CC BY
26
УДК 621.794.62: 669.056.9
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПОЛНОГО ФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОГО ФОСФАТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЖЕЛЕЗОКОБАЛЬТОВОГО
СПЛАВА 49К2ФА
В. Н. Селиванов, Ю. П. Перелыгин
APPLICATION OF THE METHOD OF FULL FACTORIAL EXPERIMENT FOR TESTING TECHNOLOGIES FOR APPLYING AN ELECTRICALLY INSULATING COATING ON THE SURFACE PHOSPHATE IRON, COBALT ALLOYS 49K2FA
V. N. Selivanov, Yu. P. Perelygin
Аннотация. Актуальность и цели. Вопросы отработки технологии нанесения электроизоляционного фосфатного покрытия, оптимизации состава раствора фосфа-тирования являются актуальными при нанесении покрытий на поверхности железо-кобальтовых сплавов. Целью работы является применение метода полного факторного эксперимента для получения технологии образования фосфатных пленок с заданными свойствами, а также повышение производительности при реализации данной технологии в автоматизированных линиях. Материалы и методы. Для проведения данной работы использовались химические реактивы марки «ч» и «чда», препарат «Мажеф» марки «т», а также дистиллированная вода с удельной электропроводностью не более 3,5 мкСм/см. Отработка процесса фосфатирования проводилась на термообработанных образцах сплава 49К2ФА площадью 0,005 м2. Предварительная химическая обработка образцов включала щелочное обезжиривание в течение 15 минут в растворе на основе состава № 3 ГОСТ 9.305-84 [4], модифицированного для работы при комнатной температуре (г/дм3): NaOH - 5.. .15; Na3PO4-12H2O - 30...40; Na2CO3 - 20...40; Na2SiO3 - 5.10. После обезжиривания образцы промывались в горячей и холодной проточной воде. Измерения толщины (5пл) полученных фосфатных покрытий проводились с помощью электромагнитного толщиномера «Константа-К5» с предварительно калиброванным датчиком ИД1. Изоляционные свойства полученных пленок оценивались по их пробивному напряжению (ипр), которое измерялось с помощью установки УПУ-10, диаметр электрода составлял 25 мм, нагрузка 0,5 Н. Контроль защитной способности (ЗСА) полученных фосфатных покрытий, а также измерение поверхностной плотности (Рф) фосфатных пленок выполнялись по ГОСТ 9.302-88. Состояние поверхности фосфатных пленок оценивалось с помощью фотографий, полученных на электронном микроскопе Carl Zeiss Sigma. Результаты. С помощью метода полного факторного эксперимента оптимизирован химический состав раствора и условия нанесения электроизоляционного фосфатного покрытия на детали из желе-зокобальтового сплава 49К2ФА. Выводы. Проведение факторного эксперимента дало возможность получить фосфатные пленки с улучшенными технологическими свойствами, сократить расход химических реактивов и времени на выполнение единичной операции, а также позволило выявить условия формирования фосфатных покрытий с недопустимыми характеристиками.
Ключевые слова: факторный эксперимент, химический состав, фосфатные пленки, электротехническая сталь, электроизоляционное покрытие.
Abstract. Background. Questions mining technology applying an electrically phosphate coating, optimization of the phosphating solution is relevant is in the coating on the surface of iron, cobalt alloys. The aim is to use the method of full factorial experiment for technology education phosphate films with desired properties, as well as improved performance in the implementation of this technology in automated production lines. Materials and methods. For this work were used chemicals mark «h» and «analytical grade» except for the drug «Mazhef» brand «t», as well as distilled water with a conductivity less than 3,5 mkSm / cm. Testing of phosphating process was carried out on the samples heat-treated alloy 49K2FA area of 0,005 m2. Chemical pretreatment of the samples included in the alkaline degreasing for 15 minutes in a solution on the basis of number 3 GOST 9.305-84 [4], modified to operate at room temperature (g / dm3): NaOH - 5... 15; Na3PO4-12H2O -30.. .40; Na2cO3 - 20...40; Na2SiO3 - 5.10. After degreasing samples were washed in hot and cold running water. Thickness measurement (5pi) received phosphate coatings were carried out using an electromagnetic thickness gauge «Constant-K5» with a pre-calibrated sensor ID1. Insulating properties of the films were evaluated by their breakdown voltage (Ubr), which is measured by setting the VGA-10, electrode diameter is 25 mm, the load of 0.5 N. Control of the protective ability (SAR) received phosphate coatings, as well as the measurement of the surface density (RF) phosphate films were carried out according to GOST 9.302-88 [4]. The surface condition of phosphate films was assessed using pictures taken with an electron microscope Carl Zeiss Sigma. Results. Using the method of full factorial experiment optimized chemical composition of the solution and application conditions of the electrically phosphate coating on parts of the iron-cobalt alloy 49K2FA. Conclusions. Conducting factorial experiment made it possible to obtain the phosphate film with improved processing properties, reduce the consumption of chemical reagents and time to perform a single operation, and revealed the conditions of formation of phosphate coatings with unacceptable characteristics.
Key words: factorial experiment, the chemical composition, the phosphate film, electrical steel, electrically insulating coating.
Для нанесения электроизоляционного фосфатного покрытия на детали из железокобальтового сплава 49К2ФА перспективен раствор горячего ускоренного фосфатирования следующего состава (г/дм3): соль «Мажеф» - 30; Zn(NO3)26H2O - 70; NaNO2 - 1; температура раствора - 95 °С и время обработки - 5 мин. Он позволяет получать фосфатные пленки толщиной до 7 мкм, с пробивным напряжением - 480 В и защитной способностью - не ниже 30 с. Однако технологические требования, предъявляемые к фосфатным покрытиям, предназначенным для изоляции отдельных пластин магнитопровода, являются достаточно жесткими: толщина фосфатного покрытия с каждой стороны пластины не должна превышать 3 мкм, иметь пробивное напряжение не ниже 200 В и характеризоваться защитными свойствами, достаточными для предотвращения коррозии на поверхности детали в межоперационный период. Более того, перед внедрением техпроцесса в производство необходимо не только определить наиболее оптимальные условия получения целевого продукта, но и проработать все возможные отклонения и те последствия, к которым это приводит. Наиболее целесообразным решением этой задачи является использование метода полного факторного эксперимента. Впервые подобный метод моделирования применительно к процессу фосфатирования был использован в работе Ю. М. Гринберга и Ю. В. Грановского [1]. Кроме того, коллективом авторов данный подход ранее был успешно применен для поиска оптимальных условий электроизоляционного фосфатирования электротехнической стали марки 0,05-Т0-БП-3424 [2] и нанесения адгезионной фосфатной пленки на конструкционную сталь марки 08 КП [3].
На свойства фосфатных пленок влияют сразу несколько групп параметров, к которым относятся химический состав раствора фосфатирования,
технологический режим процесса (главным образом время обработки, способ обработки и температура раствора), а также состояние поверхности обрабатываемого металла [4, 5]. В нашем случае предварительная обработка образцов железокобальтового сплава 49К2ФА была сокращена до стадии обезжиривания, что позволило минимизировать изменения первоначальной структуры поверхности образцов и сохранить активные центры кристаллизации покрытия [5]. Исходя из задачи получения тонких электроизоляционных фосфатных пленок время обработки было уменьшено до 2 мин, а температура раствора установлена на уровне 95 °С, которая, по нашему мнению, является максимально допустимой при условии фосфатирования в некипящем растворе. Наиболее целесообразным был признан иммерсионный (погружной) способ нанесения покрытия, поскольку для его реализации требуется минимальное технологическое оформление.
Исходя из этих начальных условий был разработан план полного трех факторного эксперимента [6], в котором исследовалось влияние таких факторов, как концентрация в растворе препарата «Мажеф» (Х1), концентрация ускорителя цинка азотнокислого 2п(К03)26И20 (х2) и концентрация ускорителя натрия азотистокислого КаК02 (х3). Характеристики плана экспериментов представлены в табл. 1, матрица планирования эксперимента и средние результаты для каждого показателя отражены в табл. 2.
Таблица 1
Характеристики плана экспериментов
Показатели хь г/дм3 х2, г/дм3 х3, г/дм3
Основной уровень 30 75 0,75
Интервал варьирования 10 25 0,25
Верхний уровень 40 100 1,0
Нижний уровень 20 50 0,5
Таблица 2
Матрица планирования полного трех факторного эксперимента и средние результаты, полученные для технологических характеристик фосфатного покрытия
Среднее из двух параллельных
Номер варианта О1 аже Я ^ со £ | а е & 1 1 х О 2 X 0 3 й N 1 1 2 х ,2 О II т х Толщина, мкм Пробивное напряжение, В Защитная способность, сек Поверхностная плотность, г/м210-3
1 -1 -1 -1 20 50 0,5 2,5 287,5 14,0 12,10
2 +1 -1 -1 40 50 0,5 6,0 100,0 5,5 7,14
3 -1 +1 -1 20 100 0,5 4,5 275,0 19,5 13,60
4 +1 +1 -1 40 100 0,5 5,0 315,0 9,0 17,40
5 -1 -1 + 1 20 50 1,0 1,0 157,5 13,0 7,56
6 +1 -1 + 1 40 50 1,0 4,0 255,0 4,5 13,76
7 -1 +1 + 1 20 100 1,0 1,0 155,0 12,5 7,58
8 +1 + 1 + 1 40 100 1,0 5,5 275,0 13,0 9,38
При этом во всех вариантах условия осаждения фосфатной пленки были одинаковы: объем раствора фосфатирования составлял 0,5 дм3, площадь обрабатываемой поверхности - 0,005 м2, температура раствора фосфатирования - 95 °С, время обработки - 2 мин.
В ходе эксперимента рассматривалось влияние выбранных факторов на технологические характеристики полученного фосфатного покрытия, таких как толщина фосфатной пленки, пробивное напряжение, защитная способность (является важной для межоперационной защиты деталей) и поверхностная плотность покрытия (стандартная характеристика фосфатного покрытия по ГОСТ 9.302-88 [7]). После проведения необходимых расчетов были получены следующие зависимости с ненормируемыми факторами, отражающие вклад каждого из исследуемых факторов на конкретную характеристику фосфатного покрытия (при этом незначимые коэффициенты были удалены):
1) толщина фосфатной пленки
У = 2,675+ 0,07190x1 +0,00625x2 - 1,62500г3 + 0,01458^ + 0,000165^x3;
2) пробивное напряжение фосфатной пленки
У = 194,553 + 0,001^ x2 + 1,521x1x3;
3) защитная способность фосфатной пленки
У = 9,9110 - 0,1687^ + 0,0425x2 - 1,2500x3 + + 0,0003^2 + 0,0378x1x3 + 0,0003^2 x3;
4) поверхностная плотность фосфатной пленки
У = 12,4440 + 0,04275x1 +0,01850x2 - 2,9900x3 +0,00018x1x2 -- 0,02680x2Xз + 0,00380x^3 - 0,00047x1x2x3.
Из выражений видно, что одним из наиболее существенных факторов является концентрация натрия азотистокислого ^3). При этом действие данного фактора на рассматриваемую характеристику обратно пропорционально его величине. Так, с повышением содержания натрия азотистокислого уменьшается толщина фосфатной пленки и, как следствие, - ее поверхностная плотность, что приводит к снижению защитной способности таких покрытий. С другой стороны, осаждения более тонких фосфатных пленок с повышенными защитными свойствами можно добиться путем снижения концентрации препарата «Мажеф» ^1). Однако произведение рассматриваемых факторов положительно влияет на значения пробивного напряжения полученного покрытия, что является достаточно закономерным, поскольку значение пробивного напряжения, как это было выяснено ранее [2], прямо пропорционально толщине фосфатной пленки.
Кроме того, из представленных зависимостей следует, что повышение содержания цинка азотнокислого увеличивает значения всех рассмотренных характеристик фосфатного покрытия (толщина, пробивное напряжение, защитная способность и поверхностная плотность).
При анализе полученных данных удалось выделить несколько вариантов-экстремумов, характерных для ситуаций, в которых химический состав
ванны фосфатирования выходит из допустимых пределов. К подобным ситуациям можно отнести значительное уменьшение объема ванны в результате сильного испарения воды вследствие перекипания, разбавление ванны выше предельно допустимого уровня, а также любую иную ситуацию, в результате которой нарушается соотношение компонентов раствора, и одни из них находятся в избытке, а другие в недостатке.
Так, при значительном уменьшении объема ванны должна резко возрасти концентрация соли «Мажеф» (влияет на показатель общей кислотности раствора), а также цинка азотнокислого на фоне уменьшения содержания натрия азотистокислого (быстро расходуемый компонент). В таком растворе могут формироваться покрытия с повышенными значениями толщины и поверхностной плотности (табл. 2, вариант 4).
В случае, если содержание натрия азотистокислого в таком растворе падает ниже 0,5 г/дм3, то полученные фосфатные пленки будут обладать низкой защитной способностью. В случае одновременного снижения концентраций обоих ускорителей (цинка азотнокислого и натрия азотистокислого) до минимально допустимого уровня на фоне повышенного содержания препарата «Мажеф» формируется дефектное, осыпающееся крупнокристаллическое покрытие с низкими электроизоляционными и защитными свойствами (табл. 2, вариант 2; рис. 1).
Фосфатные пленки, полученные в растворе с пониженной общей кислотностью (соответственно, с низким содержанием препарата «Мажеф») при относительно высокой концентрации натрия азотистокислого характеризуются сравнительно небольшими значениями толщины покрытия и поверхностной плотности, но в то же время имеют достаточно высокую защитную способность (табл. 2, варианты 5 и 7; рис. 2).
Рис. 1. Внешний вид фосфатного покрытия, полученного из состава варианта 2
(увеличение х130)
Однако снижение толщины покрытия ниже 2 мкм приводит к уменьшению электроизоляционных свойств таких фосфатных покрытий, что является неприемлемым исходя из поставленных в данной работе задач.
Рис. 2. Внешний вид фосфатного покрытия, полученного из состава варианта 7
(увеличение х130)
Рис. 3. Внешний вид фосфатного покрытия, полученного из состава варианта 1
(увеличение х130)
Таким образом, осаждение тонких электроизоляционных фосфатных покрытий на поверхность пластин из железокобальтового сплава 49К2ФА целесообразно проводить в растворе следующего состава (г/дм3): препарат «Мажеф» - 15.20; 2п(Ч03)2'6Н20 - 50.60; NN02 - 0,5.0,7 при температуре раствора 95 °С и времени обработки 2 мин. При соблюдении указанных условий на поверхности деталей из сплава 49К2ФА формируется сплошная од-
нородная фосфатная пленка толщиной 3.5 мкм, величиной пробивного напряжения 200.300 В, поверхностной плотностью в диапазоне 9.12 г/м210-3 и защитной способностью 10.15 с по методу Акимова. Указанная рецептура по составу наиболее близка варианту 1 табл. 2. Морфология поверхности такого покрытия представлена на рис. 3.
В результате натурных испытаний собранного изделия установлено, что применение фосфатного покрытия, полученного в растворе рекомендуемого состава, в качестве электроизоляционного слоя между отдельными пластинами магнитопровода привело к снижению тока холостого хода узла на 8 %. Следует отметить, что предложенный состав раствора фосфатирования является достаточно экономичным, что позволяет уменьшить расход реактивов при приготовлении рабочей ванны в условиях производства. Кроме того, полученные данные подтверждают возможность нанесения фосфатного покрытия в течение 2 мин, что благоприятно не только с точки зрения получения фосфатных пленок с заданными свойствами, но и дает возможность повысить производительность, что особенно явно может проявиться при реализации технологии в условиях автоматизированной линии.
Список литературы
1. Гринберг, Ю. М. Моделирование процесса фосфатирования с помощью метода Бокса-Уилсона / Ю. М. Гринберг, Ю. В. Грановский // Защита металлов. - 1974. -Т. 10, № 4. - С. 467-470.
2. Селиванов, В. Н. Оптимизация рабочих параметров ванны фосфатирования для получения тонких электроизоляционных фосфатных покрытий / В. Н. Селиванов // Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении : сб. ст. VII Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза : Приволжский дом знаний, 2010. - С. 79-81.
3. Селиванов, В. Н. Фосфатирование конструкционной стали 08 КП с использованием раствора, разработанного для фосфатирования электротехнических сталей /
B. Н. Селиванов, Ю. П. Перелыгин // Покрытия и обработка поверхности : тез. докладов 8-й Междунар. выставки и конф. - М., 2011. - С. 70-71.
4. Хаин, И. И. Теория и практика фосфатирования металлов / И. И. Хаин. - Л. : Химия, 1973. - 312 с.
5. T. S. N. Sankara Narayanan. Surface pretreatment by phosphate conversion coatings. A review / T. S. N. Sankara Narayanan // Rev. Adv. Mater. Sci. - 2005. - № 9. -P. 130-177.
6. Саутин, С. Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии /
C. Н. Саутин. - Л. : Химия, 1975. - 48 с.
7. Защита от коррозии. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий. - М. : Изд-во стандартов, 1990. - 468 с.
Селиванов Владимир Николаевич
ведущий инженер-химик, центральная заводская лаборатория, ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» E-mail: svn20r@rambler.ru
Selivanov Vladimir Nikolaevich
leading chemical engineer,
plant central laboratory,
Federal State Unitary Enterprise Federal
Research and Production Center
«Production Complex «Start»
named after M. V. Protsenko»
Перелыгин Юрий Петрович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии, Пензенский государственный университет E-mail: enf@pnzgu.ru
Pereligyn Yuriy Petrovich doctor of technical sciences, professor, head of sub-department of chemistry, Penza State of University
УДК 621.794.62: 669.056.9 Селиванов, В. Н.
Применение метода полного факторного эксперимента для отработки технологии нанесения электроизоляционного фосфатного покрытия на поверхность железокобальтового сплава 49К2ФА / В. Н. Селиванов, Ю. П. Перелыгин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 1 (13). -С. 168-175.
