[go: up one dir, main page]

RU2660747C2 - Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов - Google Patents

Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов Download PDF

Info

Publication number
RU2660747C2
RU2660747C2 RU2015137089A RU2015137089A RU2660747C2 RU 2660747 C2 RU2660747 C2 RU 2660747C2 RU 2015137089 A RU2015137089 A RU 2015137089A RU 2015137089 A RU2015137089 A RU 2015137089A RU 2660747 C2 RU2660747 C2 RU 2660747C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wear
aluminum
oxide
coating
oxide layer
Prior art date
Application number
RU2015137089A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015137089A (ru
Inventor
Михаил Михайлович Криштал
Игорь Станиславович Ясников
Павел Валентинович Ивашин
Антон Викторович Полунин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" (ТГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" (ТГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" (ТГУ)
Priority to RU2015137089A priority Critical patent/RU2660747C2/ru
Publication of RU2015137089A publication Critical patent/RU2015137089A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2660747C2 publication Critical patent/RU2660747C2/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02Anodisation
    • C25D11/04Anodisation of aluminium or alloys based thereon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области получения износостойких покрытий, и может быть использовано для повышения эксплуатационных свойств поверхностей изделий из алюминиевых, в том числе алюминиево-кремниевых, сплавов. Оксидное износостойкое покрытие на поверхности алюминиевого сплава, полученное методом микродугового оксидирования, содержит в своем составе устойчивые и неустойчивые модификации окиси алюминия, при этом оно содержит в составе высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2 в виде стишовита, коэсита тридимита и/или кристобалита при их суммарном содержанием от 1 до 40%. Технический результат изобретения - повышение износостойкости, микротвердости и теплоизоляционных свойств оксидного слоя. 1 пр., 3 табл., 4 ил.

Description

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для создания износостойких, теплостойких и коррозионно-стойких поверхностных слоев на алюминиевых сплавах.
Поверхностный слой на основе оксида базового материала для изделий из алюминиевого сплава отличается тем, что в матрице различных фаз оксида алюминия (α-Al2O3, γ-Al2O3, η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.) содержатся включения таких фаз оксида кремния, как стишовита (stishovite), тридимита (tridymite), кристобалита (cristobalite), коэсита (coesite), общим содержанием от 1 до 40%.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к области получения износостойких покрытий на поверхности изделий, и может быть использовано для повышения эксплуатационных свойств поверхностей изделий из алюминиевых, в том числе алюминиево-кремниевых, сплавов.
Известны износостойкие покрытия, в том числе и композиционные, получаемые различными способами на поверхности изделий из алюминиевых сплавов. Например, способами напыления или наплавки получают покрытия, которые состоят из сложных по структуре и составу компонентов, что обеспечивает высокие эксплуатационные свойства покрываемому изделию (см. патент РФ №2198066 «Способ восстановления изношенных деталей из алюминия и его сплавов»).
Одним из наиболее значимых недостатков таких покрытий и способов их получения является сложность обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с металлом основы, вследствие чего высока вероятность отслаивания покрытия и нарушения его сплошности.
Известны покрытия, формируемые на алюминиевых сплавах с помощью МДО, которые имеют высокую прочность сцепления с основой, твердость и износостойкость.
Например, патент РФ №2453640 Тонкослойное керамическое покрытие, способ его получения, поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия и способ ее получения.
Тонкослойное керамическое покрытие с поверхностью трения, образованной с возможностью впитывания смазки нитевидными кристаллами α-Al2O3, характеризующимися способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин с поперечным размером ~1 нм и более вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке, полученное следующим способом: микродуговое оксидирование детали, содержащей алюминий и включающей медь в количестве 3,5-10% с использованием катода из электролитически нерастворимого металла в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов Ic/Ia=1,0-1,15 в течение 90-240 мин последовательно в двух электролитах, при этом первый электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением 2-5 г/л жидкого стекла и смеси порошков, состоящей из SiO2 и Al2O3 в соотношении 70% и 30% соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л, а второй электролит представляет собой водный раствор щелочи с концентрацией 1-3 г/л с добавлением 1-3 г/л жидкого стекла, а микродуговое оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30-50% от постоянного режима тока для образования продольных дефектов кристаллической решетки нитевидных α-Al2O3.
Основные недостатки - сложность формирования покрытия (2 электролита и регулировка источника тока), а также применение только на сплавах, содержащих от 3,5 до 10% меди, что ограничивает возможности изобретения, так как большое число алюминиевых сплавов не содержат медь в указанных концентрациях.
Также известно тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения (патент РФ №2086713).
Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из α-Al2O3, расположенных в мелкокристаллической матрице γ-Al2O3 и муллита 3Al2O3 2SiO2, отличающееся тем, что по крайней мере часть кристаллов α-Al2O3 имеет нитевидную форму и свита в клубки. Обрабатывают материал в виде алюминийсодержащей металлической композиции, включающей медь в количестве 4-10%, являющейся одним электродом, в качестве второго электрода используют электрически нерастворимый металл.
Основной недостаток - применение только на сплавах, содержащих от 4 до 10% меди, что ограничивает возможности изобретения, так как большое число алюминиевых сплавов не содержат медь в указанных концентрациях.
Ближайшим прототипом является Износостойкое композиционное покрытие и способ его получения (патент РФ №2361970). Заявляемое покрытие отличается тем, что пространство между включениями высококремнистой фазы (то есть включениями с содержанием кремния не меньше, чем в двуокиси кремния SiO2), выступающими над поверхностью чистого алюминия, заполнено различными устойчивыми (α-Al2O3 и γ-Al2O3) и промежуточными неустойчивыми (η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.) модификациями окиси алюминия. В результате решается техническая задача создания износостойких покрытий алюминиевых сплавов с использованием частиц кремния, имеющихся в составе обрабатываемых сплавов (в виде включений первичного кремния) или специально вводимых в поверхность алюминиевого сплава, не содержащего крупных включений первичного кремния.
Основной недостаток - сложные мероприятия по созданию требуемой структуры сплава основы (включению частиц кремния) и наличие непрочных фаз оксида алюминия (γ-Al2O3, η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.), что ведет к недостаточно высоким механическим свойствам.
Раскрытие изобретения (описание технической сущности заявляемого технического решения)
Заявляемое покрытие решает техническую задачу создания износостойких теплостойких и коррозионно-стойких покрытий алюминиевых сплавов с использованием в составе покрытия высокопрочных фаз оксида кремния, образующихся в ходе микродугового оксидирования.
Заявляемое покрытие отличается от прототипа тем, что в оксидном слое, состоящем из различных устойчивых (α-Al2O3 и γ-Al2O3) и промежуточных неустойчивых (η-Al2O3, χ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3 и др.) модификаций окиси алюминия, распределены высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2, такие как: стишовита (stishovite), тридимита (tridymite), кристобалита (cristobalite), коэсита (coesite), общим содержанием от 1 до 40% (таблица 1).
Для получения заявляемого покрытия можно использовать микродуговое оксидирование (МДО) с добавкой в электролит 0,5-10 г/л мелкодисперсного (до 1 мкм) порошка диоксида кремния SiO2.
Figure 00000001
Технический результат изобретения - повышение износостойкости, микротвердости и теплоизоляционных свойств оксидного слоя по сравнению с аналогами, а также повышение однородности микрорельефа поверхности после МДО (снижение шероховатости поверхности покрытия).
Исследования оксидного слоя осуществляли по следующим методикам. Рентгеноструктурный анализ осуществляли на рентгеновском дифрактометре Shimadzu Maxima XRD-7000 с фильтрованным Cu-Kα излучением. Количественное содержание различных фазовых составляющих оксидного слоя уточняли но методу Ритвельда.
Структуру и морфологию поверхности оксидных слоев исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss Sigma 02-09 и конфокального лазерного микроскопа Olympus LEXT OLS4000.
Микротвердость оценивали по Виккерсу (ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007) с помощью микротвердомера Shimadzu HMV-2 при нагрузке 1 H (HV0,1).
Триботехнические свойства исследовали но схеме возвратно-поступательного движения индентора по плоскому образцу в режиме сухого трения, используя универсальный трибометр Nanovea TRB 50N с индентором типа шар из стали SCH12 (40Х24Н12СЛ) в соответствии с требованиями стандарта ASTM G133 - 95 Туре А.
Теплопроводность оксидного слоя определялась методом постоянного теплового потока.
Пример технического эффекта изобретения.
Оксидные слои на сплавах АК6М2 и АК9Пч, сформированные МДО и содержащие в своем составе не менее 50% α-фазы оксида алюминия Al2O3 (корунда) и высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2, такие как: стишовита (stishovite), тридимита (tridymite), кристобалита (cristobalite), коэсита (coesite), показали улучшенные характеристики по сравнению с прототипом. Так, в структуре оксидного слоя снижается количество микротрещии, пор и других внутренних дефектов (фиг. 1 и 2), а также становится более однородной поверхность получаемого покрытия (таблица 2).
Figure 00000002
Микротвердость предлагаемого оксидного слоя увеличена на 30-35% по сравнению с прототипом (таблица 3)
Figure 00000003
Также предлагаемый оксидный слой обладает существенно более высокой износостойкостью по сравнению с прототипом. При испытаниях износ образца оксидного слоя уменьшился при модифицировании электролита с 19,3⋅10-6 г/(м⋅Н) до 5,7⋅10-6 г/(м⋅Н), то есть более чем в три раза (фиг 3, а). Линейная интенсивность изнашивания уменьшилась более чем в 3 раза - с 14,2 мкм/м до 4 мкм/м (фиг. 3, б). При этом наблюдается снижение износа индентора примерно в 5-7 раз.
Теплоизоляционные свойства предлагаемого оксидного слоя существенно выше, чем у прототипа: коэффициент теплопроводности покрытия уменьшился более чем в 5 раз по сравнению с прототипом.
Краткое описание графических материалов
Фиг. 1. Макроструктура оксидного слоя на алюминиево-кремниевом сплаве АК6М2:
а - синтезированный по способу прототипа;
б - предлагаемое изобретение.
Фиг. 2. Макроструктура оксидного слоя на алюминиево-кремниевом сплаве АК9пч:
а - синтезированный по способу прототипа;
б - предлагаемое изобретение.
Фиг. 3 - Приведенный износ (а) и линейная интенсивность изнашивания (б) в паре трения «оксидный-слой - сталь SCH12», где
Figure 00000004
- прототип,
Figure 00000005
- предлагаемый слой.
Фиг. 4 - Теплопроводность оксидных слоев на силуминах АК6М2 и АК9пч при температуре 100°C;
Figure 00000004
- прототип,
Figure 00000005
- предлагаемый оксидный слой.

Claims (1)

  1. Оксидное износостойкое покрытие на поверхности алюминиевого сплава, полученное методом микродугового оксидирования, содержащее в своем составе устойчивые и неустойчивые модификации окиси алюминия, отличающееся тем, что оно содержит в составе высокопрочные фазы диоксида кремния SiO2 в виде стишовита, коэсита тридимита и/или кристобалита при их суммарном содержании от 1 до 40%.
RU2015137089A 2015-08-31 2015-08-31 Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов RU2660747C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015137089A RU2660747C2 (ru) 2015-08-31 2015-08-31 Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015137089A RU2660747C2 (ru) 2015-08-31 2015-08-31 Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015137089A RU2015137089A (ru) 2017-03-06
RU2660747C2 true RU2660747C2 (ru) 2018-07-09

Family

ID=58454157

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015137089A RU2660747C2 (ru) 2015-08-31 2015-08-31 Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2660747C2 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2086713C1 (ru) * 1995-07-11 1997-08-10 Федорова Людмила Петровна Тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения
US20080220262A1 (en) * 2005-07-26 2008-09-11 Astrium Sas Coating for External Device for Thermo-Optical Control of Space Vehicles, Method for Forming Same by Micro-Arcs in Ionized Environment, and Device Coated with Same
RU2361970C2 (ru) * 2006-12-20 2009-07-20 ГОУ ВПО "Тольяттинский государственный университет" Износостойкое композиционное покрытие и способ его получения

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2086713C1 (ru) * 1995-07-11 1997-08-10 Федорова Людмила Петровна Тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения
US20080220262A1 (en) * 2005-07-26 2008-09-11 Astrium Sas Coating for External Device for Thermo-Optical Control of Space Vehicles, Method for Forming Same by Micro-Arcs in Ionized Environment, and Device Coated with Same
RU2361970C2 (ru) * 2006-12-20 2009-07-20 ГОУ ВПО "Тольяттинский государственный университет" Износостойкое композиционное покрытие и способ его получения

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015137089A (ru) 2017-03-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tang et al. Influence of K2TiF6 in electrolyte on characteristics of the microarc oxidation coating on aluminum alloy
Vatan et al. Structural, tribological and electrochemical behavior of SiC nanocomposite oxide coatings fabricated by plasma electrolytic oxidation (PEO) on AZ31 magnesium alloy
Li et al. Preparation and properties of micro-arc oxidation self-lubricating composite coatings containing paraffin
Vakili-Azghandi et al. Effects of Al2O3 nano-particles on corrosion performance of plasma electrolytic oxidation coatings formed on 6061 aluminum alloy
Fatimah et al. Dual incorporation of SiO2 and ZrO2 nanoparticles into the oxide layer on 6061 Al alloy via plasma electrolytic oxidation: Coating structure and corrosion properties
Di et al. Microstructure and properties of rare earth CeO2-doped TiO2 nanostructured composite coatings through micro-arc oxidation
Li Influence of nano-SiC on microstructure and property of MAO coating formed on AZ91D magnesium alloy
Durdu et al. Characterization and mechanical properties of coatings on magnesium by micro arc oxidation
Akbari et al. Electrochemically-induced TiO2 incorporation for enhancing corrosion and tribocorrosion resistance of PEO coating on 7075 Al alloy
Barati et al. Al2O3–ZrO2 nanostructured coatings using DC plasma electrolytic oxidation to improve tribological properties of Al substrates
Wang et al. Microstructure and elevated temperature tribological behavior of TiO2/Al2O3 composite ceramic coating formed by microarc oxidation of Ti6Al4V alloy
Kaseem et al. Corrosion behavior of Al-1wt% Mg-0.85 wt% Si alloy coated by micro-arc-oxidation using TiO2 and Na2MoO4 additives: Role of current density
Peitao et al. Tribological and corrosion resistance properties of graphite composite coating on AZ31 Mg alloy surface produced by plasma electrolytic oxidation
Huang et al. Influence of surface micro grooving pretreatment on MAO process of aluminum alloy
Sharifi et al. Tribological properties of PEO nanocomposite coatings on titanium formed in electrolyte containing ketoconazole
Fernández-López et al. High performance tribological coatings on a secondary cast Al–Si alloy generated by Plasma Electrolytic Oxidation
Li et al. Enhanced tribological behavior of anodic films containing SiC and PTFE nanoparticles on Ti6Al4V alloy
KR101214400B1 (ko) 알루미늄계 금속의 플라즈마 전해 산화 표면처리방법 및 이로 인해 제조되는 알루미늄 금속 산화막
Jiang et al. Preparation of a novel yellow ceramic coating on Ti alloys by plasma electrolytic oxidation
Wu et al. Effect of SiC addition in electrolyte on the microstructure and tribological properties of micro-arc oxidation coatings on Al-Mg-Sc alloy
Tang et al. Influence of titania sol in the electrolyte on characteristics of the microarc oxidation coating formed on 2A70 aluminum alloy
Li et al. Microstructure and self-lubricating property of a novel Al2O3/La2P4O13/MoS2 composite layer in-situ prepared by micro-arc oxidation
Krishtal et al. Effect of nanosize SiO2 particles added into electrolyte on the composition and morphology of oxide layers formed in alloy AK6M2 under microarc oxidizing
RU2660747C2 (ru) Износостойкое оксидное покрытие алюминиевых сплавов
Li et al. Effect of SiC nanoparticle concentration on the properties of oxide films formed on Ti–10V–2Fe–3Al alloy

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190901