способ электролитического нанесения силикатных покрытий на сплавы алюминия

Формула изобретения

Способ электролитического нанесения силикатных покрытий на сплавы алюминия в щелочном электролите с использованием импульсного однополупериодного напряжения в режиме чередования серий положительных полупериодов амплитудой 100-1000 В с отрицательным полупериодом амплитудой 50-500 В, отличающийся тем, что серии положительных полупериодов включают 2-50 импульсов и чередуются с сериями отрицательных полупериодов, включающих 2-150 импульсов, при этом соотношение количества импульсов в серии отрицательных полупериодов к количеству импульсов в серии положительных полупериодов равномерно уменьшают с 3-1,5 в доискровой стадии электролитического разряда до 1,5-0,5 в дуговой стадии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электролитическому осаждению на аноде неорганических покрытий на сплавы алюминия для защиты изделий, работающих в условиях трения с одновременным воздействием высокотемпературных агрессивных газовых сред.

Известен способ электролитического нанесения силикатных покрытий на алюминий и его сплавы в режиме дугового разряда в электролите, содержащем силикат, гидрооксид щелочного металла и нерастворимые частицы оксидов металлов, при плотности тока 0.02.0.10 A/cм² и постоянном напряжении 150.220 В. По этому способу получают окрашенные силикатные покрытия толщиной 20.30 мкм. Однако такие покрытия нельзя использовать в качестве функциональных износостойких и теплозащитных покрытий.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ электролитического нанесения силикатных покрытий из щелочного электролита в режиме однополупериодного напряжения амплитудой 100.1000 В с наложением через 5.500 положительных полупериодов одного отрицательного с амплитудой 50.500 В [1] Данный способ осуществляют следующим образом. Деталь, являющуюся анодом, погружают в металлическую ванну (катод) и подают положительный потенциал до 200 В для образования первичной окисной пленки. Далее процесс продолжают с подачей отрицательного напряжения последовательно в режимах искрового, микродугового и дугового окисления. При этом получают неоплавленные пористые толстослойные покрытия на ряде металлов, в частности алюминии.

Однако этот способ не позволяет получать равномерные по толщине покрытия на сплавах с гетерогенной структурой, фазы которой значительно различаются по своему анодному поведению в растворах силикатов, например, на заэвтектических сплавах системы "AI-Si" и ее модификаций. Кроме того, высокая пористость получаемых покрытий не позволяет использовать их в качестве износостойких.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества покрытий на сплавах алюминия с гетерогенной структурой. Для решения поставленной задачи процесс электролитического нанесения силикатных покрытий в щелочном электролите ведут при чередовании пачки из 2.50 положительных полупериодов напряжения (n_а) с амплитудой 100.1000 В и 2.150 отрицательных полупериодов (n_к) с амплитудой 50.500 В, соблюдая соотношение количества катодных и анодных полупериодов (n_к/n_a)= 3.1,5 в доискровой стадии и равномерно уменьшая его до (n_к/n_а)=1,5.0,5 в дуговой стадии.

На фиг. 1 показана форма рабочего напряжения, подаваемого на электрохимическую ячейку. Выбор данного режима обусловлен следующими соображениями. Показатели качества силикатных покрытий, полученных плазменно-электролитическим оксидированием, такие, как равномерность по толщине, шероховатость, пористость, микротвердость в значительной степени зависят от качества первичной оксидной пленки ее равномерности и толщины барьерной части. Наращивание первичного оксида при постоянном по знаку положительном потенциале на высоколегированных сплавах алюминия происходит неравномерно из-за значительного различия в анодном поведении структурных составляющих таких сплавов. Фазы, обогащенные алюминием, пассивируются легче и наращивание оксида на них идет быстрее, чем на фазах, обогащенных, например, кремнием, где рост оксида может быть затруднен вследствие большей величины потенциального барьера на границе оксид-электролит. Кроме того, при использовании в качестве электролитов концентрированных водных растворов силикатов на поверхности оксидирования хемисорбируется слой полимерных цепочек кремниевой кислоты и образуется диффузионный слой вблизи анода, что замедляет рост первичного оксида и увеличивает его неравномерность. Поэтому, для формирования плотной и равномерной первичной оксидной пленки на сплавах алюминия с гетерогенной структурой необходимо чередовать процессы наращивания оксида и растворения выступов на его поверхности. С этой целью на доискровой стадии оксидирование проводят, чередуя пачки из 2.50 полупериодов положительного напряжения и 2.150 полупериодов отрицательного напряжения. Минимальное количество полупериодов 2 обусловлено необходимостью устранения поляризационных явлений на электроде во время первого полупериода и проведением нужного физико-химического процесса (наращивания оксида или растворения выступов на его поверхности) во время второго и последующих полупериодов. Соотношение количества положительных и отрицательных полупериодов в пачках определяется фазовым составом оксидируемого сплава: чем разнороднее фаpовый состав сплава, тем меньше n_а и тем больше n_к. При этой количество отрицательных полупериодов n_к должно ограничиваться 150 и не более чем в 3 раза превышать количество положительных n_а, чтобы не допустить полное сплошное или питтинговое растворение первичного оксида и сохранить достаточную производительность процесса.

После достижения напряжения пробоя оксида и перехода оксидирования в плазменно-электролитическую стадию наращивание покрытия происходит в основном за счет плазменно-химических реакций в каналах пробоев первичного оксида. Пробои покрытия происходят как при положительной, так и при отрицательной поляризации электрода, причем в последнем случае они являются более мощными. Для получения твердых равномерных по толщине бездефектных силикатных покрытий необходимо, поддерживая высокую температуру в канале пробоя, создать равномерное интегральное температурное поле в покрытии за счет равномерного распределения и перемещения элементарных пробоев по поверхности оксидирования. В этом случае, наряду с образованием высокотемпературных модификаций оксидов кремния и алюминия, отличающихся повышенной твердостью, значительно уменьшается количество дефектов типа трещин, которые обычно возникают как вследствие разницы коэффициентов термического расширения материалов покрытия и подложки, так и вследствие разницы температур в различных частях самого покрытия и существенно снижают его эксплуатационные характеристики.

Картина равномерного распределения и интенсивного перемещения элементарных пробоев по поверхности оксидирования достигается при равном соотношении длительностей анодного и катодного циклов, которое в нашем случае определяется соотношением количества положительных и отрицательных полупериодов. Поэтому, на плазменно-электролитических стадиях оксидирования соотношение n_к/n_а уменьшают с 3.1,5 до значений, близких к единице. Изменяя, соотношение n_к/n_а в пределах от 1,5 до 0,5 на этих стадиях регулируют мощность, выделяемую в каналах пробоев, и получают требуемые состав, структуру и напряженное состояние покрытия, определяющие его эксплуатационные характеристики.

Способ осуществляют следующим образом. Деталь, являющуюся анодом, погружают в термостатированную металлическую ванну-катод и подают напряжение. Количество положительных полупериодов устанавливают в пределах n_a= 2.50, а количество отрицательных выбирают из соотношения (n_к/n_а)=3.1,5. По мере роста покрытия напряжение плавно увеличивают до достижения напряжения пробоя. Далее процесс ведут, поднимая напряжение и равномерно уменьшая соотношение n_к/n_а до (n_к/n_а)=1,5.0,5 последовательно в режимах искровых, микродуговых и дуговых разрядов (стадии плазменно-электролитического оксидирования) до достижения требуемой толщины покрытия. Примеры, иллюстрирующие изобретение, приведены в таблице.

Образующееся в результате покрытия равномерны по толщине, отличаются низкой шероховатостью поверхности, высокой твердостью, регламентированной пористостью и хорошей адгезией, что позволяет использовать их в качестве теплоизносостойких покрытий. Полученные покрытия были применены для упрочнения и защиты поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и показали 1,5.2-х кратное увеличение их ресурса. Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает получение равномерных по толщине твердых силикатных покрытий с хорошей теплостойкостью на сплавах алюминия с гетерогенной структурой.