Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АНОДИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для создания износостойких покрытий на трущихся поверхностях подшипников, опор скольжения, направляющих и других деталей машин из алюминия и его сплавов, применяемых в машиностроительной, металлообрабатывающей, станкостроительной и других областях промышленности.

Известен метод [патент RU 2136788 C1. Способ получения покрытий / Э.С. Атрощенко, О.Е. Чуфистов, И.А. Казанцев, В.А. Дурнев. Патентообладатель: Пензенский государственный университет. Опубл.: 10.09.1999], заключающийся в том, что анодирование выполняют с микродуговыми разрядами в электролите, содержащем борную кислоту и гидроксид калия, а затем проводят термоообработку при температурах не ниже 500°C в течение не менее 100% от времени анодирования. Этот метод применяется для получения тонкослойных покрытий со значительными затратами электроэнергии, а при изготовлении установки необходимо использовать электротехнические устройства, работающие при высоких плотностях тока.

В качестве прототипа выбран способ [патент №1244212 SU. Способ анодирования алюминия / Е.Ф. Сперанская, А.А. Мейрманова, В.Л. Добженецкая, Л.К. Гудин. Патентообладатель: Казахский государственный университет им. С.М. Кирова. Опубл. 15.07.1984], в котором на первой стадии анодирования в качестве электролита используют тетраборат натрия и винную кислоту, после чего проводят термообработку при 400-420°C в течение не более 5 мин, конечной стадией является повторное анодирование с добавлением виннокислого кобальта (II), который восстанавливается и образует на алюминиевой подложке слой металлического кобальта.

В результате получаются тонкослойные покрытия с хорошими диэлектрическими свойствами, но их толщина и твердость чрезмерно малы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в достижении технического результата: получении защитных анодных покрытий толщиной не менее 60 мкм с повышенной твердостью.

Указанный технический результат достигается тем, что анодирование алюминия и его сплавов выполняют на постоянном токе плотностью 5-10 А/дм² в электролите с концентрацией серной кислоты от 2 до 10 масс. %, продувая через электролит воздушную смесь, содержащую 1-5 мг/л озона, с одновременным ультразвуковым воздействием в течение 30±5 минут на первой стадии, затем проводят нагрев изделий при температуре 500-640°C в течение 20-30 минут, охлаждают их и повторно анодируют не более 15 минут при указанных выше условиях (вторая стадия анодирования).

Между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения имеется следующая причинно-следственная связь. При прохождении через электролит озон взаимодействует с ним и оксидом алюминия и превращается в синглетный кислород , активность которого значительно больше, чем у молекулярного O₂ [Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. - М.: Изд-во МГУ, 1998. 480 с.]. Интенсифицируется окисление алюминия через барьерный слой, и на поверхности пор появляется дополнительное количество оксида алюминия. Кроме того, в покрытии образуется повышенное количество кристаллического Al₂O₃, так как в присутствии озона облегчается его зародышеобразование [Кусков В.Н., Коленчин Н.Ф., Шадрина П.Н., Сафронов А.В. Строение и свойства анодной оксидной пленки на алюминии и сплаве // Фундаментальные исследования. - 2012. - №11 (часть 3). - С. 625-629].

Нагрев выше 500°C в печи с воздушной средой способствует дополнительной перекристаллизации аморфной составляющей покрытия в кристаллическую [Строение и свойства адсорбентов и катализаторов: Пер. с англ. / под ред. Б.Г. Линсена. - М.: Мир, 1973. 653 с.]. Также алюминий частично заполняет поры благодаря диффузии и при последующем анодировании окисляется - объем пор уменьшается.

Ультразвуковое воздействие на электрохимическую ячейку обусловливает появление кавитационных пузырьков, схлопывание которых обеспечивает дополнительное силовое и тепловое воздействие на формирующееся анодное оксидное покрытие благодаря ударным волнам и кумулятивным струйкам. Это, в свою очередь, также интенсифицирует образование кристаллов оксида алюминия в покрытии.

Указанные выше способы воздействия на реакционную зону при анодировании дают синергетический эффект.

Приведем примеры осуществления предлагаемого способа на пластинах размером 40×25×3 мм. В качестве катода использовали пластину стали 12Х18Н10Т. Условия и результаты анодирования пластин, обработанных в соответствии с предлагаемым изобретениям (образцы №2-4), представлены в таблице. Для сравнения в таблице приведены толщина и твердость покрытия пластин, обработанных по способу-прототипу (образец №6), и по условиям анодирования, выходящим за интервалы предлагаемого способа (образцы №1 и 5).

Анодирование осуществляли с помощью известной установки, которая содержит ультразвуковую ванну и позволяет получать озоно-воздушную смесь, содержащую 1-5 мг/л озона [Влияние ультразвука на формирование и свойства оксидного покрытия при анодировании алюминия и его сплавов / Н.Ф. Коленчин, В.Н. Кусков, П.Н. Шадрина, А.В. Сафронов // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. Т 15. №4. С. 96-98]. Использовали водный электролит, содержащий 2-10 мас. % серной кислоты, плотность электрического тока поддерживали в интервале 5-10 А/дм². Частота ультразвуковых колебаний составляла 20,35-48,4 кГц.

Очищенный и осушенный воздух пропускали через озонатор и продували через электролит. Пластины из алюминия или его сплава помещали в ультразвуковую ванну с электролитом и подключали к источнику питания постоянного тока. Через 30±5 минут электропитание отключали. Образец извлекали, промывали водой, сушили на воздухе, помещали в печь, нагретую до 500-640°C, и выдерживали 20-30 минут. После охлаждения образцов на воздухе повторяли анодирование не менее 15 минут, промывали водой и сушили. Затем контролировали характеристики полученного покрытия.

Из таблицы видно, что толщина и твердость покрытий, полученных по предлагаемому способу анодирования, заметно увеличиваются по сравнению с показателями способа-прототипа. При невыполнении предлагаемых параметров обработки характеристики покрытия уменьшаются на 15-30%.