CC BY
297
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ
Рамазанова Жанат Мусановна
канд. хим. наук, доцент, заведующая лабораторией
космического материаловедения Департамента космического материаловедения и приборостроения АО «Национальный центр космических исследований и технологий», 050010, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Шевченко, д. 15
Е-mail: [email protected]
Мустафа Лаура Молдакеримовна
младший научный сотрудник Департамента космического материаловедения и приборостроения АО «Национальный центр космических исследований и технологий», 050010, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Шевченко, д. 15
INVESTIGATION OF OBTAINING OF COATING ON ALUMINUM ALLOY BY METHOD OF MICRO-ARC OXIDATION
Zhanat Ramazanova
Candidate of ^emical sciences, associate professor, Head of the laboratory of space material science, Department of Materials Science and Space Instrument Engineering, JSC "National Center for Space Research and Technology" 050010, Kazakhstan, Almaty, Shevchenko str., 15
Laura Mustafa
Junior Research scientist, Department of Materials Science and Space Instrument Engineering, JSC "National Center for Space Research and Technology" 050010, Kazakhstan, Almaty, Shevchenko str., 15
Рамазанова Ж.М., Мустафа Л.М. Исследование получения покрытия на алюминиевых сплавах методом микродугового оксидирования // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 8-9 (20) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2588
АННОТАЦИЯ
В настоящее время алюминий и его сплавы являются основным сырьем в авиационной и авиакосмической промышленности, также они широко используются в пищевой промышленности, строительстве и в других отраслях народного хозяйства. При этом на изделия из алюминия и его сплавов требуется наносить гальванические, лакокрасочные покрытия. Получение прочных покрытий на алюминии затрудняется слабой адгезией к нему многих лакокрасочных и металлических покрытий. Вследствие этого покрытия, нанесенные на металл без предварительной подготовки, под воздействием различных факторов могут легко отслоиться. Улучшение адгезии покрытий к металлу достигается главным образом химическим или электрохимическим оксидированием. Пленки, образующиеся при анодной обработке алюминия, являются хорошим подслоем под лакокрасочные и другие покрытия. Одним из перспективных методов получения оксидных покрытий на вентильных металлах является метод микродугового оксидирования, позволяющий получить оксидные слои с различными функциональными свойствами, хорошей адгезией в подложке и большим диапазоном пористости.
В работе рассмотрены возможности использования тонких оксидных покрытий, полученных методом микродугового оксидирования в качестве подслоя на изделия из алюминия и его сплавов. Показано, что природа электролита, соотношение анодного и катодного импульсов тока, длительность анодного импульса тока оказывают влияние на пористость и форму пор. Установлено, что введение органических добавок в исходный электролит приводит к образованию пор овальной удлиненной формы, хаотическому их расположению. В анодно-катодном режиме в щелочном электролите, содержащем бораты, фосфаты щелочных металлов, получены оксидные покрытия толщиной до 3 мкм с размерами округлых пор 0,5—1,0 мкм и распределением 2—3,5*108 пор/см2, которые могут быть использованы в качестве подслоя при нанесении гальванических и лакокрасочных покрытий
на изделия из алюминия и его сплавов.
ABSTRACT
Nowadays, aluminum and its alloys are the main raw materials in the aviation and aerospace industry; also, they are widely used in the food industry, construction and other sectors of the economy. At the same time it is required to spread galvanic, paint coatings on products made with aluminum and its alloys. It is difficult to get strong coatings on aluminum because of weak adhesion of many paints and metal coatings. By virtue of this coating, spread on the metal without any preliminary preparation, under various factors may easily peel off. Improving the adhesion of coatings to the metal is achieved mostly by chemical or electrochemical oxidation. Sheetings formed by the anodized aluminum is a good underlay for paints and other coatings. One of the prospective methods of obtaining oxide coatings on valve metals is the method of micro-arc oxidation which allows obtaining oxide layers with different functional properties, good adhesion to the substrate, and a large range of porosity.
In the article possibilities of using thin oxide coatings produced by micro-arc oxidation as an underlay on products from aluminum and its alloys are considered. It is shown that the nature of the electrolyte, the ratio of the anodic and cathodic current pulses, the duration of the anode current pulse influence the porosity and pore shape. It is stated that the introduction of organic additives in the electrolyte source leads to the formation of long elongated oval shape and chaotic arrangement. In the anode-cathode regime in the alkaline electrolyte containing borates, phosphates of alkali metal, oxide coatings are obtained in thickness under 3 micron with pore size rounded 0.5—1.0 microns and distribution 2—3.5 * 108 pores / cm2 which can be used as an underlay for application of coatings and electroplating on articles of aluminum and its alloys.
Ключевые слова: микродуговое оксидирование, подслой, пористость покрытия, адгезия лакокрасочных покрытий.
Keywords: micro-arc oxidation, the under layer, the porosity of the coating, adhesion of paint coatings.
Работа выполнена в рамках проекта по грантовому финансированию Министерства образования и науки Республики Казахстан.
Алюминий и его сплавы находят широкое применение как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия и его сплавов — это лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. Алюминий и его сплавы являются основным сырьем в авиационной и авиакосмической промышленности, также они широко используются в пищевой промышленности, строительстве и в других отраслях народного хозяйства. При этом на изделия из алюминия и его сплавов требуется проводить нанесение гальванических, лакокрасочных покрытий. Получение прочных покрытий на алюминии затрудняется слабой адгезией к нему многих лакокрасочных и металлических покрытий. Вследствие этого покрытия, нанесенные на металл без предварительной подготовки, под влиянием атмосферных или других факторов могут легко отслоиться. Этот процесс связан с рядом проблем, обусловленных отрицательным значением потенциала данной подложки, что приводит к контактному выделению металлов, имеющих более отрицательное значение потенциала и, соответственно, к низкому значению адгезии покрытия с основой [3].
Улучшение адгезии покрытий к металлу достигается главным образом химическим или электрохимическим оксидированием. Пленки, образующиеся при анодной обработке алюминия, обладают достаточной толщиной и рядом ценных свойств. Они защищают металл от коррозии и являются хорошим подслоем под лакокрасочные покрытия. Существуют несколько способов получения оксидных пленок на поверхности алюминия и его сплавах. Оксидная пленка, полученная химическим методом, обладает более слабыми защитными свойствами и улучшает сцепление с металлом меньше, чем оксидная пленка, полученная электрохимическим методом.
Одним из перспективных методов получения анодно-оксидных пленок, с различными физико-химическими и механическими свойствами, является метод микродугового оксидирования (МДО) [8, 10]. МДО — это электрохимический процесс, протекающий при высокой напряженности электрического поля и сопровождающийся образованием микроплазмы и микрообластей с высоким давлением за счет образующихся газов, что, в свою очередь, приводит к протеканию высокотемпературных химических превращений, транспорту вещества в дуге. Ранее было установлено, что при обработке поверхности микроплазменным воздействием на ней формируется покрытие с высокими адгезионными свойствами, которые не разрушаются при появлении критических механических локальных воздействий [4; 6]. Сформированные оксидные покрытия в режиме МДО обладают различной пористостью, в связи с этим развитой поверхностью и могут служить в качестве подслоя для лакокрасочных и гальванических покрытий [2].
В этой связи представляет интерес исследование влияние режимов процесса МДО на получение оксидного покрытия с различными пористостью, распределением пор, размерами пор.
Для формирования покрытий методом МДО использовали образцы, выполненные из сплава Д-16, площадью 8 см2. Формирование оксидного покрытия осуществляли в растворе электролита состава, г/л: KOH-10; KH2PO4-60; Ка2Б4Оу10Н2О- 30. В качестве органических добавок использовали, г/л: триэтаноламин -5; гидрохинон -5. органические добавки — триэталонамин-5. Электролит готовили на дистиллированной воде из реактивов марки «ч.д.а», «х.ч».
Процесс МДО вели с использованием импульсного анодно-катодного источника питания, который позволял получать биполярные импульсы напряжения прямоугольной трапецеидальной формы и предусматривал плавную регулировку длительности каждого из них, а также амплитуды напряжения анодного и катодного импульсов.
При проведении электрохимических измерений использовали трехэлектродную электрохимическую ячейку, которая включала рабочий электрод (сплав алюминия Д-16), электрод сравнения (стандартный платиновый электрод ЭПЛ-02) и вспомогательный электрод из нержавеющей стали [5].
Образцы перед нанесением оксидного покрытия методом МДО подвергались механической полировке и имели шероховатость Ra=0,09—0,1 мкм. Шероховатость покрытий измеряли профилометром портативным 296 модели. Пористость, форму, распределение пор по размерам анализировали путем обработки микрофотографий поверхности исследуемых образцов, полученных на растровом электронном микроскопе ISM-84, пользуясь методами планиметрии, секущих и точек, как отношение площади изображения пор к общей площади участка наблюдения [9].
Пористость оксидных покрытий находится в зависимости от режимов формирования покрытия и природы электролита. Критерием качественного сцепления гальванического покрытия с алюминиевой основой является толщина оксидного покрытия. Согласно литературным данным, толщина подслоя должна быть не менее 1,5 мкм и не более 2,5—3,0 мкм [1].
При прохождении электрического тока через границу раздела электрод-раствор, на поверхности металла возникают локальные микроплазменные разряды. Под их воздействием происходит изменение структуры оксидной пленки. И, как правило, в местах искрения образуются поры. Форма пор может быть различна. Наиболее простая форма пор округлая, и она меняется в зависимости от различных факторов процесса микроплазменной обработки.
При получении оксидного покрытия с толщиной не менее 3 мкм было установлено, что величина пористости, распределение и форма пор оксидного слоя находится в большой зависимости от природы электролита. При ведении процесса МДО в электролите, содержащем KOH-10 г/л, KH2PO4-60 г/л , Na2B4Q7*10H2Q-30 г/л, происходит растворение алюминия за счет гидроксидов
щелочных металлов и достижение пассивного состояния металла за счет
фосфатов щелочных металлов. В таблице 1 приведены данные, характеризующие зависимость пористости покрытия от соотношения анодной и катодной плотностей тока, а на рис. 1(а—в) представлены микрофотографии серии образцов с оксидным покрытием, полученных при этих соотношениях плотностей тока.
Таблица 1.
Влияние соотношения анодной и катодной плотностей тока на пористость оксидного слоя
№ Ua/Uk, В ia/ik, А/дм2 Средний диаметр пор Дср., мкм П, пор/см2 Пористость покрытия % Толщина покрытия, мкм
1 280/50 50/66 0,7 2,3*108 3,6 2,5
2 280/100 50/133 0,7 2,7*108 4,8 3,0
3 280/150 50/250 0,7 3,4*108 5,4 2,1
Микрофотографии полученных покрытий приведены на рисунке 1.
а) х2500 б) х 2500 в) х 2500
Рисунок 1. Влияние соотношения анодной и катодной плотностей тока (ia/ik, А/дм2) на распределение и формы пор а) - 50/66, б)-50/133,
в)-50/250 (табл. 1)
Как видно из рисунка 1, увеличение катодной составляющей импульса тока приводит к равномерному распределению пор и образованию пор округлой формы. При прохождении катодного импульса тока происходит подщелачивание приэлектродного слоя по катодной реакции
2H2O+ 2 e =H2+2OH-
Увеличение рН электролита в порах приводит при микпроплазменном процессе к изменению геометрических размеров пор [7]. Также гидроксиды ионов металла под воздействием искровых пробоев гидролизуются
и под воздействием высокой температуры превращаются в оксиды, способствующие заращиванию поры и возникновению искрового разряда в «слабых» местах, тем самым обеспечивая получение однородного оксидного покрытия по толщине по всей поверхности образца. При этом наблюдается равномерный характер распределения искровых разрядов по поверхности образца.
При исследовании влияния длительности анодного импульса тока процесс микроплазменной обработки вели при следующих условиях: величина
анодного значения напряжения 275 В, длительности анодных импульсов напряжения 50, 200, 300 мкс, время процесса оптимизировалось, чтобы толщина покрытия находилась в пределах 2,5—3 мкм. Исследования морфологии покрытия при значениях длительности импульса тока 50—200 мкс показали, что распределение пор носит хаотичный характер по поверхности образца, большинство пор имеют неправильную форму в виде удлиненного овала.
При ведении процесса при длительности анодного импульса тока 300 мкс образуется оксидное покрытие с равномерным распределением пор округлой формы. При этом взаимное расположение пор находится под углом а = 800. Использование данного покрытия в виде подслоя даст возможность непосредственно наносить гальванические покрытия, которые проникают внутрь пор, при этом обеспечивается хорошее сцепление с покрываемой поверхностью и равномерность покрытия.
При проведении исследования влияния органических добавок на пористость покрытия было установлено, что при введении в электролит триэтаноламина или гидрохинона происходит укрупнение размеров искровых разрядов, повышение температуры электролита до 40 0С. Сравнительный анализ микрофотографий показал, что введение органических добавок приводит к образованию пор овальной удлиненной формы, хаотическому их расположению. Такой вид пористости может отрицательно сказаться
на качестве гальванических покрытий, которые будут наноситься на данный подслой.
Таким образом, в данной работе показана возможность использования в качестве подслоя гальванических и лакокрасочных покрытий на алюминии и его сплавах оксидных покрытий, полученных методом микродугового оксидирования толщиной до 3 мкм.
Увеличение длительности анодного импульса тока до 300 мкс и катодной составляющей импульса тока приводит к равномерному распределению искровых разрядов по всей поверхности образца и, как следствие этого, к равномерному распределению пор округлой формы.
Введение органических добавок приводит к образованию пор овальной удлиненной формы.
Список литературы:
1. Ажогин Ф.Ф., Беленький М.А. и др. Гальванотехника. Справ. изд. — М.: Металлургия, 1987. — 736 с.
2. Будницкая Ю.Ю., Мамаев А.И., Мамаева В.А. и др. Исследование влияния режимов формирования анодно-оксидных покрытий на их пористость // Перспективные материалы. — 2002. — № 3. — С. 48—55.
3. Девяткина Т.И., Спасская М.М., Москвичев А.Н. и др. Анодное оксидирование алюминия и его сплавов для получения качественных гальванических покрытий // Вестник нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. — 2013. — № 4(1). — С. 109—114.
4. Мамаев А.И., Мамаева В.А. Сильноточные процессы в растворах электролитов. — Новосибирск.: Изд. СО РАН, 2005. —255 с.
5. Мамаев А.И., Рамазанова Ж.М., Бутягин П.И. и др. Информационноизмерительный комплекс для определения параметров микроплазменных процессов в растворах // Защита металлов. — 1996. — Т. 32, № 2. — С. 203—207.
6. Рамазанова Ж.М., Мамаев А.И. Получение износостойких, функциональных оксидных покрытий на сплавах алюминия методом микродугового оксидирования // Физика и химия обработки материалов. — 2002. — № 2. — С. 67—69.
7. Ракоч А.Г., Дуб А.В., Бардин И.В. и др. К вопросу о влиянии комбинированных режимов на предельную толщину микродуговых покрытий // Коррозия: материалы, защита. — 2009. — № 11. — С. 32—36.
8. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б. и др. Микродуговое оксидирование: Теория, технология, оборудование. — М.: ЭКОМЕТ, 2005. — 368 с.
9. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. — М.: Металлургия, 1970. — 375 с.
10. Yerokhin A.L., Nie X., Leyland А. et al. Plasma electrolysis for surface engineering // Surface and Coatings Technology. —1999. — № 122. — Р. 73—93.
References:
1. Azhogin F.F., Belenkii M.A. Electrolytic metallurgy. Moscow, Metallurgiia Publ, 1987. 736 p. (In Russian).
2. Budnitskaia Iu.Iu., Mamaev A.I., Mamaeva V.A., Vybornova S.N. Study of the influence of formation modes of anodic oxide coatings of their porosity. Perspektivnye materialy [Prospective materials]. 2002, no. 3, pp. 48—55 (In Russian).
3. Deviatkina T.I., Spasskaia M.M., Moskvichev A.N., Rogozhin V.V., Mikhalenko M.G. Anodic oxidation of aluminum and its alloys to produce quality electroplated coatings. Vestnik nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo [Vestnik of Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod]. 2013, no. 4 (1), pp. 109—114 (In Russian).
4. MamaevA.I., Mamaeva V.A. High-current processes in electrolyte solutions. Novosibirsk, SO RAN Publ., 2005. 255 p. (In Russian).
5. Mamaev A.I., Ramazanova Zh.M., Butiagin P.I., Vybornova S.N., Saveliev Y.A., Dimaki V.A., Viklov V.Y. Data measurement system for determination of parameters of microplasma processes in solutions. Zashchita metallov [Metal protection]. 1996, vol. 32, no. 2, pp. 203—207 (In Russian).
6. Ramazanova Zh.M., Mamaiev A.I. Obtaining of wear-resisting, functional oxide coatings on aluminum alloys using the microarc oxidation method. Fizika i khimiia obrabotki materialov [Physics and chemistry of metal treatment]. 2002, no. 2, pp. 67—69 (In Russian).
7. Rakoch A.G., Dub A.V., Bardin I.V. To the question on the influence of combined modes on peak thickness of microarc coatings. Korroziia: materialy, zashchita [Corrosion: materials, protection]. 2009, no. 11, pp. 32—36 (In Russian).
8. Suminov I.V., Epelfeld A.V., Liudin V.B. et al. Microarc oxidation: theory, technology, equipment. Moscow, EKOMET Publ., 2005. 368 p. (In Russian).
9. Saltykov S.A. Stereometric metallography. Moscow, Metallurgiia Publ., 1970. 375 p. (In Russian).
10. Yerokhin A.L., Nie X., Leyland А., Matthews А., Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and Coatings Technology. 1999, no. 122, pp. 73—93.
