Abstract

Abstract

В общем виде описана методика оксидирования. Приведен краткий обзор влияния различных факторов и режимов оксидирования на свойства полученного оксидного покрытия материала АМг6. Проведен анализ результатов, полученных в ходе эксперимента. Указаны общие рекомендации по выбору параметров оксидирования.

Full Text

В настоящее время в различных видах промышленности существует необходимость применения материалов, сочетающих в себе низкую плотность, высокую прочность и износостойкость, электро- и теплопроводность, пластичность и стойкость к коррозионным средам. Одним из таких материалов является алюминий и его сплавы. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести низкую твердость, низкий модуль упругости, большую химическую активность при взаимодействии со многими неорганическими кислотами, низкую износостойкость. Самым распространенным способом устранения недостатков алюминия является создание на поверхности покрытия оксида алюминия (Al2O3) посредством оксидирования. Процесс оксидирования схож с традиционным анодированием, но отличается использованием микроразрядов на поверхности детали, помещенной в среду различных электролитов. При этом на поверхности детали образуется плотное керамическое покрытие, обладающее необходимыми технологическими свойствами. В данной статье показано влияние состава электролита и электрического режима оксидирования на толщину, твердость и пористость оксидного слоя. Для исследования влияния были проведены две группы опытов: 15 образцов на исследование толщины и микротвердости, и 3 – микротвердости и пористости. Исследования проводились на образцах алюминиевого сплава марки АМГ6. После оксидирования были подготовлены микрошлифы [1]. Измерение толщины проводилось в программной среде «Видео-ТесТ» на компьютере, подключенном к металлографическому микроскопу МИМ-8 через фотокамеру ProgRes C10 plus. В этой же программе замеряли микротвердость покрытия по Виккерсу посредством замеров отпечатков, выполненных на твердомере ПМТ-3М [2]. Свойства оксидированных покрытий (микротвердость рабочего слоя и подслоя, толщина покрытия) и режимы процесса оксидирования (время и состав электролита) приведены в табл. 1. Таблица 1 Свойства оксидированных покрытий и режимы процесса оксидирования алюминия Номер образцаРежим оксидирования и состав электролитаСвойства покрытия Время оксидирования t, минКонцентрация изопропилового спирта, г/лКонцентрация перекиси водорода, г/лСредняя толщина рабочего слоя hср, мкмМикротвердость подслоя HVп.с, Н/мм2Микротвердость рабочего слоя HVс, Н/мм2 1101510012210202460 210255020332002220 3102515013325202530 4103510020736802510 520155019217403110 6201515022618703660 7202510020425302930 8202510019813602700 9202510020110903500 1020355023715303550 11203515019010002910 12301510018811001640 1330255022620503140 14302515023526401710 15303510018620202320 Наименьшей толщиной, 122 мкм, обладает покрытие образца 2, полученное при минимальном времени оксидирования (10 мин) и минимальной концентрации спирта в электролите. Максимальная толщина покрытия получена на образце 10 при наибольшем времени выдержки (30 мин) в электролите со смесью перекиси водорода и спирта и составляет 235 мкм. Средняя толщина покрытия, образующегося при выдержке 10 мин, составляет 140–150 мкм, при выдержке 20 мин – 170 мкм. При этом увеличение времени оксидирования до 30 мин позволяет получить толщину поверхности не менее 180 мкм. Графически зависимость толщины и твердости от времени выглядит следующим образом (рис. 1). Рис. 1. Зависимость толщины и твердости от времени оксидирования: ––– hср; – – – НV Для исследования микротвердости использовалась вторая группа образцов. Изменяемым параметром являлся состав электролита, состоящего из дистиллированной воды и следующих групп веществ: – 1-й образец: KOH – 4 г/л, Na2SiO3 – 3 г/л, этиловый спирт – 100 г/л, изопропиловый спирт – 25 г/л; – 2-й образец: KOH – 4 г/л, Na2SiO3 – 3 г/л; – 3-й образец: KOH – 4 г/л, Na2SiO3 – 3 г/л, изопропиловый спирт – 25 г/л. Результаты исследований приведены в табл. 2. По данным таблицы была составлена графическая зависимость микротвердости поверхности, образованной в ходе микродугового оксидирования (рис. 2). Из графика можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на повышение микротвердости оксидированного слоя оказывает наличие электролитов KOH и Na2SiO3. Этиловый и изопропиловый спирты негативно Таблица 2 Распределение микротвердости по толщине Номер отпечаткаHV, Н/мм2S, мм 123 12345 1757575–0,261 237131690–0,17 3493350334–0,05 42953150931850 52615706031660,021 62920900540970,028 72723976734870,031 83203976730920,035 93021956734440,042 1031101086332810,052 112970900532420,062 123598976723800,069 13–976720430,08 14–909513610,088 15–7123–0,094 16–7123–0,103 17–5551–0,108 18–2480–0,13 Рис. 2. Изменение микротвердости по толщине: ♦ – образец 1; ■ – образец 2; – образец 3 влияют на структуру, повышая количество пор, однако при их добавлении микротвердость увеличивается. Помимо твердости данные образцы также были исследованы на пористость с помощью специальной программной среды «Видео-ТесТ». При использовании электролитов KOH и Na2SiO3 обеспечивается высокая пористость, объемные доли пор составляют около 1,9 %. При этом поры размером до 10 мкм распределены по всей толщине оксидированного слоя, более крупные сосредоточены ближе к поверхности. Применение данных электролитов ведет к увеличению размеров пор. В ходе исследования было выявлено, что путем добавления этилового и изопропилового спиртов можно снизить объемную долю пор до 0,8–1,0 %, количество крупных пор свести к минимуму. Также можно заметить такую особенность, что местоположение пор малых размеров сосредоточено ближе к границе металл – оксидный слой [3]. Фрактальный анализ пористости показал, что наибольшая однородность и упорядоченность пористости в данных образцах находится во внутреннем слое покрытия [4–6]. Внешний слой покрытия за счет неравномерной пористости имеет меньшее среднее значение твердости. Внутренняя, более упорядоченная, пористость в меньшей степени снижает микротвердость оскидированного покрытия. В ходе проведенных экспериментов было выявлено, что на толщину и микротвердость при увеличении времени оксидирования в равной степени благоприятно влияет повышенное содержание перекиси водорода по отношению к изопропиловому спирту, однако при его содержании в электролите выше 100 г/л снижается твердость рабочего слоя. Результаты измерения микротвердости оксидированного слоя показали, что пористость значительно снижает среднее значение микротвердости покрытия, в частности на поверхности, где она выше. Фрактальный анализ показал, что во внутренних слоях покрытия пористость имеет большую однородность и упорядоченность, а также равномерность распределения, чем в поверхностных слоях.