 |
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Структура и состав анодно-искровых покрытий на вентильных металлах
Структура и состав анодно-искровых покрытий на вентильных металлах
Структура
и состав анодно-искровых покрытий на вентильных металлах
В.Ф.Борбат, О.А.Голованова, А.М.Сизиков, Омский государственный университет, кафедра неорганической
химии
В последнее время получил распространение электрохимический
метод нанесения тугоплавких защитных покрытий, основанный на использовании явления
анодного искрового разряда. Анодно-искровая технология является результатом развития
традиционного анодирования. При некоторых значениях напряжения возникают качественные
изменения процесса, которые заключаются в резком увеличении электронной составляющей
тока, протекающего через границу раздела электролит-оксид и оксид-металл, и появлении
многочисленных электрических пробоев пленки. Это приводит к существенному повышению
температуры в каналах пробоя и окружающих их участках, благодаря чему рост покрытий
значительно ускоряется. Параллельно в каналах пробоя образуется низкотемпературная
плазма, в которой протекают реакции, приводящие к включению в оксид компонентов
электролита. Таким образом, следствием пробоя при высоких напряженностях поля являются,
с одной стороны, ускорение процесса образования оксида, с другой - изменение физических
и химических свойств получаемого покрытия [1].
Химический, фазовый состав и механические свойства анодно-искровых
покрытий близки к свойствам обычной керамики. Они характеризуются твердостью, жаропрочностью,
стойкостью к истиранию, высокими электроизоляционными и антикоррозионными свойствами.
Весьма привлекательной представляется возможность их нанесения на изделия из легкоплавких
металлов, что с помощью традиционной обжиговой технологии недостижимо. Большее распространение
в промышленности получил метод нанесения оксидных покрытий в серной кислоте.
Анализ анодно-искровых покрытий показывает, что в них,
наряду с оксидами металла подложки, в больших количествах содержатся атомы или группы
атомов, входящих в состав электролита [1]. Внедрение ионов электролита определяется
природой электролита, связано с механизмом формирования и многочисленными анодными
процессами (электрохимическими, химическими, адсорбционными, процессами ионного
обмена и др.), протекающими на поверхности пленки, в порах и объеме оксида. Вклад
каждого из этих процессов зависит от условий формирования и концентрации электролита
.
В связи с изложенным представлялось важным исследовать
состав покрытий, получаемых плазменно-электролитическим оксидированием, на алюминии,
титане и тантале в серной кислоте.
Для изучения фазового состава образцов по их межплоскостным
расстояниям был проведен рентгенофазовый анализ. Рентгенограммы образцов были получены
методом порошка и пленки на установке "Дрон-3" в монохроматизированном
"медном" излучении.
Для определения элементного состава получаемых анодно-искровым
методом покрытий и изучения распределения химических элементов по поверхности исследуемых
образцов был проведен рентгеноспектральный анализ. Рентгенограммы образцов были
получены методом пленки на установке МАР-3.
1. Результаты и
их обсуждение.
Исследование поверхности титанового электрода, полученного
в условиях : I = 0,3 А,И = 120 В,t = 900 сек. (концентрация кислоты варьировалась
от 10 до 50 %), показало, что, кроме оксида титана(III) (в двух модификациях: анатаз
и рутил), на поверхности существует сульфат титана (III). Вероятно, при протекании
плазменно-электролитической обработки титана в растворах серной кислоты происходит
"заработка" сульфат-иона в оксидную пленку. Причем состав получаемого
покрытия остается постоянным при изменении условий обработки (силы тока, времени
обработки).
Изучение получаемых покрытий на танталовом аноде с помощью
рентгенофазового метода показало, что на поверхности электрода образуется пятиокись
тантала (концентрация серной кислоты изменялась от 1 до 30%).
Данные рентгенофазового анализа на алюминиевом аноде показывают,
что на поверхности, обрабатываемой анодно-искровым разрядом, кроме оксида алюминия
существует сульфат алюминия (концентрация кислоты - 93,8%). Эти данные также подтверждают
"заработки" ионов электролита в оксидную пленку при воздействии на алюминий
микроразряда.
Исходя из полученных результатов, также можно отметить,
что при получении покрытий на алюминии, титане возможно внедрение сульфат-ионов
в состав получаемого покрытия. Для танталового анода концентрация сульфат-ионов,
вероятно, менее 1% и в этом случае образуется твердый раствор без четкой фазовой
характеристики.
Как и следовало ожидать, по результатам рентгеноспектрального
анализа мы определили две характеристические линии, соответствующие линиям материала
электрода и серы. Для определения количества серы, внедренной в состав оксидной
пленки, был снят сигнал чистой серы и отношение интенсивность данного сигнала
(I0) к интенсивности сигнала серы (IS) в полученной пленке дает относительное содержание
заработанной серы .
Анализ анализ экспериментальных данных показывает, что
относительное содержание серы возрастает с увеличением концентрации серной кислоты,
стремясь к некоторому предельному значению. Такая же зависимость наблюдается при
увеличении силы тока.
Интересно отметить, что максимальное содержание серы (максимальный
пик на регистрограмме) на танталовом электроде возрастает с увеличением силы тока.
Очевидно, процесс накопления компонентов электролита при плазменно-электролитическом
способе обработки является неравномерным и отличается от распределения примесей
в пленках, полученных обычным оксидированием [2]. Можно предположить, что заработка
компонентов электролита происходит в местах возникновения микроразрядов в момент
их залечивания и поэтому макрораспределение серы может быть связано с размерами
пор.
Сравнение результатов эксперимента показывает, что наибольшее
количество серы зарабатывается на алюминиевом аноде (0,005 мг), затем относительное
содержание серы уменьшается от титана - (0,0032 мг), к танталу - (0,0025 мг). Возможно,
это связано с получением плазменно-электролитическим методом оксидных покрытий,
толщина которых увеличивается от тантала к алюминию, а также концентрацией электролита,
в котором ведется обработка.
Наряду с приведенной информацией большой интерес представляет
возможность с помощью полученных диаграмм рентгеноспектрального анализа оценить
размер канала (поры), в котором происходит заработка компонентов электролита. Определение
размера пор осложняется тем, что ширина зонда небольшая и поэтому, сканируя по поверхности
образца, мы получаем информацию по содержанию серы в разных участках пор. Вероятно,
максимальные по ширине пики могут соответствовать или приближаться по своим значениям
к диаметру пор. Исходя из этого предположения, мы определили максимальные размеры
пор на алюминии, титане и тантале по формуле : размер поры = l·Vcк/Vл, где l - линейный
размер максимального пика на рентгенограмме (мм); Vск -скорость сканирования лучом
(мммин); Vл - скорость движения ленты (мммин) .
Анализ полученных результатов показывает, что размер пор
на алюминиевых образцах соответствует интервалу (4,7-7)·10-2 мм и практически не
зависит от условий обработки. Для титанового и танталового образцов получена зависимость
максимального размера пор от условий обработки. Можно отметить, что максимальный
размер пор увеличивается с возрастанием силы тока.
При сопоставлении результатов рентгеноспектрального анализа
по заработке серы в оксидные пленки, полученные на алюминии, титане и тантале, с
результатами весового анализа [3,4] по убыли сульфат-иона из обрабатываемого анодным
микроразрядом электролита (растворов серной кислоты), можно отметить, что закономерности,
установленные в ходе проведения экспериментов, совпадают. Очевидно, одной из причин
уменьшения сульфат-иона в электролите после обработки анодным микроразрядом является
внедрение компонентов электролита в образующуюся оксидную пленку, причем внедрение
ионов электролита происходит преимущественно в поры в момент их залечивания.
2. Выводы:
1. Доказано, что при получении оксидных покрытий плазменно-электролитическим
методом происходит заработка ионов электролита в поры пленки в момент их залечивания.
2. Распределение серы по поверхности образца неравномерно
в отличие от равномерного распределения, имеющего место при обычном анодировании.
3. Оценены максимальные размеры пор оксидных покрытий на
алюминии, титане и тантале.
Список литературы
Баковец В.В., Поляков О.В., Долговесова И.П. Плазменно-электролитическая
анодная обработка металлов // Новосибирск: Наука, 1991. С.93.
Чернеченко В.И., Снежко А.А., Потапова И.И. Получение покрытий
анодно-искровым электролизом // Л.: Химия, 1991. С.101-103.
Голованова О.А., Сизиков А.М., Борбат В.Ф. Химические эффекты
анодного микроразряда на вентильных металлах в серно-кислотных электролитах / Омск:
ОмГУ, 1994. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 12.08.94. N 2119-В 94.
Голованова О.А.,Сизиков А.М. Динамика превращения серно-кислотного
электролита в разряде на танталовом электроде / Омск: ОмГУ, 1994. 15 с. Деп. в ВИНИТИ
12.08.94. N 2121-В 94
Для подготовки данной работы были использованы материалы
с сайта http://www.omsu.omskreg.ru/
| |
