CC BY
107
УДК 627.7.015
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ НА КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА AL-SI-СПЛАВА
© С.К. Киселева1, Л.И. Зайнуллина2, М.М. Абрамова3, Н.Ю. Дударева4, И.В. Александров5
Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса,12.
Приведены результаты исследования свойств упрочненных поверхностных слоев, формируемых методом микродугового оксидирования (МДО) на поверхности заготовок из Al-Si-сплава. Установлено, что свойства сформированных поверхностей (микротвердость, толщина, пористость и коррозионные свойства) зависят от концентрации компонентов электролита. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 14 назв.
Ключевые слова: микродуговое оксидирование; алюминиевые сплавы; микротвердость; коррозионные свойства.
INFLUENCE OF MICROARC OXIDATION REGIMES ON AL-SI ALLOY CORROSION PROPERTIES S.K. Kiseleva, L.I. Zainullina, M.M. Abramova, N.Yu. Dudareva, I.V. Aleksandrov
Ufa State Aviation Technical University,
12 K. Marx St., Ufa, 450000, Republic of Bashkortostan.
The article presents the results of studying the properties of hardened surface layers formed by microarc oxidation (MAO) on the surface of Al-Si billets. It is found that the properties of the formed surfaces (microhardness, thickness, porosity and corrosion properties) depend on the concentration of electrolyte components. 4 figures. 1 table. 14 sources.
Key words: microarc oxidation; aluminum alloys; microhardness; corrosion properties.
Алюминий и алюминиевые сплавы по масштабам производства и применения в промышленности занимают одно из первых мест благодаря их низкой стоимости, высокой удельной прочности и жесткости. Однако коррозионная стойкость алюминия и его сплавов зависит как от количества примесей или специально введенных в сплав добавок, так и от качества покрывающей его защитной пленки. Естественную оксидную пленку алюминия не считают достаточной для защиты основного металла (сплава) от коррозии, эту пленку искусственно утолщают и уплотняют.
Одним из наиболее перспективных методов нанесения защитных покрытий на изделия и конструкции из алюминиевых сплавов является микродуговое оксидирование (МДО). Микродуговое оксидирование -процесс получения упрочненных слоев на поверхности электропроводящего вентильного материала, находящегося в электролите, в высоковольтном ре-
жиме посредством локальных микроразрядов, перемещающихся по поверхности при его анодной поляризации.
К основным преимуществам МДО можно отнести возможность получения защитно-коррозионных покрытий с более высокими показателями механических свойств (твердость, износостойкость, адгезия к металлической основе, сопротивление усталости), минимизацию производственных площадей и сокращение времени технологического процесса, поскольку не требуется тщательной предварительной подготовки поверхности деталей и конструкций.
Известно, что качество формируемых поверхностных слоев определяется режимами МДО-процесса [15]. На сегодняшний день технология МДО широко применяется для упрочнения поверхностей деталей из алюминиевых сплавов. Показана возможность получения качественного покрытия на сплавах систем
1Киселева Светлана Камильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и физики металлов, тел.: 89272352825, e-mail: nurieva_s@mail.ru
Kiseleva Svetlana, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Materials Science and Physics of Metals, tel.: 89272352825, e-mail: nurieva_s@mail.ru
2Зайнуллина Лилия Ильгизовна, инженер кафедры физики, тел.: 89273052019, e-mail: lele4ka.06@mail.ru
Zainullina Liliya, Engineer of the Department of Physics, tel.: 89273052019, e-mail: lele4ka.06@mail.ru
3Абрамова Марина Михайловна, инженер кафедры физики, тел.:89174490538, e-mail: abramovamm@yandex.ru
Abramova Marina, Engineer of the Department of Physics, tel.: 89174490538, e-mail: abramovamm@yandex.ru
4Дударева Наталья Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей внутреннего сгорания, тел.:
89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru
Dudareva Natalia, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Internal Combustion Engines, tel.: 89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru
Александров Игорь Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики, тел.: 83472737977, e-mail: iva@mail.rb.ru
Aleksandrov Igor, Doctor of Physico-Mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of Physics, tel.: 83472737977, e-mail: iva@mail.rb.ru
Режимы МДО
Концентрация, г/л Номер режима/образца
1 2
КОН, СКон 1,5 3,5
Жидкого стекла Сжс 1,5 3,5
Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Si и др. [6]. Для этих материалов достаточно полно изучено влияние различных режимов на свойства МДО-слоя, в том числе и на коррозионную стойкость. Что же касается возможности получения качественного покрытия на высококремнистых алюминиевых сплавах, то в научной литературе количество таких работ невелико [7], и выводы в них достаточно противоречивы. Кроме того, отсутствует информация о коррозионной стойкости МДО-слоев на высококремнистых алюминиевых сплавах.
Таким образом, целью данной работы является изучение влияния режимов процесса МДО на микротвердость и коррозионные свойства покрытия, формируемого на высококремнистых алюминиевых сплавах.
Материал и методика эксперимента
В качестве материала исследования был выбран высококремнистый алюминиевый сплав АК12Д ОСТ 192014-90. Обработке методом МДО подвергались образцы в виде круглых пластин, вырезанных из прутка. Поверхность образцов имела шероховатость Ra 0,5 мкм. Предварительной промывке и обезжириванию поверхность не подвергалась.
Известно, что качество покрытия зависит от нескольких факторов процесса МДО: состава электролита, электрических режимов и продолжительности обработки, а в качестве параметров выхода обычно выступают толщина, микротвердость, структура МДО-слоя, а также коррозионные свойства [8-10]. Однако наибольшее влияние на качество МДО-слоев оказывает состав электролита. Для наших исследований были выбраны режимы МДО, представленные в таблице. Эти режимы отличаются концентрацией компонентов электролита - жидкого стекла Na2SiO3 и гидрооксида калия КОН. Обычно при анализе влияния состава электролита на свойства МДО-слоя концентрация одного из компонентов электролита остается неизменной, а концентрация второго компонента изменяется [11]. В нашем случае изменяется сразу содержание двух компонентов - и жидкого стекла, и гидрооксида калия, при этом их концентрационное соотношение остается постоянным. Такой подход обусловлен тем, что в электролите эти компоненты взаимодействуют между собой. Чтобы не повлиять на равновесие электролита, можно изменять оба компонента одновременно, сохранив их количественное соотношение. Электрический режим процесса, который определялся емкостью конденсаторной батареи установки для обоих режимов, оставался неизменным.
В процессе обработки соотношение катодных и анодных токов сохранялось постоянным - ^=1. Температура электролита не превышала 45оС. По време-
ни процесс МДО осуществляли до полного окончания искрения на обрабатываемой поверхности.
Для оценки толщины покрытий проводили съемку изображений системы «сплав АК12Д - покрытие» с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) «JEOL JSM 6390» при увеличениях х500. Съемку вели в режиме обратных рассеянных электронов. Перед съемкой образцы заливали в жидкую эпоксидную смолу и после отверждения проводили их установку в колонну микроскопа.
Просмотр и съемку пор в МДО-слоях также вели на РЭМ. Объемную долю пор определяли точечным методом наложения квадратной сетки на изображение структуры.
Твердость МДО-слоев по Виккерсу определяли на микротвердомере Duramin», для чего на под-
готовленные образцы накладывали нагрузку 100 гр в течение 10 с.
Для коррозионных испытаний использовали кор-розионно-агрессивный раствор на основе дистиллированной воды с добавлением хлористого натрия (№□), азотистого калия (KNO3) и азотной кислоты (HNO3). Образцы подвешивали в отдельную емкость, не касаясь стенок. В качестве подвеса использовали проволоку, заизолированную лаком. Образцы помещали в раствор на 6 суток (144 ч). Измерение массы образцов до и после испытаний проводили с помощью электронных весов HR-120.
Скорость коррозии рассчитывали по формуле:
V = ;
где V - скорость коррозии, г/(м2ч); Ат - убыль (увеличение) массы, г; Б - площадь поверхности, м2; I - время, ч.
Результаты исследования
В результате проведенных экспериментов были получены два образца с МДО-слоем. Видно, что после МДО поверхность образцов теряет металлический блеск. Образцы, обработанные по различным режимам, приобретают различную окраску (рис. 1).
Толщина слоя, полученного в результате МДО, неоднородна по всей поверхности образцов (рис. 2). Наиболее сильная неоднородность МДО-слоя наблюдается для образца, обработанного по режиму 1 (рис. 2,а). Средняя толщина МДО-слоя, 1ср, у образца № 1 составляет 50 мкм, у образца № 2 - 114 мкм.
По результатам коррозионных испытаний была рассчитана скорость коррозии. У образца № 2 она оказалась выше и составила 2,3-10"4 г/м2-ч. Скорость коррозии образца № 1 - 9,3-10-5 г/м2-ч.
а) б)
Рис. 2. Изображение системы «сплав АК12Д - МДО-слой»: а - образец № 1; б - образец № 2. Области системы: 1 - металл; 2 - переходной слой; 3 - основной слой; 4 - эпоксидная смола
Известно, что пористость поверхностных слоев напрямую связана с коррозионной стойкостью. Анализ изображения системы «сплав АК12Д - МДО-слой» показал, что в МДО-слое наблюдается множество пор. Выявляются как отдельные поры, так и целые цепочки, которые располагаются в разных направлениях. Кроме того, от пор отходят тонкие трещины. Наибольшая пористость наблюдается в слое, который прилегает к металлу, это так называемый переходный слой (область 2 на рис. 2). Максимальная пористость в переходном слое наблюдается для образца № 2 и составляет 17% (рис. 3). При переходе к основному рабочему слою, состоящему из оксида алюминия Л120з, пористость снижается (область 3 на рис. 2).
Среднее значение пористости по всей толщине
25 %
20
МДО-слоя для образца № 1 составила 6,3%, для образца № 2 - 4,5%. Однако при подсчете объема материала, приходящегося на поры, получилось, что для образца № 1 он равен 23,3 мм3, а для образца № 2 -37,9 мм3, поэтому можно утверждать, что образец № 2 обладает большим объемом, приходящимся на поры, а, следовательно, в большей степени подвержен коррозии.
Оксид алюминия А1203, который является основой рабочего слоя, характеризуется высокой микротвердостью и коррозионной стойкостью. Результаты микротвердости подтверждают образование оксида алюминия при МДО-обработке исследованных образцов (рис. 4).
5 14 23 32 41 51 60 69 78 87 97 106 115 124 5 14 23 32 41 51 60 69 78 87 97 106 115 124
расстояние, мкм расстояние, мкм
а) б)
эис. 3. Графики зависимости пористости покрытий от расстояния от поверхности металла:
а - образец № 1; б - образец № 2
15 10 5 0
1200 1000 800 600 400 200 0
НУ
Л к
\
1Г
-1-
1200 1000 800 600 400 200 0
НУ
20
40
60
80
95 105 120 130 расстояние, мкм
20 40 60 80 95 105 120 130
расстояние, мкм
а)
б)
Рис. 4. Графики зависимости микротвердости покрытий от расстояния от поверхности металла: а - образец № 1; б - образец № 2
Распределение микротвердости неоднородно по толщине МДО-слоя (см. рис. 4). При переходе к основному рабочему слою значения микротвердости повышаются. Максимальное значение микротвердости наблюдается для образца № 2 и составляет 1150HV на расстоянии 60 мкм от поверхности металла. При дальнейшем увеличении расстояния от поверхности металла микротвердость незначительно снижается. Общий характер распределения пористости и микротвердости по толщине покрытия соответствует зависимостям, представленным ранее в литературе [12]. В нашем случае большое количество пор также наблюдается в переходном слое, который характеризуется низким значением микротвердости. При увеличении расстояния от поверхности металла пористость снижается, при этом увеличивается микротвердость за счет формирования рабочего слоя, состоящего в основном из оксида алюминия А1203. При дальнейшем увеличении расстояния от поверхности металла пористость должна была вырасти за счет образования технологического слоя, состоящего из муллита. Муллит, как известно, характеризуется низким значением микротвердости. Однако в нашем случае роста пористости с одновременным снижением микротвердости не произошло. По-видимому, это связано с тем, что большая часть слоя муллита была удалена при предварительной подготовке образцов.
Обсуждение результатов
Известно, что при МДО-обработке высококремнистых алюминиевых сплавов часто возникают трудности с получением качественного МДО-слоя. Это связывают с наличием кремния в составе литейных сплавов. Последний, препятствуя взаимодействию алюминия с кислородом, блокируя формирование оксидной пленки и выходя на рабочую поверхность в процессе ее обработки, создает очаги питтинга. В местах выхода кремния покрытие или не образуется, или его качество не является удовлетворительным [7].
На качество МДО-слоя влияет ряд факторов, среди которых наиболее важными считаются состав и концентрация компонентов электролита. В наших экспериментах режимы МДО отличались концентрацией жидкого стекла и гидрооксида калия. Количество двух компонентов изменялось сразу, при этом их соотно-
шение сохранялось неизменным.
Анализ полученных результатов показал, что методом МДО можно получить качественное покрытие на высококремнистом алюминиевом сплаве АК12Д, содержащем до 13% кремния.
Увеличение концентрации жидкого стекла и гидрооксида калия в электролите привело к получению покрытия с большей толщиной (114 мкм) и большей микротвердостью (1150HV) (см. рис. 4). Максимальная микротвердость приходится на рабочий слой. Увеличение микротвердости в образце с большей толщиной, связано, по-видимому, с тем, что МДО-слои обладают низкой теплопроводностью [13], что при значительной толщине упрочненного слоя способствует формированию высокотемпературных и высокотвердых фаз оксида алюминия а-А1203 [6].
Однако повышение концентрации жидкого стекла и гидрооксида калия привело к снижению коррозионных свойств МДО-слоя. Покрытие с большей толщиной коррозировало быстрее, чем тонкое покрытие. Такое различие в коррозионной стойкости МДО-слоя с большей толщиной может быть объяснено различной пористостью образцов. Известно, что коррозия металла под покрытием связана с проникновением коррози-онно-агрессивной среды через поры. Анализ изображения системы сплав «АК12Д - МДО-слой» показал наличие пор в МДО-слое для обоих исследуемых образцов, при этом объем материала, приходящийся на поры, выше для образца № 2, в МДО-слое которого отмечено большое количество трещин, некоторые из них проходят через всю толщину покрытия. По-видимому, чем больше толщина покрытия, тем больше вероятность образования протяженных дефектов в нем. Подобное влияние толщины МДО-слоя на коррозионные свойства алюминиевого сплава 2024 отмечено в работе [14].
Таким образом, коррозионные свойства образцов после МДО-обработки в большей степени определяются пористостью, чем толщиной покрытия. Образование толстого покрытия, с одной стороны, повышает микротвердость МДО-слоя, но, с другой - способствует снижению коррозионных свойств. Это нужно учитывать при выборе оптимальных режимов МДО-процесса.
0
0
Выводы
1. В результате МДО-процесса, проведенного по двум режимам, были сформированы покрытия на высококремнистом алюминиевом сплаве АК12Д.
2. Одновременное повышение концентрации жидкого стекла и гидрооксида приводит к формированию МДО-слоя с большей толщиной, повышенной микротвердостью и пониженной пористостью.
3. Пористость МДО-слоя оказывает доминирующее влияние на коррозионные свойства покрытия.
Результаты работы были получены в ходе выполнения совместного проекта ФГБОУ ВПО УГАТУ и ОАО «УМПО» «Разработка и промышленное освоение координируемых технологий высокоточного формообразования и поверхностного упрочнения ответственных деталей из Al- сплавов с повышенной конструкционной энергоэффективностью», реализуемого в рамках Постановления Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года.
Статья поступила 07.08.2014 г.
Библиографический список
1. Жаринов П.М. Эффективные микроразряды и новые способы нанесения покрытий на изделия из алюминиевых сплавов: автореф. дис. ... канд. хим. Наук: 19.02.09. М.: МИ-СиС, 2009. 24 с.
2. Габралла М.Э.М. Влияние электрического режима на свойства микродуговых покрытий, формируемых на сплаве Д16: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 08.11.07. М.: МИСиС, 2007. 24 с.
3. Тихоненко В.В., Шкилько А.М. Метод микродугового оксидирования // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2012. Т. 2. Вып. 13 (56). С. 13-18.
4. Дударева Н.Ю. Влияние режимов микродугового оксидирования на свойства формируемой поверхности // Вестник УГАТУ. 2013. Т. 17. Вып. № 3. С. 217-222.
5. Кучмин И.Б., Нечаев Г.Г. Плотность тока как определяющий параметр процесса микродугового оксидирования // Вестник СГТУ. 2013. Вып. № 1 (69). С. 62-66.
6. Суминов И.В. Микродуговое оксидирование: теория, технология, оборудование. М.: Экомет, 2005. 368 с.
7. Чигринова Н.М. Особенности формирования функциональных покрытий в проблемных зонах металлоконструкций торгового и рекламного оборудования // Вестник ГИУА. 2012. Вып. 15. № 1. С. 46-53.
8. Wenbin Xue Préparation of anti-corrosion films by microarc
oxidation on an Al-Si alloy // Applied Surface Science. 2007. 253. Р. 6118-6124.
9. Wenbin Xue Corrosion behaviors and galvanic studies of microarc oxidation films on Al-Zn-Mg-Cu alloy // Surface & Coatings Technology. 2007. 201. Р. 8695-8701.
10. Lei Wen Microarc oxidation of 2024 Al alloy using spraying polar and its influence on microstructure and corrosion behavior // Surface & Coatings Technology. 2013. 228. Р. 92-99.
11.Токарев А.В. Электрофизические характеристики покрытий на алюминии, полученных методом микродугового оксидирования // Вестник КРСУ. 2012. Т. 12. Вып. № 10. С. 106-110.
12. Эпельфельд А.В. Применение технологии микродугового оксидирования для формирования защитных покрытий [Электронный ресурс]. URL: http://tompve.ru/science/techn_mash.htm
13. Криштал М.М. О теплопроводности оксидных покрытий, полученных методом микродугового оксидирования на силумине АК9ПЧ // Вектор науки ТГУ. 2012. № 4 (22). С. 169-172.
14. Tongbo Wei Characterization and wear- and corrosion-resistance of microarc oxidation ceramic coatings on aluminum alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2005. 389. Р. 169-176.
УДК 551.435.126
УСТЬЕВЫЕ ОБЛАСТИ РЕК ОЗЕРА БАЙКАЛ
1 л 4
© Т.Г. Потемкина1, В.Л. Потемкин2, Е.А. Гусева3
12
' Лимнологический институт СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Впадающие в Байкал реки выделены в две группы - Большую и Малую питающие провинции озера. Наиболее распространенный тип устьевых областей рек Байкала - дельтовый и простой. Устья рек Большой питающей провинции озера по морфологическому строению представлены следующими типами: простой, эстуарный, дель-тово-эстуарный, дельтовый. Устья рек Малой питающей провинции озера выделены в три типа: семь устьевых областей относятся к простому типу, столько же к дельтовому и две - к эстуарно-дельтовому. Определены площади акваторий эстуариев. Рассмотрены условия, в которых развиваются устьевые области байкальских рек, и
1 Потемкина Татьяна Гавриловна, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 426502, e-mail: tat_pot@lin.irk.ru
Potemkina Tatiana, Candidate of Geography, Senior Researcher, tel.: (3952) 426502, e-mail: tat_pot@lin.irk.ru
2Потемкин Владимир Львович, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 426502, e-mail:
klimat@lin.irk.ru
Potemkin Vladimir, Candidate of Geography, Senior Researcher, tel.: (3952) 426502, e-mail: klimat@lin.irk.ru
3Гусева Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов,
тел.: (3952) 405147, e-mail: el.guseva@rambler.ru
Guseva Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: el.guseva@rambler.ru
