WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

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

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»