ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Технологические процессы микродугового оксидирования (МДО) изделий машино- и приборостроения». Технология обработки изделий машино- и приборостроения XXI века.

Рекомендуемая область пременения

Химия, нефтехимия, машиностроение, приборостроение, авиастроение, изделия военного назначения и новые материалы (композиционные материалы).

Назначение, цели и задачи проекта

Назначение проекта - разработанная технология является более экономичной и производительной (по сравнению с существующими аналогами), обеспечивает получение высоких физико-механических и эксплуатационных свойств изделий различной степени сложности.

Изделия бытового, военного назначения (обеспечение маскирующих свойств и т.д.), изделия для химической промышленности (трубы, запорная арматура), ряд ответственных изделий электронной техники (датчики и т.д.) и электроэнергетики (замена изолирующих оболочек обмотки трансформаторов), двигатели внутреннего сгорания (обработка поршней), изделия пищевой промышленности, изделия аэрокосмического комплекса и др.

Цель и назначение проекта:

- разработка новых способов обработки поверхности изделий с целью придания им требуемых физико-механических и эксплуатационных характеристик;

- повышение качества и декоративного вида изделий;

- снижение себестоимости изделий при значительном увеличении их свойств.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Широко используемые в качестве конструкционных материалов, например, алюминий, магний, титан, цирконий и их сплавы обладают ограниченным комплексом свойств, что не позволяет без модифицирования использовать их в машиностроении, приборостроении и др., а так же в производстве или для создания перспективных и модернизации существующих образцов вооружения, военной и специальной техники, улучшения их тактико-технических характеристик, увеличения ресурса и повышения надежности применения и эксплуатации.

Модифицирование металлов введением легирующих добавок и использование специальных покрытий, как правило, приводит к увеличению массы конструкции и удорожанию изделий из-за высокой стоимости используемых добавок, высокой науко- и ресурсоемкости применяемых методов получения композиционных материалов. Кроме того, получаемые композиционные материалы, как правило, узкофункциональны. Однако современные условия эксплуатации изделий требуют создания принципиально новых высокоэффективных и дешевых композиционных материалов многофункционального назначения.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Реализация разработанного технического решения осуществляется следующим образом: изделие помещают в ванну с водным раствором электролита, далее, к электродам, одним из которых является само изделие, подводят электрический ток, что приводит к образованию микродуг, которые позволяет получать покрытия, в состав которых включаются не только собственные оксиды металлов, но и химические соединения из компонентов электролита, обеспечивая получение уникального комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств.

В результате проведенных исследований, нами была спроектирована и собрана установка с широкими функциональными возможностями. Установка представляет собой универсальный источник питания с различными характеристиками тока (от 0 до 300 А) и напряжения (от 0 до 650 В), что позволяет получать оксидные слои с заданными свойствами. Система регулирования силы тока и напряжения, проходящего через электролит, выполнена по принципу одновременного подключения в электрическую цепь конденсаторов различной емкости в любых сочетаниях. Это предоставляет возможность плавного регулирования силы тока в широких диапазонах с погрешностью не более 5%. Подключение и отключение конденсаторов осуществляется с помощью органов управления, расположенных на пульте системы регулирования. Установка включает систему регулирования силы тока и напряжения, ванну с электролитом, системы перемешивания и охлаждения электролита и систему блокировки (рисунок 1).

Система регулирования тока имеет выходы на клеммы нескольких ванн, изготовленных из пассивных, по отношению к электролитам, материалов (нержавеющая сталь, полимерные материалы). Для проведения экспериментов ванны изготавливали из нержавеющей стали, поскольку последняя имеет более высокую теплоотдачу в сравнении со стеклом и пластмассой, что, в свою очередь, способствует снижению скорости нагрева электролита.

1 –ванна; 2 – токопроводящая шина; 3 – источник тока; 4 – система охлаждения; 5 – электролит; 6 – система перемешивания. а – перемешивание механической мешалкой; б – перемешивание сжатым воздухом.

Рисунок 1 – Схемы перемешивания и охлаждения при микродуговом оксидировании изделий

Для обработки изделий использовали ванны от 5 до 2000 литров (при необходимости объем электролитической ванны может быть увеличен). С целью предотвращения нагрева или поддержания определенной температуры электролита в процессе оксидирования ванна охлаждается проточной водой или специальной холодильной установкой. Важным условием для оксидирования является циркуляция электролита в ванне и, особенно, вблизи оксидируемых поверхностей. Поэтому при обработке изделий простой формы для перемешивания электролита применяли механическую мешалку. При обработке сложнопрофильных изделий, использовали перемешивание сжатым воздухом от пневмокомпрессора (барботацию снизу от обрабатываемого изделия), чтобы обеспечить интенсивную циркуляцию электролита около труднодоступных поверхностей.

Используя в качестве определяющего фактора токовый режим (для каждого конкретного электролита) можно в широком диапазоне варьировать свойства оксидных слоев, например, толщину, твердость, пористость, фазовый состав, шероховатость. Установка, электрическая блок-схема которой приведена на рисунке 2, имеет несколько режимов работы:

1 – конденсаторная батарея с блоком управления и устройством переключения режимов для работы на постоянном и переменном токе (380 или 220 В, 50 Гц, I = 0 – 300 А); 2 – трехфазный силовой трансформатор с включением во вторичную обмотку дополнительных конденсаторов для регулировки силы тока и напряжения в режиме наложения переменного тока на постоянный (380 В, 50 Гц, I = 0 – 100 А, имеется возможность переключения на 220 В); 3 – диодный блок (собран по схеме Ларионова); 4 – распределительная панель переключения токовых режимов; 5 – транзисторно-тиристорный блок регулировки частоты и соотношений анодной, катодной, анодно-катодной составляющих тока (20 – 650 В, 0 – 2000 Гц, I = 0 – 50 А, различный диапазон отношений анодной и катодной составляющих тока Iк/Iа), 6 – ванна с электролитом; 7 – катод (сталь 12Х18Н10Т);
8 – анод; 9 – дополнительный анод (применяется при наложении переменного тока на постоянный, когда оксидированию подвергаются одна или более пар деталей.

Рисунок 2 – Электрическая блок-схема установки для электрохимической обработки имплантируемых конструкций

режим переменного тока (промышленной частоты 50 Гц) - I = 0…200 А, U = 0…500 B;

режим постоянного тока - I = 0…200 А, U = 0…650 В;

режим подачи анодных, катодных, анодно-катодных импульсов различной частоты в диапазоне от 0 до 2000 Гц - I = 0…200 A, U = 0…550 B, предусмотрена регулировка длительности импульса и длительности паузы;

режим наложение переменного тока на постоянный - постоянный ток I = 0…300 А, U = 0…650 В, переменный ток I = 0…50 А, U = 0… 120 В.

Применение различных токовых режимов, позволяет гибко управлять процессами МДО, исходя из проходящих при оксидировании электрохимических и физических процессов.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Разработана технология микродугового оксидирования (МДО) металлов и сплавов с целью получения универсальных многофункциональных композиционных материалов, предназначенных для различных элементов конструкций изделий из сплавов алюминия, магния, титана, циркония и др. с приданием им комплекса износостойких, электро- и теплоизоляционных, антипригарных, антиобрастающих, эрозионно- и коррозионностойких, а также маскирующих свойств. Это позволит осуществить переход от существующих дорогостоящих методов получения покрытий на металлах и сплавах (получение покрытий методом диффузионного напыления, никелирование и др.) к более дешевым, т.е. произвести их замещение.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

При разработке технологии МДО металлов и их сплавов одним из условий выбора электролитов, помимо требований к способности формирования композитов, обладающих высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, было требование экологической безопасности, а также доступность и сравнительно невысокие затраты на их эксплуатацию, утилизацию и приобретение химикатов. Кроме того процесс МДО является производительным, так как обеспечивает возможность получения за небольшой промежуток времени (5…15 мин) качественных оксидных слоев, имеющих значительную толщину (более 100 мкм), с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками на широком спектре металлов и их сплавах с минимальными трудозатратами.

Новые потребительские свойства продукции

Был проведен комплекс исследований и испытаний покрытий на титане, цирконии, алюминии и их сплавах, полученных по технологии МДО: фазовый и рентгеноспектральный анализы, испытания на коррозионную стойкость, теплостойкость, электрическую прочность, микротвердость, толщину и пористость. Экспериментально установлено, что ресурс работы изделий из металлов и сплавов, полученных по разработанной технологии, увеличивается в
3 – 5 раз по сравнению с традиционными (базовыми) технологиями. Снижается себестоимость изготовления изделий (на 30 – 35%) при значительном увеличении физико-механических и эксплуатационных характеристик деталей, по сравнению с традиционными способами получения покрытий: микротвердость до 1800 – 2800 МПа, толщина до 300 мкм, электрическая прочность увеличилась в 5 – 10 раз и составила 15 - 25 кВ/мм, удельное электрическое сопротивление увеличилось до 7,5х1011 Ом•м, теплопроводность композитов составляет
0,2 - 1,6 Вт/(м?К),коррозионная стойкость композитов на основе титана (ВТ1-0) и циркония (Э125): в зависимости от типа оксидных слоев увеличилась до 4 – 8 раз и составила в растворе 80%-й серной кислоты не более 0,07…0,1 мм/год, а в смеси кислот (HF:HNO3:H2O – 20:1:79) не более 1,6…1,7 мм/год, в отличии от анодированных образцов, скорость коррозии алюминиевых сплавов (АМг, АМц и Д16) в морской воде, растворах лимонной и уксусной кислот уменьшилась в 3-5 раз, пористость покрытий составляет не более 2-4%, шероховатость поверхности (Ra) - не более 0,8 мкм, износостойкость деталей возрастает в 5,5…10 раз и составляет I=3,75…3,85х10-4 г•м2/ч.
Испытания коррозионной стойкости образцов с толщиной покрытия 250 мкм, пористостью 10-12% проводили в следующих растворах:
1. бихромат калия (K2Cr2O7) 3 г/л, соляная кислота (HCl, плотность 1,19 г/см3) 25 мл, вода 75 мл;
2. хлорид натрия (NaCl) 25 г/л, уксусная кислота (СН3СООН) ледяная 15 мл/г, перекись водорода 30% (Н2О2) 3 мл/л, вода до 1 л;
3. гидрооксид натрия (NaOH) 5 г/л.
Коррозионные испытания проводили в лабораторных условиях при определенных, искусственно созданных условиях. Испытания состояли собственно из эксперимента и его оценки. При этом длительность эксперимента составляла 600 часов для растворов № 2, 3 и 100 часов для раствора № 1.
В таблице представлены значения скорости коррозии покрытий для различных коррозионных сред. (смотри табл. в разделе назначение проекта)
Как видно из таблицы, скорость коррозии образцов, подвергнутых микродуговому оксидированию, уменьшается в 20…40 раз по сравнению с анодированными и эматалированными образцами, что указывает на то, что использование оксидных покрытий в качестве защиты металла основы от неблагоприятного влияния окружающей среды, является весьма эффективным и перспективным. Это связано с образованием в покрытии пассивирующих слоев бемита, байерита, диоксида кремния, комплексных соединений циркония и титана с материалом основы. Таким образом, установлена возможность применения МДО как эффективного средства защиты изделий от коррозии.
Следует также отметить, что разработанный способ получения защитных оксидных покрытий методом МДО успешно внедрен на предприятиях г. Пенза и г. Заречный для получения деталей различного функционального назначения: электромеханическое запирающее устройств специального назначения (сплав АМг3): достигнута высокая коррозионная стойкость и износостойкость; элемент датчиковой аппаратуры ракетного двигателя РД-180 (сплавы Э110 и АМц): достигнута высокая коррозионная стойкость и электрическая прочность в условиях высоких температур; детали механических скоростемеров - сегменты АЛГ8.483.000 (сплавы ВТ1-0 и Д16): достигнута высокая твердость и износостойкость, низкая шероховатость поверхности; подошвы утюгов (алюминиевые сплавы): достигнут хороший декоративный вид и высокие антипригарные свойства; резисторы (алюминиевые сплавы): достигнуты высокие электроизоляционные характеристики; нагревательный элемент главного зеркала телескопа Т170 (сплавы АМг и АМц): достигнуты высокие электроизоляционные характеристики; изделия медицинской техники и имплантируемые конструкции (сплавы алюминия, титана и циркония): достигнута высокая твердость, износостойкость, коррозионная стойкость, биоинертность и рентгенопрозрачность и др.
Кроме этого, технология МДО позволяет создавать целый ряд изделий как простой формы так и сложнопрофильных различного функционального назначения, с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, которые могут быть использованы для различных машин и приборов в промышленности и бытовой технике, а также для образцов ВВСТ, работающих в условиях трения и больших контактных напряжений, для элементов датчиковой аппаратуры и других изделий, испытывающих воздействие агрессивных сред, теплового воздействия, а также для декоративных целей. Это позволит уменьшить массогабаритные характеристики и увеличить сроки эксплуатации элементов конструкций ВВСТ.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает получение высокоразвитой ретационной поверхности при условии наличия оксидного слоя значительной толщины и степени развитости.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Выполнены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, имеется экспериментальная установка (оборудование по своему функциональному назначению прошло этап экспериментального освоения и отработку технологии).
Трудности в освоении технологии отсутствуют, так как предприятие-разработчик специализируется на производстве подобной продукции. Освоение комплекса в производственных условиях заказчика, а при необходимости и сервисные работы в ходе эксплуатации, выполняются специалистами предприятия-разработчика.
В рамках данного направления выполнены работы по заказу Института теоретической и прикладной электродинамики ОИВТ РАН, в рамках Росавиакосмос, по покрытию деталей (нагревательные элементы панели главного зеркала телескопа Т-170); в рамках научно-исследовательской работы (НИР) «Разработка микродуговых методов получения многофункциональных композиционных материалов для создаваемых и модернизируемых образцов вооружения и военной техники» (государственный оборонный заказ Министерства обороны РФ (утвержден Постановлением Правительства Российской Федерации 22.01.03 г. №35-2) шифр «УРАНИЯ», рег. №35-2) и научно-исследовательской опытно-конструкторской работы (НИОКР), выполняемой в рамках федеральной космической программы, «Исследование и разработка технологии получения электроизоляционных покрытий методом микродугового оксидирования деталей датчиковой аппаратуры из элинварных, алюминиевых сплавов, ниобия, циркония, титана и др. жаростойких сплавов» (договор от 28.02.03 г. №03/41, рег. №901/9) и ряд других работ.
Стоимость обработки конечного изделия или технологии зависит от обрабатываемого материала и требуемого комплекса свойств покрытия.

Предлагаемые инвестиции

Форма взаимодействия с потенциальным инвестором: хозяйственный договор, лицензионное соглашение. Объем инвестиций - 5 млн. рублей. Сроки – 2007 – 2009 г.

Рынки сбыта

Разработанная технология и универсальная установка не требуют специальной квалификационной подготовки рабочего. Она может быть размещена в гальванических цехах предприятий, обеспечивая получение заданных свойств изделий широкого спектра материалов при условии безопасной эксплуатации.
Рыночная цена разработанного продукта – установки (на 2006 – 2007 г) может составлять от 20000 до 250000 рублей (в зависимости от требуемой мощности).

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

26.10.2006