CC BY
28УДК 621.793.3:621.357.77
DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-363-369
Исследование влияния технологических параметров процесса микродугового оксидирования на свойства оксидных покрытий
Е.А. Печерская, П.Е. Голубков, О.В. Карпанин, Д.В. Артамонов, М.И. Сафронов, А.В. Печерский
Пензенский государственный университет, г. Пенза, Россия
Одна из основных проблем процесса микродугового оксидирования заключается в его плохой управляемости, обусловленной отсутствием системного формализованного описания зависимостей свойств оксидных покрытий от широкого спектра разнородных факторов. В работе на основе методологии управления качеством и системного анализа систематизирована взаимосвязь между технологическими параметрами процесса микродугового оксидирования и свойствами формируемых покрытий. Предложена структура автоматизированной системы для управляемого синтеза оксидных покрытий. Показано, что отличительной особенностью и преимуществом данной системы является возможность задания и контроля параметров технологического процесса, а также параметров покрытий. Автоматизация процесса микродугового оксидирования реализуется посредством предлагаемых интеллектуальных приложений поддержки исследований параметров оксидных покрытий, которые включают в себя методики и алгоритмы измерения параметров. Полученные результаты позволяют сократить время, затрачиваемое на отработку технологии, оптимизировать технологический процесс синтеза оксидных покрытий.
Ключевые слова: процесс микродугового оксидирования; технологические параметры; автоматизированная система; свойства оксидных покрытий
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-08-00425).
Для цитирования: Исследование влияния технологических параметров процесса микродугового оксидирования на свойства оксидных покрытий / Е.А. Печерская, П.Е. Голубков, О.В. Карпанин и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. -№ 4. - С. 363-369. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-363-369
© Е.А. Печерская, П.Е. Голубков, О.В. Карпанин, Д.В. Артамонов, М.И. Сафронов, А.В. Печерский, 2019
Study on Effects of Technological Parameters of Micro-Arc Oxidation on Properties of Oxide Coatings
E.A. Pecherskaya, P.E. Golubkov, O. V. Karpanin, D. V. Artamonov, M.I. Safronov, A.V. Pecherskiy
Penza State University, Penza, Russia
Abstract: One of the main problem of the microarc oxidation process is its poor controllability due to the lack of a systemic formalized description of the dependences of the properties of the oxide coatings on a wide range of heterogeneous influencing factors. In the work based on the methodology of the quality control and the systemic analysis of the relationships between the technological parameters of the micro-arc oxidation and the properties of the formed coatings have been systematized. The structure of an automated system for the controlled synthesis of the oxide coating has been proposed. It has been shown that a distinctive feature and an advantage of this system is the ability to set and control the process parameters as well as the coating parameters. The automation of the micro-arc oxidation process has been implemented through the proposed intelligent applications supporting the study of the parameters of oxide coatings, which include the methods and algorithms for measuring the parameters. The obtained results permit to reduce the time spent on the technology development and to optimize the process of synthesizing the oxide coatings.
Keywords: micro-arc oxidation process; technological parameters; automated system; oxide coating properties
Funding: the study has been supported by the Russian Foundation for Basic Research (project № 19-08-00425).
For citation: Pecherskaya E.A., Golubkov P.E., Karpanin O.V., Artamonov D.V., Safronov M.I., Pecherskiy A.V. Study on effects of technological parameters of micro-arc oxidation on properties of oxide coatings. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 4, pp. 363-369. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-363-369
Введение. Микродуговое оксидирование (МДО) - одно из перспективных направлений повышения коррозионной стойкости и прочности деталей, узлов и изделий из легких металлов, в том числе алюминия, титана и т.д. На свойства оксидных покрытий одновременно оказывает влияние множество факторов различной природы, например тепловые, электромагнитные, химические, механические [1-3]. Это обусловливает сложность установления взаимосвязей между разнородными параметрами, характеризующими свойства покрытий, без которых невозможно рассчитать оптимальный режим работы технологического оборудования. В свою очередь, данная проблема приводит к росту затрат на электроэнергию при МДО и увеличению стоимости получаемых покрытий.
Изучению влияния разнородных факторов на качество МДО-покрытий посвящено большое количество исследований как российских, так и зарубежных ученых. В работе [4] обосновано влияние плотности тока на толщину оксидных покрытий, в работах [5, 6] -влияние частоты, формы импульсов технологического тока на напряжение искрения на
образце с формируемым покрытием. В [7] представлена эмпирическая формула зависимости толщины барьерного слоя МДО-покрытия от формирующего напряжения, рассмотрены закономерности формирования барьерного слоя МДО-покрытия. Выяснено, что наибольшее влияние на толщину барьерного слоя оказывают напряжение и плотность тока. Также выдвинута гипотеза о том, что зависимость скорости роста барьерного слоя от формирующего напряжения линейна в широком диапазоне плотностей тока.
Однако до настоящего времени не существует единого системного подхода к анализу взаимосвязей между параметрами оксидных покрытий и влияющими факторами. В настоящей работе на основе методологии систем качества предлагается систематизация причин, влияющих на свойства МДО-покрытий. Рассматривается структура автоматизированной системы для получения, измерения и контроля параметров МДО-покрытий.
Систематизация факторов, влияющих на свойства МДО-покрытий. К важным показателям качества МДО-покрытий относятся следующие: микротвердость, пористость, электрическая прочность, толщина. В таблице приведены факторы, оказывающие влияние на свойства МДО-покрытий. Отмечено, что ряд свойств зависит, например, от толщины и пористости покрытия, которые определяют электрическую прочность и коррозионную стойкость.
Факторы, влияющие на свойства МДО-покрытий Factors influencing on MAO-coating properties
Факторы Параметры качества
покрытий
Выработка электролита, плотность тока; время обработки; формирующее напряжение; содержание кристаллических модификаций оксидов алюминия; температура электролита; содержание в электролите; содержание алюминия в исходном сплаве; чистота обработки поверхности образца Микротвердость
Плотность тока, время обработки; температура электролита; соотношение катодного и анодного токов; содержание алюминия в исходном сплаве, концентрация концентрация щелочи в электролите; проводимость электролита; скорость химических реакций; растворяющее действие электролита Толщина
Проводимость силикатно-щелочного электролита; размер зерна; растворяющее действие электролита; температура электролита; мощность микроразрядов; содержание в электролите; плотность тока; толщина покрытия; скорость химических реакций; время обработки; чистота обработки поверхности образца; концентрация щелочи в электролите; частота импульсов тока; содержание алюминия в исходном сплаве Пористость
Напряжение пробоя МДО-покрытия; время обработки; пористость; содержание кристаллических модификаций оксидов алюминия; толщина покрытия; температура электролита; растворяющее действие электролита; концентрация щелочи в электролите; удельное электрическое сопротивление МДО-покрытия; мощность микроразрядов; время обработки Электрическая прочность
Толщина покрытия; мощность микроразрядов; содержание кристаллических модификаций оксидов алюминия; пористость Коррозионная стойкость
Пористость, микротвердость, толщина Износостойкость
Для определения влияния технологических параметров на свойства оксидных слоев используются диаграммы. На рис.1 в качестве примера показана диаграмма, на которой обозначены факторы, задающие толщину МДО-покрытия. Диаграмма учитывает взаимное влияние факторов. Например, от температуры электролита зависят его проводимость, растворяющее действие, скорость химических реакций, которые в совокупности с другими факторами определяют толщину МДО-покрытия.
Проводимость электролита
Температура электролита Т
7
Растворяющее Скорость „1
действие
химических
электролита
реакции ' Концентрация
\ Температура \ щелочи(КОН)
\ электролита 1 \ у \ > \ / в электролите
V* \ Толщина
V V МДО-покрытия И
7
7
Время / Плотность
обработки ? / тока; Содержание
Содержание алюминия N828103 в
в исходном сплаве электролите
Соотношение анодного и катодного токов (/к//а)
Рис.1. Факторы, влияющие на толщину МДО-покрытий Fig. 1. Factors influencing on MAO-coating thickness
В работе [8] доказана возможность применения нейронной сети для подбора оптимальных режимов МДО-процесса и показана необходимость использования при обучении нейронных сетей причинно-следственных диаграмм. В [9] разработана диаграмма связей, которая позволяет определить основные факторы, влияющие на весь МДО-процесс. Следовательно, можно выявить параметры, которые необходимо измерять и контролировать с помощью автоматизированной системы синтеза и контроля МДО-покрытий.
Структура автоматизированной системы синтеза МДО-покрытий и контроля их параметров. Структурная схема автоматизированной системы МДО (рис.2) включает в себя гальваническую ячейку, в которую помещен образец с наносимым покрытием, блок измерения и управления, состоящий из источника питания системы, источника технологического тока, узла коммутации для автоматизированного подключения измерительных каналов, модуля интерфейса. Измерительные каналы содержат преобразователи для измерения электрического напряжения и тока в гальванической ячейке, оптических параметров микроразрядов, сопротивления формируемого оксидного покрытия, мутности, температуры и выработки электролита. Результаты с выхода измерительных каналов поступают в ЭВМ, где согласно разработанным алгоритмам и методикам возможны графическое представление зависимостей ВАХ МДО-процесса, формовочной кривой (временной зависимости напряжения на образце), а также расчет толщины, микротвердости, пористости и других параметров оксидной пленки.
Автоматизированная система осуществляет контроль параметров технологического процесса: времени обработки, выработки электролита, плотности тока, формирующего напряжения, температуры электролита, состава исходного сплава, чистоты обработки поверхности заготовки, концентрации примесей в электролите и т.д., а также параметров покрытий: микротвердости, износостойкости, коррозионной стойкости, электрической прочности, удельного сопротивления, электропроводности и т.д.
Рис.2. Структурная схема МДО-установки Fig.2. Schematic structure of developing MAO installation
Автоматизация МДО-процесса заключается в реализации методик измерений параметров, влияющих на свойства покрытий, а также в интеллектуальных приложениях поддержки исследований параметров МДО-покрытий. Такие приложения разработаны по аналогии с интеллектуальным приложением принятия решений при исследовании параметров нано- и микроэлектроники [10, 11].
Заключение. Исследование влияния технологических параметров на свойства МДО-покрытий позволило разработать структуру автоматизированной системы синтеза и контроля параметров МДО-покрытий. Программно реализуемая обработка результатов измерений с выхода измерительных каналов дает возможность исследовать взаимосвязи между технологическими параметрами МДО-процесса и свойствами МДО-покрытий, корректировать технологические режимы автоматизированной системы в процессе формирования МДО-покрытий. В результате сокращается время, затрачиваемое на отработку технологии, и оптимизируется технологический процесс синтеза оксидных покрытий.
Литература
1. Characterization of AZ31 Mg alloy coated by plasma electrolytic oxidation / S. Durdu, S. Bayramoglu, A. Demirtas et al. // Vacuum. - 2013. - Vol. 88. - P. 130-133.
2. Sarbishei S., Faghihi Sani M.A., Mohammadi M.R. Effects of alumina nanoparticles concentration on microstructure and corrosion behavior of coatings formed on titanium substrate via PEO process // Ceramics Int. -2016. - Vol. 42. - No. 7. - P. 8789-8797.
3. Rehman Z.U., Koo B.H. Effect of Na2SiO3 5H2O concentration on the microstructure and corrosion properties of two-step PEO coatings formed on AZ91 alloy // Surf. & Coat. Technol. - 2017. - Vol. 317. -P. 117-124.
4. Кучмин И.Б., Нечаев Г.Г. Плотность тока как определяющий параметр процесса микродугового оксидирования // Вестник СГТУ. - 2013. - Т. 1. - № 69. - С. 62-66.
5. Effect of duty cycle and applied current frequency on plasma electrolytic oxidation (PEO) coating growth behavior / V. Dehnavi, B.L. Luan, D. W. Shoesmith et al. // Surf. & Coat. Technol. - 2013. - Vol. 226. -P. 100-107.
6. Микродуговое оксидирование при импульсной поляризации в гальванодинамическом режиме / П.С. Гордиенко, В.А. Достовалов, И.Г. Жевтун и др. // Электронная обработка материалов. - 2013. -Т. 49. - № 4. - С. 35-42.
7. Влияние режимов микродугового оксидирования на образование оксидированного слоя / А.Л. Хохлов, Д.А. Уханов, А.А. Глущенко и др. // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - Т. 23. - № 3. - С. 128-131.
8. Реализация поддержки принятия решений в управлении процессом микродугового оксидирования на базе искусственных нейронных сетей / В.В. Ломакин, Т.В. Зайцева, Н.П. Путивцева и др. // Научные ведомости. Сер. Экономика. Информатика. - 2016. - Т. 40. - № 23 (244). - С. 124-133.
9. Methods of applying the reliability theory for the analysis of micro-arc oxidation process / P.E. Golubkov, E.A. Pecherskaya, O.V. Karpanin et al. // IOP J. of Phys.: Conf. Ser. - 2018. - Vol. 1124. -P. 1-6. 081014.
10. Intelligent system for active dielectrics parameters research / E.A. Pecherskaya, P.E. Golubkov, A. V. Fimin et al. // Procedia Computer Science. - 2018. - Vol. 132. - P. 1163-1170.
11. Automation of the micro-arc oxidation process / P.E. Golubkov, E.A Pecherskaya, O. V. Karpanin et al. // IOP J. of Phys.: Conf. Ser. - 2017. - Vol. 917. - P. 1-6.092021.
Поступила в редакцию 01.03.2019 г.; после доработки 01.03.2019 г.; принята к публикации 14.05.2019 г.
Печерская Екатерина Анатольевна - доктор технических наук, доцент, заведующая кафедрой информационно-измерительной техники и метрологии Пензенского государственного университета (Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40), [email protected]
Голубков Павел Евгеньевич - аспирант кафедры информационно-измерительной техники и метрологии Пензенского государственного университета (Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40), [email protected]
Карпанин Олег Валентинович - старший преподаватель кафедры нано- и микроэлектроники Пензенского государственного университета (Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40), [email protected]
Артамонов Дмитрий Владимирович - доктор технических наук, профессор, первый проректор Пензенского государственного университета (Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40), [email protected]
Сафронов Максим Игоревич - инженер кафедры информационно-измерительной техники и метрологии Пензенского государственного университета (Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40), [email protected]
Печерский Анатолий Вадимович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры нано- и микроэлектроники Пензенского государственного университета (Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40), [email protected]
References
1. Durdu S., Bayramoglu S., Demirtas A. et al. Characterization of AZ31 Mg Alloy Coated by Plasma Electrolytic Oxidation. Vacuum, 2013, vol. 88, pp. 130-133.
2. Sarbishei S., Faghihi Sani M.A., Mohammadi M.R. Effects of alumina nanoparticles concentration on microstructure and corrosion behavior of coatings formed on titanium substrate via PEO process. Ceramics Int., 2016, vol. 42, no. 7, pp. 8789-8797.
3. Rehman Z. Ur, Koo B.H. Effect of Na2SiO35H2O concentration on the microstructure and corrosion properties of two-step PEO coatings formed on AZ91 alloy. Surf. & Coat. Technol., 2017, vol. 317, pp. 117-124.
4. Kuchmin I.B., Nechaev G.G. The current density as the determining parameter for the micro-arc oxidation process. VestnikSGTU = Bulletin of SSTU, 2013, vol. 1, no. 69, pp. 62-66. (In Russian).
5. Dehnavi V., Luan B.L., Shoesmith D.W. et al. Effect of duty cycle and applied current frequency on plasma electrolytic oxidation (PEO) coating growth behavior. Surf & Coat. Technol., 2013, vol. 226, pp. 100-107.
6. Gordienko P.S., Dostovalov V.A., Jevtun I.G. et al. Microarc oxidation at pulse polarization in galvanodynamic mode. Electronnaya obrabotka materialov = Electronic processing of materials, 2013, vol. 49, no. 4, pp. 35-42. (In Russian).
7. Khokhlov A.L., Ukhanov D.A., Glushchenko A.A. et al. Effect of microarc oxidation modes on the formation of an oxidized layer. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii = Billetin of Ulyanovsk State Academy of Agricultural Sciences, 2013, vol. 23, no. 3, pp. 128-131. (In Russian).
8. Lomakin V.V., Zaitseva T.V., Putivzeva N.P. et al. Implementation of the decision making support in the management of microarc oxidation process on the basis of artificial neural networks. Naychnye vedomosti. Seriya Ekonomika. Informatika = Scientific Bulletin. Series of Economics and Informatics, 2016, vol. 40, no. 23 (244), pp. 124-133. (In Russian).
9. Golubkov P.E., Pecherskaya E.A., Karpanin O.V. et al. Methods of applying the reliability theory for the analysis of micro-arc oxidation process. IOP J. of Phys.: Conf. Ser., 2018, vol. 1124, pp. 1-6. 081014.
10. Pecherskaya E.A., Golubkov P.E., Fimin A.V. et al. Intelligent System for Active Dielectrics Parameters Research. Procedia Computer Science, 2018, vol. 132, pp. 1163-1170.
11. Golubkov P.E., Pecherskaya E.A., Karpanin O.V. et al. Automation of the micro-arc oxidation process. IOP J. of Phys.: Conf. Ser., 2017, vol. 917, pp. 1-6. 092021.
Received 01.03.2019; Revised 01.03.2019; Accepted 14.05.2019. Information about the authors:
Ekaterina A. Pecherskaya - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Head of the Information and Measuring Equipment and Metrology Department, Penza State University (Russia, 440026, Penza, Krasnaya st., 40), [email protected]
Pavel E. Golubkov - PhD Student of the Information and Measuring Equipment and Metrology Department, Penza State University (Russia, 440026, Penza, Krasnaya st., 40), [email protected]
Oleg V. Karpanin - Senior Lecturer of the Nano- and Microelectronics Department, Penza State University (Russia, 440026, Penza, Krasnaya st., 40), [email protected]
Dmitriy V. Artamonov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., First Vice-Rector, Penza State University (Russia, 440026, Penza, Krasnaya st., 40), [email protected]
Maksim I. Safronov - Engineer of the Information and Measuring Equipment and Metrology Department, Penza State University (Russia, 440026, Penza, Krasnaya st., 40), [email protected]
Anatoliy V. Pecherskiy - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Nano- and Microelectronics Department, Penza State University (Russia, 440026, Penza, Krasnaya st., 40), [email protected]
Уважаемые авторы!
С правилами оформления и опубликования научных статей можно ознакомиться на нашем сайте: http://ivuz-e.ru
