Кінетика росту, фазово-структурний стан та твердість мікродугових оксидних покриттів на ливарних алюмінієвих сплавах АЛ2, АЛ9, АЛ25

Abstract

UK: Мета дослідження − вивчення впливу умов електролізу при мікродуговому оксидуванні в лужно-силікатному електроліті на закономірності кінетики росту, структурно-фазового стану й твердість МДОпокриттів на ливарних сплавах різного складу. Meтодологія. Для досліджень застосовано методики мікродугового оксидування з різним складом лужно-силікатних електролітів і за різних щільностей струму. Дослідження формованої поверхні проводилося методом растрової електронної мікроскопії, фазовоструктурний аналіз − рентгендифракційним методом, дані якого зіставлялися з результатами вимірювання мікротвердості. Основні результати. Визначено можливість формування високощільних МДО-покриттів на ливарних сплавах з умістом кремнію 9...13 %. Виявлено закономірності кінетики зростання МДО-покриттів на ливарних сплавах АЛ2, АЛ9 і АЛ25 залежно від щільності струму й складу електроліту. Показано, що фазовий склад МДО-покриттів на ливарних сплавах включає: γ-А12О3, α-А12О3 і фаза муліт (3А12О3∙2SіO2). Початкова стадія росту покриття характеризується переважним формуванням γ-А12О3 і 3А12О3∙2SіO2 фаз. У разі збільшення тривалості оксидування відбувається формування фази α-А12О3, вміст якої не перевищує 20 % за найбільшої (120 хв) тривалості оксидування. Твердість покриттів підвищується зі збільшенням вмісту α-А12О3 і досягає величини 17 000 МПа за найбільшого вмісту (18 %). Наукова новизна. Установлено, що за тривалості процесу понад 60 хвилин кінетичні залежності зміни товщини покриттів від часу МДО-процесу мають характер близький до лінійного зі швидкістю росту близько 0,5 мкм/хв. Така швидкість більша, ніж удічі нижча, ніж швидкість росту покриттів на деформованих алюмінієвих сплавах (наприклад, Д16 і АМг6) в аналогічних умовах оксидування. При часі формування менше 60 хвилин швидкість росту залежить як від типу сплаву, так і складу електроліту. Найбільша швидкість росту 0,7 мкм/хв досягається на сплаві АЛ25 в електроліті 2 г/л КОН + 12 г/л Na2SіO3. Виявлено зміну періоду ґратки γ-А12О3 фази зі збільшенням тривалості оксидування, від значень менше табличних (0,790 нм) при часі оксидування менше 60 хвилин до величини, що значно перевищує табличне при великому часі оксидування (понад 120 хв). Запропоновано модель, відповідно до якої зменшення періоду ґратки пов'язане із заміщенням іонів Al на Sі, а збільшення періоду визначається різною валентністю іонів, замінних, і утворюванням у зв'язку із цим додаткових вакансій. Практичне застосування. Проведене дослідження показало можливість формування надтвердого (HV ≈ 17 000 МПа) покриття на ливарному алюмінієвому сплаві, що є умовою забезпечення високої зносостійкості для більшості видів зношування.

RU: Цель исследования − изучение влияния условий электролиза при микродуговом оксидировании в щелочносиликатном электролите на закономерности кинетики роста, структурно-фазового состояния и твердость МДО-покрытий на литейных сплавах разного состава. Meтодология. Для исследований использованы методики микродугового оксидирования с разным составом щелочносиликатных электролитов и при разных плотностях тока. Исследование формируемой поверхности проводилось методом растровой электронной микроскопии, фазово-структурный анализ − рентгендифракционным методом, данные которого сопоставлялись с результатами измерения микротвердости. Основные результаты. Определена возможность формирования высокоплотных МДО-покрытий на литейных сплавах с содержанием кремния 9…13 %. Выявлены закономерности кинетики роста МДО-покрытий на литейных сплавах АЛ2, АЛ9 и АЛ25 в зависимости от плотности тока и состава электролита. Показано, что фазовый состав МДО-покрытий на литейных сплавах включает: γ-А12О3, α-А12О3 и фаза муллит (3Al2O3∙2SiO2). Начальная стадия роста покрытия характеризуется преимущественным формированием γ-А12О3 и 3Al2O3∙2SiO2 фаз. При увеличении длительности оксидирования происходит формирование фазы α-А12О3, содержание которой не превышает 20 % при наибольшей (120 мин.) длительности оксидирования. Твердость покрытий повышается с увеличением содержания α-А12О3 и достигает величины 17 000 МПа при наибольшем содержании (18 %). Научная новизна. Установлено, что при длительности процесса более 60 минут кинетические зависимости изменения толщины покрытий от времени МДО-процесса имеют характер близкий к линейному со скоростью роста около 0,5 мкм/мин. Такая скорость роста более чем в два раза ниже чем скорость роста покрытий на деформированных алюминиевых сплавах (например, Д16 и АМг6) при аналогичных условиях оксидирования. При времени формирования меньше 60 минут скорость роста зависит как от типа сплава, так и состава электролита. Наибольшая скорость роста 0,7 мкм/мин. достигается на сплаве АЛ25 в электролите 2 г/л КОН + 12 г/л Na2SiO3. Выявлено изменение периода решетки γ-А12О3 фазы с увеличением длительности оксидирования, от значений меньше табличных (0,790 нм) при времени оксидирования менее 60 минут до величины, значительно превышающей табличное при большом времени оксидирования (более 120 мин). Предложена модель, в соответствии с которой уменьшение периода решетки связано с замещением ионов Al на Si, а увеличение периода определяется разной валентностью замещающих ионов и образованием в связи с этим дополнительных вакансий. Практическое применение. Проведенное исследование показало возможность формирования высокотвердого (HV ≈ 17 000 МПа) покрытия на литейном алюминиевом сплаве, что является условием для обеспечения высокой износостойкости при большинстве видов изнашивания.

EN: The aim of the research was to study the effect of electrolysis conditions during microarc oxidation in an alkaline silicate electrolyte on the regularities of the growth kinetics, structural-phase state, and hardness of MAO coatings on casting alloys of different compositions. Methodology. To achieve the goal of the research, microarc oxidation techniques were used with different compositions of alkali silicate electrolytes and at different current densities. The study of the formed surface was carried out by the method of scanning electron microscopy, the phase-structural analysis was carried out by the X-ray diffraction method, the data of which were compared with the results of measuring the microhardness. Findings. The possibility of forming high-density MAO coatings on cast alloys with a silicon content of 9…13 % has been determined. The regularities of the kinetics of the growth of MAO coatings on casting alloys AL2, AL9, and AL25 are revealed depending on the current density and the composition of the electrolyte. It is shown that the phase composition of MAO coatings on casting alloys includes: γ-А12О3, α-А12О3 and the mullite phase (3Al2O3 • 2SiO2). The initial stage of coating growth is characterized by the predominant formation of γ-Al2O3 and 3Al2O3 • 2SiO2 phases. With an increase in the duration of oxidation, the formation of the α- Al2O3 phase occurs, the content of which does not exceed 20 % at the longest (120 min) oxidation duration. The hardness of the coatings increases with an increase in the content of α-Al2O3 and reaches 17 000 MPa at the highest content (18 %). Originality. It was found that for a process duration of more than 60 minutes, the kinetic dependence of the change in the coating thickness on the time of the MAO process is close to linear with a growth rate of about 0,5 μm/min. This growth rate is more than two times lower than the growth rate of coatings on deformed aluminum alloys (for example, D16 and AMg6) under similar oxidation conditions. With a formation time of less than 60 minutes, the growth rate depends on both the alloy type and the electrolyte composition. The highest growth rate of 0.7 μm/min is achieved on the AL25 alloy in electrolysis 2 g/L KOH + 12 g/L Na2SiO3. A change in the lattice period of the γ-Al2O3 phase with an increase in the oxidation duration was revealed, from values less than the tabulated values (0,790 nm) with an oxidation time of less than 60 minutes to a value significantly higher than the tabulated value with a long oxidation time (more than 120 min). A model is proposed in accordance with which a decrease in the lattice period is associated with the replacement of Al ions by Si, and an increase in the period is determined by the different valences of the replacing ions and the formation of additional vacancies in this connection. Practical value. The study has shown the possibility of forming a high-hardness (HV ≈ 17 000 MPa) coating on a cast aluminum alloy, which is a condition for ensuring high wear resistance in most types of wear.