CC BY
0УДК 54
Садофьев А.В.
канд. техн. наук, начальник отдела оборудования и инфраструктуры Филиал АО «Объединённая двигателестроительная корпорация» Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (Филиал АО «ОДК» «НИИД»)
(г. Москва, Россия)
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ОКСИДИРОВАНИИ
Аннотация: в работе рассмотрены химические процессы, протекающие при плазменном электролитическом оксидировании, описана структура формируемого слоя, рассмотрены фазовые переходы.
Ключевые слова: оксидирование, оксидный слой, корунд, электролит, фазовые переходы.
Повышение эксплуатационных характеристик деталей машин является основной задачей машиностроения. Состояние поверхности является определяющим фактором повышения долговечности деталей машин. Перспективным методом модификации поверхности является плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭЛО) в результате на поверхности деталей можно создать оксидные слои, при этом не хватает информации о химических процессах протекающих при создании этих слоев.
Формируемый слой представляет собой многослойную структуру [1]. К металлу примыкает так называемый барьерный слой, состоящий из а-АЬОз (корунда), он характеризуется большой плотностью, далее располагается рабочий слой (пористый). Этот слой пронизан сквозными порами, начиная с поверхности и до барьерного слоя, Его состав меняется, так у
барьерного слоя он состоит из а-А12О3 (корунда), который плавно переходит в у- А12О3 (глинозем). На поверхности находится шуба - очень рыхлый слой, состоящий из 3А12О3 х2БЮ2 (муллита) (рис.1).
А1 а-АЬОз у-АЬОз ЗАЬОзх25|СЬ
Рис. 1. Вид формируемого слоя: 1 - барьерный слой, 2 - рабочий слой, 3 - рыхлый слой.
Начальная стадия оксидирования. Процесс образования керамического слоя можно разделить на несколько стадий.
Стадия образование барьерного слоя. - Это электрохимическое оксидирование, в результате которого вся деталь покрывается оксидным слоем. Стадия увеличения оксидного слоя. Стадия формирование рабочего слоя.
Электрохимическое образование оксида алюминия начинается с ионизации алюминия и кислорода
А1 ^ А13+ + 3е,
Н2О ^ 2Н + + О2- и ОН - ^ Н - + О2-
Образование оксида алюминия
2А13+ + 3О2- ^ А12О3
Значительная часть энергии уходит через электрический разряд на разогрев и плавление стенок канала. Через барьерный слой в зону химических
реакций осуществляется движение кислорода за счет диффузии и под влиянием электрического поля.
Поскольку граница зерна представляет собой область не совершенства решеток и разупорядочения, что в свою очередь порождает ускоренную диффузию, коэффициент диффузии по границам зерен может на 5.. .6 порядков превышать коэффициент объемной диффузии, это говорит о возможности диффузии, по границам зерен, необходимого количества ионов кислорода практически через весь оксидный слой.
Высокотемпературная модификация а-А12О3 (корунд) образуется при высоких температурах из у-А12О3 (глинозема) у-АЬОз ^ (900 - 1200 °С) а-АЪОз
Причем при обычном давлении переход не обратим (монотропен). Стабильную а-фазу можно расплавить при температуре плавления Т'пл (рис.2), при медленном охлаждении расплава она при той же температуре вновь будет кристаллизоваться из расплава.
■Л
Ж ! ! 1
1 /
Ц .
1 0 1 -Г 1 1 | 1
-Л- -ни -<
7" Т Т Т
{ПА '?./) Лр '
Рис. 2. Диаграмма р-Т для монотропного превращения [2].
Если расплав охлаждается достаточно быстро, то из расплава при температуре плавления Т''пл будет выделяться метастабильная у-фаза.
Непосредственно переход из а-фазы в у-фазу без плавления невозможен. Схематично это можно выразить следующим образом:
Вероятность фиксирования полиморфных форм в метастабильном состоянии зависит от скорости охлаждения, она возрастает с увеличением скорости охлаждения, и от механизма структурных превращений при полиморфных переходах.
Возможно в поверхностном слое происходит резкое охлаждение расплава за счет непосредственного контакта с электролитом и образование исключительно у-фазы, так как а-фаза преимущественно располагается у основы.
Таким образом, образование оксида алюминия проходит как обычный электрохимический процесс. Диффузионные процессы обеспечивают формирования оксида алюминия. Электрические разряды способствуют формированию высокотемпературной полиморфной модификации оксида алюминия а-А12О3 (корунд). В зависимости от достигнутой температуры и последующей скорости охлаждения создается оксидный слой разного химического состава.
1. Черненко В. И. и др. Получение покрытий анодно-искровым электролизом. - Л: Химия, 1991. - 128с;
2. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. / В. С. Горшков, В. Г. Савельев, Н. Ф. Федоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 400 с.
у-АЬОз (глинозем)
а-АЬО( (корунд)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Sadofyev A.V.
Candidate of Technical Sciences, Head of the Equipment and Infrastructure
Department Branch of JSC United Engine Corporation Scientific Research Institute of Technology and Organization of Engine Production
(Moscow, Russia)
CHEMICAL PROCESSES OCCURRING DURING PLASMA-ELECTROLYTIC OXIDATION
Abstract: the paper considers the chemical processes occurring during plasma electrolytic oxidation, describes the structure of the formed layer, and considers phase transitions.
Keywords: oxidation, oxide layer, corundum, electrolyte, phase transitions.
