CC BY
21
УДК 621.521
Я. В. Ившин, А. В. Бурмистров, С. И. Саликеев, Е. Н. Капустин
АНОДИРОВАНИЕ СПИРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
Ключевые слова: спиральный вакуумный насос, покрытие спирали, анодно-оксидные пленки, анодирование алюминиевых сплавов, электролитическое окрашивание, сернокислые электролиты.
На основе анализа свойств покрытий спиралей вакуумных насосов, выпускаемых ведущими мировыми производителями, разработан технологический процесс получения покрытия электрохимическим способом.
Keywords: scroll vacuum pump, spiral coating, anodic oxide films, anodized aluminum alloy, electrolytic coloring,
sulfuric acid electrolytes.
Based on the analysis of the properties of coatings foreign counterparts spirals pumps designed process for producing coatings by electrochemical method.
Принцип действия любой спиральной машины основан на перемещении газа за счет периодического изменения объема двух серповидных полостей, образованных между двумя повернутыми друг относительно друга на 180° спиралями. При движении спирали не касаются друг друга, поскольку между ними имеется небольшой зазор (в зависимости от размеров машины ~ 0,08 -0,15 мм). Основными элементами, определяющими все потребительские качества НВСп, являются подвижная и неподвижная спирали. Изучение конструкций зарубежных аналогов НВСп, показывает, что в качестве материала спиралей используются алюминиевые сплавы [1, 2].
Анализ материала спирали зарубежных аналогов насосов с помощью сканирующего электронного микроскопа "EVEX" с рентгенофлюоресцентной приставкой «Sirius SD». показывает, что материал спирали соответствует маркам алюминиевых сплавов АД33; АК, 3105, ММ (согласно ГОСТ 4784-97). На основе спектрального анализа можно заключить, что для всех исследованных спиралей основу покрытия составляет частично гидратированный оксид алюминия, в порах которого хемосорбированы сульфат- ионы [3]. В покрытии в малых количествах могут присутствовать и другие элементы, что свидетельствует о наполнении оксидной пленки с целью ее окрашивания и улучшения противокоррозионных свойств. Измерение микротвердости покрытия с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D» на спиралях зарубежных аналогов показывает, что ее значение находится в пределах 4-5 ГПа при толщина покрытия от 20 до 60мкм. Очевидно, что покрытие получено с помощью процесса анодного оксидирования алюминия. По существующим в России нормам, такой процесс получения покрытия может быть охарактеризован как глубокое или твердое анодирование с последующим наполнением пор.
Исходя из сказанного, следует, что необходимо покрытие поверхности спиральных элементов, которое должно обеспечивать: 0 защиту алюминиевого сплава от воздействия откачиваемой среды;
0 низкий коэффициент трения; 0 равномерность слоя, как по высоте спирали, так
и по радиусу торцевого диска; 0 хороший декоративный вид, поскольку в большинстве случаев неподвижная спираль выполнена заодно с торцевой крышкой, и покрытие наносится одновременно на спираль и внешнюю часть торцевой крышки; 0 толщина покрытия должна составлять 15-60 мкм.
Обзор способов получения анодных покрытий на алюминиевых сплавах
Процесс анодирования нашел широкое применение в качестве защитного и декоративного покрытий алюминиевых сплавов. К свойствам анодных пленок, зависящим от состава анодируемого сплава, относятся: внешний вид (цвет, отражательная способность, прозрачность), защитная способность, износостойкость, масса, плотность, пористость, диэлектрическая прочность. Функциональные свойства сплава обусловливаются в основном его составом и условиями анодного окисления. Предельная толщина, пористость, коррозионная стойкость, твердость покрытия для данного сплава определяются рабочими условиями анодного оксидирования [4,5].
Наиболее широко применяют анодирование в 15-20% растворах серной кислоты, дающее обычные и твердые анодные покрытия. Для получения твердых анодных покрытий в сернокислый электролит иногда добавляют органические кислоты, например, сульфаминовую, щавелевую, меллитовую, лимонную, малоновую.
Покрытие, полученное в растворе хромовой кислоты, очень тонкое (примерно 2-5 мкм); и благодаря этому оно обладает относительно большей мягкостью, чем покрытия, полученные другими методами. Покрытие обладает отличной коррозионной стойкостью при относительно малой толщине, но при этом обладает слабым сопротивлением истиранию и может быть легко повреждено.
Анодирование в растворе щавелевой кислоты требует больших материальных и энергетических
затрат, чем анодирование в серной кислоте. Однако при этом, можно получить довольно плотное покрытие толщиной свыше 60 мкм без использования специальных технологий, при этом толщина покрытия будет линейно увеличиваться во времени. Поэтому щавелевая кислота используется, в основном, при твердом анодировании. При анодировании в щавелевой кислоте требуются более мощные выпрямители и охлаждающее оборудование, чем при сернокислотном анодировании. Вследствие того, что электролит не вызывает корродирование поверхности, щавелевую кислоту можно использовать при работе с образцами, имеющими микротрещины и спайки.
Известен способ получения оксидного композиционного покрытия на алюминии и его сплавах в электролите, содержащем ультрадисперсные алмазы размером 0,001 - 0,120 мкм. [6,7]. Использование кластерных алмазов для получения анодных оксидных пленок на алюминии и сплавах приводит к наполнению пленок нерастворимыми ультрадисперсными алмазами непосредственно во время процесса электролиза и существенному улучшению свойств получаемого неметаллического неорганического композиционного покрытия. Оно имеет высокую коррозионную стойкость, средняя микротвердость полученных покрытий составляет 7 - 15 ГПа при концентрациях 0,05 - 56,0 г/л. Достигается увеличение стойкости к истиранию, соответственно, в 1,25 - 100 раз.
Предложен способ получения
антифрикционного оксидного композиционного покрытия на алюминии и его сплавах включающий электрохимическое оксидирование в электролитах, представляющих собой растворы серной, сульфосалициловой или щавелевой кислоты, в которых суспензированы частицы политетрафторэтилена с использованием переменного асимметричного тока [8]. Частицы фторопласта при наложении переменного асимметричного тока входят в поры покрытия, образующиеся при выделении водорода, тем самым, наполняя пористую пленку и сообщая ей улучшенные свойства. При этом наблюдается снижение коэффициента трения. Промышленностью выпускаются водные суспензии фторопластов Ф-4Д, Ф-4ДВ, Ф-4ДПУ, Ф-4ДП, Ф-4ДУ, Ф-40Д. Они предназначены для получения химически и термостойких антифрикционных и антикоррозионных покрытий [9].
Типичным методом окраски анодных покрытий, полученных в электролите на основе серной кислоты, является наполнение пористой пленки органическим красителем. Для этого после извлечения алюминиевых деталей из электролита, их промывают в холодной воде и погружают в раствор красителя. Однако, такое покрытие нестойко и на свету теряет свой цвет.
Покрытия могут быть окрашены электролитическим способом в различные цвета. При этом, в основном, они сохраняют такие же свойства, как и обычные сернокислотные пленки.
Так, стойкость к износу, устойчивость к коррозии, как правило, больших изменений не претерпевают. Однако отдельные электролиты могут влиять на свойства покрытия. У всех электролитически окрашенных покрытий наблюдается некоторое снижение коррозионной стойкости, в сравнении с равноценными чистыми анодными покрытиями при получении очень темных цветов. Покрытия, полученные окрашиванием в электролитах на основе ионов металлов, например, никеля, кобальта, железа, меди, олова, обладают высокой светостойкостью, что и привело к широкому их распространению. Светло-розовые и бордовые цвета, полученные в электролитах на основе меди, и темное золото, производимые в электролитах на основе серебра и селена, в большей степени склонны терять или изменять цвет и должны с осторожностью применяться для наружного применения. Электролиты на основе олова наиболее просты, как в плане рецептуры, так и применения.
Окраска анодных покрытий
неорганическими красителями осуществляется за счет образования нерастворимых пигментов (оксидов, сульфидов, ферроцианидов металлов) в порах анодного покрытия. Такая окраска является двухступенчатым процессом. Например, вначале детали с анодным покрытием погружают в раствор ацетата кобальта для абсорбции ионов кобальта в порах, а затем погружают в сульфид- содержащий раствор для выделения нерастворимого черного сульфида кобальта в порах. Примеры окраски анодных покрытий алюминия неорганическими красителями приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Окрашивание анодных покрытий алюминия неорганическими красителями
Первый раствор Второй раствор Пигмент Цвет покрытия
Оксалат хрома То же Оксид хрома Зеленый
Ацетат свинца Гидросульфид аммония Сульфид свинца Коричнево -черный
Ацетат кобальта Гидросульфид аммония Сульфид кобальта Черный
Ацетат кобальта Перманганат калия Оксид кобальта Бронзовый
Ферроциани д калия Нитрат железа Ферроциа нид железа Синий
Выбор средства для обработки сплава зависит от множества факторов, включая среду эксплуатации, необходимый внешний вид, возможность применения определенного типа обработки для того или иного материала, стоимость обработки, а так же специальные требования, как стойкость к абразии, способность к формоизменению, электрическое сопротивление. Для получения хороших результатов в процессе анодирования необходимо выполнение
определенных условий.
Температура электролита обычно составляет 18-21°С. Повышение температуры приводит к повышенному химическому воздействию на плёнку, поэтому анодирование не следует проводить при
температуре выше 21°С. При температуре ниже 17°С проблем с качеством плёнки не возникнет, однако требуется более высокое напряжение и возникнет необходимость использования систем охлаждения.
Концентрация сернокислого электролита чаще всего 160-180 г/л, при более высокой концентрации электролита усиливается воздействие на плёнку, особенно при повышенной температуре. Низкая концентрация обычно не влияет на качество плёнки, однако для достижения хорошего роста плёнки требуется более высокое напряжение.
Плотность анодного тока в процессе 1-2 А/дм2. При низкой плотности тока плёнка растет с малой скоростью, что усиливает химическое воздействие электролита. Пониженная плотность тока представляет наибольшую опасность при получении плёнок толщиной более 15 мкм. При использовании высокой плотности образование плёнки происходит с высокой скоростью, однако это может стать причиной получения плёнки разной толщины на разных участках поверхности загрузки и причиной проблем с контактами.
Перемешивание электролита должно быть равномерным и эффективным, чтобы удалить с поверхности анодного покрытия излишнее тепло и обеспечить равномерное распределение температуры по всему электролиту. Катоды обычно изготавливают из свинца с добавкой сурьмы. Предпочтительно контролировать процесс путем изменения плотности тока, однако не исключается и контроль напряжения на ванне.
После анодирования изделие следует тщательно промыть холодной проточной водой. Процесс уплотнения чаще всего производят в растворе солей хромовой кислоты. Если использование хроматов по каким-либо причинам нежелательно, то для этих целей применяется деминерализованная вода при температуре выше 95°С.
Разработка технологического процесса получения оксидного покрытия
На основе анализа свойств покрытий спиральных элементов зарубежных аналогов [3] и научно - технической литературы были проведены лабораторные испытания по получению покрытий на образцах из алюминиевого сплава марки Д-16.
• Анодирование в сернокислотном электролите с последующим наполнением в растворе бихромата калия.
• Анодирование в растворах смеси серной и щавелевой кислот.
• Анодирование в сернокислотном электролите с добавкой ультрадисперсных алмазов.
Образцы последовательно проходили операции обезжиривания, осветления в азотной кислоте концентрации 300 г/л, промывки в холодной воде, травления в растворе едкого натра, анодного окисления в растворе серной кислоте концентрации 200 г/л при температуре 13-20°С, плотности анодного тока 1 А/дм2, при напряжении на ванне 13-24В, в течение 40 минут, промывки в холодной воде, наполнения оксидной пленки в
дистиллированной воде или растворе. Анализ результатов эксперимента показывает, что базовая технология процесса анодирования с использованием раствора серной кислоты вполне применима при производстве спиральных элементов безмасляных вакуумных спиральных насосов.
Анализ доступной научно-технической информации и проведенные лабораторные исследования позволяют выработать рекомендации по технологии получения покрытия на поверхности спиральных элементов вакуумных насосов. Наиболее технологически простым, и экономически оправданным, удовлетворяющим эксплуатационным требованиям, является процесс анодирования деталей из алюминиевых сплавов в сернокислотном электролите. Реализация других процессов, таких как, например, получение оксидного покрытия в растворах в электролитах с добавкой ультрадисперсных алмазов или суспензированых частиц политетрафторэтилена, связано с большими сложностями, причем получаемые при этом дополнительные свойства покрытия не оказывают существенного положительного влияния на эксплуатацию разрабатываемого устройства. Анодно - оксидное покрытие, полученное в сернокислотном электролите, обладает
определенной пористостью и толщиной, что позволяет окрашивать его в различные цвета. В зависимости от технических требований возможно два варианта технологического процесса: обычное глубокое анодирование и получение толстослойного твердого оксидного покрытия в растворе серной кислоты с добавками других кислот [10].
При реализации процесса глубокого анодирования на деталях из алюминиевых сплавов размеры детали до и после получения покрытия остаются практически неизменными (+ 1...2 мкм), толщина анодной пленки до 20 мкм, микротвердость до 2 ГПа. Рекомендуется следующий технологический процесс получения глубокого анодирования деталей из алюминиевых сплавов.
1. Обезжиривание. Тринатрий фосфат 50-70 г/л
Жидкое мыло 3-5 г/л, Жидкое стекло 25-35 г/л 75-85оС, .3-4 мин
2. Теплая промывка 40-50оС, .2-3 мин
3. Холодная промывка
4. Осветление
Кислота азотная 300-350 г/л, 15-30оС, .2-5 мин
5. Холодная промывка
6. Травление
Натр едкий 40-50 г/л, 40-60оС, .2-5 мин.
7. Холодная промывка
8. Теплая промывка 70-80оС, 2-5 мин.
9. Осветление
Кислота азотная 300-350 г/л, 15-30оС, 2-5 мин.
10. Холодная промывка.
11. Анодное окисление
Кислота серная 180-200 г/л, 13-25оС, 30-40 мин.
12. Холодная промывка.
13. Теплая промывка 40-50оС, 2-5 мин.
14. Окрашивание
раствор красителя, 15-30оС, 2-5 мин.
15. Наполнение
вода деионизированная или
бихромат калия 300 г/л, 90-95оС, 20-25 мин.
16. Горячая промывка 70-80оС.
17. Холодная промывка.
18. Сушка горячим воздухом 60-80оС, 10-20мин.
Примечание.
Операцию 14 окрашивание можно не проводить или реализовать другими путями. Например, устойчивый на свету синий цвет может быть получен по двухстадийной технологии, путем последовательного погружения образца в растворы сульфата железа (II) и красной кровяной соли с концентрацией 50 г/л с промежуточными промывками.
При реализации технологического процесса твердого анодирования на деталях из алюминиевых сплавов анодная пленка имеет толщину 20 мкм и выше. При этом размеры детали после получения покрытия несколько возрастают, примерно на половину толщины анодной пленки, С учетом того, что радиальный зазор между спиралями может составлять 80 - 150 мкм, изменение размеров спиральных элементов следует учитывать при разработке рабочей конструкторской документации. Микротвердость такого покрытия составляет величину 2-6 ГПа.
Процесс проводится по аналогичной технологии, отличается более низкой температурой электролита анодирования 0-(-7)оС и (или) составом электролита кислота серная 300-350 г/л, куда могут быть добавлены щавелевая 15-25 г/л и борная кислота 2-3 г/л.
На рис. 1 представлен неподвижный спиральный элемент насоса НВСп-12, покрытый по технологии твердого анодирования, и окрашенный в черный цвет с помощью красителя органического кислотного черного.
Рис. 1 - Опытный образец спирального элемента с покрытием
Заключение
На основании анализа состава, толщины и твердости покрытия зарубежных аналогов и аналитического обзор методов нанесения функциональных покрытий разработан процесс анодирования деталей из алюминиевых сплавов в сернокислотном электролите, который предлагается для использования при производстве спиральных насосов. При реализации этого процесса анодная пленка имеет толщину 20 мкм и выше. При этом размеры детали после получения покрытия могут несколько возрасти, что следует учитывать при разработке рабочей конструкторской документации. Представлено описание технологического процесса нанесения анодированного покрытия на поверхности спиральных элементов,
рекомендуемого к использованию при создании производства высокоэффективных безмасляных спиральных вакуумных насосов (НВСп-4, НВСп-12, НВСп-35) на ОАО «Вакууммаш».
Покрытие, нанесенное на разработанные и изготовленные спиральные элементы НВСп-12, показало в ходе предварительных испытаний хорошие свойства с точки зрения износостойкости, потока газовыделения и внешнего вида.
Статья подготовлена на кафедре вакуумной техники электрофизических установок ФГБОУ ВПО «КНИТУ» при финансовой поддержке проекта «Создание высокотехнологичного производства безмасляных спиральных вакуумных насосов для индустрии наносистем и наноматериалов» открытого публичного конкурса подбора организации на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».
Литература
1. Капустин, Е.Н. Создание высокотехнологичного производства безмасляных спиральных вакуумных насосов в России / Е.Н. Капустин, А.Е. Капустин, А.В. Бурмистров, С.И. Саликеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014, Т.17. - № 19. -С. 280 -283.
2. Бурмистров А.В. Стенд исследовательских испытаний безмасляных спиральных вакуумных насосов / А.В. Бурмистров, А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Гаврилов, В.П. Матвеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013 , Т.16. - № 14. С. 174-177.
3. Я.В.Ившин, А.В.Бурмистров, С.И. Саликеев. Анализ состава материала и свойств покрытия спиральных элементов вакуумных насосов // Вестник Казанского технологического университета. - 2015 , Т.18. - № 2 С. 172-174.
4. Аверьянов, Е.Е. Справочник по анодированию / Е.Е.Аверьянов. - М.: Машиностроение, 1988. - 224с.
5. Инженерная гальванотехника в приборостроении / под ред. д.т.н. А.М.Гинберга. - М.:Машиностроение, 1977. -512с.
6. Патент РФ № 2169800. МПК С25Б11/00, С25Б15/00. Способ получения оксидного композиционного покрытия на алюминии и его сплавах. / Лунг Б., Буркат Г.К., Долматов В.Ю. - опубл. 27.06.2001.
7. Кайдриков Р.А., Ившин Я.В., Зильберг А.И. Золочение с ультрадисперсными алмазами спиц для компрессионно-дистракционного остеосинтеза //Вестник КГТУ, 2011, №22, с .137-141.
8. Галополимер. Фторопластовые суспензии. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.halopolymer.ru/service/tradfp/ftoroplastovye-suspenzii/ свободный. - Проверено 10.04.2014
9. АТФ. Способы нанесения антифрикционных покрытий [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://atf.rU/press/324.html#anodirovanie свободный. -Проверено 15.12.2013
10. ГОСТ 9.305-84. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий.
© Я. В. Ившин - д-р хим. наук, проф. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ, ivshin@kstu.ru; А. В. Бурмистров - д-р техн. наук, проф. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, burm@kstu.ru; С. И. Саликеев - к.т.н. техн. наук, доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, salikeev_s@mail.ru; Е. Н. Капустин - к.т.н., генеральный директор ОАО «Вакууммаш», kazan@vacma.ru.
© Ya. V. Ivshin - Dr. Chem. Sciences, prof. Department of Technology of Electrochemical Production KNITU, ivshin@kstu.ru; A. V. Burmistrov - Dr. Tech. Sciences, Professor of the Chair «Vacuum equipment» KNITU, burm@kstu.ru; S. I. Salikeev - Cand. Sciences, Ass. Professor of the Chair «Vacuum equipment» KNITU, salikeev_s@mail.ru; E. N. Kapustin - candidate of Sciences, CEO «Vacuummash», kazan@vacma.ru.
