Способ микродугового оксидирования металлических изделий и устройство для его осуществления

 

Использование: электрохимическая обработка металлов и сплавов в различных отраслях машиностроения при формировании покрытий с улучшенными физико-механическими свойствами. Сущность изобретения : способ микродугового анодно-катодного оксидирования металлических изделий включает обработку изделий в щелочном электролите импульсами напряжения амплитудой 100-1000В и частотой 1-10 кГц, при этом на обрабатываемое изделие накладывают чередующиеся положительные и отрицательные импульсы напряжения низкой частоты 0,05-1 кГц с амплитудой 100-500В и длительностью 0,001-0,01 С, а в каждый из анодных полупериодов дополнительно накладывают высокачастотные положительные импульсы с амплитудой 600-1000 В, частотой 1-10 кГц и длительностью 0,1-1 мкс. Устройство для осуществления данного способа содержит источник питания, ванну для электролита электронные ключи и инвертор. Для достижения поставленной цели устройство снабжено двумя регулируемыми выпрямителями, соответственно низкого и высокого напряжений, дополнительным электронным ключом и блоками управления электронных ключей инвертора и дополнительного электронного ключа, при этом регулируемые выпрямители включены параллельно друг другу и в одну из диагоналей последовательно-параллельно инвертора, собранного на электронных ключах, в другую диагональ которого включена ванна для электролита, а дополнительный электронный ключ включен последовательно в цепь между выпрямителями. В качестве электронных ключей инвертора могут быть использованы мощные силовые транзисторы, а в качестве дополнительного электронного ключа - высокочастотный тиристор. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрохимической обработке металлов и сплавов и может найти применение в различных отраслях машиностроения при формировании покрытий с улучшенными физико-механическими свойствами.

Известен способ анодирования металлов и их сплавов в растворе алюмината натрия при напряжении 100-1000 В в импульсном режиме при плотности тока 5-250 А/дм², длительности импульсов 0,001-0,1 с и паузе между ними 0,02-0,1 с [1] При этом процесс ведут в 0,5-5 растворе алюмината натрия, а для интенсификации процесса добавляют 3-200 г/л мелкодисперсного порошка карбида, нитрида или оксида металлов. Данный способ позволяет получать покрытие не только на вентельных металлах, но и на черных и цветных металлах, однако наличие только лишь положительных импульсов на аноде не обеспечивает достаточного проплавления пленки, особенно при ее большой толщине, вследствие чего ухудшается адгезия покрытия к основе.

Известен также способ нанесения покрытий на металлы и сплавы в режиме микродугового оксидирования в щелочном электролите при наложении положительных и отрицательных импульсов напряжениям частотой 50 Гц и при соотношении катодного и анодного токов в пределах 0,5-0,95 [2] Данный способ позволяет повысить износостойкость и уменьшить сквозную пористость покрытий, однако, обладает большой энергоемкостью и низкой производительностью, что сдерживает его применением в промышленности.

Известны устройства для питания гальванических ванн импульсным реверсированным током [3] и оксидирования [4] в которых используются поляризующие импульсы прямого и обратного токов.

Наиболее близким к изобретению является способ микродугового анодирования в щелочном электролите импульсами напряжения амплитудой 100-1000 В с частотой следования импульсов 1-10 кГц, при этом импульсы имеют двухступенчатую форму, а соотношение амплитуд напряжений первой и второй ступеней 1: 8-12, причем длительность импульса на первой ступени 1-3 мкс, на второй 10-20 мкс [5] Недостатком известного способа является то, что обработка ведется только импульсами напряжения положительной полярности и формирование покрытия происходит в основном за счет ионной проводимости в электролите, тогда как при импульсах отрицательной полярности преобладает доля электронной проводимости и температура микродуговых разрядов отрицательной (относительно обрабатываемой детали) полярности значительно выше, что позволяет лучше проплавить керамическую пленку и сделать ее более плотной. Более плотная пленка имеет повышенные физико-механические характеристики, лучшую адгезию к основе и более износостойка. Кроме того, форма импульса в известном способе облегчает процесс поджига микродуги, но не обеспечивает инициирования микродугового режима в дефектных местах покрытия, что также отражается на качестве покрытия.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для микродугового оксидирования вентильных металлов и сплавов [6] которое содержит ванну с электролитом, соединенную через шунт со второй ванной и через второй шунт с первым электронным ключом, соединенным с первым конденсатором. Токоподвод второй оксидируемой детали через последовательно соединенный второй электронный ключ и второй конденсатор, соединен с входной клеммой источника питания, а токоподвод первой оксидируемой детали соединен со второй клеммой источника питания. Кроме того, введены два блока синхронизации и формирователь импульсов.

Недостатком известного устройства является то, что оно позволяет формировать покрытие только на вентильных металлах и сплавах, кроме того, формирование покрытий в пределах только промышленной частоты (50 Гц) не позволяет существенно влиять на структуру покрытий, а следовательно, варьировать и улучшать их качество.

Цель изобретения повышение качества покрытий и расширение гаммы обрабатываемых металлов и сплавов.

Цель достигается тем, что обработку ведут при наложении на обрабатываемое изделие чередующихся положительных и отрицательных импульсов напряжения низкой частоты 0,05-1 кГц с амплитудой 100-500 В и длительностью 0,001-0,01 с, а в каждый из анодных полупериодов дополнительно высокочастотные положительные импульсы с амплитудой 600-1000 В, частотой 1-10 кГц и длительностью 0,1-1 мкс.

Цель также достигается тем, что для реализации способа предлагается устройство, содержащее источник питания, ванну для электролита, электронные ключи и инвертор, снабженное двумя регулируемыми выпрямителями, соответственно, низкого и высокого напряжений, дополнительным электронным ключом и блоками управления электронных ключей инвертора и дополнительного электронного ключа, при это регулируемые выпрямители включены параллельно друг другу и в одну из диагоналей последовательно-параллельного инвертора, собранного на электронных ключах, в другую диагональ которого включена ванна для электролита, а дополнительный электронный ключ включен последовательно в цепь между выпрямителями.

Цель достигается также тем, что в устройстве в качестве электронных ключей инвертора использованы силовые транзисторы, а в качестве дополнительного электронного ключа высокочастотный тиристор.

Именно выполнение заявленного устройства, обеспечивающего подачу на ванну разнополярных импульсов напряжения 100-500В низкой частоты 0,05-1 кГц с одновременным наложением в анодный полупериод импульсов 600-1000 В высокой частоты 1-10 кГц, позволяет, согласно способу, формировать покрытия не только на вентильных металлах и сплавах, но и на черных и цветных металлах с улучшением их качества.

Микродуговые разряды при наложении чередующихся разнополярных импульсов горят в анодном и в катодном полупериодах, только области их существования различны: анодные горят на границе пленка-электролит, а катодные на границе металл-оксид. Дополнительное наложение на чередующиеся низкочастотные импульсы более высоких по амплитуде высокочастотных импульсов в анодный полупериод, обеспечивает более легкий пробой пленки, за счет того, что суммарный ток в этот полупериод повышается, что создает благоприятные условия для организации разрядов не только на оксидных пленках с явно выраженными вентильными свойствами, но и на иных, как то Fe₂O₃, СuО и др.

Наложение высокочастотных импульсов способствует улучшению структуры покрытий, их более мелкокристаллическому строению, что повышает их плотность и микротвердость и уменьшает пористость. Поскольку частота высоковольтных импульсов в 1-200 раз выше низковольтных, то при формировании покрытие подвергается многократному модифицированию, что также отражается на его структуре. Кроме того, высокочастотные импульсы имеют большую амплитуду напряжения, но меньшую мощность, чем низкочастотные импульсы, и они инициируют микродуговой процесс в дефектных местах покрытия, что обеспечивает его более плотное формирование.

Выход за пределы предложенных значений длительности импульсов и частота их следования приводит к ухудшению качества покрытий.

Изобретение может быть проиллюстрировано примерами, представленными ниже и в таблице.

Обработке подвергали металлы и сплавы вентильной группы Al, Ti, DI6, BТ-3, МА2, а также черные металлы Ст.3 и цветные Сu на установке, схема и работа которой описаны ниже. Параметры процесса определяли: импульсное напряжение регистрировали осциллографом, частоту импульсов контролировали частотомером. Параметры качества покрытий: толщина, микротвердость, пористость и износостойкость. Толщину измеряли на оптическом микроскопе по шлифу с точностью 10 мкм, микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на алмазную пирамиду 196 Н. Пористость оценивали по шлифу покрытия под микроскопом путем подсчета количества пор, приходящихся на 1 мм². Износостойкость подсчитывалась по массовому износу покрытия, приходящемуся на единицу поверхности трения. Испытания проводились по стандартной методике на машине трения 2070СМТ-1 по схеме трения диск (сталь ШХ 15) колодка (исследуемый образец).

Пример 1. В ванну, являющуюся одним из электродов, с электролитом на дистиллированной воде, состоящим из 2 г/л КОН и 6 г/л жидкого стекла (Ma₂SiO₃9H₂) опускают деталь из сплава алюминия Д16 второй электрод и включают источник питания. Питающее напряжение формирует на выпрямителях соответствующие выпрямленные напряжения низкое (до 600 В) и высокое (до 1100 В), регулируемые по амплитуде. На обрабатываемую деталь и электролитическую ванну, благодаря включению их в одну из диагоналей инвертора, собранного на электронных ключах, которые попарно включаются и выключаются блоком управления электронных ключей, подаются чередующиеся положительные и отрицательные импульсы от первого выпрямителя (низкой частоты) с амплитудой 500 В и частотой 50 Гц с длительностью импульсов 0,01 с. Требуемая по выбранному режиму частота чередования импульсов задается блоком управления электронных ключей. При этом в каждый анодный относительно детали (образца) полупериод одновременно с низкочастотными импульсами дополнительно накладываются высокочастотные импульсы положительной полярности от второго выпрямителя, благодаря дополнительному электронному ключу и блоку его управления, с амплитудой 850 В, частотой 1000 Гц и длительностью 0,001 с.

В продолжении 60 мин на детали формируется равномерное керамическое покрытие толщиной 210 мкм. Размеры детали (образца) подбирались таким образом, чтобы их поверхность составляла 0,6 дм², поэтому использовались шайбы размером 506 мм или шайбы o 306 мм и колодки 30х15х10 мм, обрабатываемые совместно. Температура электролита поддерживалась 30^oC. Плотность тока 10 А/дм². Исследования полученного покрытия на микротвердость, износостойкость и пористость, проведенные по описанным выше методикам, показали следующие результаты: микротвердость 25 ГПа; износостойкость 0,040 г/см²; пористость 1-2 пор/мм².

Пример 2. В ванну с электролитом на дистиллированной воде, состоящим из 2 г/л КОН и 9 г/л жидкого стекла опускают образец из алюминия АО и включают источник питания. На образец подаются чередующиеся положительные и отрицательные импульсы низкой частоты с амплитудой 450 В и частотой 500 Гц, длительностью 0,001 с. В каждый анодный полупериод дополнительно накладываются высокочастотные импульсы напряжением 1000 В, частотой 5 кГц и длительностью 0,5 мкс. Процесс формирования покрытия длится 40 мин. Плотность тока 10 А/дм². Температура электролита 40 С^o. Полученная толщина покрытия 180 мкм. Свойства покрытия: микротвердость 18 ГПа; износостойкость 0,052 г/см²; пористость 3-4 пор/мм².

В таблице представлены условия формирования и свойства полученных покрытий на других металлах и сплавах. Как следует из данных таблицы, предлагаемый способ позволяет получить покрытия, обладающие высокими физико-механическими характеристиками.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 и 3 примеры структурных схем блоков управления электронных ключей инвертора и дополнительного электронного ключа соответственно.

Устройство содержит (фиг.1) электролитическую ванну 1 с деталью 2, последовательно-параллельный инвертор 3, собранный на электронных ключах 4 - 7, основной выпрямитель 8 низкого напряжения (до 600 В), второй выпрямитель 9 высокого напряжения (до 110 В), который гальванически развязан с сетью, дополнительный электронный ключ 10, блок управления электронных ключей инвертора 11 и блок управления дополнительного электронного ключа 12, а также защитные диоды 13 18.

В качестве электронных ключей 4-7 инвертора использованы мощные силовые транзисторы типа 2М5-63-8-1-А (на ток 63 А, напряжение 800 В), а в качестве дополнительного электронного ключа 10 высокочастотный тиристор типа ТЧ 125.

Принцип работы устройства заключается в осуществлении на нагрузке (электролитической ванне) разнополярных импульсов напряжения от основного выпрямителя 8 с одновременной подачей в положительный полупериод (относительно обрабатываемой детали 2) высокочастотных импульсов высокого напряжения от выпрямителя 9.

Блоки управления транзисторными ключами и тиристором (фиг.2 и 3) могут быть выполнены на основе генератора прямоугольных импульсов 19 (фиг. 2), прямой Q и инверсный выходы которого через инверторы 20 и 21, осуществляющие задержку фронта импульса, поступают в блок 11, где сигналы проходя через линию задержки 22 и усилители тока 23 и 24 формируют командные импульсы и для управления транзисторными ключами 4 7. Блок управления тиристором 12 включает инвертор 25 (фиг. 3), задержку 26 и генератор прямоугольных импульсов 27, с которого сигнал, через выходной транзистор 28 поступает на управляющий электрод дополнительного электронного ключа 10.

Генераторы прямоугольных импульсов 19 и 27 могут быть собраны на базе интегральных микросхем типа К155АГ3, а инверторы и линии задержки 20 22, 25, 26 на микросхемах К155ЛНI и К155ЛАЗ соответственно.

Устройство, реализирующее предлагаемый способ, работает следующим образом. При подаче от источника питания (на фиг. 1 не показан) напряжения, на выпрямителях 8 и 9 вырабатываются соответствующие выпрямленные напряжения. Электронные ключи 4 7 инвертора, собранные по мостовой схеме, изменяют полярность протекания тока через ванну с частотой, за даваемой блоком управления 11.

В анодный полупериод через электронный ключ 10 на ванну дополнительно подаются высоковольтные импульсы высокой частоты от выпрямителя 9. Управление ключом 10 осуществляется через гальваническую развязку блоком 12 (фиг. 3).

Схема блока управления (фиг. 2) транзисторными ключами попеременно подает отпирающее напряжение на пары транзисторов 4 и 7 или 5 и 6, обеспечивает задержку управляющих сигналов так, чтобы не допустить протекания сквозного тока через транзисторный мост и отпирает (запирает) пары транзисторов с задержкой так, чтобы транзистор, ближний к земле, открывался (закрывался) первым.

Таким образом, снабжение предлагаемого устройства двумя регулируемыми выпрямителями соответственно низкого и высокого напряжений, дополнительным электронным ключом и блоками управления обеспечивает подачу на ванну разнополярных импульсов напряжения с наложением дополнительно в анодный полупериод высокочастотных импульсов, высокого напряжения, что соответствует режимам предлагаемого способа.

Предлагаемое устройство для микродугового оксидирования позволяет обеспечить формирование покрытий не только на вентильных металлах и сплавах, но и на других черных и цветных металлах и сплавах и улучшить качество этих покрытий. Кроме того, применение в устройстве в качестве основного выпрямителя с более низкими значениями напряжения (до 600 В) уменьшает затраты на его изготовление и эксплуатацию.

Формула изобретения

1. Способ микродугового оксидирования металлических изделий, преимущественно анодно-катодного оксидирования, включающий обработку изделий в щелочном электролите импульсами напряжения амплитудой 100 1000 В и частотой 1 10 кГц, отличающийся тем, что обработку ведут при наложении на обрабатываемое изделие чередующихся положительных и отрицательных импульсов напряжения низкой частоты 0,05 1,0 кГц с амплитудой 100 500 В и длительностью 0,001 0,01 с, а в каждый из анодных полупериодов дополнительно накладывают высокочастотные положительные импульсы с амплитудой 600 10000 В, частотой 1 10 КГц и длительностью 0,1 1,0 мкс.

2. Устройство для микродугового оксидирования металлических изделий, преимущественно анодно-катодного оксидирования, содержащее источник питания, ванну для электролита, электронные ключи и инвертор, отличающееся тем, что оно снабжено двумя регулируемыми выпрямителями соответственно низкого и высокого напряжений, дополнительным электронным ключом и блоками управления электронных ключей инвертора и дополнительного электронного ключа, при этом регулируемые выпрямители включены параллельно друг другу и в одну из диагоналей последовательно-параллельного инвертора, собранного на электронных ключах, в другую диагональ которого включена ванна для электролита, а дополнительный электронный ключ включен последовательно в цепь между выпрямителями.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве электронных ключей инвертора используют силовые транзисторы, а в качестве дополнительного электронного ключа высокочастотный тиристор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4