «барьерного слоя» связана с различным распределением напряженности электрического поля по поверхности образца и неравномерностью концентрации компонентов электролита.

2)                В зависимости от применяемых электролитов внутренние слои покрытий состоят в основном из оксида алюминия, а внешние слои содержат соединения, сформированные в результате термохимических преобразований электролита.

Литература

1. Суминов, И.В. Микродуговое оксидирование: теория, технология, оборудование / И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд, В.Б. Людин [и др.]. – М.: Экомет, 2005. –368 с.

2. Черненко, В.И. Получение покрытий анодно-искровым электролизом / В.И. Черненко, Л.И. Снежко, И.И. Папанова. – Л.: Химия, 1991. –128 с.

3. Михеев, А.Е. Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов / А.Е. Михеев, А.В. Гирн, В.В. Стацура, А.А. Голенкова и др. // Вестник машиностроения. – 2003. – .№2. – С.56-63.

4. Гордиенко, П.С. О кинетике образования МДО-покрытий на сплавах алюминия / П.С. Гордиенко // Защита металлов. – 1990. – Т.6, №3. – С.467-470.

5. Мамаев, А.И. Сильнотоковые микролазменные процессы в растворах электролитах / А.И. Мамаев, В.А. Мамаева. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 205. – 255с.

6. Ерохин, А.Л. Модель формирования окидных покрытий при плазменно-электролитическом оксидироваии алюминия в растворах селикатов / А.Л. Ерохин // Физика и химия обработки материалов. – 1996. - №5. – С.39-44.

7. Ракоч, А.Г. Модельные представления о механизме микродугового оксидирования металлических материалов и управление этим процессом / А.Г. Ракоч, В.В. Хохлов, В.А. Баутин, Н.А. Лебедев // Защита металлов. – 2006. – Т.42, №2. – С.173-184.

8. Ракоч, А.Г. Микродуговое оксидирование легких сплавов / А.Г. Ракоч // Металлург. –2010. –№6. – С. 58-61.

9. Дударева, Н.Ю. Моделирование процесса формирования упрочненного слоя при микродуговом оксидировании алюминиевых образцов / Н.Ю. Дударева // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2008. – №3. – С. 63-65.

10. Тихоненко, В.В. Метод микродугового оксидирования / В.В. Тихоненко, А.М. Шкилько // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – 2012. – №2/13. – С. 13-18.