5

Изобретение относится к области металловедения, касающейся тонкослойных керамических покрытий на основе и их нанесения ю электролитическим методом, а более конкретно, к получению на поверхности черных и цветных металлов износостойких покрытий методом микродугового оксидирования и может быть использовано в машиностроении, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Из существующего уровня техники известен способ получения

15 тонкослойного керамического покрытия, заключающийся в том, что в электролит в виде водного раствора щелочи с добавлением силиката щелочного металла погружают обрабатываемый материал, являющийся одним электродом, и второй электрод, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование с определенными параметрами тока и в течение определенного

20 времени с получением тонкослойного керамического покрытия с заданными параметрами ( см. Авторское свидетельство СССР N° 1200591, МПК: С 25 D 1 1/02, 1989 г.).

Кроме того, известно тонкослойное керамическое покрытие и способ его получения по патенту Российской Федерации N° 2086713, МПК ⁶ : C25D 11/02, 25 15/00, 1995 г.

Тонкослойное керамическое покрытие в в данном аналоге характеризуется наличием кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ , имеющих нитевидную форму, и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита ЗА1 ₂ О _{3 *} 2SiO ₂ .

зо Способ получения тонкослойного керамического покрытия в данном аналоге характеризуется тем, что в электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 1-6 г/л с добавлением жидкого стекла и смеси порошков, состоящую из SiO ₂ и А1 ₂ О ₃ дисперсностью 1-10 мкм в концентрации 0,5-2,0 г/л погружают обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 4%-10%, являющийся одним электродом, и второй электрод из электролитически нерастворимого металла, подключают электроды к источнику питания и проводят оксидирование в анодно-катодном режиме в течение определенного времени.

Известно также техническое решение, касающееся поверхности трения и способа её получения из источника В.М.Грошева и др., «Синтетический муллит и материалы на его основе», Киев, «Техника», 1971 г.

Поверхность трения в данном техническом решении на основе тонкослойного керамического покрытия характеризуется наличием кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ , имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита ЗА1 ₂ О _{3 *} 2SiO ₂ , и выходящих непосредственно на поверхность трения и образующих ее.

Способ получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ , имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма- А1 ₂ О ₃ и муллита ЗА1 ₂ О _{3 *} 2SiO ₂ , заключается в том, что поверхность трения обрабатывают с использованием абразива до получения заданных износостойких характеристик.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является Тонкослойное керамическое покрытие, способ его получения, поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия и способ её получения по патенту РФ Ш 2165484, МПК ⁷ С 25 D 11/02, 2000 г.

Данное техническое решение характеризуется тем, что нитевидные кристаллы альфа-А1 ₂ О ₃ состоят из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетаются между собой и расплетаются с образованием на участках переплетения жгутов, формируя, таким образом, в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз, описан способ получения тонкослойного керамического покрытия; поверхность трения на основе данного покрытия характеризуется тем, что она образована свободными концами нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ , выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита ЗА1 ₂ О _{3 *} 2SiO _2, образующей подложку поверхности трения, противоположные концы которых расположены в мелкокристаллической матрице, причем, свободные концы нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ размещены по поверхности трения с образованием псевдовязкого слоя по поверхности, исключающего контакт в паре поверхностей трения непосредственно с их подложкой; описан способ получения таковой поверхности трения.

Получению требуемого технического результата в известных тонкослойных керамических покрытиях для первого объекта изобретения и в известных поверхностях трения на основе тонкослойного керамического покрытия для третьего объекта изобретения, как во всех аналогах, так и в прототипе, препятствует низкая критическая нагрузка растрескивания под действием ударных нагрузок, что не позволяет в мелкокристаллической структуре известных покрытий ограничить распространение трещин и предотвратить разрушение покрытия. Подобным же образом термическая стойкость керамики, армированной нитевидными кристаллами, намного выше термической стойкости неармированной. Износостойкость в результате трения анализируемых поверхностей трения также недостаточна.

Получению требуемого технического результата в известном способе получения тонкослойного керамического покрытия для второго объекта изобретения, как во всех аналогах, так и в прототипе, препятствует недостаточная эффективность достигаемой степени регулирования анодно- катодного режима, особенностью которого является наличие двух типов разрядов, возникающих, как при положительной, так и при отрицательной полярности импульсов напряжения, а также из-за выбранных параметров и процентного соотношения определенных химичесьсих веществ, как в составе оксидируемого металла, так и в составе электролита.

Получению требуемого технического результата в известном способе получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия для четвертого объекта изобретения препятствует несоответствие подбора прочности абразивного материала, прочности нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ , и прочности связующей их подложки из мелкокристаллической матрицы.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение для всех его объектов - это получение материала с высокой несущей способностью в паре трения с покрытием на основе тонкослойной керамики на поверхности оксидируемого материала, образующим поверхность трения.

Технический результат, получаемый от использования данного изобретения во всех его объектах - это повышение несущей способности покрытия и поверхности трения на его основе, за счет повышение демпфирования механического воздействия на её поверхность в парах трения образованных на ее основе.

Заявленные способ получения тонкослойного керамического покрытия и способ получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия также направлены на достижение заявленных технических результатов.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому объекту изобретения тем, что в тонкослойном керамическом покрытии, состоящем из кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ с поперечным размером ~ 100 нм, имеющих нитевидную форму, и находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита ЗА1 О _{3 *} 2SiO ₂ , характеризующихся способностью к расслаиванию с образованием продольных трещин вследствие продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, и состоящих, в свою очередь, из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетающихся между собой и расплетающихся с образованием на участках переплетения жгутов, формируя, таким образом, в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз, характеризующегося интенсивностью изнашивания I = 10 ^"10 -10 ^"12 , коэффициентом трения f = 0,010-0,035, микро твердостью Н = 14-18 ГПа, критической нагрузкой растрескивания F = 2,5-3,2 н и несущей способностью образованных этими поверхностями пар трения с водяной смазкой с давлением в паре трения Р > 100 кг/см , а при смазке низкими углеводородами (пропан, бутан, бензин и т.д.) давлением в паре трения Р > 150 кг/см .

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму объекту изобретения тем, что способ получения тонкослойного керамического покрытия заключается в том, что обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 3,5%- 10%, и являющийся одним электродом, подключённым к источнику питания, оксидируют с использованием катода из электролитически нерастворимого металла, также подключённого к источнику питания, в анодно- катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов 1с/1а= 1,0-1, 15 в течение 90-240 мин последовательно в двух электролитах, первый из которых представляет собой электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением жидкого стекла в концентрации 2-5 г/л и смеси порошков, состоящую из SiO ₂ и А1 ₂ О ₃ в соотношении 70% и 30%, соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л, а второй представляет собой электролит в виде в виде водного раствора щелочи в концентрации 1-3 г/л с добавлением жидкого стекла в концентрации 1-3 г/л, при этом оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30% - 50% от заданного постоянного режима тока, с возможностью получения при данном режиме нанесения покрытия и формирования нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе, в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по третьему объекту изобретения тем, что поверхность трения выполнена на основе 5 тонкослойного керамического покрытия, состоящего из кристаллов альфа-А1 ₂ Оз, имеющих нитевидную форму с поперечным размером - 100 нм, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита ЗА1 ₂ О _{3 *} 2SiO ₂ , и выходящих непосредственно на поверхность трения и формирующих ее так, что, поверхность трения образована нитевидными кристаллами альфа-А1 ₂ О ₃ , ю частично выходящими непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита ЗА1 ₂ О _{3 *} 2SiO ₂ , причем, части выходящих непосредственно за пределы мелкокристаллической матрицы нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз размещены по поверхности трения, и имеют продольные трещины поперечным размером ~ 1 нм и более с возможностью

15 впитывания за счет осмотических сил низковязкой смазки с образованием, таким образом, псевдовязкого слоя поверхности трения.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по четвертому объекту изобретения тем, что в способе получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия, состоящего из

20 кристаллов альфа-А1 ₂ Оз, имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита 3Al ₂ O ₃ *2SiO ₂ , поверхность трения обрабатывают с использованием абразива, прочность которого выше прочности поверхности трения, , образованной мелкокристаллической матрицей гамма-А1 ₂ Оз и муллита ЗА1 ₂ Оз _* 2SiO ₂ и выше

25 прочности нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз в поперечном направлении, но ниже прочности нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз в продольном направлении, при этом, обработку -ведут до высвобождения и расслаивания нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ , с образованием наноструктуры в виде частично расслоенных нитевидных кристаллов, способных в силу размера зо трещин ~ 1 нм и более впитывать и удерживать за счет осмотических сил низковязкую смазку, образуя, таким образом, псевдовязкий слой поверхности трения.

Изобретение по первым двум объектам иллюстрируется следующим образом.

Обрабатываемый материал в виде содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве 3,5%-10%, и являющийся одним электродом, подключённым к источнику питания, оксидируют с использованием катода из электролитически нерастворимого металла, также подключённого к источнику питания.

Обработку поверхности металлической композиции, содержащей алюминий, ведут в анодно-катодном режиме при соотношении величин катодного и анодного токов 1с/1а = 1,0-1,15 в течение 90-240 мин последовательно в двух электролитах.

В качестве первого электролита используют электролит в виде водного раствора щелочи с концентрацией 2-6 г/л с добавлением жидкого стекла в концентрации 2-5 г/л и смеси порошков, состоящую из SiO ₂ и А1 ₂ О ₃ в соотношении 70% и 30%, соответственно, дисперсностью 1-10 мкм и в концентрации 0,5-2,0 г/л.

В качестве второго электролита электролит в виде в виде водного раствора щелочи в концентрации 1-3 г/л с добавлением жидкого стекла в концентрации 1-3 г/л.

При этом, оксидирование во втором электролите проводят с периодическими пульсациями анодного и катодного тока на 30% - 50% от заданного постоянного режима тока

Поверхность обрабатываемого металла в процессе электролитической обработки модифицируется за счет образования тонкослойной окисной керамики, являющейся продуктом высокотемпературных химических превращений, происходящих в очагах микродуговых или дуговых электрических разрядов с возможностью получения при данном режиме нанесения покрытия и формирования нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе, в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.

Создаваемые условия обеспечивают перемещение микродуги по поверхности упрочняемого материала, где на границе расплавленной области в зоне дуги происходит высокоскоростная кристаллизация, приводящая к мелкокристаллической структуре. В области воздействия микродуги происходит рост кристаллов, которые под воздействием внутренних напряжений и изменяющихся термических полей образуют нитевидные кристаллы альфа- Α1 ₂ Ο ₃ , составляющие основу слоя. На обработанной поверхности алюминийсодержащего металла образуется упрочненный износостойкий слой, представляющий собой композит на основе твердых фаз, содержащий альфа- А1 ₂ О ₃ , гамма-А1 ₂ О ₃ и муллит 3Al ₂ O3*2SiO ₂ . По крайней мере часть кристаллов или все кристаллы альфа - фазы А1 ₂ О ₃ имеют нитевидную форму и, под действием процесса оксидирования с заявленными параметрами участвующих компонентов, образуют пространственную сетку из чередующихся дугообразных и спиралевидных участков, взаимно переплетаются между собой и расплетаются с образованием на участках переплетения жгутов, формируя, таким образом, в мелкокристаллической матрице пространственный каркас тонкослойного керамического покрытия из нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз.

Указанные условия проведения процесса оксидирования обеспечивают возможность получения нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.

Исследования основной зоны полученного упрочненного слоя показали, что преобладает анизотропная фаза альфа-А1 ₂ О ₃ , в виде нитевидных кристаллов длинной 3-5 мкм с отношением длины к толщине более 20 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, как было отмечено выше, приводящих при механическом воздействии к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более.

При обработке содержащей алюминий металлической композиции, включающей медь в количестве < 3,5% требуемая для повышения несущей 5 способности пар трения пространственная структура поверхностного слоя с преобладанием анизотропной фазы альфа-А1 ₂ Оз, в виде нитевидных кристаллов длинной 3-5 мкм с отношением длины к толщине более 20 с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов не образуется.

ю Содержание меди в количестве > 10% приводит к осложнениям поддержания анодно-катодного режима обработки.

Содержание в электролите добавки в виде порошка из 70% SiO ₂ и 30% А1 ₂ О ₃ в количестве < 0,5 г/л не дает возможности получить требуемые параметры упрочненного слоя.

15 Содержание же той же добавки в количестве > 2,0 г/л вызывает активное горение электрической дуги и образование прожогов упрочненного слоя.

Получаемый в соответствии с данным изобретением упрочненный износостойкий слой на основе тонкослойной керамики с пространственным каркасом из нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ с образованием продольных

20 дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более, характеризуется интенсивностью изнашивания I = 10 ^"10 -10 ^"12 , коэффициентом трения f = 0,010-0,035, микро твердостью Н = 14-18 ГПа, критической нагрузкой

25 растрескивания F = 2,5-3,2 н и несущей способностью образованных этими поверхностями пар трения при водяной смазке характеризующейся давлением в паре трения Р > 100 кг/см , а при смазке низкими углеводородами (пропан, бутан, бензин и т.д.) - давлением в паре трения Р > 150 кг/см .

Наибольшее преимущество керамика с пространственным каркасом из зо нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более перед керамиками аналогичного фазового состава имеет по критерию несущей способности образованных этими поверхностями пар трения.

Несущая способность образованных этими поверхностями пар трения при водяной смазке характеризующейся давлением в паре трения Р > 100 кг/см ² , а при смазке низкими углеводородами (пропан, бутан, бензин и т.д.) - давлением в паре трения Р > 150 кг/см .

Объекты изобретения, касающиеся поверхности трения и способа ее получения, иллюстрируются следующим образом.

Полученная, как указано выше - с описанными параметрами и заявленным способом, поверхность трения на основе тонкослойного керамического покрытия состоит из кристаллов альфа-А^Оз, имеющих нитевидную форму с образованием продольных дефектов в кристаллической решетке нитевидных кристаллов, приводящих при механическом воздействии, в том числе в парах трения, к образованию продольных трещин с поперечным размером ~ 1 нм и более, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита 3Al ₂ O ₃ *2SiO ₂ и выходящих непосредственно на поверхность трения, и образующих, таким образом, наноструктуру в виде частично расслоенных нитевидных кристаллов, способных в силу размера трещин ~ 1 нм и более при смазке низковязкими жидкостями за счет осмотических формировать псевдовязкий слой по поверхности трения, демпфирующий механический контакт непосредственно с их подложкой в паре поверхностей трения.

Такая структура поверхности трения получена за счет реализации способа ее получения. В качестве конкретного примера реализации способа получения поверхности трения на основе тонкослойного керамического покрытия можно привести следующий.

Тонкослойное керамическое покрытие, состоящее из кристаллов альфа- А1 ₂ О ₃ , имеющих нитевидную форму, находящихся в мелкокристаллической матрице гамма-А1 ₂ О ₃ и муллита 3Al ₂ O ₃ *2SiO ₂ , получают на поверхности конкретной детали, предназначенной для использования, например, в парах трения между собой или с подобными деталями, имеющими упрочненную поверхность трения. При этом заведомо знают прочностные характеристики этого покрытия. Далее, выбирают абразив, прочность которого специально подбирают.

Термин «прочность» для взаимной характеристики абразива и обрабатываемой с его помощью поверхности выбран исходя из следующих его трактовок.

«Прочность» от слова «прочный» - с трудом поддающийся разрушению, крепкий...» (см. С.И.Ожегов, Н.Ю.Шведова, «Толковый словарь русского языка», М., 1999 г., стр. 627).

Кроме того, «прочность» - свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия» (см. Большой энциклопедический словарь. Политехнический под редакцией А.Ю. Ишлинского, М, 1998 г., стр.425). Различают прочность, в частности техническую, конструкционную, динамическую и т.п.

Таким образом, заявителем термин «прочность» выбран в прямом значении по отношению к обрабатываемой поверхности, однако использован в сочетании с абразивом, т.к. подбирают именно абразив с определенной прочностью при заведомо известной прочности тонкослойного керамического покрытия и прочности нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ .

Итак, подбирают абразив определенной прочности. Далее, с помощью выбранного абразива начинают обрабатывать поверхности детали, на которые уже нанесено тонкослойное керамическое покрытие. Обработку ведут до получения заданных несущих характеристик.

Прочность выбранного абразива, которым обрабатывают тонкослойное керамическое покрытие детали, должна быть всегда выше прочности подложки поверхности трения, образованной мелкокристаллической матрицей гамма- А1 ₂ О ₃ и муллита 3Al ₂ O ₃ *2SiO ₂ и прочности нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ в поперечном направлении, но ниже прочности нитевидных кристаллов альфа- А1 ₂ О ₃ в продольном направлении.

Обработку могут вести ступенчато с использованием нескольких абразивов, прочность которых повышается от операции к операции, или с 5 использованием одного абразива с прочностью, заведомо обеспечивающей получение поверхности трения с заданными характеристиками. Но всегда должно выполняться одно условие - прочность абразива всегда должна быть выше прочности подложки поверхности трения и прочности нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз в поперечном направлении.

ю Обработку поверхности детали ведут, периодически контролируя качество получаемой поверхности трения с использованием имеющихся средств контроля. Обработку продолжают до момента, когда с помощью имеющихся средств контроля состояния поверхности определяют достаточность высвобождения нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ из взаимосвязи их с

15 подложкой с образованием наноструктуры в виде частично расслоенных нитевидных кристаллов.

Обработав поверхность детали таким образом, получают на обработанной поверхности трения при смазке низковязкими жидкостями псевдовязкий слой, образованный высвобожденными в результате обработки абразивом свободными

20 частями расслоенных нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ Оз, способных в силу размера трещин ~ 1 нм и более впитывать и удерживать за счет осмотических сил низковязкую смазку.

Свободные части расслоенных нитевидных кристаллов альфа-А1 ₂ О ₃ после обработки поверхности детали распределены по всей поверхности трения на

25 обработанной детали, что исключает механический контакт и износ подложек в паре поверхностей трения.

Таким образом, заявленное изобретение во всех его четырех объектах позволяет в комплексе решить вопрос как непосредственно с получением тонкослойного керамического покрытия, так и с возможностью его прикладного зо использования непосредственно в парах трения машин и механизмов.