CC BY
42УДК 621.357.7
Pavel I. Butyagin
INFLUENCE OF ELECTRICAL PARAMETERS ON THE ROUGHNESS OF THE COATING OBTAINED IN A SHORT-PULSE MODE OF MICRO-ARC OXIDATION
MANEL JSC, Tomsk, Russia pavel.butyagin@manel.ru
In the course of the work it was shown that in the process of short-pulse microarc oxidation, it is possible to control electric parameters - pulse duration and pulse repetition frequency - in a wide range of12-200ps and 100-500 Hz, by controlling the porostty and the nature of the surface melting of the MAO coating. As a result, it becomes possible to obtain coating wtth the requrred roughness. At the maximum values of the pulse duration and frequency (200 ps and 500 Hz) at the moment of the microplasma discharge, the maximum amount of energy is released, which allows uniformly, wtth the smallest amount of first rrregulartties, to melt the coating surface, to obtain round pores of stable size. All that factors favour a decrease in the surface roughness of the MAO coating.
Key words: microarc oxidation, roughness, short-pulse MAO mode, porosity, aluminum alloy, pulse duration, pulse repetition frequency.
DOI: 10.36807/1998-9849-2020-57-83-29-33
Введение
Из литературы известно, что большинство исследователей, при микродуговом оксидировании (МДО) алюминиевых сплавов, получают оксидно керамические покрытия, верхний слой которых представляет собой рыхлое образование, которое содержит муллит [1-4]. После удаления этого слоя можно получить покрытие высокой прочности, способное выдерживать условия работы в тяжело нагруженных узлах механизмов [1, 5, 6], конкурируя при этом с гальваническими покрытиями, полученными хромированием, никелированием, композиционными электрохимическими покрытиями и покрытиями полученными, например, детонационным напылением [7]. Также известно, что описанные режимы МДО позволяют получать покрытия с шероховатостью Ra < 1 [8]. Однако, наличие муллитного рыхлого слоя, высокая шероховатость несколько сужают область применения МДО-покрытий. При серийном производстве механическая обработка поверхности после МДО рентабельна, когда МДО подвергаются плоские, цилиндрические поверхности. В случаи МДО сложных поверхностей - корпуса приборов, внутренние поверхности диаметром менее 10 мм и др., когда требуется получение покрытия с низкой шероховатостью, необходимо создавать усло-
Бутягин П.И.
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕ КТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО В КОРОТКО ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ
АО МАНЭЛ, Томск, Россия. pavel.butyagin@manel.ru
Показано, что в процессе коротко импульсного микродугового оксидирования можно управлять электрическими параметрами - длительностью импульса, частотой следования импульсов в широком диапазоне 12 -200 мкс и 100 - 500Гц, управляя пористостью и характером оплавления поверхности МДО-покрытия. В результате появляется возможность получать покрытие с заданной шероховатостью. При максимальных значениях длительности импульса и частоты (200 мкс и 500Гц) в момент микроплазменного разряда выделяется максимальное количество энергии, что позволяет равномерно, с наименьшим количеством неровностей, оплавлять поверхность покрытия, получать поры круглой формы стабильного размера. Всё это способствует снижению шероховатости поверхности МДО-покрьтия.
Ключевые слова: микродуговое оксидирование, шероховатость, коротко импульсный режим МДО, пористость, алюминиевый сплав, длительность импульса, частота следования импульса.
Дата поступления - 23 марта 2021 года
вия для протекания процесса микродугового оксидирования, при которых поверхность обрабатываемой детали будет достаточно гладкой и без муллитного рыхлого слоя.
В работах Мамаева А.И. [9, 10] приведена теоретическая модель, описывающая механизм получения покрытий с низкой шероховатостью без муллитного слоя, экспериментальные результаты приведены в работах [11, 12].
Как показали исследования[13], в настоящее время МДО-покрытия, полученные в коротко импульсном режиме уступают по твердости покрытиям, полученным другими исследователями в области микродугового оксидирования и пока нет информации о применении таких покрытий в жестких условиях (узлы трения металл-металл, жесткие ударные нагрузки, жесткий абразивный износ). Однако, управление параметрами МДО - напряжение, длительность импульса, частота следования импульса, расширяет область применения МДО-покрытий в других применениях - защита от коррозии, грибостойкость, оптические свойства, устойчивость к истиранию.
Покрытия, полученные в условиях коротко импульсного микродугового оксидирования, уже широко применяются [14, 15].
В предлагаемой статье приведены экспериментальные результаты, показывающие возможность управления параметрами МДО для получения покрытий различной шероховатости без муллитного слоя, способных выполнять различные технические задачи, в том числе в узлах трения при небольших нагрузках.
Методика эксперимента
Для проведения работы использовали образцы из сплава алюминия АМг2М размером 100х100х2 мм. МДО проводили в ванне из нержавеющей стали объемом 240 литров, оборудованной барботажем для перемешивания раствора электролита и змеевиками для его охлаждения. Ванна МДО служила катодом, а покрываемый образец анодом. Покрытие образцов проводили в электролите MANEL-W, рН = 9. Температура электролита поддерживалась чиллером в диапазоне 20-24 °С, толщина получаемых покрытий составила 30 ± 2 мкм. Время МДО не более 120 мин. Использовали импульсный источник питания ARCCOR®, разработанный и выпускаемый компанией АО ЭлеСи. Длительность импульса менялась в диапазоне 12-200 мкс, частота следования импульса составляла 100-500Гц, задаваемое на источнике питания напряжение - 600В. На контактах ванны МДО напряжение 400В фиксировали осциллографом UNI-T UTD2025CL 25MHz, 250 MS/s.
Измерение толщины покрытия производили вихретоковым толщиномером компании Quanix не менее 10 раз на каждом образце, затем рассчитывали среднюю величину. Ошибка измерений прибора составляет 2 %.
Исследование элементного анализа, получение микрофотографий осуществляли при помощи системы с электронными и сфокусированными ионными пучками Quanta 200 3D. Шероховатость измерялась портативным измерителем шероховатости TR220
Экспериментальная часть
Влияние электрических параметров на пористость МДО-покрытия. Известно, что МДО-покрытия пористые, независимо от того в каких условиях они получены [2, 9, 16, 17]. Наличие пор - это одно из важных условий для протекания микроплазменного процесса. В нашем случае мы также наблюдаем образование пор при различных электрических параметрах коротко импульсного микродугового оксидирования. Поры, их размеры и форма, в сочетании с оплавлениями поверхности между порами, формируют шероховатость поверхности МДО-покрытия. На микрофотографиях рис.1 показано, что увеличение частоты следования импульсов приводит к изменению формы и количества пор. Увеличение частоты следования импульса приводит к снижению количества пор, при этом поры становятся более круглыми.
100
12 мкс
50 мкс
200 мкс
, - - •
■'/.; "'-¿С'.
■р.:
- Ш: L f • ■ *,'■■ ■ /. i.v,-■ 1 - с - >? х» ■ УМ - ■ л - ■ ■••' • • - - .
V7J г Ж А . 'г- И
ш
--
■ ШШ* f ^'Шж
■ Г, У • Л wj'
■■ЩШ^тш. л
Частота, Гц 300
500
il
Шхшъ ¡¡«У . и □В£< - <ХУ. if
Ж5Ш :
ажУ у > -
W&sX с j >
i ,-' / ' f s
№ v - , ¿¿У 1
Srry
■ < 8 щ * ft
Р«sier, ' г «iJ1 "t - • ilr J
Г ( / ' t ' ) *V-
1«
Рис.1. Морфология МДО-покрытий, полученных при различных электрических параметрах МДО. Увеличение ЮООх.
В работе [13] показано, что с увеличением частоты следования импульса растет скорость формирования МДО, т.е. растет количество разрядов на поверхности в единицу времени. Рост количества разрядов увеличивает количество ионов алюминия выбрасываемых на поверхность обрабатываемого образца и взаимодействующих с кислородом, образующимся в результате разряда молекул воды на границе металл-раствор, как это описано в работе [9].
2Ме+2ОН-■ - 2е = 2МеО + Н2 | (1)
Ме + Н20 = МеО + Н2 | (2)
Ме + ОН -- е = МеОН (3)
Ме + Н20 = Ме(ОН) + 1/2 Н Г (4)
Продукты реакции способствуют зарастанию и изменению формы пор. На основании полученных результатов можно предположить, что, чем выше скорость формирования МДО-покрытия при увеличении частоты следования импульсов, тем быстрее зарастают поры. Однако морфология поверхности при изменении частоты (когда длительность импульса величина постоянная) меняется по-разному. Согласно рис. 1, когда длительность импульса 25 мкс, максимальный размер пор при частоте 300 Гц. Можно предположить, что при этих значениях частоты и длительности скорость выбрасывания в раствор ионов алюминия выше, чем скорость встраивания этих ионов в покрытие по реакциям (1-4). При увеличении частоты следования до 500 Гц скорость заращивания пор возрастает, и мы наблюдаем на микрофотографиях меньшее количество пор и уменьшение их размеров. В данном случае в зависимости от частоты размер пор меняется от 8,7 мкм до 6,4 мкм. Наиболее стабильное изменение количества пор при сохранении их размеров наблюдается, когда длительность импульса 50 мкс. Здесь размер пор составляет 8,5 ± 1 мкм, при этом количество пор, с увеличением частоты следования импульсов, уменьшается существенно (рис. 2).
Рис.2 Влияние электрических параметров МДО на пористость покрытия
Максимально высока скорость заращивания пор, когда длительность импульса 200 мкс, а частота следования импульсов составляет 100 Гц. Это подтверждает микрофотография на рис. 1. В дальнейшим повторяется механизм формирования МДО-покрытия для параметров 12 мкс и 300 Гц. Увеличение частоты до 500 Гц при 200 мкс позволяет получать поры больших размеров, чем при меньших длительностях и
меньших частотах. Размер пор в этом случае с увеличением частоты меняется от 7,4 мкм до 12 мкм. В целом, пористость меняется не значительно (рис. 1).
Изменение длительности импульса также приводит к изменению пористости покрытия (рис 3). В целом закономерность изменения пористости сохраняется для всех значений частоты. С ростом длительности импульса, при постоянной частоте пористость снижается. Анализируя изменение пористости, можно отметить, что при значениях частоты 100 Гц и 200 Гц, когда длительность импульса 50 мкс, наблюдаются максимальные значения пористости покрытия. В то время как при значениях частоты 300 Гц, 400 Гц и 500 Гц при этой же длительности импульса пористость минимальна (рис. 3). Ранее в работе [9] было показано, что механизм формирования МДО-покрытий в коротко импульсном режиме проходит несколько стадий. На начальном этапе идет окисление металла подложки с образование оксидов и кислород содержащих соединений.
Рис.3 Влияние длительности импульса на пористость
Затем к процессу формирования покрытия подключаются компоненты электролита. Подтверждением такого механизма является анализ изменения элементного состава на шлифе полученных покрытий (рис. 4) [9]. Скорее всего, снижение энергии микроразряда с ростом сопротивления формируемого покрытия, и, соответственно, снижение количества выбрасываемых разрядом ионов алюминия, в тоже время рост участия компонентов электролита в формировании покрытия, приводит к изменению формы пор и их заращиванию.
Рис.4 Изменение элементного состава от границы металл -покрытия до внешней поверхности покрытия. Представлено изменение содержания основных компонентов покрытия: А1-элемент подложки, Р - элемент раствора [9]
Анализируя влияние электрических параметров, длительности импульса и частоты, на процесс формирования пор, можно отметить, что максималь-
ные значения длительности и частоты следования импульса позволяют получить поры максимальных размеров и поддерживают процесс формирования пор.
Влияние электрических параметров на шероховатость МДО-покрытия. Шероховатость поверхности МДО-покрытия создают поры и неровности в виде оплавлений, которые формируются в процессе микроплазменного пробоя, как показано выше (рис.1). В работе [13]показано, что рост частоты следования импульсов не влияет на качественные изменения состава покрытия, однако, как показали предлагаемые результаты работы, меняется шероховатость поверхности МДО-покрытия. При чем, увеличивая частоту, при высоких значениях длительности импульса 50 мкс, 100 мкс, 200 мкс, мы получаем более низкие значения шероховатости, чем при значениях длительности импульса 12 мкс, 25 мкс (рис.5).
Частота, Гц
Рис.5 Влияние частоты следования импульса на шероховатость МДО-покрытия
Длительности импульса также является параметром МДО, с помощью которого можно управлять процессом формирования шероховатости поверхности. На рис. 6 показано, при постоянном значении частоты с увеличением длительности импульса шероховатость растет при наименьшей частоте 100 Гц. Наиболее стабильные значения шероховатости при частоте 200 Гц, не зависимо от величины длительности импульса. При максимальных значениях частоты 300Гц, 400Гц и 500Гц с увеличением длительности импульса наблюдается снижение шероховатости поверхности при минимальном значении длительности - 50 мкс.
При максимальных значениях длительности импульса и частоты (200 мкс и 500 Гц) в момент микроплазменного разряда выделяется максимальное количество энергии, что позволяет равномерно, с наименьшим количеством неровностей, оплавлять поверхность покрытия, получать поры круглой формы стабильного размера (рис.1). Всё это способствует снижению шероховатости поверхности МДО-покрытия.
0,8 -I-.-1-.-1-.-1-.-1-.-1
О 50 100 150 200 250
Длительность импульса, мкс
Рис.6 Влияние длительности импульса на шероховатость МДО-покрытия
Выводы
Как показали результаты представленной работы, управляя в коротко импульсном режиме электрическими параметрами МДО, можно добиваться получения покрытия с заданными параметрами пористости, характером оплавления поверхности. Тем самым добиваться получения поверхности с заданной шероховатостью, что позволит применять полученные МДО покрытия, в том числе и в узлах трения.
Литература
1 Алехин В.П., Федоров В.А., Булычев С.И. Особенности микроструктуры упрочненных поверхностных слоев, получаемых микродуговым оксидированием // Физика и химия обработки материалов. 1991. № 5. С. 121-126.
2. Суминов И.В. Эпельфельд A.B., Крит Б.Л., Борисов A.M., Дунькин О.Н. Микродуговое оксидирование. М.: ЭКОМЕТ, 2005. 368 с.
3. Кусков В.Н. Формирование структуры оксидного покрытия на алюминиевом сплаве катодно-анодными микроразрядами в электролите // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 11. С. 40-42
4. Трушкина Т. В,, Михеев А. Е, Гирн А. В. Коррозионная стойкость МДО-покрытий в агрессивных средах // Вестник СибГАУ. 2014. № 1(53). С.179-184
5. Shrestha S., Dunn B. Advanced plasma electrolytic oxidation treatment for protection of lightweight materials and structures in a space environment // Surface world. 2007. P. 40 -44.
6. Гнеденков С.В., [и др.]. Износостойкие и жаростойкие покрытия на поверхности алюминия // Журн. прикл. химии. 2000.Т. 73. Вып .4. С. 541-547.
7. Ненашев М.В., [и др]. Перспективные технологии, свойства и применение детонационных покрытий // Вестник СГАУ. 2011. № 3(27). С. 197-203.
8. Руднев В. С., [и др]. О строении поверхности покрытий формируемых анодно-искровым методом // Защита металлов. 2004. Т. 40. № 4. C. 393-399
9. Мамаев А.И., Мамаева В.А. Сильнотоковые процессы в растворах электролитов. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2005. 254 с.
10. Мамаев А.И., [и др]. Теория коллективного микроплазменного процесса формирования нанострук-турных неметаллических неорганических покрытий при наноразмерной локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз. Математическое моделирование. Ч.1 // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 8. С. 100-108.
11. Бутягин П.И., Хохряков Е.В., Мамаев А.И. Формирование в растворе электролита покрытий сложного состава в условиях микроплазменного процесса // Гальванотехника и обработка поверхности. 2003. № 2. С. 21-23.
12. Ramazanova Zh.M, Zamaiitdinova M.G. Study of the Properties of Oxide Coatings Formed on Titanium by Plasma Electrolytic Oxidation Method // Eurasian Chemical-Technological Journal. 2020. Vol. 22. P. 51-58.
13. Butyagin P. [and etc.]. Influence of Anodic Spark Mode Parameters on the Properties of MAO-Coatings. // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), Tomsk, Russia. September 14-26. 2020. Tomsk, 2020. P. 1164-1168, doi: 10.1109/EFRE47760.2020.9241915.
14. Арбузова С.С., [и др]. Микроплазменная электролитическая обработка поверхности металлов:
свойства покрытий, их применение // Известия вузов. Физика. 2019. №11. С. 117-123.
15. Бутягин П.И. [и др] Микродуговое оксидирование компании МАНЭЛ - применение в машиностроении и приборостроении // Мир гальваники. 2016. № 2(3). C.16-23.
16. Трушкина Т. В., [и др]. Влияние технологических режимов микродугового оксидирования на пористость и коррозионную стойкость сплава системы Al-Mg-Sc // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17. № 4. С. 10721076.
17. Mia T, Jianga В., Liua Z, Fanc L. Plasma formation mechanism of microarc oxidation // Electro-chimica Acta. 2014. Vol. 123. P. 369-377.
References
1. Alekhin V.P, Fedorov V.A., Bulychev S.I. Oso-bennosti mikrostruktury uprochnennyh poverhnostnyh sloev, poluchaemyh mikrodugovym oksidirovaniem // Fizi-ka i himiya obrabotki materialov. 1991. № 5. S. 121-126.
2. Suminov I.V., Eperfeld A.V., Krit B.L, Borisov A.M., Dunkin O.N. Mikrodugovoe oksidirovanie. M.: EKOMET, 2005. 368 s.
3. Kuskov V.N. Formirovanie struktury oksidnogo pokrytiya na alyuminievom splave katodno-anodnymi mikrorazryadami v elektrolite // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2006. № 11. S. 40-42
4. Trushkina T.V., Miheev A.E, Girn A. V. Kor-rozionnaya stojkost' MDO-pokrytij v agressivnyh sredah // Vestnik SibGAU. 2014. № 1(53). S.179-184
5. Shrestha S., Dunn B. Advanced plasma electrolytic oxidation treatment for protection of lightweight materials and structures in a space environment // Surface world. 2007. P. 40 -44.
6. Gnedenkov S.V., [i dr.], Iznosostojkie i zharostojkie pokrytiya na poverhnosti alyuminiya // Zhurn. prikl. himii. 2000.T. 73. Vyp .4. S. 541-547.
7. Nenashev M.V., [i dr].Perspektivnye tekhnologii, svojstva i primenenie detonacionnyh pokrytij // Vestnik SGAU. 2011. № 3(27). S. 197-203.
8. Rudnev V. S, i dr. O stroenii poverhnosti pokrytij formiruemyh anodno-iskrovym metodom // Zash-chita metallov. 2004. T. 40. № 4. C. 393-399
9. MamaevA.I, Mamaeva V.A. Sil'notokovye pro-cessy v rastvorah elektrolitov. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN. 2005. 254 s.
10. Mamaev A.I., i dr. Teoriya kollektivnogo mikroplazmennogo processa formirovaniya nanostrukturn-yh nemetallicheskih neorganicheskih pokrytij pri nanora-zmernoj lokalizacii vysokoenergeticheskih potokov na granice razdela faz. Matematicheskoe modelirovanie. CH.1 // Izvestiya vuzov. Fizika. 2013. T. 56. № 8. S. 100-108.
11. Butyagin P.I, Hohryakov E.V., Mamaev A.I. Formirovanie v rastvore elektrolita pokrytij slozhnogo sostava v usloviyah mikroplazmennogo processa // Gal'vanotekhnika i obrabotka poverhnosti. 2003. № 2. S. 21-23.
12. Ramazanova Zh.M, Zamaiitdinova M.G. Study of the Properties of Oxide Coatings Formed on Titanium by Plasma Electrolytic Oxidation Method // Eurasian Chemical-Technological Journal. 2020. Vol. 22. P. 51-58.
13. Butyagin P. and etc. Influence of Anodic Spark Mode Parameters on the Properties of MAO-Coatings. // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), Tomsk, Russia. September 14-26. 2020. Tomsk, 2020. P. 1164-1168, doi: 10.1109/EFRE47760.2020.9241915.
14. Arbuzova S.S., i dr. Mikroplazmennaya el-ektroliticheskaya obrabotka poverhnosti metallov: svojstva pokrytij, ih primenenie // Izvestiya vuzov. Fizika. 2019. №11. S. 117-123.
15. Butyagin P.I. i dr Mikrodugovoe oksidirovanie kompanii MANEL - primenenie v mashinostroenii i priboro-stroenii // Mir gal'vaniki. 2016. № 2(3). C.16-23.
16. Trushkina T.V., i dr. Vliyanie tekhnolog-icheskih rezhimov mikrodugovogo oksidirovaniya na poristost' i korrozionnuyu stojkost' splava sistemy Al-Mg-Sc // Vestnik SibGAU. 2016. T. 17. № 4. S. 1072-1076.
17. Mia T, Jianga B, Liua Z, Fanc L. Plasma formation mechanism ofmicroarc oxidation // Electro-chimica Acta. 2014. Vo, 123. P. 369-377.
Сведения об авторах
Бутягин Павел Игоревич, канд. хим. наук, генеральный директор; Pavel I. Butyagin, Ph.D. (Chem.), CEO, pavel.butyagin@manel.ru
