Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 15
1.1. Сравнительный анализ способов получения оксидных слоев и покрытий для повышения эксплуатационных характеристик деталей из титановых сплавов в приборостроении 17
1.1.1. Защитные покрытия и способы их получения 17
1.1.2. Сравнительный анализ методов анодирования и микродугового оксидирования 28
1.2. Формирование покрытий методом микродугового оксидирования 40
1.2.1. Основные теоретические представления о процессе микродугового оксидирования 40
1.2.2. Технологическое оборудование микродугового оксидирования 44
1.2.3. Технологические параметры микродугового оксидирования 52
1.3. Анализ типовых деталей приборов и повышение их эксплуатационных характеристик методом микродугового оксидирования 66
1.4. Цель и постановка задач исследований 69
Глава 2. Исследование влияния технологических параметров процесса анодно-катодного МДО па характеристики оксидных слоев, полученных на титановых сплавах ВТ1-0 и ВТЗ-1, применяемых в приборостроении 72
2.1. Оценка результатов предварительных исследований. Определение граничных и оптимальных значений технологических параметров процесса МДО. Методическое обеспечение и методы исследований 73
2.2. Исследование зависимости кинетики роста толщины оксидных слоев на титановых сплавах от технологических параметров процесса МДО 79
2.2.1. Исследование зависимости кинетики роста толщины оксидных слоев на сплавах ВТ1-0 и ВТЗ-1 от изменения состава электролита 81
2.2.2. Исследование зависимости кинетики роста толщины оксидных слоев на сплавах ВТ1-0 и ВТЗ-1 от изменения электрических технологических параметров процесса МДО 85
2.2.3. Исследование зависимости кинетики роста толщины оксидных слоев на сплавах ВТ1-0 и ВТЗ-1 от изменения температуры электролита 88
2.3. Исследование зависимости характеристик оксидных слоев от технологических параметров процесса МДО 91
2.3.1. Исследование зависимости характеристик оксидных слоев от изменения состава электролита 91
2.3.2. Исследование зависимости характеристик оксидных слоев от изменения электрических технологических параметров процесса МДО 96
2.3.3. Исследование зависимости характеристик оксидных слоев от изменения температуры электролита 101
2.4. Исследование кинетики формирования свойств оксидного слоя на титановом сплаве ВТЗ-1 при оптимальных технологических параметрах процесса МДО... 107
2.5. Механизм формирования оксидных слоев на титановых сплавах в анодно-катодном режиме микродугового оксидирования... 110
Глава 3. Разработка технологии получения многофункциональных оксидных покрытий на деталях из титановых сплавов методом анодно-катодного микродугового оксидирования в алюминатно-щелочном электролите ... 113
3.1. Основные принципы разработки технологии получения многофункциональных МДО-покрытнн с учетом предъявляемых к ним требований 114
3.1.1. Основные требования при разработке технологического процесса МДО титановых сплавов 115
3.1.2. Исходные данные при разработке технологического процесса МДО титановых сплавов 115
3.1.3. Методика составления плана процесса МДО.. 116
3.1.4. Методика разработки технологических операций МДО... 118
3.1.5. Основные требования при разработке технологической документации 120
3.2. Содержание и основной состав технологических операций процесса анодно-катодного МДО в алюминатно-щелочном электролите . 122
3.2.1. Подготовительные технологические операции 122
3.2.2. Основные технологические операции 124
3.2.3. Дополнительные и контрольные технологические операции 126
Глава 4. Разработка рекомендаций по использованию многофункциональных МДО-покрытий на титановых сплавах для защиты деталей и узлов приборов различного назначения ... 128
4.1. Оптимизация технологических параметров и выбор технологических средств обеспечения процесса МДО для получения МДО-покрытий на деталях приборов с заданным комплексом свойств 129
4.1.1. Особенности организации технологического процесса МДО 129
4.1.2. Обеспечение точности геометрических характеристик деталей приборов при МДО-обработке 130
4.1.3. Система мониторинга для оптимизации, прогнозирования и моделирования процесса МДО на титановых сплав ах 132
4.2. Технология получения МДО-покрытий на титановых сплавах для защиты типовых элементов деталей приборов 150
Выводы по работе 156
Список литературных источников 158
Приложение 174
- Формирование покрытий методом микродугового оксидирования
- Исследование зависимости кинетики роста толщины оксидных слоев на титановых сплавах от технологических параметров процесса МДО
- Содержание и основной состав технологических операций процесса анодно-катодного МДО в алюминатно-щелочном электролите
- Технология получения МДО-покрытий на титановых сплавах для защиты типовых элементов деталей приборов
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие базовых направлений науки, свя-занньгх с материаловедением и разработкой новых материалов существенно определяет темпы и перспективы развития авиационно-космического приборостроения и других наукоемких отраслей промышленности, где существует острая необходимость применения новых конструкционных материалов. Это вызвано, прежде всего, повышением требований к надеж-ности прецизионных деталей в процессе эксплуатации, а также к комплексу точностных и эксплуатационных характеристик узлов и изделий в целом. При этом современная авиационно-космическая промышленность требует применения соответствующих технологий производства и обработки деталей, где, как и в смежных отраслях промышленности, за счет высокоточных технологий изготовления, обеспечиваются гарантированные тактико-технические характеристики и срок службы изделий. В этой связи, находят все более широкое применение легкие композиционньїе материалы и покрытия на основе сплавов алюминия, магния, титана и других металлов.
На уровне с производством сплавов алюминия и магния, металлургия титана находится на стадии интенсивного развития и предлагает широкий спектр сплавов, обладающих более высокими физико-химическими характеристиками, особенно при использования их в изделиях, подверженных воздействию резко-переменных сред и физических условий эксплуатации. Однако, наряду с тем, что технически чистый титан обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, а сплавы - высокой удельной прочностью и жаростойкостью по сравнению со многими легированными сталями в широком диапазоне температур (от -200 до 560 С), у титана и его сплавов есть недостатки, препятствующие его применению. В частности, высокая химическая активность технически чистого титана и низкие антифрикционные свойства сплавов, а так же склонность к поглощению азота, водорода и углекислого
-7-газа, изменяют его физико-механические характеристики в процессе изменения условий эксплуатации.
Для решения этих проблем, многими исследователями ведется активная разработка новых технологий обработки поверхности титановых сплавов с целью получения защитных покрытий и модифицированных слоев, которые должны за счет новых (улучшенных) свойств, отличных от тех, которыми обладает материал-основа, длительное время надежно служить в условиях резких колебаний температуры, воздействия агрессивных сред, механического, эрозионного и коррозионного износа. В настоящий момент для нанесения покрытий и модификации поверхности титановых сплавов применяются газотермическое и вакуумное напыление, анодирование, термическое и химическое оксидирование, гальванотехнологии, ионная имплантация, микродуговое оксидирование.
Обработка поверхности деталей в приборостроении с целью придания ей требуемых эксплуатационных свойств, то есть формирование многофункциональных покрытий или защитных модифицированных слоев, которые могут наиболее эффективно за счет комплекса свойств материала основы и модифицированного слоя повышать ресурс деталей, надежность, ремонтопригодность и технологичность производства изделий, изготовленных из легких сплавов - это наиболее эффективный способ, когда свойства поверхности определяют уровень характеристик изделия в целом. Кроме того, технологии нанесения защитных покрытий или модифицирования поверхности представляются более привлекательными по сравнению со способами изменения объемных характеристик материалов и изделий с экономических позиций.
В настоящее время, как показал анализ научно-исследовательских работ в областях авиа-, ракето- и приборостроения, за счет расширения номенклатуры, в частности титановых сплавов, доля их применения составляет более 15%, а вследствие развития технологий производства композиционных материалов на их основе более 7%, что является результатом
-8-более чем трехкратного увеличения применения титановых сплавов в изделиях этих отраслей за последние двадцать лет. При этом согласно различным прогнозам, только за счет текущих темпов развития и разработки технологий обработки титановых сплавов и производства композитов на их основе доля использования сплавов титана через 5-7 лет достигнет 40%.
Выбор способа модификации поверхности для защиты ответственных деталей приборов, в процессе эксплуатации которых узлы, собранные из них, требуют обслуживания или высокой длительности безотказной работы - задача повышенной сложности, особенно, если данные покрытия и модифицированные слои должны обеспечивать технологичность при сборке-разборке узлов и отвечать современным требованиям при конструировании.
Сравнительный анализ различных методов получения защитных покрытий и микродугового оксидирования (МДО) показал, что его примене--ние - есть новый подход к решению этой задачи, который позволяет исключать из технологических процессов ряд сложных и экологически вредных операций, предшествующих нанесению покрытий, значительно повышать эксплуатационные параметры (коррозионную и износостойкость, тепло- и электроизоляционные свойства и др.) и заменять материалы деталей на более дешевые и легкие.
МДО - сложный физико-химический процесс модификации поверхности металлов в электролитной плазме, протекающий с участием микро-дуговьгх разрядов, характеристики которых во многом определяют свойства формируемых оксидных слоев (ОС) и зависят от возможностей технологических источников тока.
К настоящему моменту, доля изделий из сплавов титана проходящая обработку способами МДО и анодирования в опытном и мелкосерийном производстве, составляет не более 6 — 8 %, в то время как сплавы алюминия - до 70%. Как показал анализ современного уровня исследований в области МДО титановых сплавов, это связано с тем, что механизм и кине-
-9-тика формирования ОС, а также влияние технологических параметров
процесса (ТПП) микродугового оксидирования на физико-химические, физико-механические, электрофизические и эксплуатационные характеристики получаемых покрытий на основе ОС мало изучены. Не сформулированы основные принципы и директивы разработки технологических процессов МДО деталей приборов из титановых сплавов с учетом их конструкционных и технических параметров.
Это создает ряд проблем при разработке и применении многофункциональных МДО-покрытий на титановых сплавах в приборостроении.
В «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского в течение ряда лет проводятся широкие научно-исследовательские работы по изучению механизма метода МДО, его технологических возможностей, а также созданию и внедрению в промышленность технологического оборудования.
Однако, данные работы, в основном, связаны с модификацией поверхностных слоев таких вентильных материалов как алюминиевые и магниевые сплавы, а разработка технологических процессов формирования МДО-покрытий на титановых сплавах требует дополнительных экспериментально-теоретических исследований.
В этой связи, в диссертации для расширения возможностей применения титановых сплавов с МДО-покрытиями в приборостроении исследованы механизм формирования оксидного слоя (ОС) в зависимости от технологических параметров процесса (ТПП), физико-механические, электрофизические и эксплуатационные характеристики МДО-покрытий; разработана математическая модель управления и прогнозирования технологическим процессом МДО; предложен регламент и рекомендации по использованию многофункциональных МДО-покрытий на титановых сплавах для деталей оптических, авиационных и медицинских приборов, что обуславливает актуальность и перспективность работы для приборостроения и других отраслей промышленности.
Дсль работы. Разработка и исследование технологий для модификации поверхностных слоев титановых сплавов методом микродугового оксидирования с целью повышения эксплуатационных характеристик приборов.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
изучить влияние ТПП микродугового оксидирования, а именно изменения общей плотности и соотношения катодного и анодного токов, состава и температуры алюминатно-щелочного электролита на характеристики получаемых на титановых сплавах ОС;
исследовать кинетику формирования оксидного слоя на титановых сплавах при МДО;
расширить представления о механизме формирования оксидного слоя на титановых сплавах в анодно-катодном режиме микродугового оксидирования;
сформулировать основные принципы разработки технологии получения многофункциональных МДО-покрытий с учетом предъявляемых к ним требований;
разработать технологические процессы формирования многофункциональных МДО-покрытий для защиты типовых деталей приборов с учетом реальных условий эксплуатации;
разработать рекомендации по использованию многофункциональных МДО-покрытий для защиты деталей и узлов приборов различного назначения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые проведены исследования фазового состава, физико-
механических, электрофизических и геометрических характеристик оксид
ных слоев, получаемых на титановых сплавах, и установлена взаимосвязь
между ними, в частности выявлена корреляция фазового состава и микро
твердости, сквозной пористости и электрической прочности.
- теоретически обоснованы и экспериментально установлены зако
номерности влияния технологических параметров процесса МДО на ха
рактеристики получаемых оксидных слоев на титановых сплавах. Впервые
определено, что посредством изменения технологических параметров про
цесса микродугового оксидирования через влияние на основные физико-
химические процессы МДО обеспечивается управление формированием
широкого комплекса свойств оксидных слоев на титановых сплавах.
- развиты представления о механизме и кинетике формирования ок
сидных слоев с заданными характеристиками в их связи с технологиче
скими параметрами процесса микродугового оксидирования. Впервые ус
тановлено, что в диапазоне исследуемых технологических параметров
процесса МДО возможен дафференциальный подход к управлению свой
ствами многофункциональных МДО-покрытий на базе оксидных слоев,
получаемых на титановых сплавах.
Практическая ценность. Результаты данной работы позволили:
разработать рекомендации по использованию многофункциональных МДО-покрытий на титановых сплавах для зашиты деталей и узлов приборов различного назначения для работы в реальных условиях эксплуатации;
решить проблему моделирования и прогнозирования комплекса свойств и эксплуатационных характеристик МДО-покрытий на деталях приборов с помощью разработанной программно-аппаратной системы мониторинга;
разработать технологию получения многофункциональных покрытий на титановых сплавах методом микродугового оксидирования и способы ее оптимизации для различных условий эксплуатации.
Работа состоит из четырех глав.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса, определению цели и задач исследования. В главе рассмотрены различные способы и их эффективность для получения защитных модифицированных слоев, преж-
-12-де всего оксидных, с целью повышения износо- и коррозионной стойкости,
электроизоляционных свойств, теплостойкости изделий и др. Выполнен
анализ научных работ по МДО титановых сплавов, в результате которого
выявлены основные проблемы метода и недостаточно изученные области.
Во второй главе приведены результаты исследований влияния технологических параметров процесса (ТГШ) анодно-катодного микродугового оксидирования на характеристики (толщина, абсолютный и относительный прирост исходных размеров изделий, микротвердость, сквозная пористость, прочность сцепления с материалом основы, удельное сопротивление, пробойное напряжение и электрическая прочность, структура и фазовый состав) оксидных слоев, полученных методом МДО на примере технически чистого титана марки ВТ1-0 и сплава группы а+р марки ВТЗ-1.
Исследованы зависимости кинетики формирования оксидных слоев на сплавах ВТ1-0 и ВТЗ-1 от ТГШ МДО. Были выдвинуты предположения о причинах и дано объяснение существованию таких явлений в процессе МДО, как угасание микродуговых и появление дуговых разрядов, травление и эрозия покрытия, выявлены основные закономерности, связывающие состав и температуру электролита, суммарную плотность и соотношение катодного и анодного токов с кинетикой роста толщины ОС. Установлены оптимальные диапазоны ТГШ МДО с минимумом различий при обработке этих сплавов.
Исследованы зависимости характеристик оксидных слоев от ТГШ МДО. Приведены результаты рентгенофазового анализа, измерения геометрических физико-механических, электрофизических характеристик ОС, полученных в алюминатно-щелочном электролите на титановых сплавах ВТ1-0 и ВТЗ-1. Установлены закономерности изменения свойств ОС от ТППМДО.
На основе результатов проведенных исследований предложен механизм (физическая модель) и разработана математическая модель формирования оксидных слоев на титановых сплавах в анодно-катодном режиме
-13-микродугового оксидирования, связывающая ТІШ микродугового оксидирования, кинетику и физико-химические процессы, протекающие при МДО со свойствами получаемых ОС.
Третья глава посвящена разработке методики проектирования технологических процессов МДО и технологии формирования многофункциональных МДО-покрытий на типовых элементах деталей приборов с учетом соблюдения требований соответствия всех стадий разработки технологической документации ГОСТ 3.1102-81.
Предложены основные принципы разработки технологического процесса МДО, в соответствии с которыми сформулированы основные требования, исходные данные, методики составления общего плана процесса и разработки технологических операций для деталей из титановых сплавов, а также разработаны основные требования при разработке технологической документации на процесс МДО.
Разработаны требования к содержанию основных технологических операций процесса анодно-катодного МДО в алюминатно-щелочном электролите и к оборудованию участков приготовления электролитов, подготовки деталей к процессу, проведения процесса МДО и выпуска и контроля готовых деталей.
В четвертой главе представлены разработанные рекомендации по использованию многофункциональных МДО-покрытий на титановых сплавах для защиты деталей и узлов различного назначения в приборостроении. Приводятся рекомендации по оптимизации технологических параметров и выбору технологических средств обеспечения процесса МДО для получения МДО-покрытий на деталях с заданными свойствами, согласно которым определяются особенности организации технологического процесса МДО с учетом геометрических параметров деталей и их размещения в электролитной ванне, требуемой точности МДО-обработки с соблюдением необходимых технологических припусков. Показано, что моделирование и прогнозирование процесса МДО осуществляются посредст-
-14-вом разработанной системы мониторинга для оптимизации ТПП микродугового оксидирования на деталях из титановых сплавов.
На примере сплава ВТЗ-1 представлены разработанные технология и рекомендации по нанесению многофункциональных МДО-покрытий на типовые элементы приборов из титановых сплавов: резьбовые элементы деталей, в процессе эксплуатации которых предусмотрены при плановом обслуживании сборочно-разборочные работы; элементы пар трения; панели корпусов приборов и другие поверхности деталей, подверженные тепловым, коррозионным и механическим нагрузкам.
В процессе исследований был использован современный математический аппарат в сочетании с вычислительной техникой.
Формирование покрытий методом микродугового оксидирования
В последние годы большое внимание исследователей у нас в стране и за рубежом привлекает перспективный метод поверхностной электрохимической обработки металлов и сплавов в режиме искрового или микродугового разряда - микродуговое оксидирование [3]. В СССР этим методом впервые стали заниматься в ИНХ СО АН СССР под руководством Г.А.Маркова [10-12]. Возможность получения износостойких, коррозионностоиких, диэлектрических, теплостойких и декоративньгх покрытий высокого качества в сочетании с достаточно высокой производительностью, простотой аппаратурного оформления и экологичностью электролитов, экономичностью и возможностью автоматизации процесса - все это является благоприятными факторами для широкого внедрения процесса МДО в промышленность [3].
Как уже говорилось, в основе микродугового оксидирования лежит процесс анодного окисления (анодирования) металлов, который является начальной стадией МДО. В настоящее время однозначно установлено, что анодные оксидные пленки на алюминии, формируемые в умеренно растворяющих оксид электролитах, состоят из двух слоев: так называемого барьерного - тонкого плотного беспористого слоя, непосредственно прилегающего к металлу и наружного пористого слоя.
Пленки, используемые в электролитических конденсаторах, состоят только из барьерного слоя, и их формирование ведут в электролитах, практически не растворяющих анодный оксид (растворы борной кислоты, буры, соды, фосфатов, цитратов и т. п.), при повышающемся напряжении -до 800 В и выше [7]. Эти пленки имеют толщину до ЬЗ мкм (далее -начинается пробой пленки и ее разрушение) и обладают как электронной, так и ионной (при высокой напряженности электрического поля) проводимостью [3]. Для роста барьерного слоя на алюминии необходимо, чтобы ион А1 мог двигаться по направлению к внешней поверхности, т. е. к электролиту, через уже образовавшийся слой оксида, где он встречает ионы (ОН) и О , что приводит к образованию А1203 по реакциям: на аноде: в электролите и АОП: на катоде: Суммарная реакция: Особенность реакций второй группы состоит в том, что они происходят внутри барьерного слоя на дне пор и в порах наружного слоя. Другими донорами кислорода могут быть анионы SO4 ,HS04,P04 ,СЮ4 ,СОз ,8Юз и др., но в любом случае главным поставщиком кислорода при анодировании в водных растворах является вода (точнее, анионы ОН") [9, 7]. Для движения А1 через барьерный слой необходимо, чтобы внешняя энергия aqE (а - полуширина потенциального барьера, q - заряд иона, Е - напряженность электрического поля) была больше разницы потенциальных энергий иона в металле и оксидной пленке AG ме/ок плюс энергия активации его диффузии через пленку Qa: Плотность ионного тока i„ экспоненциально зависит от напряженности электрического поля в пленке Е: i„ = qexp(PE), а толщина барьерного слоя Ъ пропорциональна формовочному напряжению. Учитывая, что Е = U/hfc, получаем толщину барьерного слоя h6c: где U — падение напряжения на пленке, аир- постоянные, т с -эффективность роста барьерного слоя при постоянной плотности ионного тока i„ (гальваностатический режим), которая составляет около 13» Ю-4 мкм/В [3]. Анодные пленки, получаемые в электролитах, умеренно их растворяющих (растворы серной, щавелевой, хромовой, фосфорной, малоновой, сульфаминовой кислот, их смесей и др.), состоят из тонкого (до 0,3 мкм) барьерного слоя, формирующегося в начальный период (до 15 с), и по существу не отличающегося от вышеупомянутых конденсаторных пленок и растущего на нем пористого слоя. До настоящего времени не разработано общепринятой теории и механизма формирования структуры этих пленок, однако наибольшее признание получила физико-геометрическая модель. Физико-геометрическая модель
Физико-геометрические представления Ф.Келлера об идеальной модели пористой анодной оксидной пленки на алюминии были развиты Н.Д.Томашовым [13] на базе электронномикроскопических исследований структуры АОП. Согласно этой модели в первые секунды анодирования образуется барьерный слой, сначала формирующийся в активных центрах на поверхности металла. Из этих зародышей вырастают полусферические линзообразные микроячейки, срастающиеся затем в сплошной барьерный слой [13].
При соприкосновении с шестью окружающими ячейками образуется форма гексагональной призмы с полусферой в основании. Под влиянием локального воздействия ионов электролита в барьерном слое зарождаются поры (в центре ячеек), число которых обратно пропорционально напряжению, а размеры ячеек - наоборот. В поре толщина барьерного слоя уменьшается, и, как следствие, увеличивается напряженность электрического поля, при этом возрастает плотность ионного тока вместе со скоростью оксидирования. Но, поскольку растет и температура в поровом канале, способствующая вытравливанию поры, наступает динамическое равновесие, и толщина барьерного слоя остается практически неизменной.
Схема идеальной структуры пористой АОП, отвечающая представлениям физико-геометрической модели, представлена на рис. 1.3 [3].
Рассмотренная модель механизма разрабатывалась, главным образом, для классического анодирования в водных растворах электролитов, хотя отдельные моменты применимы и для других методов анодирования (в газовой низкотемпературной плазме, плазменно электролитического, в расплавах солей), а также для микродугового оксидирования.
Лучше всего процесс МДО отработан для Al, Mg и их сплавов, на них в большей степени удается получать качественные покрытия [3].
Кроме вышеперечисленных металлов в качестве материала-основы используются металлы, которые в системе металл-оксид-электролит обладают электролитическим вентильным действием, т.е. асимметрией проводимости. Причем положительный потенциал на металле (полупроводнике) на котором образуется АОП соответствует запирающему (обратному) направлению и наоборот, отрицательный — проводящему (прямому) направлению. В зависимости от растворимости АОП было введено понятие полного и неполного вентильного свойства. Наиболее полно оно у Та, который почти не растворим в электролитах анодирования [3, 7, 101-140].
К вентильным металлам относятся: Al, Nb, Та, Ті, Zr, Hf, W, Bi, Sb, Be, Mg, U. Хотя в системе металл-оксид-электролит оксиды практически всех металлов в той или иной степени дают вентильный эффект.
Исследование зависимости кинетики роста толщины оксидных слоев на титановых сплавах от технологических параметров процесса МДО
Одной из особенностей МДО-обработки поверхности титановых сплавов, является возможность формирования оксидных слоев толщиной до 150 мкм. При этом, помимо увеличения оксидного модифицированного слоя по направлению от поверхности, происходит модификация приповерхностных слоев по направлению в объем сплава, на значительную глубину (до 40-50 мкм). Это объясняется кинетикой формирования модифицированных слоев методом МДО, а также существованием различных микроразрядов, действующих в различные моменты времени на всем интервале продолжительности МДО-обработки. Очевидно, что исследование изменения общей толщины и прироста модифицированного слоя от исходных размеров детали в зависимости от варьирования технологических параметров МДО, является актуальной задачей, решение которой необходимо, как для исследования механизма формирования модифицированных слоев на титановых сплавах, так и для повышения технологичности производства защитных покрытий, путем обеспечения припусков при размерной обработке деталей приборов.
Толщина оксидного слоя, в большинстве случаев, является основным параметром учитываемым при разработке технологии формирования многофункциональных покрытий применяемых в деталях приборов, во многом определяя комплекс характеристик покрытий на основе оксидных слоев. При этом, необходимо соблюдать допуски на размеры изделий, подвергаемых модификации поверхности методами оксидирования, т.е. исключить либо добиться минимума последующей размерной обработки, не только за счет расчета припусков, но и за счет технологии формирования покрытий.
В этом отношении, исследование зависимости кинетики роста толщины оксидного слоя при изменении технологических параметров процесса МДО, представляет особый интерес с точки зрения поиска диапазона значений технологических параметров процесса МДО, при реализации которого, наблюдаются наиболее стабильный процесс МДО и получение оптимальных характеристик оксидных слоев.
Толщину модифицированных слоев (hIH.) измеряли с помощью вихретокового толщиномера ВТ-201 и прирост размеров образцов (ЬобР) (рис. 2.4.) - на поперечных шлифах на световом микроскопе, оптикомеханическая система которого, с использованием окуляр-микрометра и комплекта объективов, обеспечивали измерение линейных размеров объекта находящегося в поле зрения, с точностью не хуже ±0,4 мкм.
Для измерения относительного прироста исходных размеров образца, на поперечных шлифах, выполненных в диаметральной ПЛОСКОСТИ, ПРОИЗВОДИЛСЯ Замер ТОЛЩИНЫ Образцов ДО (ho6p) И ПОСЛе (Ьобр) процесса МДО. В процессе оксидирования, прирост размеров образцов измеряли при помощи механического индикатора с ценой деления 1 мкм. Абсолютный прирост исходного размера образца определяли по формуле: Относительный прирост исходного размера образца (dho ,) или долю оксидного слоя, пошедшего на приращение исходного размера образца определяли как: Для уменьшения ошибки измерений, величина толщины модифицированного слоя, рассчитьшалось как среднее арифметическое серии из 10 измерений. Обработку результатов исследований проводили согласно методикам указанным в [5, 24] с использованием программ на персональном компьютере: Origin V7.5 Microcal, Statistica V5.5a Statsoft. Экспериментальное оксидирование проводили при варьировании концентрацией компонентов электролита, при стандартной общей плотности тока і = 1000 А/м , соотношении катодного и анодного токов ІіЛа = 1, при температуре электролита 20 С. Исследование зависимости кинетики роста толщины оксидных слоев на сплаве ВТ1-0 от изменения состава ашоминатно-щелочного электролита (рис. 2.5) показало, что рост толщины оксидных слоев в процессе оксидирования, в зависимости от состава электролита значительно изменяется. При этом установлено, что процесс формирования оксидных слоев, во многих условиях установленных ТПП МДО не всегда сопровождается стабильным ростом толщины ОС. Так при оксидировании пар образцов №№ 1, 2 (Приложение 7, таб. П7.1) в электролите содержащем КОН 0,5 кг/м3 и ЫаАЮг в диапазоне от 2 до 8 кг/м3 (рис. 2.5, б) произошло угасание микродуговых разрядов. Вероятнее всего, как можно предположить на данном этапе исследований, остановка механизма основного процесса протекающего при МДО (микродуговых разрядов) было вызвано недостаточной проводимостью электролита, а так же ограниченной растворимостью алюмината натрия в водном растворе КОН малой концентрации, что согласно справочным данным [28, 29], количество щелочи, участвующей в процессе растворения алюмината натрия, определяет его гидролиз, и тем он меньше, чем выше рН электролита. Это также обуславливает отсутствие результатов на 3, 4, 5, 9, 10 и 15 парах образцов, связанное с невозможностью растворения свыше 14 г/л алюмината натрия, в слабощелочном растворе КОН в воде (менее 2 кг/м ). При оксидировании пар образцов №№ 6, 7, 8 (Приложение 7, таб. П7.1) в электролите содержащем КОН 1 кг/м3 и NaA102 в диапазоне от 2 до 14 кг/м3 (рис. 2.5, б) и пар образцов №№ 11, 12 (Приложение 7, таб. ПІЛ) в электролите содержащем КОН 2 KT/MJ И NaAlO, в диапазоне от 2 до 8 кг/м (рис. 2.5, в) продолжительностью свыше 40 минут, наблюдается остановка роста толщины ОС. Аналогичное явление также наблюдается при оксидировании продолжительностью свыше 30 минут пары образцов № 16 (Приложение 7, таб. ПІЛ) в электролите содержащем КОН 3 кг/м и NaA102 2 кг/м (рис. 2.5, г) и пары образцов № 21 (Приложение 7, таб. ПІЛ) в электролите содержащем КОН 4 кг/м3 и NaA102 2 кг/м3 (рис. 2.5, в). Предположительно, наблюдаемые явления могут свидетельствовать о протекании процесса регенерации МДО, как следствия достаточно высокой проводимости электролита, но недостатка анионов электролита, составляющих основной источник материала для дальнейшего роста толщины оксидного слоя.
Содержание и основной состав технологических операций процесса анодно-катодного МДО в алюминатно-щелочном электролите
Приготовление электролитов МДО необходимо производить на участке подготовки химических реактивов, оборудованном ванной для подготовки электролита с системой перемешивания и перекачки электролита, шкафом для хранения химических реактивов, вытяжными лабораторным столом или шкафом для смешивания химических реактивов, оборудованием для взвешивания химических реактивов, дистиллятором и соответствующих мерных приспособлений и химической посудой.
Получение дистиллированной воды производится на различных типах лабораторных и промышленных дистилляторах (РФ ФС 42-2619-89). Лабораторная мебель и посуда должны соответствовать требованиям, предъявляемым к оборудованию для работы с концентрированными щелочами. Если участок или лаборатория подготовки химических реактивов уже имеется на производстве, то есть смысл с организационно экономической точки зрения, подготовку электролитов МДО производить на нем, с условием того, что доставка химических реактивов и дистиллированной воды на участок МДО не будет более накладной, чем организация участка подготовки электролита в цехе МДО, в непосредственной близости от электролитной ванны. Содержание технологической операции подготовки электролитое МДО.
Наполнить рабочий объем емкости подготовительной ванны дистиллированной водой. В связи с тем, что NaA102 при добавлении в дистиллированную воду гидролизуется (рН 7), необходимо для смещения рН в более щелочную область, сначала полностью растворить КОН (ГОСТ 24636-80). Затем, в количестве из расчета на 1 KT/MJ КОН добавить в щелочной раствор тремя равномерными порциями ЫаАЮг (ТУ 6-09-01-727-87) не более 10—12 Kr/MJ. Допустим подогрев дистиллированной воды до 60 С для ускорения процесса растворения, при этом пропорция растворенных компонентов может быть выбрана из расчета на 1 кг/м КОН растворяется не более 14-16 кг/м" NaA102. В процессе перемешивания до полного растворения, электролиту необходимо дать остыть до температуры окружающей среды (15-25 С).
Заполнить рабочий объем электролитной ванны МДО полученным электролитом. При этом недопустима корректировка состава электролита добавлением дистиллированной воды. Контроль работоспособности и выработки электролита рекомендуется производить по методике приведенной в Приложении 6, при этом концентрация А1 в электролите должна быть не менее 0,68 - 0,75 от веса растворенного NaA102 Оборудование необходимое для подготовки деталей к МДО.
Участок подготовки деталей к процессу МДО должен быть оснащен слесарным оборудованием и инструментом для монтажа деталей на технологическую оснастку и токоподводы, ванной для обезжиривания и промывки деталей.
Технологическая оснастка для подведения технологического тока и обеспечения базирования обрабатываемой детали или поверхности детали в электролитной ванне должна быть электроизолированна от корпуса ванны и электролита. Токоподводы должны быть выполнены из электроизолированной алюминиевой проволоки или прутка сечением, рассчитанным на подведение максимальной мощности, достигаемой в процессе МДО с учетом коэффициента запаса 1,1 - 1,2. Токоподводы и оснастка должны быть рассчитаны на надежную фиксацию деталей в базе. Содерзісание технологической операгщи подготовки деталей к МДО.
Протереть деталь от сгустков загрязнений различного вида. Обезжирить в деталь в слабощелочном растворе 0,5 % КОН теплой воды (40 - 60 С). Затем промыть детали в холодной проточной воде.
Закрепить детали на оснастке и/или на токоподводах, при необходимости выполнить частичную изоляцию необрабатываемых поверхностей токоизолирующими составами, герметиками, уплотнителями, крышками, заглушками и т.п.
Установить деталь с токоподводом в электролитную ванну на подвеске таким образом, чтобы обрабатываемая поверхность была полностью погружена в электролит, не касаясь стенок и дна электролитной ванны, согласно базе установленной в описании директивного процесса МДО.
Оборудование необходимое для процесса МДО. Основное оборудование микродугового оксидирования включает в себя: электролитную ванну с рубашкой охлаждения (либо системой охлаждения электролита), оснащенную системой перемешивания и перекачки электролита, вытяжной вентиляцией и защитным ограждением, источник технологического тока с системой мониторинга и панелью управления оператора. Содержание технологической операции процесса МДО. Закрыть ограждение электролитной ванны, проконтролировать включение вытяжной вентиляции, системы перемешивания, измерительных приборов по сигнализации соответствующих индикаторов на панели управления и мониторинга. Подключить систему охлаждения (термостатирования) электролита, проконтролировать установление температуры электролита в заданном диапазоне. Подключить питание силовых цепей источника технологического тока, проконтролировать положение органов управления «выключено». Затем установить электрические технологические параметры процесса МДО, согласно описанию директивного процесса МДО. Запустить процесс МДО кнопкой «ПУСК», проконтролировать сигнализацию запуска процесса МДО на светоиндикаторе «ВНИМАНИЕ, МДО». В зависимости от степени автоматизации оборудования МДО, производить: при не автоматизированном процессе МДО: визуальный контроль процесса МДО через окно в ограждении электролитной ванны, сверку формовочных графиков и показание приборов, температуры электролита, продолжительность МДО-обработки, аварийную сигнализацию - каждые 10 минут.
Технология получения МДО-покрытий на титановых сплавах для защиты типовых элементов деталей приборов
На примере сплава ВТЗ-1 предлагаются разработанные технология и рекомендации по нанесению (формированию) многофункционального МДО-покрытия на типовые элементы деталей приборов: резьбовые соединения, в процессе эксплуатации которых предусмотрены при плановом обслуживании сборочно-разборочные работы; панели корпусов и поверхности подверженные тепловым, коррозионным и механическим нагрузкам; элементы пар трения. 1. Настоящий директивный технологический регламент (ДТР) устанавливает порядок и содержание технологических операций обеспечивающих формирование (получение) многофункциональных МДО-покрытий на резьбовых, корпусных, различных парах трения и других элементах поверхностей деталей приборов (площадью до 0,1 м2), выполненных из титанового сплава ВТЗ-1, подвергаемых в процессе эксплуатации коррозионно-механическим воздействиям. 2. При соблюдении условий настоящего ДТР получаемые покрытия удовлетворяют следующим требованиям: 2.1. Рабочий диапазон температур от минус 65С до плюс 85С. 2.2. Толщина покрытия - 110... 120 мкм. 2.3. Микротвердость 1200...1500 HV. 2.4. Значение напряжения электрического пробоя 500.. .1000 В. 2.5. Коррозионная стойкость к соляному раствору не менее 9 баллов по 10-ти бальной шкале ГОСТ 9.311-87. 2.6. Пористость не более 15 %. 2.7. Износостойкое. 2.8. Покрытие равномерное на всех поверхностях детали. Цвет покрытия — светло серый, матовый. 2.9. Устойчиво к влиянию внешних воздействующих факторов, указанных в таблице 4.1. 2.10. Обеспечивает возможность наполнения фторопластовыми эмульсиями, герметиками, смазками. 3. МДО-обработку производить: в анодно-катодном режиме МДО при соотношении катодного и анодного токов I /Ia = 0,95 ... 1; общей плотности тока 1200 ... 1400 А/м ; в электролитной ванне рабочим объемом 0,50 м при температуре электролита 22 ... 24 С следующего состава: - вода дистиллированная - 0,40 ... 0,41 м3; - КОН (ГОСТ 24636-80) - 0,72 ... 0,88 кг; , - NaA102 (ТУ 6-09-01 -727-87) -8,00...8,80 кг. 4. Порядок приготовления электролита: 4.1. Наполнить рабочий объем емкости подготовительной ванны дистиллированной водой. Задействовать систему перемешивания электролита. 4.2. Строго соблюсти последовательность растворения компонентов электролита: 4.2.1. Растворить КОН; 4.2.2. Выдержать паузу 10 минут; 4.2.3. В четыре этапа, равными порциями по 2,00 ... 2,20 кг, растворить NaA102, при этом выдерживая паузы между этапами 10-12 минут. В процессе растворения, допускается подогрев электролита до 60 С и ультразвуковой катализ. 4.3. Заполнить рабочий объем электролитной ванны МДО полученным электролитом. При этом недопустима корректировка состава электролита добавлением дистиллированной воды и NaA102. 5. Порядок подготовки детали(ей) к МДО: 5.1.
Независимо от типов загрязнений (пыль, стружка, эмульсия, масло) деталей, необходимо протереть их ветошью, затем промыть в проточной воде и обезжирить в слабощелочном растворе 0,5 % КОН теплой воды (40 - 60 С). Затем промыть детали в холодной проточной воде. 5.2. Закрепить детали в оснастке и/или на токоподводах, при необходимости, поверхности деталей, не подлежащие оксидированию заизолировать фторопластовыми оправками, заглушками, фторопластовой конденсаторной пленкой Ф-4КО (ГОСТ 24222-80) или компаундом кремнийорганическим марки А (ОСТ 38.03271-82). 5.3. Установить детали с токоподводами в электролитную ванну на подвеске таким образом, чтобы обрабатываемая поверхность была полностью погружена в электролит, не касаясь стенок и дна электролитной ванны, согласно базе установленной в конструкторской документации (КД). Токоподводы должны быть выполнены из алюминиевой проволоки или прутка защищенного от контакта с электролитом герметичной изоляцией (поливинилхлоридного пластиката по ГОСТ 19034-82 так, чтобы нижний конец подходил вплотную к границе детали, а верхний был на 100 мм выше уровня электролита, при этом, нижний конец изоляции герметизируется фторопластовой конденсаторной пленкой Ф-4КО по ГОСТ 24222 80 или лентой из фторопластового уплотнительного материала (лента ФУМ), сечением, рассчитанным на подведение максимальной мощности, достигаемой в процессе МДО в соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПОЭ). Токоподводы и оснастка должны быть рассчитаны на надежную фиксацию базы деталей, согласно (КД). 6. Порядок проведения МДО-обработки: 6.1. Закрыть ограждение электролитной ванны, проконтролировать включение вытяжной вентиляции, системы перемешивания, измерительных приборов по сигнализации соответствующих индикаторов на панели управления и мониторинга. 6.2. Подключить систему охлаждения (термостатирования) электролита, проконтролировать установление температуры электролита в заданном диапазоне. 6.3. Подключить питание силовых цепей источника технологического тока, проконтролировать положение органов управления «выключено». 6.4. Установить электрические технологические параметры процесса МДО, исходя из расчетной площади покрываемых поверхностей деталей. 6.5.
Запустить процесс МДО кнопкой «ПУСК», проконтролировать сигнализацию запуска процесса МДО на светоиндикаторе «ВНИМАНИЕ, МДО».
