CC BY
73
электрофизические и электрохимические методы обработки_
УДК 620.197; 669; 621.794
О возможности снижения энергозатрат процесса микродугового оксидирования
А. В. Рыбалко, О. Сахин, А. А. Месяц, Б. Л. Крит
Ключевые слова: биполярные импульсы, микродуговое оксидирование, сплав алюминия, электрические разряды, электрохимические процессы.
Введение
Процесс микродугового оксидирования (МДО) — один из перспективных методов формирования оксидно-керамических слоев на поверхности ряда металлов вентильной группы (алюминия, магния, титана, циркония, ниобия, тантала), а также на некоторых других металлах и сплавах, при анодном окислении которых на поверхности образуются оксидные пленки с униполярной проводимостью в системе «металл — оксид — электролит». В основу процесса положено использование в одной технологической операции двух различных методов воздействия на зону модификации, для чего используют биполярные импульсы тока. За время протекания анодного импульса осуществляются электрохимические процессы — формирование на поверхности детали оксида и выделение кислорода, а за время прохождения катодного импульса — электроискровой процесс пробоя сформированной пленки оксида и электрохимический процесс выделения водорода.
По отношению к целям применения самого способа МДО процессы выделения кислорода и водорода являются сопутствующими. Учитывая высокое энергопотребление последних в условиях МДО и дополнительные потери энергии, связанные с последствиями этого газовыделения (джоулев нагрев толщи электролита, затраты на последующее охлаждение этого электролита), мы можем указать на очевидную необходимость минимизации доли энергозатрат как на осуществление этих сопутствующих процессов, так и на ликвидацию последствий от их протекания. Представляется целесообразным рассмотреть и другие возможности снижения энергоемкости способа.
Анализ некоторых особенностей реализации процесса МДО
Рассмотрим особенности протекания технологического процесса на примере использования генератора с балластным разделительным
конденсатором как наиболее часто используемого в практике МДО (импульсы близки по форме к синусоидальной) [1]. Сопоставим развитие амплитудно-временных характеристик составляющих энергии этих импульсов (тока, напряжения и длительности импульса) с особенностями протекания электрохимических и электроискровых процессов.
Очевидно, что за время протекания катодного импульса незначительное газовыделение возможно по мере роста амплитуды тока до начала искровых разрядов (до времени достижения напряжения пробоя барьерного слоя), существенный рост газовыделения будет наблюдаться за время протекания искровых разрядов (благодаря прошедшим искровым разрядам площадь поверхности образца очищается от барьерного слоя), с максимумом к концу времени следования искровых разрядов. Интенсивное газовыделение будет сопровождать и спад тока за время заднего фронта импульса.
Как нам представляется, для минимизации газовыделения за время катодного импульса и повышения эффективности способа необходимо соблюдать следующие условия:
• использовать прямоугольные импульсы, амплитудного напряжения которых достаточно для организации искрового процесса;
• применять режимы подачи катодного тока, обеспечивающие возможность снижения производительности фарадеевского процесса газовыделения, происходящего параллельно протеканию искровых разрядов;
• обеспечить поддержание неизменными электрических параметров импульсов и процесса МДО в целом по мере роста слоя, для чего ввести обратную связь либо по среднему току, увеличивая частоту следования импульсов, либо по напряжению импульсов, компенсируя падение амплитуды тока увеличением напряжения импульсов при неизменной частоте их следования.
На наш взгляд, представленный подход к организации технологии МДО позволит снизить
энергоемкость метода модификации поверхностей. Однако не представляется возможным реализовать их в технологическом процессе с использованием традиционных для МДО генераторов биполярных импульсов. Поэтому одной из первоочередных задач является разработка новых систем формирования биполярных импульсов (генераторов импульсного тока), позволяющих придать процессу МДО вышеуказанные свойства.
Разработка генератора импульсов
Совместно с фирмой Е1соп (Кишинев, Республика Молдова) мы разработали и изготовили генератор биполярных импульсов, в котором в качестве силовых ключей использованы транзисторы, а в качестве источников питания постоянным током — высокочастотные преобразователи (ВП) переменного тока в постоянный, отдельно для положительной и отрицательной полярности. Мощность каждого ВП — 12,5 кВт. Диапазон регулирования напряжения в них — 0-1000 В. Импульсы тока на нагрузке (в разрядной цепи) формируются транзисторным мостом, в том числе и в режиме широтно-импульсной модуляции. Последнее даст возможность задавать различные амплитуды тока импульсов при неизменном рабочем напряжении преобразователей.
Введение в разрядную цепь накопительного конденсатора большой емкости, установленного параллельно нагрузке, позволило использовать его в качестве источника пиковой мощности при формировании импульса тока высоких амплитуд, в десятки раз превышающего величину среднего тока ВП. Таким образом были созданы перспективы для обработки деталей больших площадей. Специально разработанная компьютерная программа обеспечивает возможность варьировать параметры биполярных и униполярных импульсов, паузы между ними, позволяет формировать группы импульсов с различными параметрами и паузами между ними. Минимальный временной шаг длительностей при формировании параметров импульсов и пауз — 0,25 мкс. Максимальная длительность импульса — 20 000 мкс. Диапазон регулирования пауз — 0-127 500 мкс с шагом 10 и 500 мкс.
На монитор выводятся данные о времен-нйх параметрах импульсов и пауз задающего устройства, а также расчетные электрические параметры импульсов и процесса в целом. Под последними мы подразумеваем количество электричества, затраченное за анодный и катодный импульсы, количество электричест-
№ 1 (55)/2010
ва, затрачиваемое на процесс в целом, частоту следования импульсов (групп импульсов). Программа также дает возможность контролировать амплитуду импульса тока, поддерживать ее на необходимом уровне, препятствовать ее возрастанию при превышении критической для данного генератора величины (так осуществляется защита от короткого замыкания по переднему фронту импульса). Кроме того, есть ресурсы для поддержания задаваемой величины потребляемого среднего тока генератора, что предполагает возможность организации процесса МДО деталей больших площадей.
На рис. 1 представлены анодный и катодный импульсы напряжения, а также импульс биполярной группы тока, формируемые на реальной нагрузке в процессе МДО с помощью разработанного генератора. Поскольку формирование импульсов напряжения происходит в потенциостатическом режиме, есть возможность судить по осциллограммам тока об изменении сопротивления нагрузки, а следовательно, об особенностях протекания процессов на электродах. Например, учитывая форму катодного импульса тока (рост амплитуды тока во времени за импульс, см. рис. 1, график 3), мы можем утверждать, что появление фарадеевского тока (процесс выделения водорода) в дополнение к току искровых разрядов наблюдается буквально уже с самого начала развития длительности импульса тока. Следовательно, напряжения катодного импульса достаточно для организации искрового пробоя пленки оксида с самого начала импульса.
Рис. 1. Осциллограммы анодного 1 и катодного 2 напряжения и соответствующей им по времени последовательности импульсов тока 3. Масштаб измерения тока (СН3) 10В — 10А
ннннннн^в^н^^нннвв
ОАО «Издательство "Политехника"» www.polytechnics.ru
электрофизические и электрохимические методы обработки
Итак, можно с уверенностью заключить, что при использовании импульсов прямоугольной формы практически отсутствует катодное газовыделение, предшествующее появлению искровых разрядов и происходящее после их окончания (крутой задний фронт импульса). Таким образом устранен один из недостатков процесса МДО с использованием конденсаторных генераторов — катодное газовыделение в отсутствие искровых разрядов.
По особенностям развития анодного импульса (отсутствию спада величины тока) можно заключить, что роста пленки при выбранной плотности тока за время длительности импульса недостаточно для изменения сопротивления площади границы раздела «металл — электролит». Следовательно, можно дать рекомендацию технологического характера: допустимо увеличить длительность импульса либо поднять плотность тока вплоть до времени появления спада текущей амплитуды тока.
Знания о связи показателей процесса МДО с развитием амплитудно-временшкх характеристик развития импульса можно в дальнейшем существенно наращивать, создавая своеобразную базу данных. Объем причино-следственных связей этой базы о процессе даст возможность уже по текущим показателям энерговыделения за импульс прогнозировать и направлять развитие особенностей технологических процессов МДО.
Необходимо отметить еще один немаловажный факт. Использование прямоугольных импульсов для осуществления процесса МДО позволяет достаточно легко оценить их энергонаполнение. Естественно, с помощью этих электрических параметров можно зафиксировать и сам технологический процесс.
Поэтому для описания технологического процесса МДО, а главное, для обеспечения возможности его последующего тиражирования мы предлагаем использовать следующие параметры, соответствующие началу процесса:
• напряжение анодного импульса, В;
• амплитуда анодного импульса тока, А;
• длительность анодного импульса, мкс;
• количество электричества анодного импульса, Кл;
• плотность анодного тока, А/см2;
• катодное напряжение, В;
• ток катодного импульса, А;
• длительность катодного импульса, мкс;
• количество электричества катодного импульса, К;
• количество электричества на технологический процесс, Кл;
• частота следования пары биполярных импульсов, Гц;
• время оксидирования, мин.
МДО с пониженным газовыделением за время катодного искрового процесса
Известно, что потенциал электрохимической реакции определяется несколькими параметрами, в том числе плотностью тока. В силу инерционности подвижности ионов в электролите динамика формирования потенциала и его достигаемая величина за время импульса зависят от ряда электрических параметров импульса: амплитудного значения тока, длительности импульса, скорости нарастания тока, величины паузы между импульсами и др. [2, 3]. Подбирая параметры импульса, можно найти такие режимы поляризации электрода, при которых время формирования потенциала до величины, соответствующей данной плотности тока в стационарных условиях, становится соизмеримым с длительностью самого импульса тока. Дальнейшее снижение длительности импульса тока уже приводит к снижению величины достигаемого за время импульса потенциала электрохимической реакции несмотря на неизменность амплитуды тока, а следовательно, к падению производительности выработки продукта электрохимической реакции (в нашем случае это выделение водорода).
Следует подчеркнуть важность выбора параметров паузы между импульсами. Если эта пауза будет меньше времени спада сформированного за время импульса тока потенциала до стационарного, то каждая последующая подача импульсов обеспечит накопление величины этого потенциала (суперпозиции остаточного уровня потенциала от предыдущего импульса с поляризацией от очередного), что повлечет за собой повышение интегральной производительности электрохимического процесса [2, 3], в данном случае выделения водорода. Следовательно, величина паузы должна быть равной или большей, чем время спада потенциала до его стационарной величины.
Таким образом, можно добиться снижения производительности газовыделения, происходящего параллельно формированию искровых разрядов, путем дробления рабочего катодного импульса на более короткие по длительности (назовем эту совокупность импульсов катодной пачкой), то есть искровой процесс будет продолжаться в тех же условиях, что и раньше, а интегральный потенциал выделения водорода может быть ниже.
Для проверки возможности снижения газовыделения путем дробления катодного импульса на более короткие мы осуществляли процесс МДО с использованием двух режимов:
• 1-й режим — анодный и катодный импульсы длительностью 200 мкс;
• 2-й режим — анодный импульс длительностью 200 мкс и катодная пачка, состоящая из 8 импульсов длительностью по 25 мкс каждый (итого 200 мкс), пауза между ними — 80 мкс.
Приведем остальные параметры оксидирования:
• напряжение анодного импульса — 500,0 В;
• начальная амплитуда анодного тока — 16,0 А;
• количество электричества в анодном импульсе — 0,0032 К;
• амплитудная плотность тока анодного импульса — 5,3 А/см2;
• напряжение катодного импульса — 500,0 В;
• начальная амплитуда катодного тока — 44,0 А;
• количество электричества в катодной пачке — 0,0088 К;
• плотность тока катодного импульса в пачке — 14,65 А/см2;
• количество электричества на процесс в целом — 1,0 Кл;
• частота — 83 Гц.
Для МДО использовались образцы из сплава алюминия AL-53 (А1 — 94,5 %, Mg — 2,7-3,7 %, остальные вещества содержатся в незначительном количестве). Образцы представляли собой цилиндры радиусом 5 мм и высотой 5 мм. Площадь обработки составляла около 3,0 см2. Использовался электролит КОН — 2,0 г/л, №2&03 • 5 Н20 — 9,5 г/л.
Возможность организации процесса МДО с пониженным газовыделением изучали с помощью косвенного метода — по снижению джоулевого тепловыделения в электролите. Оценка его эффективности осуществлялась двумя различными способами. Во-первых, сравнивались величины амплитуд тока в условиях процесса с использованием сплошного катодного импульса и значения амплитуды токов импульсов катодной пачки по истечении одинаковых промежутков времени.
Различие в амплитудах тока может быть обусловлено только спадом джоулева нагрева в приэлектродной зоне электролита в связи с ожидаемым уменьшением объема газовыделения в случае МДО с катодной пачкой (повышение газовыделения невозможно из-за равенства исходного количества электричества в катодных импульсах тока обоих видов). Меньшему газовыделению в электролит (а значит, меньшему его нагреву) будет соответствовать меньшая амплитуда тока.
Во-вторых, сравнивалось время оксидирования с использованием сплошного катодного импульса и время оксидирования с применением катодной пачки импульсов по мере изменения фиксированного интервала объемной температуры электролита.
№ 1 (55)/2010
а)
'яш
СН2 200 шУ М 100 ^ СН2 / СН2 200 шУ М 100 т СН2 /
Рис. 2. Вид катодного импульса тока и катодной пачки импульсов тока по мере оксидирования: а — после 1 мин; б — после 80 мин. Цена деления по току 200 мВ — 20 А
На рис. 2 представлены осциллограммы токов изучаемых процессов для различных временных отрезков. Исходная температура электролита в обоих экспериментах составляла 18 °С. Уже после первой минуты оксидирования (рис. 2, а) амплитуды каждого импульса катодной пачки оказались меньше соответствующих по времени развития основного катодного импульса величин тока (в местах равенства суммарной длительности ряда катодных импульсов в пачке и, соответственно, текущей длительности части большого катодного импульса). Чем больше суммарное время модифицирования (на рис. 2, б — 80 мин), тем значительнее разница амплитуд импульсов в катодной пачке по сравнению с соответствующими по времени величинами тока сплошного импульса. Таким образом зафиксирован факт снижения электропроводности в случае использования катодной пачки импульсов.
В рамках исследования разницы во времени прохождения температурного интервала от 20 до 30 °С при оксидировании в описываемых условиях удалось выяснить следующее. В случае МДО с использованием сплошных катодных импульсов температура электролита 30 °С была достигнута через 11 мин после начала оксидирования. В условиях применения катодной группы импульсов это время составило 19 мин. Подобные измерения были проведены при наличии различных толщин модифицированного слоя. Во всех случаях наблюдалось снижение разогрева электролита при использовании катодной пачки импульсов для МДО.
МЕТАЛЛ00 Б^АБОТКА
электрофизические и электрохимические методы обработки
Таким образом, доказано, что при МДО нагрев электролита в условиях применения катодной пачки импульсов меньше, чем в случае использования сплошного импульса тока. Ясно, что степень снижения газовыделения зависит от выбора параметров импульсов и паузы катодной пачки.
Возможность повышения производительности анодного процесса МДО при прочих равных условиях
Известно, что скорость протекания анодного электрохимического процесса определяется несколькими факторами, в том числе и температурой электролита. Анализ осциллограмм процесса МДО с использованием высоких плотностей тока показал, что уже с самого начала осуществления процесса на крыше анодного импульса тока наблюдается пиковое повышение амплитуды в самом начале его временного разрешения. И это происходит несмотря на большую паузу между импульсами, которая в условиях нашего эксперимента составила более 12 000 мкс. На наш взгляд, данный факт связан с повышением электропроводности электролита в приэлектродной зоне из-за наличия остаточного тепла после протекания катодных процессов. Мы сочли целесообразным попытаться более эффективно использовать это тепло для увеличения производительности анодного акта в процессе МДО, для чего осуществили подачу анодного импульса сразу после окончания катодного. В дальнейшем совокупность катодно-анодной пары импульсов, разделенных малой паузой, мы будем называть катодно-анодной группой импульсов (КАГИ).
Было изучено изменение электропроводности нагрузки (осциллограмм тока и напряжения) за время протекания анодного и катодного актов процесса МДО. Использовались биполярные импульсы длительностью 200 мкс, разделенные симметричными паузами (для краткости назовем такой режим базовым), и КАГИ. Пауза между импульсами в группе составляла 10 мкс. Пауза между группами (между
а) б) в)
анодным и катодным импульсами) была более 24 000 мкс. Временшйе отрезки записи осциллограмм — 20 мин. Полное время оксидирования — 80 мин. При использовании КАГИ в первый промежуток времени осциллограммы записывались чаще в связи с повышенной динамикой изменения параметров анодного импульса по сравнению с анодным базовым. Исходные электрические параметры импульсов для МДО подобны тем, что указаны на с. 30-32.
Как показало исследование осциллограмм, в случае использования для МДО импульсов базового режима амплитуда анодного импульса тока по мере оксидирования вначале росла (1 мин — 16 А, 20 мин — 24 А), а затем падала (40 мин — 20 А, 60 мин — 12 А). Однако в случае применения для МДО КАГИ процесс роста анодного тока (роста количества электричества) по мере оксидирования более интенсивный в сравнении с условиями, реализуемыми в базовом режиме. Причем рост количества электричества начинается с самого начала оксидирования (1 мин — 20 А). Далее наблюдается быстрый рост амплитуды анодного тока со сменой формы импульса (передняя часть импульса выше по току). За 12 мин она достигла максимума — 44 А (к концу длительности импульса величина тока была 28 А), а после 20 мин уже начала снижаться (40 А) (рис. 3).
При использовании для МДО базового режима повышение количества электричества также наблюдалось, но в существенно меньшей степени. Естественно, что эта разница в энергонаполнении импульсов отразилась и на динамике роста толщины модифицированного слоя (рис. 4). Так, за первые 20 мин оксидирования, на которое был потрачен всего 1 Кл, прирост толщины в условиях применения КАГИ составил 40 мкм (для базового режима эта величина составляет 16 мкм). После 20 мин оксидирования амплитуда анодного тока в условиях КАГИ падает быстрее (сформированный слой толще). К концу общего времени оксидирования толщины оксидированных слоев сравниваются по величине.
Проведенные эксперименты также показали, что увеличение длительности паузы между
Ли*«
СП2 200 т\■ м 1оо .и« а/2 а 12 200 т\■ м 1оо .и« С112 а 12 2оо т\' м ню 11« а 12 а 12 200 т\' м ню и« а 12 а 12 200 т\' м ню и« а 12
Рис. 3. Осциллограммы токов импульсов катодно-анодной группы, иллюстрирующие изменение параметров анодного импульса по мере оксидирования: а —1 мин; б — 7 мин; в — 12 мин; г — 20 мин; д — 40 мин. Цена деления по току 200 мВ — 20А
Время модификации, мин
Рис. 4. Изменение толщины модифицированного в условиях оксидирования с применением различных режимов подачи импульсов тока:
▲ — катодно-анодная группа импульсов, пауза между импульсами внутри группы — 10 мкс; • — биполярная подача тока с симметричной паузой между импульсами
импульсами группы снижает эффект от применения КАГИ. При применении же анодно-катодной группы изменений в процессе формирования толщины слоя нет.
Таким образом, организация процесса МДО с применением режима КАГИ позволила нам существенно повысить скорость формирования слоя на первом этапе оксидирования, это весьма важно при создании покрытий небольшой толщины (40-60 мкм). Необходимо подчерк-
;
; :
; Е 14
** 1 л г * г А П Г N1 Ш м * Н П 1 1
и 1
. 1 1 1 1 1 ;
СН2 200 шУ М100 СН2
Рис. 5. Осциллограмма катодно-анодной группы импульсов тока с катодной пачкой импульсов. Цена деления по току 200 мВ — 20 А. Пауза между импульсами в катодной пачке — 80 мкс, между последним импульсом катодной пачки и анодным — 10 мкс
№ 1 (55)/2010
нуть, что увеличение количества электричества, затраченного на процесс МДО (в нашем случае это было всего 1 К), даст возможность существенно повысить обозначенную выше скорость прироста толщины оксидированного слоя.
Для интегрирования полученных эффектов в одну технологическую операцию предлагается использовать при осуществлении процесса МДО катодно-анодную группу импульсов, в которой катодный импульс раздроблен на более мелкие составляющие, а анодный импульс подается сразу после катодной группы (рис. 5).
Выводы
На основе анализа характеристик энерговыделения на нагрузке при организации процесса МДО с использованием конденсаторного генератора биполярных импульсов обоснована необходимость изменения подхода к применению технологии. Для целей МДО разработан и изготовлен транзисторный генератор с возможностью формирования на нагрузке прямоугольных импульсов с независимой регулировкой их параметров и параметров паузы между ними. Он позволил добиться следующих результатов:
• исключить наличие фарадеевского процесса катодного газовыделения при росте и спаде тока в условиях отсутствия искровых разрядов;
• снизить объем катодного газовыделения за время существования искровых разрядов применением катодных пачек импульсов тока;
• обеспечить повышение производительности анодного процесса за счет использования тепла, выделившегося на границе раздела «металл — электролит» за время прохождения катодного импульса.
Использование прямоугольных импульсов для МДО дает возможность легко описать технологический процесс МДО посредством электрических параметров импульсов и пауз. Это открывает перспективы создания условий для тиражирования технологии.
Литература
1. Суминов И. В., Эпельфельд А. В., Людин В. Б. и др. Микродуговое оксидирование. М.: Экомет, 2005. 352 с.
2. Рыбалко А. В., Кузнецова Т. М., Атанась-янц А. Г. и др. Влияние импульсного процесса на электрохимическую обработку // Электрохимия. 1989. Т. 25, № 7. С. 989-991.
3. Рыбалко А. В., Галанин С. И. Амплитудно-временные характеристики роста и спада поляризации в условиях импульсной электрохимической обработки // Электронная обработка материалов. 1990. № 4. С. 3-7.
