Из всех методов улучшения свойств поверхности изделий из металлов и сплавов наиболее новым и совершенным является метод микродугового или микроплазменного оксидирования (МДО). В отличие от более традиционных способов нанесения оксидного слоя: с помощью импульсного и постоянного тока, МДО характеризуется простотой процесса и более высокими характеристиками оксидного слоя. К его недостаткам можно отнести относительно малую производительность по сравнению с аналогичными методами (до нескольких часов против 10-15 минут), что вызвано недостаточной отработкой технологии и в перспективе будет компенсировано её развитием. Связано это в достаточно большой степени с отсутствием до последнего времени доступных быстродействующих источников питания (выпрямителей) с хорошим КПД, прямоугольной формой тока в импульсе и гибким управлением параметрами.
Практически, до последнего времени в МДО применяли источники питания на основе переключаемых конденсаторов или управляемых тиристоров, которые позволяли работать на токе синусоидальной формы промышленной частоты 50 Гц и устанавливать значение напряжения и тока, но не стабилизировать и выпрямлять его. К недостаткам таких выпрямителей можно отнести отсутствие стабилизации параметров, невозможность создавать импульсы прямоугольной формы, отсутствие возможности работать с импульсами более высокой частоты и регулируемой скважности, задаваемого анодно-катодного соотношения и без возможности заложить отработанную программу поддержания параметров по мере протекания процесса.
Для микродугового оксидирования используются совсем иные составы электролитов, чем для классического, например, Al2SiO5 — силлиманит и K(AlSi3O8) — ортоклаз. Также отличаются почти все параметры процесса и полученного оксидного слоя, как показано в таблице ниже.
| Параметр | Классическое оксидирование | МДО |
|---|---|---|
| Тип электролита | Кислотный | Щелочной |
| Опасность для окружающей среды | Опасно | Безопасно |
| Требования к подготовке поверхности | Обезжиривание, промывание, облагораживание | Отсутствуют |
| Напряжение процесса (В) | 10-150 | 100-1000 |
| Плотность тока (А/Дм2) | До 10 | До 100 |
| Толщина оксидного слоя (мкм) | До 60 | До 600 |
| Твёрдость покрытия (ГПа) | До 6 | До 30 |
Сами процессы также различаются — в процессе МДО множество микродуговых разрядов в случайном порядке мигрирует по границе «оксидируемый металл-электролит». Это сопровождается нагревом, плавлением и интенсивным окислением поверхности обрабатываемого металла с последующим образования на нём твердого оксидного слоя большой толщины.
Графически, процесс МДО представлен на графике ниже, где:
- — фаза классического анодирования (первичная оксидная плёнка),
- — фаза искровых разрядов (выражается в свечении поверхности),
- — фаза микродуговых разрядов (интересующий нас процесс),
- — фаза дуговых разрядов (частичное разрушение оксидной плёнки, допускать нельзя).
Применяемые в МДО электролиты достаточно недорогие, а поверхность перед нанесением оксидного слоя не требует дополнительной обработки и подготовки, что значительно упрощает и удешевляет процесс. Кроме того, используемые электролиты значительно экологичнее кислотных.
Качественно нанесённое методом МДО оксидное покрытие обладает отличными защитными свойствами — имеет высокую термостойкость, износостойкость и отлично укрепляет поверхность. Это обусловило активное развитие данного метода обработки и его использование во многих областях промышленности, включая авиационную, военную и космическую.
Но если в других методах оксидирования «испортить» оксидный слой достаточно сложно, то в случае МДО неверно выставленные параметры тока-напряжения или недостаточно качественная работа источника питания могут привести к переходу микродуговых разрядов в дуговые, что резко снизит качество покрытия и может привести к его разрушению.
В работе Пономарева И. С. и Кривоносовой Е. А. получены результаты, которые показывают, что применение синусоидальной формы тока в процессах МДО неблагоприятно сказывается на скорости, КПД и протекании самого процесса. Например, происходит переход процесса в фазу электролиза и дополнительный нагрев электролита в определенных моментах, а само микродуговое образование происходит всего в 20-30 % времени.
В работе Жаринова П. М., использующего в качестве источника питания аналогичные преобразователи с синусоидальной формой тока на выходе, указывают на фактическое отсутствие информации по применению в процессах МДО других форм тока (импульса, частоты, анодно-катодного соотношения, скважности).
Как ясно из вышесказанного, качество полученного в процессе МДО оксидного слоя и его производительность напрямую зависят от формы тока и напряжения, а также стабильности поддержания параметров на каждом этапе, поскольку покрытие, по сути, является результатом стабильного воздействия множества микродуговых разрядов, происходящих в случайных местах обрабатываемой поверхности. Если плотность тока не постоянна или значение напряжения нестабильно, однородность и гладкость покрытия на разных участках изделия будет значительно отличаться, что является неудовлетворительным результатом. При этом обилия всех возможных толщин покрытия можно добиться лишь при использовании источников питания, способных генерировать и поддерживать токи и напряжения в широких диапазонах со стабильным, повторяющимся результатом.
С учетом малоизученного опыта применения прямоугольной формы и более высоких частот импульсов тока различной скважности, меняющегося анодно-катодного соотношения, можно смело рассчитывать на получение более производительного процесса по скорости образования оксидного слоя, КПД самого процесса и получаемого качества покрытия.
Отличным вариантом для промышленных предприятий будет применение выпрямителей серии «Пульсар СМАРТ» на основе высоковольтных импульсных модулей от российской компании «Навиком», которая уже почти двадцать лет поставляет на отечественный и мировой рынок промышленные выпрямительные агрегаты.
