RU2220233C1 - Process of electrolytic application of antifriction coat on aluminum and its alloys - Google Patents

Abstract

FIELD: electrolytic application of antifriction coats, specifically oxide films on aluminum and its alloys working both under conditions of dry friction and usage of lubricants. SUBSTANCE: process includes treatment in alkaline electrolyte containing distilled water, alkali and sodium silicate solution. Electrolyte added with molybdenum disulfide with particle size 2-10 mcm and glycerin. Thereafter electrolyte is cooled to temperature of 2-5 C and material is treated in it with following proportion of components, per cent by mass: alkali NaOH 0.3-0.5; sodium silicate solution 0.9-2.0; molybdenum disulfide 3.0-5.0, glycerin 3.0- 5.0; distilled water being the balance. EFFECT: raised reliability and service life of antifriction coat thanks to rise of its wear resistance. 1 tbl

Description

Изобретение относится к электролитическому получению покрытий, в частности к получению оксидных пленок на алюминии и его сплавах, работающих как в условиях сухого трения, так и при использовании смазок.The invention relates to the electrolytic production of coatings, in particular to the production of oxide films on aluminum and its alloys, operating both in dry friction and when using lubricants.

Известен способ анодирования титановых сплавов в электролите, содержащем серную кислоту и частицы твердой смазки, в результате чего получается износостойкое покрытие, способное работать как в условиях сухого трения, так и в условиях трения со смазкой (а.с. № 908969, МКИ С 25 D 11/26).A known method of anodizing titanium alloys in an electrolyte containing sulfuric acid and particles of solid lubricant, resulting in a wear-resistant coating that can work both in dry friction and in friction with lubricant (AS No. 908969, MKI C 25 D 11/26).

Данный способ имеет следующие недостатки: покрытие обладает малой толщиной, невысокой твердостью, кроме того, процесс образования покрытия идет не при всех заявленных твердых смазках.This method has the following disadvantages: the coating has a small thickness, low hardness, in addition, the process of coating formation is not with all declared solid lubricants.

Наиболее близким к предлагаемому является способ электролитического нанесения силикатных покрытий на алюминиевые сплавы в щелочном электролите при напряжении 100-1000 В в режиме микродугового оксидирования, включающий обработку материала в щелочном электролите, содержащем дистиллированную воду, щелочь и жидкое стекло. С целью повышения качества покрытий, интенсификации процесса и снижения расхода электроэнергии процесс ведут в режиме однополупериодного напряжения с наложением через 5-500 положительных полупериодов одного отрицательного с амплитудой напряжения 50-500 В. При изменении потенциала на аноде от 0 до 250 В идет электрохимическое окисление, образующее предварительную пленку на поверхности детали, затем дальнейшим повышением потенциала процесс переводят в режим искрового окисления, а после этого в режим дугового окисления (а.с. № 926083, МКИ С 25 D 9/06).Closest to the proposed method is the electrolytic deposition of silicate coatings on aluminum alloys in an alkaline electrolyte at a voltage of 100-1000 V in the microarc oxidation mode, including processing the material in an alkaline electrolyte containing distilled water, alkali and liquid glass. In order to improve the quality of coatings, intensify the process and reduce energy consumption, the process is conducted in the mode of half-wave voltage with 5-500 positive half periods of one negative being applied with a voltage amplitude of 50-500 V. When the potential changes at the anode from 0 to 250 V, electrochemical oxidation occurs, forming a preliminary film on the surface of the part, then by further increasing the potential, the process is transferred to the spark oxidation mode, and then to the arc oxidation mode (AS No. 926083, MKI C 25 D 9/06).

Данный способ имеет следующие недостатки: получаемое покрытие обладает высоким коэффициентом трения, низкой адгезией с металлом - подложкой, кроме того, данное покрытие весьма хрупкое.This method has the following disadvantages: the resulting coating has a high coefficient of friction, low adhesion with the metal substrate, in addition, this coating is very fragile.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработки такого способа получения антифрикционного покрытия на алюминии и его сплавах, при котором было бы обеспечено повышение надежности и долговечности его работы за счет повышения износостойкости. Технический результат достигается путем формирования покрытия высокой твердости, обладающего при этом низким коэффициентом трения как в условиях смазки, так и при сухом трении. Высокие антифрикционные свойства обеспечиваются за счет того, что покрытие, полученное предложенным способом, представляет собой тугоплавкую керамическую матрицу, содержащую в порах большое количество частиц твердой смазки.The basis of the present invention was the task of developing such a method for producing an anti-friction coating on aluminum and its alloys, which would provide an increase in the reliability and durability of its work by increasing wear resistance. The technical result is achieved by forming a coating of high hardness, while having a low coefficient of friction both under lubrication and in dry friction. High antifriction properties are ensured due to the fact that the coating obtained by the proposed method is a refractory ceramic matrix containing a large amount of solid lubricant particles in the pores.

Поставленная цель достигается тем, что согласно изобретению в способе электролитического нанесения антифрикционного покрытия на алюминий и его сплавы, включающем обработку материала в щелочном электролите, содержащем дистиллированную воду, щелочь и жидкое стекло, в электролит дополнительно вводят дисульфид молибдена с размером частиц 2-10 мкм и глицерин в количестве 3-5%, после чего электролит охлаждают до температуры 2-5°С и ведут в нем обработку материала.This goal is achieved by the fact that according to the invention, in a method of electrolytic deposition of an antifriction coating on aluminum and its alloys, comprising processing the material in an alkaline electrolyte containing distilled water, alkali and liquid glass, molybdenum disulfide with a particle size of 2-10 μm is additionally introduced into the electrolyte and glycerol in an amount of 3-5%, after which the electrolyte is cooled to a temperature of 2-5 ° C and the material is processed in it.

С этой целью в электролит, содержащий щелочь, жидкое стекло и дистиллированную воду, вводятся частицы твердой смазки мелкодисперсного порошка дисульфида молибдена (МоS₂) с размером частиц 2-10 мкм концентрацией 3-5% и глицерин как поверхностно- активное вещество. Для предотвращения окисления частиц твердой смазки, а также для предотвращения распада глицерина и изменения его свойств как поверхностно-активного вещества при высоких температурах, электролит охлаждают до температуры 2-5°С, которая поддерживается в данном интервале в течение всего времени обработки. Охлаждение электролита до температуры ниже 2°С нецелесообразно, так как идет увеличение затрат электроэнергии. Охлаждение электролита до температуры свыше 5°С нецелесообразно, так как происходит окисление частиц твердой смазки и потеря свойств глицерина как поверхностно-активного вещества. В ходе оксидирования на поверхности детали появляются искровые разряды и формируется композиционное покрытие, основу которого составляют оксиды химических элементов материала детали, а также оксид кремния. В процессе образования покрытия за счет электрофореза в его состав дополнительно встраиваются частицы дисульфида молибдена. Применение в качестве частиц твердой смазки токопроводящих химических элементов и соединений, например, графита невозможно из-за того, что при оксидировании не возникает режим искрения на поверхности детали и формирования слоя покрытия не происходит. Концентрация порошка менее 3% ведет к низкой концентрации частиц в покрытии, что заметно повышает коэффициент сухого трения. Концентрация порошка более 5% ведет к появлению коррозии, утечке заряда через зоны коррозии, что определяется падением напряжения, и остановке процесса образования покрытия. При использовании частиц твердой смазки размером менее 2 мкм не происходит их встраивание в материал покрытия из-за их полного окисления в результате воздействия искровых разрядов. При использовании частиц твердой смазки размером более 10 мкм внесение их в состав покрытия не происходит из-за того, что их размер больше размера образующихся пор в результате воздействия искровых разрядов, а также из-за снижения подвижности частиц. Количество глицерина выбирается из условия смачиваемости дисульфида молибдена. Для предложенного количества дисульфида молибдена количество глицерина 3-5%. При концентрации глицерина меньше 3% не происходит смачивание дисульфида молибдена в полной мере. Концентрация более 5% нецелесообразна из-за неполного использования глицерина.For this purpose, solid lubricant particles of finely dispersed molybdenum disulfide powder (MoS ₂ ) with a particle size of 2-10 μm at a concentration of 3-5% and glycerin as a surfactant are introduced into the electrolyte containing alkali, water glass, and distilled water. To prevent oxidation of solid lubricant particles, as well as to prevent the decomposition of glycerol and change its properties as a surfactant at high temperatures, the electrolyte is cooled to a temperature of 2-5 ° C, which is maintained in this interval during the entire processing time. The cooling of the electrolyte to a temperature below 2 ° C is impractical, since there is an increase in energy costs. The cooling of the electrolyte to a temperature above 5 ° C is impractical, since the particles of solid lubricant are oxidized and the properties of glycerol as a surfactant are lost. During oxidation, spark discharges appear on the surface of the part and a composite coating is formed, the basis of which is the oxides of the chemical elements of the material of the part, as well as silicon oxide. In the process of coating formation due to electrophoresis, molybdenum disulfide particles are additionally embedded in its composition. The use of conductive chemical elements and compounds, for example, graphite as solid lubricant particles, is impossible due to the fact that during oxidation there is no arcing mode on the surface of the part and formation of a coating layer does not occur. A powder concentration of less than 3% leads to a low concentration of particles in the coating, which significantly increases the coefficient of dry friction. A powder concentration of more than 5% leads to corrosion, charge leakage through the corrosion zone, which is determined by the voltage drop, and the coating formation process stops. When using solid lubricant particles less than 2 microns in size, they are not embedded in the coating material due to their complete oxidation as a result of spark discharges. When using particles of solid lubricant larger than 10 microns in size, their introduction into the coating composition does not occur due to the fact that their size is larger than the size of the resulting pores due to spark discharges, as well as due to a decrease in particle mobility. The amount of glycerol is selected from the wettability of molybdenum disulfide. For the proposed amount of molybdenum disulfide, the amount of glycerol is 3-5%. When the glycerol concentration is less than 3%, molybdenum disulfide is not fully wetted. A concentration of more than 5% is impractical due to the incomplete use of glycerol.

Способ ведут следующим образом.The method is as follows.

Берут 1 г порошка щелочи (NaOH), 40 г порошка дисульфида молибдена. Взвешивают 11 г жидкого стекла. С помощью мерной посуды отмеряют 1 л дистиллированной воды. Берут 30 г глицерина и тщательно смешивают с порошком дисульфида молибдена до образования однородной массы. Далее в электролитическую ванну заливают отмеренное количество дистиллированной воды. Затем в ней растворяют порошок щелочи, после чего добавляют отмеренное количество жидкого стекла. Все компоненты тщательно перемешивают. После этого добавляют полученную массу дисульфида молибдена с глицерином и тщательно перемешивают. Далее ванну помещают в холодильную камеру, где ее охлаждают до температуры 2-5°С. Данную температуру поддерживают в течение всего процесса дугового окисления. Алюминиевую деталь подвергают дуговому окислению в течение 1,5-2 часов. При этом достигаются напряжение 560-630 B и толщина покрытия 0,1-0,15 мм. Достигаются достаточно высокая микротвердость покрытия порядка 10-12 ГПа и низкий коэффициент сухого трения скольжения f=0,07…0,11.Take 1 g of alkali powder (NaOH), 40 g of molybdenum disulfide powder. 11 g of liquid glass are weighed. Using measuring dishes, measure 1 liter of distilled water. Take 30 g of glycerol and mix thoroughly with molybdenum disulfide powder until a homogeneous mass is formed. Next, a measured amount of distilled water is poured into the electrolytic bath. Then alkali powder is dissolved in it, after which a measured amount of water glass is added. All components are thoroughly mixed. Then add the resulting mass of molybdenum disulfide with glycerol and mix thoroughly. Next, the bath is placed in a refrigerator, where it is cooled to a temperature of 2-5 ° C. This temperature is maintained throughout the entire process of arc oxidation. The aluminum part is subjected to arc oxidation for 1.5-2 hours. In this case, a voltage of 560-630 V and a coating thickness of 0.1-0.15 mm are achieved. A sufficiently high microhardness of the coating is achieved on the order of 10-12 GPa and a low coefficient of dry sliding friction f = 0.07 ... 0.11.

При соотношении компонентов: 1 г щелочи, 10 г жидкого стекла, 30 г дисульфида молибдена, 20 г глицерина на 1 л дистиллированной воды процесс дугового окисления идет менее устойчиво и толщина покрытия не превышает 0,1 мм.With a ratio of components: 1 g of alkali, 10 g of water glass, 30 g of molybdenum disulfide, 20 g of glycerol per 1 liter of distilled water, the arc oxidation process is less stable and the coating thickness does not exceed 0.1 mm.

При соотношении компонентов: 3 г щелочи, 20 г жидкого стекла, 50 г дисульфида молибдена, 40 г глицерина на 3 л дистиллированной воды процесс дугового окисления идет менее устойчиво, покрытие получается толще 0,15 мм, но при этом оно является более рыхлым.With a ratio of components: 3 g of alkali, 20 g of liquid glass, 50 g of molybdenum disulfide, 40 g of glycerol in 3 l of distilled water, the arc oxidation process is less stable, the coating is thicker than 0.15 mm, but it is more loose.

Твердость покрытия и его толщину определяют с помощью микротвердомера ПМТ-3 по срезу детали. Износостойкость оценивают отношением величины линейного износа полученных и известных образцов. Результаты проведенных экспериментов сведены в таблице.The hardness of the coating and its thickness is determined using a PMT-3 microhardness tester according to a section of a part. Wear resistance is estimated by the ratio of the linear wear of the obtained and known samples. The results of the experiments are summarized in the table.

Изобретение прошло опытно-лабораторные испытания в лаборатории кафедры физики, результаты подтверждают наличие у полученного антифрикционного покрытия низкого коэффициента трения, хорошей адгезии с металлом - подложкой при наличии высокой твердости. Изобретение найдет свое применение для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения, как со смазочным материалом, так и без него.The invention passed experimental laboratory tests in the laboratory of the Department of Physics, the results confirm the presence of the obtained antifriction coating with a low friction coefficient, good adhesion with the metal substrate in the presence of high hardness. The invention will find its application for the manufacture of parts of machines operating in friction, both with and without lubricant.

Claims (1)

Способ электролитического нанесения антифрикционного покрытия на алюминий и его сплавы, включающий обработку материала в щелочном электролите, содержащем дистиллированную воду, щелочь и жидкое стекло, отличающийся тем, что в электролит дополнительно вводят дисульфид молибдена с размером частиц 2-10 мкм и глицерин, после чего электролит охлаждают до температуры 2-5°С и ведут в нем обработку материала при следующем соотношении компонентов, мас.%:The method of electrolytic deposition of an antifriction coating on aluminum and its alloys, including processing the material in an alkaline electrolyte containing distilled water, alkali and liquid glass, characterized in that molybdenum disulfide with a particle size of 2-10 μm and glycerin are additionally introduced into the electrolyte, after which the electrolyte it is cooled to a temperature of 2-5 ° C and the material is processed in it in the following ratio of components, wt.%: Щелочь 0,3-0,5Alkali 0.3-0.5 Жидкое стекло 0,9-2Liquid glass 0.9-2 Дисульфид молибдена 3-5Molybdenum disulfide 3-5 Глицерин 3-5Glycerin 3-5 Дистиллированная вода ОстальноеDistilled Water Else