Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современной практики совершенствования дизайна изделий из алюминия с использованием электрохимической обработки поверхности 11
1.1 Обзор применения алюминия для объектов дизайна 11
1.1.1 Алюминий в декоративно-прикладном искусстве 11
1.1.2 Алюминий в ювелирном искусстве 19
1.2 Обзор современных технологий нанесения защитно-декоративных покрытий на алюминий и его сплавы 24
1.3 Выводы 39
2 Разработка технологии защитно-декоративного покрытия для объектов дизайна из алюминия и его сплавов 41
2.1 Методика проектирования объектов дизайна 41
2.1.1 Применение принципов детализации при разработки дизайн-объектов 41
2.1.2 Особенности выбора материала при проектировании объектов дизайна 47
2.1.3 Специфика цветового проектирования применительно к дизайну художественных изделий 52
2.2 Методика создания защитно-декоративного покрытия с влагозащитными свойствами применительно к объектам дизайна из алюминия и его сплавов 59
2.2.1 Разработка композитных анодных покрытий применительно к дизайн-объектам из алюминия и его сплавов 59
2.2.2 Исследование влияния технологических режимов на физико-механические свойства анодных покрытий 68
2.2.3 Разработка методики придания влагозащитных свойств и повышенной коррозионной стойкости покрытия 78
3 Исследование характера влияния концентрации электролита анодирования на физико-механические свойства покрытия 89
3.1 Исследование морфологии и микроструктуры покрытия 89
3.2 Исследование физико-механических свойств покрытия 94
3.3 Выводы 99
4 Исследование влияния концентрации электролита и времени анодирования на защитно-декоративные свойства покрытия 101
4.1 Исследование декоративных свойств покрытия 101
4.2 Исследование цветовых характеристик 106
4.3 Исследование защитных свойств покрытия 110
4.4 Выводы 114
Основные результаты и выводы по работе 116
Список использованных источников 120
- Алюминий в декоративно-прикладном искусстве
- Разработка композитных анодных покрытий применительно к дизайн-объектам из алюминия и его сплавов
- Исследование морфологии и микроструктуры покрытия
- Исследование защитных свойств покрытия
Введение к работе
Актуальность работы. Поиск новых дизайнерских решений при создании современных художественных изделий связан, как правило, с применением новых материалов, совершенствованием способов их обработки. Это способствует расширению художественных образов и форм, цветовых и декоративных характеристик, улучшению потребительских свойств выпускаемых изделий.
Алюминиевые сплавы являются одними из основных конструкционных материалов и широко применяются в различных отраслях промышленности, в том числе в производстве художественных изделий. Алюминий - прочный, пластичный и легкий металл. Эти свойства особенно ценны, когда необходимо уменьшить материалоемкость изделия, при этом подчеркнув его декоративные качества.
Воздействие окружающей среды, из-за свойства алюминия к окислению, снижает качество поверхности объектов дизайна. В целях сохранения и увеличения эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов, а также придания поверхности изделий декоративного вида и антикоррозионных свойств, в промышленности применяются защитно-декоративные покрытия.
Одним из перспективных направлений электрохимической обработки алюминия является получение композитных анодных покрытий. Они представляют оксид алюминия, наполненный компонентами различной химической природы. Перспективность использования таких покрытий, с одной стороны, обусловлена относительной простотой технологического процесса, а с другой – возможностью управлять физико-механическими и декоративными свойствами, варьируя технологические режимы и вид наполнителей.
В настоящее время вопросы использования композитных анодных покрытий с применением щавелекислого электролита для объектов дизайна изучены недостаточно. Возникает необходимость в создании научно-методического обеспечения, позволяющего моделировать физико-механические, декоративные и защитные свойства данных покрытий, что и подтверждает актуальность данной работы.
Степень теоретической разработанности темы исследования В процессе разработки технологии защитно-декоративного покрытия для объектов дизайна из алюминия был проведен анализ следующей литературы:
- по истории художественных изделий из алюминия: Квасов Ф. И., Фринд-ляндер И. Н., Соколова М. Л., Дроздов А. А.;
по современным технологиям нанесения защитно-декоративных покрытий, гальваностегии, видам, свойствам и классификациям защитно-декоративных покрытий: Аверьянов Е. К., Белов В. Т., Богоявленский А. Ф., Вольфсон А. И., Голубев А. И., Галанин С. И., Грилихес С. Я., Елинек Т. В., Заливалов Ф. П., Тома-шов Н. Д., Францевич И. Н.;
по цветовому проектированию и технологическим, декоративным, мате-риаловедческим вопросам при разработке дизайна художественных изделий:
Маккэлэм Г. Л., Логвиненко Г. М., Даглдиян К. Т., Якушева М. С., Васин С. А., Талащук А. Ю.
Область исследования соответствует научной специальности 17.00.06 «Техническая эстетика и дизайн»
Целью работы является разработка технологии нанесения защитно-декоративных покрытий с влагозащитными свойствами для дизайн-объектов из алюминия с использованием пористого оксида алюминия заданной цветовой гаммы в качестве слоя покрытия и углеводородного наполнителя в качестве подслоя.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
проведение комплексного исследования и сравнительного анализа защитно-декоративных покрытий, применяемых для дизайн-объектов из алюминия и его сплавов;
установление характера влияния концентрации электролита на основе щавелевой кислоты на морфологию покрытия, а также его физико-механические и декоративные свойства;
проведение сравнительного анализа наполнителей для обеспечения влагозащитных свойств покрытия;
установление технологических параметров анодирования для получения покрытий с заданной цветовой гаммой и влагозащитными свойствами для изделий из алюминия.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования являются технологические режимы и составы на основе электролита щавелевой кислоты и углеводородных наполнителей, а также образцы композитных защитно-декоративных покрытий.
Предметом исследования являются физико-механические свойства, операции, действия, процессы, обеспечивающие применение композитных защитно-декоративных покрытий для объектов дизайна.
Научная новизна работы
-
Разработана конструкция композитного защитно-декоративного покрытия, обеспечивающая высокие физико-механические и влагозащитные свойства.
-
Установлен характер влияния концентрации электролита анодирования на физико-механические и декоративные свойства покрытий.
-
Разработаны технологические режимы получения композитных защитно-декоративных покрытий с влагозащитными свойствами с использованием пористого оксида алюминия заданной цветовой гаммы в качестве слоя покрытия и углеводородного наполнителя в качестве подслоя.
-
Определены технологические параметры анодирования, обеспечивающие заданные защитно-декоративные свойства композитных покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов.
Практическая значимость работы
1. Разработанные технологические режимы получения композитных защитно-декоративных покрытий на основе электролита щавелевой кислоты и углеводородных наполнителей позволяют расширить спектр дизайнерских решений при создании объектов дизайна из алюминия.
2. Разработаны рекомендации для внедрения предложенных технологических режимов получения композитного покрытия в рамках предприятия ООО «Инжиниринговый центр».
Методология и методы исследования
В качестве методологической базы применялся системный подход. Для получения аналитических данных проводился метод сравнительного анализа. В работе использовались основные положения теории спектрофотометрии для получения количественных характеристик цвета анодных покрытий. Микроструктура пленок определялась с применением микроскопа TESCAN Vega II при увеличении в 2000 крат.
Исследование микротвердости покрытий производили на автоматическом микротвердомере Micro-Duromat 4000E ASTM E 92 фирмы Reichert-Jung, нагрузка 100 г.
Цветовые характеристики исследуемых покрытий оценивали с помощью методов спектрофотометрии с использованием спектрофотометра фирмы GretagMacbeth Spectroeye, в системе LCh, определяющей значение цвета по трем параметрам: светлота, насыщенность и цветовой тон. Каждое измерение осуществляли пятикратно на различных участках образца при стандартном источнике излучения D65, угол обзора – 2. Обработка результатов осуществлялась методом математической статистики с использованием стандартных программ.
Положения, выносимые на защиту
1.Технологические режимы получения композитного защитно-декоративного покрытия с влагозащитными свойствами для объектов дизайна из алюминия на основе электролита щавелевой кислоты и углеводородных наполнителей.
2. Технология получения защитно-декоративных покрытий с заданными физико-механическими, декоративными и защитными свойствами.
Достоверность результатов, обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается применением современных методов исследования, обработкой экспериментальных и статистических данных по изучаемой проблеме, публикациями и докладами, практическим участием в конференциях и выставках, положительными результатами апробации в производственных условиях в рамках предприятия ООО «Инжиниринговый центр» и использованием в учебном процессе, получением патента на полезную модель.
Апробация работы
По основным результатам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей – в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций.
Личный вклад автора
Все результаты исследований, изложенные в настоящей диссертации, получены самим автором. Автор участвовал в постановке задач, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов. Автору непосредственно принадлежит обобщение полученных данных, разработка методологических подходов и формулирование основных выводов.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 141 наименования. Текст работы изложен на 132 страницах, содержит 35 рисунков, 17 таблиц.
Алюминий в декоративно-прикладном искусстве
Использование алюминия в дизайне интерьеров и производстве мебели тесно связано с модерном (от фр. moderne – новейший, современный) – стилем в европейском и американском искусстве конца XIX – начала XX века. Блеск этого металла не оставил равнодушным австрийского архитектора и теоретика искусства Отто Вагнера, одного из основоположников архитектуры модерна. В спроектированном им кресле для интерьера агентства Die Zeit из алюминия выполнены нижние части ножек и тонкая пластина, обрамляющая его спинку. «Алюминиевый дизайн» постепенно распространился и в других европейских странах. Архитектор Эйлин Грей в середине 1920-х годов отказалась от традиционных материалов в пользу современных – стекла и алюминия. По ее словам, алюминий – «превосходный материал, создающий прохладу в теплом климате». Свои идеи она представила в проекте, известном как Е.1027. Некоторые предметы из него – буфет, сервант, встроенный бар – приобрели большую популярность, и в Париже было открыто производство по заказам. Работы Грей предвосхитили многие черты современной мебели – легкость, удобство, функциональность.
В 1930 году в баре на парижской улице Ваграм появились стойка и столики из алюминия. Автором интерьера был архитектор Роберт Малле-Стивенс. В следующем году он же спроектировал алюминиевую мебель для виллы Cavroisin Croix. На Осеннем парижском салоне 1930 года французские архитекторы Луи Соньо и Шарлотта Али представили интерьер спальни, в которой вся мебель – шкаф, кровать, стулья, кресло-шезлонг – была изготовлена из дуралюмина. Проект предназначался для жителей французских колоний в Африке и Азии: там из-за теплого влажного климата деревянные изделия быстро приходили в негодность.
Голландский архитектор Геррит Ритвельд, приверженец минимализма, в 1942 году создал кресло из цельного листа алюминия (за исключением задних ножек). Отверстия в спинке и боковых стенках облегчают конструкцию как зрительно, так и технологически. В предвоенной Европе алюминиевая мебель считалась экзотикой и была представлена единичными образцами. В США мебель из алюминия получила большее распространение.
С 1933 года мебель из алюминия создавал Уоррен Макартур. Деталями его конструкций служили в основном обрезки труб и шайбы. Собранные из этих элементов столы, кресла и стулья были необычайно популярны. Мебель у него покупали для своих вилл Марлен Дитрих, Рамон Наварро и Норма Ширер. К 1936 году в каталоге его фирмы было около 600 моделей из анодированного алюминия. Вальтер фон Нессен и Дональд Дески изготовляли предметы мебели простых геометрических форм из алюминия. Матовый металл в их изделиях сочетался с темным блестящим бакелитом (искусственной смолой) и эмалированной сталью. Работы Фредерика Кислера, напротив, отличаются обтекаемыми формами и скругленными углами. Две столешницы его легкого кофейного столика, составленные вместе, образуют овал. Этот предмет мебели необычайно удобен и многофункционален: его можно использовать в качестве двух сидений или подставок для комнатных растений. Весь стол, включая гантелеобразные ножки высотой около 20 см, выполнен из алюминия.
В начале 1933 года Международное бюро по использованию алюминия объявило конкурс на лучший стул из алюминия. Два независимых жюри – в одно входили представители алюминиевой промышленности, в другое дизайнеры и архитекторы – оценивали не только эстетичность представленных моделей, но и их удобство, эксплуатационные характеристики, возможность массового производства. В условиях конкурса оговаривалось: модели не могут быть копиями известных образцов; это должно быть нечто совершенно новое. На конкурсе были рассмотрены 209 стульев из 14 стран. Первое место оба жюри присудили американскому дизайнеру Марселю Бройеру. Он представил пять моделей – табурет, два стула, кресло и шезлонг. Каркасы были изготовлены из гнутых алюминиевых профилей, сиденья и подлокотники – из фанеры. Использование стали утяжелило бы конструкции, а выполненные из алюминия модели Бройера вполне можно было назвать портативными. В 1934 году экспонаты были запущены в серийное производство в США. В 1939 году на Швейцарской национальной выставке в Цюрихе дизайнер Ханс Корай представил стул, сиденье и спинка которого были выполнены из единого листа алюминия с круглыми отверстиями. Автор указывал, что отверстия не только облегчают конструкцию, но и позволяют использовать его на открытом воздухе – во время дождя вода не скапливается на сиденье. Ножки и подлокотники выполнены из единого алюминиевого профиля. В целом конструкция одновременно изящна, практична, долговечна и проста в сборке. Именно поэтому она поступила в массовое производство уже в 1939 году – под названием Landi (сокращение от названия выставки Schweizerische Landesausstellung – Швейцарская национальная выставка). На рисунке 1 представлен стул Landi.
Алюминий сыграл значительную роль в создании столь привычного сегодня вращающегося стула, облик которого формировался в конце 1930-х годов. В 1938 году в Милане состоялось открытие здания штаб-квартиры итальянской алюминиевой корпорации Montecatini, возведенного по проекту архитектора Джо Понти. На строительство и отделку здания ушло 350 тонн алюминия. Понти не только спроектировал здание, но и оформил интерьеры. Он создал несколько вариантов вращающегося стула, отличающихся способом крепления спинки, формой и материалом сиденья. Наиболее совершенная конструкция предполагала регулировку высоты сиденья, высоты спинки и угла ее наклона, а также ролики. Однако в то время модель так и не была внедрена в производство.
В 1944 году американской компанией Emeco по заказу Военно-морских сил США был создан цельноалюминиевый стул, вошедший в историю мебели под номером 1006. Стул с широкой спинкой и углубленным сиденьем оказался настолько удобным, что практически без изменений выпускается и сегодня. После окончания Второй мировой войны на рынок поступили тысячи тонн алюминия, полученного от переработки военной техники – в частности самолетов. В качестве выхода из сложной ситуации рассматривалось массовое производство бытовых предметов.
В 1950-е годы появились интересные проекты мебели из алюминия – в том числе книжный шкаф французских архитекторов Шарлотты Перрьян и Жана Пруве для университетского городка в Париже. Горизонтальные панели остались деревянными, а вертикальные перегородки и дверки были выполнены из окрашенного алюминия. Яркий, разноцветный книжный шкаф назвали «Мексиканским». Тогда же было создано популярное складное кресло. Каркас его, выполненный из алюминиевых труб, обтягивался нейлоновыми лентами – они, в свою очередь, образовывали сетку, которая и служила спинкой и сидением. Кресло было невероятно практичным: легким, не намокающим, не подверженным коррозии, очень дешевым. Реклама этого изделия звучала так: «Теперь мужчине не придется напрягать мускулы, устанавливая складную мебель для вечеринки в саду, партии в бридж или ужина на природе». Кресла были востребованы: США переживали бум загородного строительства. Однако довольно быстро обнаружились и их существенные недостатки: нейлоновая сетка прогибалась под тяжестью человека, алюминиевая рама давила на спину и на ноги. Кресло было детищем своего времени – тогда практичность и доступность ценились выше, чем удобство. Со временем появились усовершенствованные конструкции складных стульев и кресел. Примером может служить кресло «Толедо», созданное в 1986–1988 годах по заказу компании Amat испанцем Хорхе Пенси. Форма спинки и сиденья позволяет мышцам ног и спины находиться в расслабленном состоянии, руки удобно располагаются на подлокотниках. Кресло с плавно изогнутыми линиям органично вписывается в интерьер «хай-тек». Однако «Толедо» значительно дороже и немного тяжелее своего «старшего товарища» 1950-х годов. Кресло архитектора Франка Гери, производимое фирмой Knoll, лишено этих недостатков. Толщина алюминиевого листа, из которого выполнены спинка и сиденье, варьируется, увеличиваясь в местах сгиба, на которые приходится максимальная нагрузка.
Разработка композитных анодных покрытий применительно к дизайн-объектам из алюминия и его сплавов
Одним из перспективных направлений электрохимической обработки алюминия является получение цветных анодных покрытий, представляющих собой оксид алюминия, наполненный компонентами различной химической природы. Окрашенные покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, механической прочностью и декоративным внешним видом. Перспективность использования таких покрытий, с одной стороны, обусловлена относительной простотой технического процесса, а с другой -возможностью, варьируя технологические режимы и вид наполнителей, в широком диапазоне регулировать свойства и цветовую гамму получаемых анодных покрытий Используя различные свойства наполнителей, возможно получение самых разнообразных по своим характеристикам композитных покрытий. Композиционные материалы создаются для объединения одинаковых или различных компонентов, чтобы получить материал с новыми заданными характеристиками и свойствами, которые отличаются от характеристик и свойств начальных составляющих. Благодаря появлению подобных материалов появилась возможность избирательного выбора качеств композитов, нужных для целей определенной сферы применения [47].
Пористые анодные оксидные пленки могут быть выращены на различных материалах, например, алюминии, титане, олове и др. [1]. Так как на качество наполнения оксидной пленки решающее влияние оказывает размер нанопор [2], был проведен литературный анализ с целью сравнения характеристик пленок оксидов металлов наиболее применяемых в промышленности. В таблице 4 приведен сравнительный анализ размеров пор различных оксидов металлов.
Как видно из таблицы 4, оксид алюминия обладает большим диаметром пор по сравнению с оксидами других металлов. Помимо этого, анодный оксид алюминия обладает уникальной наноразмерной ячеисто-пористой структурой, высокой механической прочностью, уникальными антикоррозийными и декоративными свойствами. На рисунке 12 представлена схема структуры и сечения анодированного оксида алюминия.
Анодным окислением алюминия и его сплавов (анодированием) называется процесс получения на поверхности металла окисных пленок с толщиной от долей микрона до нескольких десятков и сотен микрон. По характеру протекания процесса, по свойствам получаемых окисных пленок и в первую очередь по их толщине все электролиты для анодирования можно разделить на три группы, которые показаны в таблице 5.
В электролитах, не растворяющих или почти не растворяющих окись алюминия, рост пленки ограничивается очень малыми толщинами (до 0,1—1 мкм) вследствие высокого омического сопротивления пленки окиси алюминия протекающему току. Эти пленки находят применение преимущественно в электротехнической промышленности. В наиболее активных электролитах, сильно растворяющих окись алюминия, пленки заметной толщины также не получаются вследствие очень большой скорости химического растворения пленки в электролите. В этих случаях часто образуются сильно перфорированные пленки. Активные электролиты находят применение для анодного полирования поверхности алюминия или размерного травления. В электролитах, умеренно воздействующих на пленку, в зависимости от условий проведения процесса (электролита, его концентрации, температуры, плотности тока и его характера, продолжительности процесса и т. д.) можно получать пленки, изменяющиеся по толщине и свойствам в широких пределах.
Анодные пленки, получаемые в этих электролитах, можно разделить на две группы:
1) пленки средней толщины (от 1 до 20 мкм);
2) пленки толщиной более 20 мкм.
Пленки средней толщины используют главным образом при защите алюминия и его сплавов от коррозии, при декоративной отделке поверхности алюминия, а также для некоторых других технических целей. В настоящее время широкое применение находят методы толстослойного анодирования, с помощью которых можно получать пленки толщиной 200— 300 мкм и более. Чаще всего для таких пленок ограничиваются толщиной 50—150 мкм. Толстослойное анодирование применяют для защиты поверхности алюминия или его сплавов от механического износа истиранием, для тепло- и электроизоляции поверхности и некоторых других целей [1, 32].
Пленки пористого АОА, характеризующиеся регулярной ячеисто-пористой структурой, в которой диаметр пор и плотность расположения пор могут варьироваться в зависимости от условий анодирования в пределах 10 – 200 нм обладают высокими диэлектрическими свойствами и находят широкое применение в микроэлектронике и оптоэлектронике.
В процессе подготовки к проведению исследований была проделана предварительная работа по изучению и анализу возможностей использования технологии анодирования в щавелевом электролите с последующим наполнением при создании защитно-декоративных покрытий для художественных изделий из алюминия. Исследования проводились на основе данных, полученных опытным путем, а также анализа литературных источников. Основными критериями выбора покрытия были следующие:
- высокие защитные свойства в сравнении с покрытиями, применяемыми в промышленности;
- доступность и относительная низкая стоимость покрытия;
- низкая экологическая токсичность применяемых растворов и составов;
- цветовые и декоративные характеристики и особенности покрытий, позволяющие решать поставленные колористические задачи при создании художественных изделий;
- возможность проведения технологических операций без специального дорогостоящего оборудования;
- возможность получать сплошное однородное покрытие без трещин и неровностей;
- возможность создавать покрытие на различных алюминиевых сплавах. Технология лишена дополнительной операции пропитки пор покрытия в красителями, что позволяет снизить трудоемкость, а также делает возможным придание влагозащитных свойств поверхности изделия. Как показывают результаты проведённых исследований, технологические режимы и составы предлагаемых в работе имеют широкие цвето-текстурные и технологические возможности для создания художественных изделий и допускают использование наряду с ними дополнительного слоя, для придания декоративных свойств.
Исходя из этого, была решено использовать данное покрытие в составе трех слоев. Это позволяло одновременно получить покрытие с заданным цветом и при этом получить покрытие, обладающее влагозащитными свойства, сократив технологические операции по электрохимической обработке.
На рисунке 13 представлен алгоритм получения защитно декоративного покрытия с влагозащитными свойствами.
Исследование морфологии и микроструктуры покрытия
Было проведено исследование морфологического типа получаемых пленок для растворов с разным содержанием щавелевой кислоты. Исследовали влияние содержания (СООН)2 в электролите анодирования с применением щавелевой кислоты с различной концентрацией. Химический состав электролитов представлен в таблице 9. В ходе эксперимента проводили анодирование образцов размером 60 х 25 мм и толщиной 5 мм из сплава АЛ2. Технологические режимы: температура 25-30 С, плотность тока 2-2,5 А/дм2, напряжение 50 В. Время анодирования составляло 30 мин. Шероховатость образцов после фрезерования составляла Ra 6,3 мкм. Обезжиривание производили в составе: 30 г/л - NaOH, 50 г/л - Na2CO3, 20 г/л - Na3PO4, температура раствора 80-90 С. Образцы подвешивали на крюках в гальванические ванны. В качестве катода использовали свинцовую пластину из сплава марки С1.
В течение всего процесса анодирования определяли плотность тока через равные промежутки времени (150сек) с помощью потенциостата марки P-30J представленном на рисунке 19. Страна производства Россия. Погрешность измерения: ±1 %. Потенциостат марки P-30J предназначен для исследований и проведений процессов электрохимического растворения и осаждения, электроаналитических измерений и других научных и производственных целей.
Известно [1], что изменение плотности тока связано с изменением морфологии пленки. На рисунке 20 представлены экспериментально полученные зависимости плотности тока от времени для электролитов разных концентраций. На протяжении всего процесса анодирования наблюдается непрерывное изменение плотности тока и как следствие изменение морфологии пленки. Вначале процесса плотность тока быстро уменьшается, происходит увеличение толщины барьерного анодного слоя, создающего значительное сопротивление, что приводит к падению плотности тока для всех электролитов. В растворах № 1-4 после 5 минут анодирования барьерный слой становится достаточно толстым, электрическое поле ослабляется, плотность тока достигает минимального значения. Переход от снижения плотности тока к увеличению характеризует начало образования пористого слоя анодной пленки. В растворах № 1-4 плотность тока линейно увеличивается и достигает локального максимума через 15-20 минут. После достижения максимальной величины плотность тока остается практически постоянной. Такой характер изменения плотности тока специфичен для образования пористой пленки. На этом этапе завершается формирование морфологии пористой пленки. В зоне постоянства плотности тока сформировавшаяся структура сохраняется, а толщина пористой части пленки растет. В растворе № 5 после резкого падения плотности тока через 2,5 мин на протяжение всего процесса анодирования наблюдается постепенное снижение плотности тока.
Анализ полученных результатов дал возможность сделать предположение о морфологических особенностях анодных пленок. Наличие точек минимума на зависимостях плотности тока от времени и последующий рост плотности тока свидетельствует о том, что при содержании щавелевой кислоты в растворе от 60 до 120 г/л происходит формирование пористых пленок. Практически постоянное убывание плотности тока в течение всего времени анодирования показывает, что содержание щавелевой кислоты в электролите 40 г/л приводит к образованию пленки барьерного типа.
По результатам предварительного исследования было выявлено, что при концентрации щавелевой кислоты менее 30 г/л не происходит равномерного формирования анодной пленки, а при концентрации свыше 140 г/л анодная пленка получается рыхлой и отслаивается с поверхности образца.
Таким образом, можно утверждать, что для получения покрытия с пористой структурой пленки, которое в дальнейшем может быть успешно подвергнуто процессу наполнения, содержание щавелевой кислоты в электролите должно варьироваться от 60 до 120 г/л.
Исследование микроструктуры покрытия
Микроскопия анодной пленки осуществлялась с целью изучения внутренней микроструктуры оксидного покрытия образцов, а также характера образований в анодном слое.
Микроструктура пленок определялась с применением микроскопа TESCAN Vega II при увеличении в 2000 крат представленном на рисунке 21. Структура пленок (естественная и полученные после анодной обработки в электролитах с различной концентрацией) представляет сферические контуры зерен с ярко выраженными границами. На поверхности исходного материала имеется слабо выраженная пористость. Поры (черные пятна) расположены на поверхности зерен, при полном их отсутствии на границах блоков. Микроструктура пленок представлена на рисунке 22.
При анодной обработке в растворе с концентрацией наблюдается уменьшение размеров зерен и увеличение пористости пленки, связанных с травящим действием на нее щавелевой кислоты. В случае же анодирования в растворе с наименьшей концентрацией пленка обладает незначительной пористостью и получается более плотной.
Исследование защитных свойств покрытия
Для придания влагозащитных свойств оксидным пленкам покрытия была применена церезинсодержащая композиция. Данная композиция представляет собой сплав парафина марки «Т», с добавлением церезина марки Ц-80 - 20 масс. % и ПАВ - 0,5 масс. %.
Состав обладает следующими эксплуатационными свойствами: температура плавления: ts = 65 С; прочность 20 С; Рт20 = 1,0 МПа; объемная усадка AVts20 = 15 %; пластичность Пл = 0,5 10-4 1/МПа; водопаропроницаемость ВПП = 6,5 г/м2 сутки. Композиция готовится расплавлением парафина «Т», церезина 80 и СЖК в указанных пропорциях до однородной жидкой смеси при температуре 80-85 С и тщательном перемешивании.
Влагозащитные свойства достигаются подслоем покрытия, полученным наполнением пор оксида алюминия церезином на глубину 150-200 нм, а также влагозащитным слоем, представляющим собой слой церезина с рельефной поверхностью.
Сущность эксперимента состоит в том, что анодированное изделие из алюминия поместили в сушильный шкаф и нагрели до температуры 110-115 С. Для эксперимента использовался шкаф сушильный марки SNOL 58/350 с рабочим диапазоном температур от +50 до +350 С представленным на рисунке 32. Производитель Литва. После нагрева изделия выгрузили и поместили на чистую металлическую подставку. На поверхность изделия нанесли расплавленный состав толщиной 50-90 мкм. Наружному слою композиции может быть задан определенный рельеф известным способом.
После нанесения композиции и формирования рельефа изделие поместили на крючках в сушильный шкаф и нагрели до 110-115 С, выдержав в нем при этом этой температуре 2 часа, затем в течение одного часа температуру снижают со 110 до 85 С. Затем в течение 2-3 часов температуру снизили до 50-60 С. Изделие охлаждали на воздухе. Данные технологические режимы обеспечивают глубину наполненного слоя оксида алюминия церезинсодержащей композицией 150-200 нм.
По результатам проведенных экспериментов было выявлено, что при толщине наполненного композицией слоя менее 150 нм, не удается получить влагозащитное покрытие с высокой устойчивостью к воздействию влаги. Визуальное изучение поверхности покрытия показало, что анодная пленка, пропитанная церезинсодержащей композицией, имеет лаковый блеск и не смачивается водой.
Толщина анодированного покрытия каждого образца была измерена с использованием прибора “Константа К5» представленном на рисунке 33.
На основании полученных результатов был построен график зависимости толщины анодной пленки от времени. Полученная зависимость представлена на рисунке 34. На основании данных полученных из литературы была построена сравнительная зависимость толщины покрытия от времени для сернокислого электролита анодирования. Можно сделать вывод, что при анодировании в щавелекислом электролите в среднем за 15 мин нарастает 10 мкм. Это объясняется тем, что щавелевая кислота лишь в незначительной мере растворяет образовавшуюся оксидную пленку, в результате этого толщина пленки возрастает пропорционально времени оксидирования, причем состояние равновесия, как это наблюдается при анодном оксидировании в серной кислоте, не наступает[3].
Проверка защитных способностей заявленного покрытия согласно ГОСТ 9.302-88 была произведена методом капельной пробы. На поверхность покрытия нанесли каплю раствора: соляная кислота (удельный вес 1,19) – 25 мл; двухромовокислый калий – 3 г; вода дистиллированная – 75 мл. Время, в течение которого происходит изменение цвета раствора на зеленый, указывает на защитные свойства покрытия. Покрытие считается качественным, если капля раствора не зеленеет в течение 4-х минут. В таблице 16 представлены результаты для каждого образца. На основании полученных результатов можно сделать вывод о высоких защитных свойствах полученного покрытия.