МДО | Микродуговое оксидирование. Механизм и технология нанесения оксидного покрытия на алюминий.

Общие сведения о микродуговом оксидировании алюминия (МДО).

На сегодняшний день одним из самых востребованных конструкционных материалов является алюминий. Он отличается одновременно своей лёгкостью, прочностью, электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью. Под воздействием кислорода воздуха или других окислителей алюминий легко пассивируется — на его поверхности возникает естественная оксидная пленка (Al2O3) толщиной 0,002-0,005 мкм. Пассивная пленка значительно тормозит коррозионные процессы на алюминии в атмосферных условиях, несмотря на то, что сам по себе он является весьма активным металлом.

Al2O3 стоек в нейтральных и слабокислых растворах, обладает выраженными диэлектрическими свойствами и является одним из самых твердых соединений в природе. Недостатком естественной защиты алюминия является малая толщина пассивной пленки. По этой причине она не обеспечивает ему должную стойкость ни против коррозии в агрессивных средах, ни против истирания.

Для улучшения этих параметров толщину оксидной пленки необходимо искусственно увеличивать. Этот процесс называется оксидированием.

Оксидирование металлов, в принципе, проводят термическим, химическим, анодным и микродуговым методами.

Для алюминия применяют последние три способа оксидирования:

• Химическое оксидирование существенно проигрывает анодному и микродуговому по эксплуатационным характеристикам, но является самым простым и дешевым.
• Хорошие результаты можно получить при анодном оксидировании (самый распространенный способ).
• Наилучшие же покрытия получаются при МДО, но это одновременно и самый дорогой, сложный и энергоемкий процесс.

МДО является относительно новым методом модификации поверхности алюминия. Его разработали в Институте неорганической химии СО РАН в 1969 году под руководством Г.А. Маркова. МДО позволяет наносить сверхпрочные оксидные покрытия с уникальными защитными, электроизоляционными, декоративными свойствами. По внешнему виду покрытие, полученное микродуговым способом, очень похоже на керамику. Процесс применим не только к алюминию, но и к другим металлам вентильной группы, таким как Ti, Zr, Mg, Ta, Be.

МДО выполняется в растворе электролита под током, также как и анодирование, но отличается от него использованием значительно большего напряжения и электрического тока высокой плотности. При прохождении такого тока через границу металл-электролит на поверхности детали появляются хаотичные микроплазменные разряды с высокими температурами, что внешне выглядит как светящийся ореол. Эти микроразряды оказывают на покрытие и электролит плазмохимическое и термическое воздействие. В месте разряда формируется пленка из окисленных форм металла-основы и компонентов электролита. Получать покрытия с разной толщиной, пористостью и свойствами можно, выбрав нужный режим оксидирования и состав электролита.

Микродуговое оксидирование – технология модификации поверхности металла

Микродуговое оксидирование позволяет получать покрытия различного назначения: термостойкие, электроизоляционные, декоративные, коррозионностойкие и защищающие от фреттинг-коррозии в частности, износостойкие, а также являющиеся подслоем для нанесения полимерных материалов.
Описание

Преимущества

Линия для микродугового оксидирования

Описание:

Микродуговое оксидирование – один из самых перспективных методов поверхностной обработки поверхности металлов за счет ее (поверхности) модификации.

Микродуговое оксидирование позволяет получать покрытия различного назначения: термостойкие, электроизоляционные, декоративные, коррозионностойкие и защищающие от фреттинг-коррозии в частности, износостойкие, а также являющиеся подслоем для нанесения полимерных материалов.

Сущность метода заключается в том, что при пропускании тока большой плотности через границу раздела металл-электролит создаются условия, когда напряженность на границе раздела становиться выше ее диэлектрической прочности и на поверхности электрода возникают микроплазменные разряды с высокими локальными температурами и давлениями.

Результатом действия микроплазменных разрядов является формирование слоя покрытия, состоящего из окисленных форм элементов металла основы и составляющих электролита.

В зависимости от режима микроплазменного оксидирования и состава электролита можно получать керамические покрытия с уникальными характеристиками и широчайшим спектром применения.

Модификация поверхности и структурирование переходного слоя достигается реализацией последовательности из серий периодических формующих электрических импульсов особой формы.

Посредством управления амплитудой, длительностью, фронтами и срезами, фазовым соотношением, позиционным комбинированием и частотой импульсов происходит генерация плазменных разрядов.

Они синтезируют твердые структуры металлокерамических соединений (композитов) высокотемпературных полиморфных модификаций из элементов материала основы с определенной избирательностью, зависящей от состава нормально-активирующей или нормально-пассивирующей среды (рН и состав электролита).

Разработаны технологические процессы нанесения покрытия на основе оксида алюминия, диоксида кремния и пр.

Микродуговое оксидирование в научной литературе имеет и другие названия: плазменно-электролитный синтез оксидных слоев, плазменно-электролитическое оксидирование, оксидирование в электролитной плазме, поверхностная обработка в электролитной плазме, микроплазменное электролитическое оксидирование, анодно-искровое оксидирование.

Преимущества:

– возможность создания сверхпрочных покрытий с уникальными характеристиками,

– получение нескольких защитных характеристик в комплексе,

– практически бесконечный срок службы электролита,

– возможность обработки сложнопрофильных деталей, в том числе и внутренней поверхности труб,

– высокая рассеивающая способность электролита (покрытие наносится в отверстия и полости с минимальными затруднениями),

– нет необходимости в специальной подготовке поверхности перед нанесением покрытия и механообработке после нанесения покрытия,

– получение разных покрытий на одном материале,

– экологическая чистота производственного процесса,

– низкая себестоимость покрытия,

– отсутствие вредных газообразных выбросов в атмосферу,

– придание поверхности одновременно нескольких видов функциональных характеристик,

– наличие возможности встроить новое МДО оборудование в уже существующие технологические линии,

– не требуется специальной подготовки поверхности,

– поверхность обрабатываемых деталей – от нескольких квадратных миллиметров до метров.

Линия для микродугового оксидирования:

Производственная линия для микродугового оксидирования состоит из:

– силового оборудования – специализированных источников питания,

– ванн, в которых проводиться подготовка поверхности, обработка и промывка,

– манипулятора для перемещения подвески с деталями (в случае серийного производства),

– металлоконструкций для размещения ванн и манипулятора,

– вспомогательного оборудования – дистиллятора, насоса-фильтра для очистки и перекачки растворов, резервных емкостей, приборов контроля качества покрытия и состояния электролита.

От источников питания на клеммы ванн подаются импульсы тока определенной формы, при этом деталь выполняет роль анода, в качестве катода служит ванна или дополнительные электроды, как правило, из нержавеющей стали.

Линия для микродугового оксидирования отличается:

– сравнительно невысоким энергопотреблением,

– высокой производительностью,

– небольшой производственной площадью,

– простотой обслуживания и минимальным количеством персонала,

– экологической безопасностью производства,

– доступность реактивов и других используемых расходных материалов.

Количество необходимых технологических операций при микродуговом оксидировании существенно меньше, чем при традиционных процессах анодирования. Это следует из отсутствия многочисленных подготовительных операций и экологичности применяемых растворов.

Оно включает следующие операции: загрузка, обезжиривание, промывка, нанесение МДО покрытия, улавливание, промывка, выгрузка. После загрузки-монтажа деталей на подвеску проводится обезжиривание, после чего детали поступают на обработку.

При больших масштабах производства после ванны нанесения покрытия ставят ванну улавливания для более рационального использования химикатов и промывной воды.

карта сайта

использование технологии микродугового оксидирования при разработке двс микродуговое оксидирование алюминия в домашних условиях мдо санкт петербург обзор chm оборудование поршней и гильз теория технология оборудование титана цилиндро поршневой группы в двс метод генератор электрические схемы установок технология установка обобщенная модель микродугового оксидирования алюминиевых сплавов михеев тип а371 517

Состав электролитов для МДО.

Состав электролита при МДО, наряду с материалом подложки, режимом и временем обработки, является определяющим фактором процесса.

Для МДО используют электролиты:

• не имеющие компонентов, образующих нерастворимые оксиды: растворы серной, фосфорной кислоты, щелочи. Покрытия, образующиеся в таких электролитах, углубляются в металл за счет его окисления.
• в которых содержатся катионы или анионы, образующие нерастворимые оксиды и продукты гидролиза: алюминатные и силикатно-щелочные растворы, а также растворы, содержащие растворимые фосфаты, гидрокарбонаты и молибдаты). После термолиза эти компоненты электролита в зоне разряда входят в состав покрытия и дают дополнительный прирост размеров детали после образования оксидного слоя.

Применяемые режимы МДО различаются по:

• типу тока (постоянного, переменного тока, переменный ток, наложенный на постоянный);
• полярности приложенного напряжения;
• изменению электрических параметров (гальваностатический, гальванодинамический, потенциостатический, потенциодинамический, режимы постоянной или падающей мощности);
• характеру разряда (искровой, микродуговой, дуговой, дуговой электрофорез);
• степени управления (ручной, полуавтоматический, автоматический).

Напряжение на ванне составляет 600-1000 В, плотность тока — до 30 А/дм2, удельное потребление мощности достигает 11000-30000 Вт/дм2. Для сравнения, при анодировании выходное напряжение находится в диапазоне 12-180 В (большие значения используются крайне редко), плотность тока 0,5-2 А/дм2, удельное потребление мощности всего 6-360 Вт/дм2. Химическое же оксидирование ведется вообще без тока.

Перед нанесением покрытия не требуется особой подготовки поверхности.

На практике процесс микродугового оксидирования ведется, в основном, в слабощелочных электролитах при подаче импульсного или переменного тока.

МИКРОДУГОВОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ

Микродуговое оксдирование, или МДО, является одной из востребованных технологий в настоящее время. В ходе проведения обработки при помощи технологии МДО происходит процесс модификации (окисления) металлов вентильной группы, а также их сплавов, включая алюминий, титан, цирконий, магний, ниобий, бериллий, тантал. После обработки на поверхности изделий образуется тончайшее оксидное покрытие в пределах 200-300 мкм, за счет чего повышаются защитные, электроизоляционные свойства деталей, увеличивается стойкость к коррозии, износу, улучшаются декоративно-защитные и прочие характеристики заготовок. МДО-метод или, как его еще называют, метод микроплазменного оксдирования, безвреден для экологии. Он используется для упрочнения и обработки поверхностей со сложным контуром. Поскольку поверхностные покрытия, произведенные при помощи технологии МДО, полифункциональны, данная технология прекрасно подходит для использования в различных отраслях. Например, обработка деталей методом микродугового оксидирования хорошо зарекомендовала себя в нефтеперерабатывающей, машиностроительной, авиационной, электротехнической, газоперерабатывающей промышленности, судостроительной, текстильной отрасли, приборостроении, медицине и т.д.

Сервисный металло обрабатывает при помощи МДО широкий перечень деталей, от запорной арматуры до турбин.

После проведения МДО, на поверхности обработанного изделия образуются композиционные покрытия, остающиеся в течение длительного времени стойкими к воздействию окружающей среды. Композиционные покрытия существенно увеличивают продолжительность службы изделий. Также, в зависимости от используемого состава, улучшают прочностные, адгезионные, электрические свойства деталей, повышается термостойкость, износостойкость, стойкость к коррозии и т.д.

Метод микродугового оксидирования является одним из интенсивно развивающихся и перспективных методов модификации поверхностей металлов. После выполнения МДО поверхность готовой детали внешне становится похожа на керамику. Например, на алюминиевых может содержаться порядка 70% корунда, который является вторым по твёрдости материалом после алмаза.

При учете применения для каждого сплава особых присадок в составе электролита, возможно получение цветных декоративных покрытий.

Образование окисной пленки на рабочей поверхности детали осуществляется, преимущественно, в слабощелочных электролитах при подаче переменного или импульсного тока (от 100 до 1000 В), который образует серию локальных электрических искровых и микродуговых импульсов. Во время применения технологии МДО, в отличие от анодирования, на поверхности металла образуются микроплазменные разряды, в результате чего резко увеличивается скорость формирования тонкого слоя керамикоподобного пористого покрытия с различным элементным и полифазовым составом. Таким образом, быстрота нанесения покрытия методом МДО значительно превышает быстроту нанесения методом анодирования.

Другими словами, генерирование плазменных дуговых разрядов в окислительной среде синтезирует твёрдые структуры металлокерамических соединений – биоактивные покрытия с широким спектром механических, электро- и теплофизических характеристик, различной степенью кристалличности, толщины полученного оксида, микротвёрдости, шероховатости и регулируемой пористостью от 0,01 до 10 мкм.

Примеры оксидирования, выполненные нашей компанией: (см. фото ниже: Оксидирование деталей из металла, стали, алюминия, титана и пр. Метод оксидирования. Цветное оксидирование изделий)

На необходимый заказчику набор качеств покрытия оказывают влияние химический состав и концентрации электролита, а также такие технологические режимы МДО как интенсивность импульса электрического тока, его напряжение, полярность и форма, геометрия поверхности и времени, затраченного на обработку и т.д. Технология микродугового оксидирования, при соблюдении определенных технологических условий, позволяет затрачивать меньшее количество энергии, тратя на обработку изделий меньше времени: в номинальном режиме процесс МДО занимает не больше пары часов.

Оборудование для оксидирования

Металлосервисный оснащен новейшим МДО-оборудованием, имеющим функцию охлаждения электролита. Предприятие «Ионмет» оказывает услуги по нанесению на детали клиентов оксидно-керамических покрытий с улучшенными свойствами в условиях мелкосерийного или индивидуального производства.

Износостойкое керамическое покрытие, обладающие высокими адгезионными свойствами на площади изделия 2 дм2, выращивается в специализированных установках МДО при температуре +20…25 С. В условиях более продолжительного по времени протекания процесса, подвергающаяся обработке поверхность детали может быть увеличена до 3–5 дм2.

Преимущества оксидирования

По сравнению с другими методами образования покрытий, микродуговое оксидирование обладает рядом существенных преимуществ. Например, не требуется предварительная подготовка поверхности металлов, поскольку их поверхность очищает сам электрический разряд, применяемые химические растворы безопасны, процесс оксидирования протекает с большой скоростью. Помимо этого, технолог может самостоятельно влиять на формирование различной толщины композитного покрытия за счет гибкого управления электрофизическими параметрами процесса МДО.

Микродуговое оксидирование способствует равномерности распределения покрытия по всей поверхности изделий любой конфигурации и любой сложности. Высокая степень сцепления покрытия с поверхностью (адгезия), достигнутая при помощью МДО, намного превосходит технологию плазменной обработки. Также МДО-покрытие во много раз увеличивает стойкость обработанной детали к коррозии, а износостойкость увеличивается до 12 раз.

Процесс МДО экологически безвреден и безопасен для здоровья за счет того, что в большей степени электролит состоит из дистиллированной воды (до 90%) и нетоксичных химических примесей. Сложноконтурные изделия из легких металлов, таких как алюминий, титан или магний, упрочненные методом МДО, способны в полной мере заместить тяжёлые или дорогостоящие детали из стали, латуни, бронзы и чугуна в ответственных производствах, а также термообрабатываемые детали в местах сильного износа. В масштабах производства уменьшение веса детали экономит издержки на материалы, помимо этого, сокращается время механической обработки.

НЕСКОЛЬКО ФАКТОВ О ТЕХНОЛОГИИ ОКСИДИРОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМЕ Технология микродугового оксидирования металлических поверхностей, открытая и исследуемая деятелями науки со второй половины 20 века, считается одной из наиболее действенных, необходимых и экономически оправданных технологий упрочнения поверхности и оксидирования во всех странах мира. В наличествующей учебно -методической литературе технология микродугового оксидирования обозначается разнообразными тождественными по значению названиями: это и плазменно-электролитный синтез оксидных слоёв, и микродуговое разрядное оксидирование (МРО), и плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) и т.д.

Технология микродугового оксидирования получила широкое распространения в связи с активным развитием рерсурсосберегающего ремонтного производства. Промышленные предприятия все чаще предпочитают технологию МДО гальванике и анодированию, что удовлетворяет рыночный запрос на продукцию, обработанную при помощи выскотехнологичных методов.

Наши специалисты помогут вам получить более детальные сведения о применении процесса МДО при обработке изделий из сплавов из магния, титана, алюминия и иных биоинертных сплавов. Кроме того, связавшись с нашими специалистами, вы можете проконсультироваться с ними относительно правильного подбора компонентов электролита, уточнить перечень обрабатываемых деталей, оценить возможность формирования МДО-покрытия с индивидуальными параметрами, обсудить необходимые свойства поверхности изделия и конкретизировать многие другие технические вопросы.

Отправляйте нам на электронную почту ваши чертежи или техзадние, предварительно указав размеры, вес, количество и качество поверхности изделия, область нанесения МДО-покрытия, а также иные данные, которые необходимы для наиболее точного расчёта.

Структура и состав оксидного покрытия при МДО.

Анодные микродуговые разряды проходят между поверхностью оксидной пленки и электролитом, разогревая пленку до высоких температур в 1000-2000 оС. При таких температурах происходит термическая деструкция воды с образованием атомарного и ионизированного кислорода. Формируются высокотемпературные фазы в покрытии (корунд α-Al2O3), происходит разложение компонентов электролита и их взаимодействие с оксидами металла основы. МДО-покрытие, таким образом, является не чисто оксидным, а имеет сложный состав и структуру.

Полученный оксидный слой приблизительно на 70% формируется вглубь основного металла и только 30% покрытия выходит за пределы исходных размеров детали.

Система металл-оксид-разряд-электролит, реализующаяся при МДО, имеет ионную проводимость, ток протекает через разрядные каналы. Поэтому образование пор в покрытии является обязательным условием его формирования.

МДО-покрытие имеет слоистую структуру, пример которой изображен на рисунке 1:

• Внешний слой (технологический) — рыхлый. При использовании щелочного электролита с добавкой жидкого стекла этот слой состоит из муллита Al2O3*2SiO2
• Внутренний слой — плотный, имеющий высокую микротвердость. Состоит из оксида алюминия Al2O3.
• Переходный слой — тонкий, от 0,01 — 0,1 мкм, располагается между материалом подложки и слоем оксида.

Верхний рыхлый слой зачастую удаляется пескоструйной обработкой и в эксплуатацию поступает деталь с плотным оксидным покрытием.

Рисунок 1 — Послойная структура покрытия, полученного методом МДО: 1 — внешний (технологический) слой, 2 — плотный (рабочий) слой: 3 — переходный слой: 4 — материал основы.

Состав покрытия зависит от времени обработки. Пример показан на рисунке 2.

Рисунок 2 — Изменение содержания алюминия и фосфора на поверхности МДО-покрытия от времени обработки в фосфатном электролите.

Методика микродугового оксидирования титана и его сплавов

Основой методики является возбуждение на поверхности образца, погруженного в соответствующий электролит и являющегося анодом, и ванной, являющейся катодом, микродугового разряда, который создается путем подачи на образец импульса напряжения специальной формы. Многочисленные локальные разряды приводят к возникновению на поверхности титана или сплава на его основе оксидного слоя, скорость роста которого быстро убывает со временем. Критическим параметром, определяющим ход оксидирования, является плотность тока. Ниже определенного для каждого электролита значения плотности тока наращивание оксидного слоя не происходит. В настоящей работе в качестве электролитов для оксидирования использовались следующие растворы:

1. Электролит №1: 2,5% раствор фосфорной кислоты в воде.
2. Электролит №2: 5% раствор щавелевой кислоты в воде.
3. Электролит №3: 5% раствор КОН в воде.

В процессе окисления электролит разогревается, поэтому ванна из нержавеющей стали погружалась в кювету с проточной холодной водой. Частота следования импульсов 100 Гц, длительность импульса 100 мс. Время оксидирования 2-20 мин в зависимости от материала образца. Было замечено, что увеличение времени оксидирования свыше 30 мин не меняет толщины оксидного слоя. В процессе роста оксидного слоя плотность тока снижается, а амплитуда напряжения импульса растет от 70-80 до 300 В.

Режимы микродугового оксидирования сплавов ВТ1-0, ВТ5-1 и ВТ16 в разных электролитах

Конкретные режимы микродугового оксидирования, оптимальные для данного электролита и материала, выбраны на основе отработки режима при вариации времени оксидирования. Режимы для различных электролитов приведены в таблице, из которой следует, что максимальная скорость оксидирования для всех исследованных материалов достигается в электролите №1 (Н3РO4). Увеличение времени оксидирования свыше 1,5 мин практически не влияет на толщину оксидного слоя. В щавелевой кислоте та же толщина оксидного слоя достигается за время 20 мин. Электролит №3 (КОН) дает средний показатель скорости оксидирования 6-12 мин. А.В. Карпов, В.П. Шахов Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики

Опубликовал Константин Моканов