Влияние внешних физических воздействий на микроплазмохимические процессы при электрохимическом формировании оксидных покрытий на сплавах алюминия
На правах рукописи
Нечаев Геннадий Георгиевич
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
НА МИКРОПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ФОРМИРОВАНИИ
ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА СПЛАВАХ АЛЮМИНИЯ
Специальность 02.00.05 - Электрохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2008
Работа выполнена в Энгельсском технологическом институте (филиале) ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Попова Светлана Степановна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент
Шпак Игорь Евгеньевич
кандидат технических наук
Шишова Марина Александровна
Ведущая организация: Южно-Российский государственный
технический университет,
г. Новочеркасск
Защита состоится «19» декабря 2008 г. В 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100, г. Энгельс, пл. Свободы, 17, Энгельсский технологический институт (филиал) ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», ауд. 237.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77.
Автореферат разослан «1» ноября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В.В.Ефанова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Микроплазмохимические электролитические процессы, и в частности микродуговое оксидирование (далее МДО) – новое и весьма перспективное направление в технологии электрохимического формирования сплавленных и кристаллизованных оксидных покрытий. Работы по микродуговому оксидированию были начаты в США в 50-е, а в 70-е годы прошлого века - в СССР в Институте неорганической химии Сибирского отделения Академии наук СССР (г. Новосибирск), затем во Владивостоке, Днепропетровске, Москве, Минске. Были разработаны способы формирования декоративных, износостойких, теплоизоляционных и других функциональных покрытий и предложен ряд моделей МДО, которые на качественном уровне описывали механизм процессов, протекающих на поверхности обрабатываемой детали.
Развитие техники на современном этапе диктует новые требования к конструкционным материалам, в том числе к материалам со специфическими свойствами рабочих поверхностей. Варьирование необходимыми функциональными свойствами покрытий, получаемых методом МДО, весьма сложно, слабо предсказуемо, а, зачастую, и невозможно. Существующие в настоящее время модели МДО не позволяют предсказывать параметры процесса получения покрытий с заданными характеристиками. Поэтому развитие работ по совершенствованию модели процесса МДО и ее использованию для направленного изменения свойств обрабатываемой поверхности является актуальным.
Цель работы
Разработка теоретических основ технологического процесса МДО с регулируемым направленным изменением характеристик получаемых покрытий, выявление закономерностей влияния внешних физических воздействий на процесс МДО и создание универсальных методов расчета параметров процесса МДО.
Задачи исследования:
- исследовать взаимодействие процесса МДО с переменным магнитным полем;
- установить закономерности влияния ультразвуковых колебаний электролита на процесс МДО;
- разработать методы расчета параметров внешних воздействующих факторов.
Научная новизна
Впервые на основе модели эквивалентных сопротивлений получены соотношения, позволяющие рассчитывать величины токовых составляющих процесса МДО, определен предполагаемый вклад каждой из составляющих процесса МДО в образование покрытия при заданном режиме;
- проведено экспериментальное определение массы покрытия, формируемого способом МДО;
- выявлены причины возникновения микроразрядов и распределения их по обрабатываемой поверхности при МДО;
- впервые предложена модель, позволяющая объяснить возникновение и распределение микроразрядов на обрабатываемой по методу микродугового оксидирования поверхности возникновением флуктуаций объемной плотности заряда на квазикатоде;
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность влиять на распределение микроразрядов, на их параметры и свойства покрытия, формируемого методом МДО путем наложения внешнего электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний электролита;
- полученные экспериментальные данные о массе формируемых МДО покрытий и их сопоставление с массой покрытия, рассчитанной по математической модели, позволили высказать предположение, что в условиях протекания микроплазмохимических процессов покрытие формируется по механизму анодного оксидирования, а свойства формирующегося покрытия, его структура определяются характеристиками плазмы.
Практическая значимость результатов работы
Разработаны, успешно апробированы и внедрены в промышленность (ООО «Завод «Газпроммаш», г. Саратов) технологические рекомендации. На основе разработанной технологии организовано серийное производство шаровых газовых кранов.
Разработана математическая модель для расчета токовых составляющих процесса МДО и оценки вклада каждой из них в формирование покрытия.
Теоретическое значение результатов диссертационного исследования состоит в том, что установлены и проанализированы закономерности анодного оксидирования алюминия и его сплавов в условиях протекания микроплазмохимических процессов. Показано, что микроплазмохимические процессы ответственны за формирование дефектов структуры в оксидном покрытии. Доказано, что наложение внешнего электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний электролита влияет на характеристики покрытия. Сформулированы принципы технологии электрохимического формирования оксидных покрытий на алюминии и его сплавах в условиях протекания микроплазмохимических процессов при воздействии внешнего электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний электролита.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов достигается применением современных взаимонезависимых методов исследования и стандартного оборудования, а также проведением эксперимента на промышленной установке и результатами испытаний обработанных деталей в производственных условиях. Достоверность результатов и обоснованность выводов подтверждаются 3 патентами на изобретение.
Апробация результатов работы
Материалы диссертации апробированы на Международных и Всероссийских конференциях: «Покрытия и обработка поверхности. Качество, эффективность, конкурентоспособность» (Москва, 2005 г.); «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2005 г., 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, среди них 3 патента, 3 статьи в центральной печати, 3 статьи в сборниках трудов и 1 обзорная статья в издательстве ЦНИИ «Электроника».
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 170 наименований. Работа изложена на 125 страницах, содержит 24 рисунка, 7 таблиц.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Модель эквивалентных сопротивлений и основанные на ней математические выражения для расчета токовых составляющих процесса МДО.
2. Закономерности направленного воздействия наложением внешнего электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний электролита на процесс микродугового оксидирования характеристики микроразрядов и на свойства покрытий, получаемых методом МДО.
3. Влияние флуктуаций объемной плотности заряда квазикатода на возникновение и распределение микроразрядов на поверхности детали при микродуговом оксидировании.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе дан анализ литературных данных о формировании функциональных покрытий методом МДО. Особое внимание уделено механизму процессов, технологическим параметрам, свойствам покрытий, полученных этим методом.
Во второй главе дано теоретическое рассмотрение процесса микродугового оксидирования с применением известных физических, химических и электрохимических положений и законов. Представлена модель эквивалентных сопротивлений
Рассмотрим следующую модель процесса МДО. При подаче на деталь, погруженную в электролит, положительного напряжения, в электролите начинается перераспределение зарядов. Отрицательно заряженные ионы электролита под действием внешнего поля устремляются к поверхности детали. В результате на поверхности детали-анода формируется слой адсорбированных ионов, приводящий к перераспределению падения напряжения на электролитической ячейке. Идет обычное анодирование. Образуется тонкий барьерный слой. Этот слой препятствует дальнейшему протеканию химической реакции. Отрицательно заряженные ионы, скапливающиеся у поверхности детали-анода, образуют локальный квазикатод. Происходит перераспределение потенциала между электродами в электролитической ванне. Напряженность электрического поля между анодом и локальным квазикатодом нарастает до тех пор, пока ее величина не становится достаточной для реализации диффузии ионов через барьерную пленку. Ток продолжает протекать, но величина его уменьшается, так как в электрическую цепь включается дополнительное сопротивление барьерной пленки.
По мере роста толщины покрытия сопротивление возрастает, а величина тока уменьшается. Происходит дальнейшее перераспределение потенциала между электродами. Возрастающая напряженность поля между анодом и квазикатодом обеспечивает дальнейшее протекание электрохимического процесса. На поверхности барьерного слоя начинается рост пористого слоя анодной пленки. Основная часть падения напряжения приходится на оксидный слой. С ростом толщины оксидного слоя растет и потенциал, необходимый для обеспечения миграции ионов через пленку. При этом скорости снижения тока и нарастания напряжения изменяются. Но это не говорит о том, что процесс стал нелинейным. Сопротивление пористого слоя можно представить в виде множества сопротивлений каналов пор, включенных параллельно друг другу. А их сопротивление нарастает медленнее и по величине гораздо меньше, чем сопротивление оксидного слоя.
Если плотность тока достаточно велика, в порах происходят вскипание электролита и образование паровых пузырей. Величина напряженности электрического поля при микродуговом оксидировании столь высока, что отрицательно заряженные ионы, находящиеся в паровом пузыре, продолжают направленное движение к аноду, ускоряются и бомбардируют барьерный слой. Под действием ионной бомбардировки происходят разогрев и электрический пробой барьерного слоя, который развивается в микродуговой разряд. Высокая плотность тока в канале разряда приводит не только к нагреву, испарению и ионизации электролита, но и к нагреву, плавлению, испарению и частичной ионизации материала анода и стенок разрядного канала (АОП). Соответственно развивается высокое давление. Естественным выходом для образовавшейся плазмы является устье канала, обращенное в сторону электролита. Вырываясь из устья канала, плазма расширяется и остывает. Расширение и остывание плазмы приводит к ситуации, когда поступление заряженных частиц в канал становится затруднительным и приводит к уменьшению величины тока. Уменьшение силы тока влечет уменьшение выделения тепла и дальнейшее падение температуры плазмы. Наконец, ток через канал разряда перестает течь, после чего охлаждение области канала приводит сначала к втягиванию образовавшихся продуктов реакции в канал, а затем к конденсации и кристаллизации оксидов на дне и стенках канала. Микроразряд прекращается. Пузырь остывает и схлопывается. Пора вновь заполняется электролитом. Через нее начинает вновь протекать ток до тех пор, пока нагрев электролита в поре вновь не приведет к вскипанию в ней электролита и образованию парового пузыря и развитию микроразряда. Таким образом, процесс формирования покрытия приобретает периодический колебательный характер. Образование микродугового разряда приводит к изменению потенциала в его ближайших окрестностях. Паровые пузырьки в расположенных поблизости от микроразряда порах со временем остывают, схлопываются, и поры вновь оказываются заполненными электролитом, а электрохимический процесс начинает протекать как при обычном толстослойном анодировании. Таким образом, при микродуговом оксидировании действуют два механизма формирования покрытия: механизм анодного оксидирования и механизм плазмохимической реакции. Суммарный ток соответственно складывается из тока анодирования и тока микродуговых разрядов.
Согласно эквивалентной электрической схеме (рис.1) можно считать, что на первой стадии (рис.1,а) сопротивление равно сопротивлению барьерного слоя Rбс. На второй стадии последовательно с сопротивлением барьерного слоя включается сопротивление пористого слоя Rпс. Его, в свою
Рис.1. Эквивалентная электрическая схема процесса МДО
на различных стадиях: а - стадия образования барьерного слоя;
б - стадия образования пористого слоя; в - стадия микроразрядов
очередь, можно представить в виде параллельно соединенных сопротивлений заполненных электролитом пор Rп. (рис.1, б). На стадии микродугового оксидирования параллельно этим сопротивлениям включается сопротивление микродуговых разрядов Rмр (рис.1, в).
При более строгом рассмотрении становится очевидным, что требуется введение ряда ограничений. Дело в том, что величины сопротивлений Rбс, Rоп, Rмр изменяются в ходе процесса. Предположив, что сопротивление барьерного слоя увеличивается только на первой стадии, а на второй и третьей остается неизменным, рассмотрим изменение тока и напряжения между электродами во времени в соответствии с предложенной моделью (рис.1) эквивалентных сопротивлений.
Рис.2. Кривые изменения тока I(t) и напряжения U(t) при протекании процесса МДО в соответствии с моделью эквивалентных сопротивлений:
1 – образование барьерного слоя; 2 – образование пористого слоя;
3 – возникновение микроразрядов; 4,5 – стадия МДО
Первой стадии процесса на рис.2 соответствует линейный участок (1). Величина силы тока быстро убывает, а напряжение растет. Следующий участок (2) соответствует этапу образования и нарастания пористого слоя оксидного покрытия. Тогда, рассчитав сопротивление в точке излома, где происходит изменение угла наклона зависимостей I(t) и U(t), получим величину Rбс. Пористый слой имеет сопротивление Rпс. Для простоты рассмотрения предположим, что все поры одинаковы. Сопротивление одной поры Rп. Если общее количество пор равно N, то
Rпс = Rп / N. (1)
На этой стадии должны происходить некоторый спад напряжения и рост тока. На вольт-амперных характеристиках реальных процессов МДО, действительно, отмечается такая область. При установившемся режиме МДО наблюдается медленный рост напряжения U(t) и столь же медленное уменьшение тока I(t) (участки 4,5). Это связано с незначительным изменением сопротивления микродуги при увеличении ее длины.
Согласно предложенной модели ток, протекающий через исследуемый образец, можно представить следующими выражениями:
На стадии образования барьерного слоя
I = U / Rбс. (2)
На стадии формирования пористого слоя
I = U/(Rбс + Rпс). (3)
На стадии МДО по первому правилу Кирхгофа
I = Iоп+ Iмр (4)
или U/R = U/Rоп + U/Rмр, (5)
где Iоп – величина тока, протекающего через АОП; Rоп– сопротивление АОП с заполненными электролитом порами.
Величину U, I, Rоп можно измерить. Тогда величины Iмр, Iоп, Rмр легко рассчитать.
Но в приведенных выражениях не нашел отражения тот факт, что ток при процессе микродугового оксидирования может протекать не только через активное сопротивление. Речь идет о включенном в цепь емкостном элементе, а именно о емкости двойного электрического слоя. Выражение для силы тока в этом случае будет иметь вид: I = Iоп+ Iмр + Iс или U/R = U/Rоп + U/Rмр + UwC, где Iс = UwC – ток, протекающий при перезарядке емкости двойного электрического слоя. Из выражения для Iс следует, что чем больше емкость двойного слоя или чем выше частота переменного тока, тем большая величина силы тока тратится на перезарядку этого емкостного элемента и, соответственно, отвлекается от участия в формировании массы покрытия. Следует отметить, что с физической точки зрения максимальное значение емкость двойного электрического слоя будет иметь на поверхности металла без покрытия. С появлением покрытия и ростом его толщины величина емкости двойного слоя будет уменьшаться. Следовательно, потери на перезарядку емкости двойного электрического слоя по мере роста покрытия должны уменьшаться. Сделаем оценку величины тока перезарядки. Из литературы известно, что величина емкости двойного электрического слоя на межфазной границе Mg / MgO при площади поверхности электрода 9 см2 не превышает (0,82±0,005).10-4 мкФ. Наиболее привлекательными с точки зрения практического применения являются покрытия, получаемые в результате МДО в анодно-катодном режиме. При величине напряжения процесса микродугового оксидирования 360 В и частоте 50 Гц можно сделать оценку, приведенную к 1 дм2, величины тока потерь Iп.С = 0,91. 10 -2 мкФ, w = 2pf = 6,28. 50 Гц = 314. Получаем, что Iп = 1,1. 10-3 А. Таким образом, при наличии покрытия на магниевом сплаве величина тока потерь на перезарядку двойного электрического слоя составляет около 1 мA/дм2.
В момент начала процесса, когда покрытия на детали из алюминиевого сплава еще нет, емкость двойного электрического слоя составляет 5 мкФ при площади образца 0,4 см2. Сделаем аналогичную оценку величины тока потерь. В этом случае С = 1250 мкФ, w = 314. Тогда Iп =14,13 А. Получили, что изначальная величина тока потерь при МДО детали из алюминиевого сплава без покрытия соизмерима с величиной тока микродугового оксидирования, то есть тока, формирующего покрытие. На практике в момент начала процесса МДО действительно наблюдается весьма значительный скачок тока, который может привести даже к аварийному отключению источника тока и требует применения более мощных автоматических выключателей, что недопустимо с точки зрения техники безопасности. Благодаря проведенным расчетам становится понятно, почему так происходит.
Таким образом, из приведенных расчетов следует, что в момент начала процесса МДО величина потерь технологического тока, связанная с перезарядкой двойного электрического слоя, весьма велика. С образованием оксидного покрытия величина этих потерь резко уменьшается. Для минимализации потерь электроэнергии и снижения величины скачка тока, связанного с перезарядкой двойного электрического слоя, можно рекомендовать применять комбинированный электрический режим процесса МДО, а именно: начало процесса МДО вести на постоянном анодном режиме. Примерно через 5 минут, когда произошло образование оксидного слоя, производить переключение источника технологического тока на анодно-катодный режим и далее проводить процесс МДО в анодно-катодном режиме. Другим способом избежать скачка тока может послужить предварительное анодирование поверхности детали перед МДО. Проведенные расчет и анализ изменения емкости двойного электрического слоя в процессе МДО позволяют оценить и учесть его влияние на ход процесса микродугового оксидирования, а также найти технологические решения для нейтрализации нежелательных моментов.
По току анодирования можно рассчитать массу покрытия, полученную в результате процесса анодирования. Вычтя ее из массы покрытия, образовавшейся в процессе МДО, определим массу покрытия, образовавшуюся в плазмохимических реакциях. Оценив количество электричества, необходимое для образования данной массы оксида, и вычтя его из общего количества электричества, задействованного в плазменных процессах, получим соотношение для оценки эффективности плазменных процессов.
В общем виде реакция образования фазового оксида на вентильных металлах может быть представлена в следующем виде:
n Me + m H2O ® MenOm + 2mH+ +2me-. (6)
Но для того, чтобы получить расчетные формулы необходимо помнить, что ток, протекающий в электролитической ячейке при анодировании – не что иное, как перемещение ионов. Зависимость плотности тока в электролите от напряженности Е электрического поля имеет вид:
j = еZ+ nо+ (u+ + u- )E, (7)
где е – элементарный заряд; Z+ - валентность положительных ионов в растворе; no+ - концентрация положительных ионов в электролите; u+ и u- - подвижности соответственно положительного и отрицательного ионов, то есть средние скорости направленного движения этих ионов под действием электрического поля, напряженность которого равна единице.
Встреча ионов металла с диффундирующими к аноду ионами окислителя приводит к образованию оксидов. Для алюминия вероятные уравнения будут иметь следующий вид:
2Al3+ + 3O2- = Al2O3 (8)
или 2Al3+ + 6О- = Al2O3 + 1,5О2 (9)
или 2Al3+ + 6 ОН- = Al2O3 + 3Н2О. (10)
Согласно закону Фарадея, количество вещества М, выделившееся на аноде
М = kIt = Itm/Fz, (11)
где I – величина силы тока; t - время прохождения тока; m - молярная масса иона; z – валентность иона; F – постоянная Фарадея.
В силу того, что нас интересуют процессы на аноде, а именно процессы образования оксидного покрытия, суммарные заряды положительных и отрицательных ионов в электролите равны и с учетом того, что в образовании покрытия будут участвовать только отрицательные ионы электролита, в выражении для силы тока должен появиться множитель 1/2.
Приведенный расчет массы образовавшегося покрытия не учитывает того факта, что часть тока пошла на перезарядку «конденсатора» двойного слоя. Для более корректного решения необходимо оценить величину силы тока перезарядки.
Как уже отмечалось, величина тока перезарядки емкости двойного электрического слоя уменьшается в ходе процесса от 14 А/дм2 до 1.10-3 А/дм2. Причем это уменьшение происходит в течение первых 2-5 минут процесса МДО. Учитывая, что плотность тока в процессе МДО находится, как правило, в пределах 5-50 А/дм2, потерями тока на перезарядку двойного электрического слоя в ходе процесса МДО можно пренебречь.
Распределение микроразрядов по поверхности обрабатываемой детали
Микродуговые разряды возникают на поверхности детали спонтанно и хаотично и, на первый взгляд, распределены равномерно. Однако при более внимательном наблюдении можно заметить, что первые микроразряды возникают на острых кромках. Кроме того, на острых кромках деталей наблюдаются наиболее крупные микроразряды, покрытие на кромках образуется быстрее и процесс выхода на микродуговой режим и переход с микродуговых разрядов на дуговые происходят также сначала на острых кромках. Как известно, даже при равномерном распределении заряда по поверхности детали максимальная напряженность электрического поля будет существовать на острых выступах. То есть, изначально микропробои и микроразряды возникают в местах с максимальной напряженностью электрического поля, каковыми и являются выступы и острые кромки на поверхности обрабатываемой детали.
Возможно, образование микроразряда в конкретном месте в тот или иной момент времени связано с локальными флуктуациями объемного заряда квазикатода. Именно они приводят к пробою покрытия в тот или иной момент времени в месте дефекта покрытия. Объективно наличие таких флуктуаций обусловлено дискретностью электрических зарядов. Различие в плотности зарядов приводит к кратковременной флуктуации напряженности электрического поля. Естественно предположить, что пробой покрытия и образование микроразряда будет происходить в области максимального значения напряженности электрического поля. Задавая эти флуктуации, можно управлять распределением микроразрядов по поверхности детали.
Наиболее простой способ модулирования флуктуаций – наложение ультразвуковых колебаний. При распространении ультразвука в электролите будут возникать области разряжения и сжатия. Вблизи обрабатываемой детали это должно привести к пространственному перераспределению заряда квазикатода. Другим способом модуляции может стать наложение электромагнитного поля.
Свойства и характеристики МДО покрытий зависят от многих факторов – от состава электролита, от состава анодируемого металла, от режима обработки и т.д. Кроме того, в значительной степени свойства покрытий определяются параметрами микроразрядов (длительностью, силой тока, температурой). Решение задачи изменения параметров микроплазменных процессов дает мощный механизм регулирования изменения свойств и характеристик МДО покрытий.
Для выбора воздействующих на микроразряд факторов необходимо вспомнить, что электрический разряд – это плазменный проводник. Плазма – ионизированный газ. В нашем случае этот ионизированный газ находится в канале разряда, проходящем через покрытие, и, частично, выходит в электролит. Изменять параметры газового пузыря в жидкости можно, прикладывая к нему внешнее давление. Создать такое давление возможно при помощи ультразвука. На проводник с током оказывает воздействие электромагнитное поле. То есть воздействующими факторами как на квазикатод, так и на микроразряд будут электромагнитное поле и ультразвук.
Качественное рассмотрение процессов, возникающих в электролитической ванне в результате внешних воздействий
При включении ультразвукового излучателя в электролите начнут распространяться ультразвуковые волны. В результате отражения ультразвуковых волн от стенок ванны, от детали и т.д. в объеме электролита возникнет сложная интерференционная картина. В объеме электролита появятся области различного давления. Из-за перепада давлений будут образовываться разнонаправленные и разномасштабные течения, то есть наложение ультразвука вызовет перемешивание электролита. Кроме того, уплотнения и разряжения в электролите, возникающие в результате распространения ультразвуковых волн, приведут к неравномерному распределению ионов в объеме электролита, что, в свою очередь, вызовет возникновение электрического поля и появление разности потенциалов в электролите.
При пропускании через катушку-соленоид переменного тока возникает переменное магнитное поле. Это переменное поле будет вызывать в электролите и материале детали-анода возникновение ЭДС индукции. Сопротивление массивных проводников мало, поэтому возбуждаемая в них ЭДС способна создавать вихревые токи большой силы (токи Фуко). Нагревание детали-анода вихревыми токами накладывает ограничение на использование магнитного поля высокой частоты.
Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Внутри катушки-соленоида магнитное поле однородное, линии магнитной индукции направлены параллельно оси катушки. Возникающее в результате изменения магнитного поля электрическое поле будет иметь силовые линии в виде концентрических окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции.
Воздействие переменного магнитного поля на микродуговой разряд во многом будет зависеть от их взаимного расположения. В случае, когда канал микроразряда параллелен линиям магнитной индукции, магнитное поле на заряды, движущиеся в микродуге, не действует. Когда канал микроразряда перпендикулярен линиям магнитной индукции, сила воздействия на дугу микроразряда максимальна.
Выбор и обоснование параметров внешних физических воздействий
Согласно известным данным о параметрах микроразрядов, их длительность составляет 10-70 мкс. Это соответствует частотам 1,4х104-105 Гц, то есть частота ультразвукового воздействия должна находиться в пределах 14-100 кГц. С физической точки зрения, ультразвук начинается с частот > 19 кГц. Поэтому представляется интересным исследовать воздействие УЗК в диапазоне от 19 до 100 кГц. Что касается амплитуды УЗК, то верхний предел выбирается по моменту появления кавитации.
Микроразряд – это область плазмы, в которой протекает электрический ток, то есть направленный поток заряженных частиц. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила: F = quB, где q - заряд частицы; u - скорость частицы; В - величина составляющей магнитной индукции, перпендикулярной к скорости. Постоянное магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы. Но если магнитное поле переменное, то оно действует и на неподвижные заряды. Особенно заметным это действие будет в области квазикатода. В этой области наибольшая концентрация ионов. Под действием переменного магнитного поля в электролите будут возбуждаться индукционные токи. Кроме того, на микроразряды будет действовать дополнительная ЭДС. Таким образом, наибольшее воздействие на микроразряды и плазменные образования должно оказывать переменное магнитное поле. Самый простой способ получения переменного поля – пропускание через катушку тока частотой 50 Гц. Выражение для индукции магнитного поля внутри катушки имеет вид:
B = 2pКn I / l, (12)
где n – число витков в катушке; I – сила тока; l - длина катушки; К – постоянная, равная 2.10-7 Н/А2.
Тогда выражение для силы, действующей на заряженную частицу со стороны магнитного поля катушки, будет иметь вид:
F= 2pKquI/l. (13)
Представляет интерес воздействие магнитного поля не на единичный заряд, а на дугу микроразряда. По закону Ампера: F=IlB, где I – сила тока в микродуге; l – длина микродуги; В – индукция магнитного поля, создаваемого катушкой-соленоидом.
Кроме того, переменное магнитное поле неизбежно порождает переменное электрическое поле. Силовые линии этого поля будут перпендикулярны силовым линиям порождающего его магнитного поля. В зависимости от направления этих силовых линий относительно оксидируемой поверхности электрическое поле будет либо усиливать электрическое поле между поверхностью детали и квазикатодом, либо вызывать движение заряженных частиц параллельно поверхности детали. Следовательно, в зависимости от ориентации переменное магнитное поле будет либо способствовать, либо препятствовать образованию микроразрядов.
В третьей главе дано описание использованных в работе методов исследования: методики контроля защитных свойств покрытия: метод капли, метод потенциодинамических кривых; методики определения микротвердости; методики измерения толщины покрытия: металлографическим методом, гравиметрическим методом, методом вихревых токов; методики измерения емкости двойного слоя; методики определения массы образовавшегося покрытия; методики рентгенографического исследования структуры покрытий; методики наложения УЗК и электромагнитного поля на процесс МДО. Рассмотрены методики подготовки поверхности образцов.
В четвертой главе дано описание экспериментов, приведены полученные результаты, выполнен анализ экспериментальных и расчетных данных.
Проведено исследование влияния наложения УЗК и электромагнитного поля на микротвердость и толщину покрытий. Результаты представлены в табл. 1,2.
Таблица 1
Влияние ультразвуковых колебаний электролита на свойства МДО покрытия
| № п/п | Материал образца | Пло-щадь образца, дм2 | Режим | Ток, А | Частота УЗК, кГц | Время процеc- са, мин. | Толщина покры-тия, мкм | Микро-твердость, HV0.1 |
| 1 | AlMgSi0,5 | 0,4 | A/K | 3 | 44 | 90 | 129±14 | 1708±54 |
| 2 | AlMgSi0,5 | 0,4 | А/К | 4,5 | 44 | 90 | 157-227 | 1521±122 |
| 3 | AlMgSi0,5 | 0,4 | A/K | 3 | - | 90 | 177±19 | 1351±79 |
Из представленных данных видно, что наложение внешних электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний на процесс МДО приводит к некоторому снижению толщины покрытия, но при этом увеличивает его микротвердость.
Таблица 2
Влияние электромагнитного поля на свойства МДО покрытия
| № п/п | Материал образца | Пло-щадь образ-ца, дм2 | Ре-жим | Ток, А | Напряжение на катушке-соленоиде, В | Время процес-са, мин. | Толщина покры-тия, мкм | Микро-твердость, HV0.1 |
| 1 | AlMg4,5Mn | 0,28 | А/К | 1,5 | - | 210 | 154±43 | 1371±83 |
| 2 | AlMg4,5Mn | 0,28 | А/К | 1,5 | 10 | 210 | 120±46 | 1506±110 |
| 3 | AlMgSi0,5 | 0,4 | A/K-пауза | 3 | 5 | 120 | 101-177 | 1786±145 |
| 4 | AlMgSi0,5 | 0,4 | А/К- пауза | 3 | - | 120 | 76-192 | 1845±89 |
Визуально наблюдали изменение распределения микроразрядов на поверхности детали при наложении переменного электромагнитного поля. В случае наложения переменного магнитного поля на боковых поверхнолстях детали микроразрядов практически не наблюдалось, а на торцевых поверхностях горели мощные микроразряды.
При ультразвуковых колебаниях электролита на частотах 22 или 44 кГц никакого видимого изменения в характере протекания процесса МДО и распределении микроразрядов на поверхности образцов не наблюдалось. Было отмечено изменение шумовых эффектов, сопровождающих процесс МДО.
Визуальное наблюдение за изменениями протекания процесса МДО в результате уменьшения величины тока показало:
- при уменьшении величины силы тока уменьшается интенсивность
свечения единичных разрядов и уменьшается их количество на поверхности детали (рис.3);
- величина силы тока, при которой на поверхности деталей не наблюдалось микродуговых разрядов, составила 5 А, что соответствовало плотности тока 0,4 А/дм2.
Было замечено, что при силе тока 20 А (плотность тока менее 1,5 А/дм2)
микродуговые разряды горят преимущественно на внутренней поверхности проходного канала заготовки шарового затвора (рис 3, в, в1). То есть при уменьшении плотности тока происходит перераспределение микроразрядов на поверхности детали. Микроразряды возникают только там, где толщина покрытия минимальная. Это явление может быть использовано для выравнивания толщины покрытия при нанесении покрытия методом МДО на детали сложной формы.
Расчет массы покрытия, образующейся в процессе МДО, согласно предложенной модели эквивалентных сопротивлений, показал, что при токе
48 А и длительности процесса МДО 1 час заряд отрицательных ионов Q =
48 А. 3600 с /Ц2 = 122189,2236 Кл. При условии, что при МДО весь заряд
а I=80A а1 I=80A
б I=40A б1 I=40A
в I=20A в1 I=20A
Рис.3. Влияние величины тока на распределение микроразрядов
в начале (а,б,в) и в конце процесса МДО (а1, б1, в1)
отрицательных ионов пошел на окисление алюминия, масса алюминия, принявшего участие в реакции, составляет: М 2Al = iобщtm/FZ = 11,3958886 г.
Отсюда полная масса покрытия, образовавшегося при МДО, должна быть 21,525562 г. В то же время суммарная масса алюминия, участвовавшего в реакциях при образовании покрытия, определенная взвешиванием, оказалась равной 0,87275 г. Соответственно, масса образовавшегося Al2O3 1,6485 г.
Масса покрытия, определенная взвешиванием, равна 2,25760 г, что на порядок меньше величины, полученной по расчетам согласно предложенной модели. В то же время эта величина превышает массу оксида алюминия, образовавшегося в ходе процесса МДО. Эту разницу дает включение в состав покрытия оксида кремния SiO2 из входящего в состав электролита жидкого стекла. Таким образом, покрытие, сформированное методом микродугового оксидирования, состоит из оксида алюминия (окисленного материала образца) – 1,6485 г и оксида кремния (компонента электролита) – 0,6091 г.
Произведено определение емкости двойного электрического слоя на образцах из алюминиевых сплавов без покрытия и с оксидным покрытием, сформированным методом МДО в течение 10-15 минут в анодно-катодном режиме при плотности тока 10 А/дм2. Площадь поверхности образца 0,4 см2.
Полученные данные позволили рассчитать величину силы тока, идущую на перезарядку двойного электрического слоя, и установить причину большого возрастания силы тока в момент начала процесса МДО в анодно-катодном режиме. Проведены сравнительные испытания образцов покрытий, полученных в анодно-катодном и комбинированном токовых режимах.
Сформулированы технологические рекомендации: токовый режим комбинированный: 5 минут – анодный, 55 минут – анодно-катодный; плотность тока – 10 А/дм2; электролит состава: NaOH – 4 г/л, жидкое стекло – 10 г/л; температура электролита – 55 оС.
Выводы
1. С использованием предложенной модели эквивалентных сопротивлений определен предполагаемый вклад каждого из процессов в образование покрытия при микродуговом оксидировании. Проведено экспериментальное определение массы покрытия, формируемого способом МДО.
2. Установлено, что микроплазменные процессы вносят не столь большой вклад в образование массы покрытия, как это следовало ожидать из результатов проведенных расчетов. Основная масса покрытия при микродуговом оксидировании образуется в процессе электрохимического анодного окисления металла.
3. Подтверждено, что масса образовавшегося покрытия в процессе МДО в значительной степени зависит от состава электролита.
4. При микродуговом оксидировании микроплазменные образования влияют на процессы оплавления, кристаллизации и изменение фазового состава формируемых покрытий.
5. Обнаружено, что уменьшение плотности тока приводит к перераспределению микроразрядов на поверхности детали. Это связано с уменьшением скорости подвода ионов к поверхности электрода. Напряженность электрического поля между металлом анода и ионным квазикатодом в электролите уменьшается, и величина ее оказывается недостаточной для пробоя толстого оксидного покрытия. Микроразряды возникают только там, где толщина покрытия минимальная. При уменьшении плотности тока до определенной величины (~ 1,5А/дм2) микродуговые разряды горят только на внутренней поверхности проходного канала заготовки, при плотности тока менее 0,4 А/дм2 микроразряды не возникают вообще. Это явление может быть использовано для выравнивания толщины покрытия при нанесении покрытия по методу МДО на детали сложной формы.
6. На основании разработанных нами модельных представлений о процессах, происходящих при микроразрядах, и известных данных о характеристиках микроразрядов в качестве внешних воздействующих физических факторов выбраны электромагнитное поле и УЗК. Аналитически определены пределы частотных и амплитудных значений используемых физических факторов.
7. Обнаружено, что наложение внешних электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний на процесс МДО приводит к некоторому снижению толщины покрытия, но при этом позволяет увеличить его микротвердость.
8. Установлено, что причиной большого возрастания силы тока в момент начала процесса МДО в анодно-катодном режиме является большая емкость двойного электрического слоя на начальной стадии процесса, и, как следствие, большой ток перезарядки при проведении процесса на переменном токе. Для устранения или существенного уменьшения данного явления предложено использование комбинированного токового режима: на начальном этапе процесс проводится в анодном режиме до выхода на стадию искрения, после чего токовый режим изменяется на анодно-катодный.
9. На основе анализа причин возникновения микроразрядов и их распределения на поверхности детали при МДО высказано предположение, что возникновение микроразрядов на поверхности детали связано с флуктуациями плотности объемного заряда квазикатода.
10. Доказана возможность изменения распределения микроразрядов на поверхности обрабатываемой детали в процессе МДО наложением внешнего электромагнитного поля. Отсутствие визуально наблюдаемого влияния УЗК на распределение микроразрядов связано, по-видимому, как с незначительными размерами образцов, которые были значительно меньше длинн волн ультразвука, так и с тем, что в ходе экспериментов не удалось добиться эффекта «стоячей волны».
11. Методом рентгенофазового анализа установлено, что в состав покрытия входят Al2O3 и шпинельные фазы.
Список публикаций по теме диссертации
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Нечаев Г.Г. Микроплазмохимический синтез оксидных покрытий (микродуговое оксидирование) как синергетическое явление. Моделирование процесса методом эквивалентных сопротивлений / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Вестник Саратовского государственного технического университета.- 2007.- №1. Вып.2. - С.48-52.- ISBN 5-7433-1781-X.- Статья принята к опубликованию 24.10.06.
2. Нечаев Г.Г. Микродуговое оксидирование: модель эквивалентных сопротивлений / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Коррозия: материалы, защита.- 2008.- № 2. – С.31-34.- ISSN 1813-7016.
3. Нечаев Г.Г. Распределение микроразрядов при микроплазмохимическом электролитическом синтезе оксидных покрытий / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Коррозия: материалы, защита.- 2008.- № 7. – С.40-42.- ISSN 1813-7016.
В других изданиях
4. Патент РФ № 2081213 Кл С25 Д 11/02. Способ микродугового нанесения покрытия на поверхность изделия / Нечаев Г.Г. (РФ).- Заявл. 02.06.95; опубл. 10.06.97.- Б.И. № 16.
5. Патент РФ № 2199613 Кл С25 Д 11/06. Способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры (Варианты) / Р.Е.Агабабян (РФ), Г.Г.Нечаев (РФ).- Заявл. 22.05.2001; опубл. 27.02.2003.- Б.И. № 6.
6. Патент РФ № 2193574 Кл F16 K 5/06. Шаровой кран / Р.Е.Агабабян (РФ), Г.Г.Нечаев (РФ).- Заявл. 22.05.2001; опубл. 10.11.2002.- Б.И. № 31.
7. Нечаев Г.Г. О возможности внешнего воздействия на микрораряды при микроплазмохимическом электролитическом процессе / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Покрытия и обработка поверхности. Качество, эффективность, конкурентноспособность. Материалы 2-й Междунар. конф. / Центр междунар. торг.- Москва, 2005 г. - С. 63-64.
8. Нечаев Г.Г. О возможности внешнего воздействия на микроразряды при микроплазмохимическом электролитическом оксидировании / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Актуальные проблемы электрохимической технологии: сборник статей молодых ученых / Сарат. гос. техн. ун-т.- Саратов, 2005 г.- С.214-216.- ISBN 5-7433-1542-6.
9. Нечаев Г.Г. Влияние емкости двойного электрического слоя на процесс микродугового оксидирования / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Актуальные проблемы электрохимической технологии: сборник статей молодых ученых / Сарат. гос. техн. ун-т.- Саратов, 2008 г.- С.175-177.- ISBN 978-5-7433-1906-0.
10. Липчанский А.Б. Микродуговое оксидирование – новый метод формирования композиционных металлокерамических материалов и покрытий для ИЭТ/ А.Б.Липчанский, В.А.Цветков, Г.Г.Нечаев, О.В.Якушева, Н.В.Захарцева // Обзоры по электронной технике. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование.- М.: Изд-во ЦНИИ «Электроника», 1991г.- 66 с.
Нечаев Геннадий Георгиевич
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
НА МИКРОПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ФОРМИРОВАНИИ
ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА СПЛАВАХ АЛЮМИНИЯ
Автореферат
Корректор О.А.Панина
Подписано в печать 27.10.08 Формат 60х84 1/16
Бум. офсет. Усл.печ.л.1,0 Уч.-изд.л1,0
Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054 г. Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в РИЦ СГТУ, 410054 г. Саратов, Политехническая ул., 77
