Study of emissivity infrared heaters coated with MAO coating

Texto integral

В настоящее время задача энергосбережения является актуальной во многих сферах деятельности. В частности, это касается систем теплоснабжения. В последнее время для обогрева бытовых и промышленных объектов широко применяются электрические панельные нагреватели с алюминиевыми излучающими пластинами. Достоинством таких нагревателей по сравнению с чугунными и стальными радиаторами водяного отопления является высокая теплоотдача, низкая стоимость, удобство монтажа и современный дизайн. С другой стороны, передача тепла излучением у чистого алюминия низкая. Коэффициент излучения алюминия составляет 0,1. Для увеличения коэффициента излучения пластины инфракрасных (ИК) нагревателей покрывают порошковой краской или применяют гальваническое анодирование. Окрашивание поверхности радиаторов снижает теплопроводность, что приводит к снижению теплоотдачи. К недостаткам анодирования можно отнести необходимость предварительной подготовки и использования кислот в электролитах, что экологически небезопасно. В работе предлагается наносить излучающие покрытия на поверхности ИК-нагревателей методом микродугового оксидирования (МДО), так как этот процесс более производителен и экологичен [1-3]. На первом этапе работы были выявлены технологические режимы обработки, позволяющие получать покрытия с наибольшим коэффициентом излучения є на образцах из различных алюминиевых сплавов. Были проведены исследования по теплостойкости, шероховатости, электрической прочности, удельному сопротивлению полученных покрытий. Для проведения исследования был использован тиристорный источник тока, который позволяет осуществлять независимую регулировку анодной и катодной составляющих тока и одновременно стабилизировать средние величины этих токов, что существенно упрощает проведение процесса МДО и ведет Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации, государственный контракт № 02.G2531.0043. 132 Технологические процессы и материалы к улучшению качества получаемых покрытий. Источник имеет следующие технические характеристики: диапазон регулируемых напряжений до 1000 В; диапазон регулируемых токов до 50 А/дм2; погрешность стабилизации тока до 5 %. Время обработки в наибольшей степени зависит от состава электролита и влияет на толщину покрытий. Максимальное время обработки составляло 90 мин, а минимальное время выбиралось для каждого электролита опытным путем. Соотношение анодной и катодной составляющей по току влияет на толщину и твердость получаемых покрытий. Увеличение катодной составляющей приводит к получению более твердых, но менее толстых покрытий по сравнению с обработкой при увеличенной анодной составляющей по току. В работе Ik/Ia варьировалась в пределах 0,8 до 1,2. Напряжение анодной составляющей зависит от силы тока, электросопротивления электролита и материала обрабатываемого изделия. Увеличение напряжения ведет к снижению энергоэффективности процесса и увеличению стоимости конечной продукции. В исследованиях значение напряжения анодной составляющей не превышало 600 В. Увеличение температуры электролита в процессе обработки ведет к увеличению пористости, снижению прочности и расходу электролита на испарение. Температура электролита не должна превышать 40 °С, поэтому для обработки использовалась электролитическая ванна с контуром водяного охлаждения. Для исследования были выбраны широко распространенные алюминиевые сплавы: А5, Д-16, АМг-6, АМг-3 и АМц. Размеры образцов 100*100*3 мм, обработка производилась с двух сторон. Обработка проводилась в слабощелочных водных электролитах следующих типов: № 1 - силикатно-щелочной (содержит NaOH и Na2SiO3) - цвет покрытия серый; № 2 - фосфатно-боратный (содержит Na2HPO4, Na2B4O7, NaF) - цвет покрытия белый; № 3 - боратный (содержит H3BO3 и NaOH) - цвет покрытия светло-серый; № 4 - фосфатный, с добавками солей щелочных металлов (содержит Na2HPO4, K4[Fe(CN)6], Na2MoO4) -цвет покрытия - насыщенный черный. Толщину покрытий контролировали толщиномером ТТ-260 с вихретоковым датчиком N-01, на поперечных шлифах - при помощи оптического микроскопа Neophot-32. При обработке в электролите № 1 качественные равномерные покрытия получены на всех сплавах при следующих режимах: - время обработки t = 10-60 мин; - плотность тока i = 5-20 А/дм2; - соотношения анодной и катодной составляющей по току Ik/Ia = 0,8-1,2; - напряжение анодной составляющей Ua = 530-600 В; - температура электролита Т = 15-40 °С. Для обеспечения необходимой толщины покрытия 20 ± 5 мкм время обработки для различных сплавов t = 2-5 мин; процесс вели при следующих технологических параметрах: i = 15 А/дм2, Ik/Ia = 1, Ua = 550-560 (в зависимости от сплава), Т = до 30 °С. Время обработки для различных сплавов составляло: А5 - 12 мин, АМг3 - 12 мин, АМг6 - 15 мин, АМц - 20 мин, Д-16 - 18 мин. При обработке в фосфатно-боратном электролите № 2 качественные покрытия получены для всех сплавов, за исключением сплава АМГ-6. Режимы обработки: - время обработки t = 2-5 мин; - плотность тока i = 20-40 А/дм2; - соотношения анодной и катодной составляющей по току IjJIa = 0,8-1,2; - напряжение анодной составляющей Ua = 200-400 В; - температура электролита Т = 15-40 °С. Покрытие на образцах из материала АМг-6 получается с дефектами, углы обгорают. Это можно объяснить большим содержанием в сплаве магния, который активно взаимодействует с большим количеством элементов в составе электролита. При обработке в боратном электролите № 3 качественные покрытия получены для всех сплавов: - время обработки t = 60-90 мин; - плотность тока i = 5-20 А/дм2 ; - соотношения анодной и катодной составляющей по току Ik/Ia = 1; - напряжение анодной составляющей Ua = 590-650 В; - температура электролита Т = 15-40 °С. Толщина покрытия на образцах всех сплавов, полученная в данном электролите, не превышает 15 мкм. Поэтому обработка деталей большой площади в данном электролите экономически нецелесообразна. При обработке в электролите № 4 качественные покрытия получены для всех сплавов: - время обработки t = 5-15 мин; - плотность тока i = 10-20 А/дм2; - соотношения анодной и катодной составляющей по току Ik/Ia = 1; - напряжение анодной составляющей Ua = 200-300 В; - температура электролита Т = 15-40 °С. Для определения микроструктуры были изготовлены поперечные шлифы образцов. Поверхность шлифов перед исследованием подвергалась химическому травлению. Исследования проводили с использованием металлографического исследовательского комплекса SIAM на базе оптического микроскопа Neophot 32 при увеличениях *100-800. В результате исследования выявлено, что в покрытии на всех образцах можно выделить две характерные зоны, имеющие достаточно четкие границы раздела: - внешний очень пористый и непрочный слой, содержащий муллит; - переходный твердый слой, примыкающий к металлу, содержащий преимущественно кристаллический оксид алюминия двух модификацийю у-А12О3 и а-А12О3, которые образуются только при участии микродуговых разрядов. На образцах, полученных в силикатном электролите, наблюдается четкая граница раздела верхнего пористого, рыхлого слоя и плотного твердого слоя. 133 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 На образцах, полученных в фосфатно-боратном электролите, наблюдается снижение неровностей на поверхности образца, поверхность ровная, верхний рыхлый слой отсутствует или имеет минимальное значение по толщине. На образцах, полученных в фосфатном электролите с добавками солей переходных металлов, наблюдается значительная неровность поверхности и пористость покрытия. Исследования показали, что характер пористости оксидного покрытия зависит от плотности и соотношения токов, времени микроплазменной обработки и состава электролита. Из результатов исследования выявлено, что минимальная пористость покрытий получена в фосфатно-боратном электролите. Максимальная пористость покрытий получена в фосфатном электролите с добавками солей переходных металлов. Результаты исследования стехиометрического состава МДО-покрытий приведены в работе [2], выявлено, что в поверхности покрытия присутствуют оксид алюминия Al2O3, который получается в результате плазмохимических реакций, и элементы, перешедшие в покрытие из электролита в результате химических реакций (SiO2, P2O5 и др.). Также в покрытии в небольших количествах присутствуют оксиды металлов, содержащихся в алюминиевых сплавах. Например, для сплава Д16 наблюдается повышенное содержание в покрытии оксида меди, поскольку содержание меди в этом сплаве составляет 3,8-4,9 %. Шероховатость покрытия, сформированного МДО, определяли с помощью профилометра Г145. Значение шероховатости покрытия определялось как среднее арифметическое между пятью измерениями на отрезке 5 мм на одном образце. Шероховатость варьировалась от 2,2 до 4,5 Ra. Максимальное значение шероховатости (от 4 до 4,5 Ra) -на образцах, обработанных в фосфатном электролите с добавками солей переходных металлов. Минимальное значение шероховатости (от 2,2 до 2,5 Ra) достигнуто на образцах, обработанных в фосфатно-боратном электролите. Значения шероховатости образцов, обработанных в силикатном электролите, составило 3-3,8 Ra. Для определения теплостойкости МДО-покрытий образцы выдерживали при температурах 400, 500 и 600 °С в течение 60 мин. Теплостойкость покрытия определяли по изменению внешнего вида образцов с покрытием. Результаты исследований показали, что на образцах, обработанных в фосфатном электролите с добавками солей переходных металлов, происходит отслаивание покрытия при температуре 400 °С. На образцах, обработанных в остальных электролитах, не наблюдалось отслоения покрытия, изменения цвета, появления трещин и прочих дефектов (рис. 1). Испытания электрической прочности покрытия проводили на универсальной пробойной установке УПУ-1М переменным напряжением до 10 кВт. Результаты исследования показали, что напряжение пробоя для образцов составляет: - обработанных в силикатном электролите - 620-680 В; - обработанных в фосфатно-боратном электролите -420-450 В; - обработанных в фосфатном электролите с добавками солей переходных металлов - 280-320 В. б Рис. 1. Внешний вид образцов с покрытием: а - до испытания на теплостойкость; б - после испытания на теплостойкость Удельное сопротивление измеряли на приборе «тераомметр Е6-13А». Выявлено, что в зависимости от выбора электролита, параметров обработки и марки алюминиевого сплава удельные сопротивления покрытий изменялись в пределах от 6 • 1013 до 1 • 1014 Омм. Измерение коэффициента En проводили рефлектометром ТРМ-И. Результатом контроля является среднее арифметическое значение из 3-х измерений на образце. Измерение толщины оксидного покрытия МДО проводилось прибором ТТ-260 с вихретоковым датчиком. Измерение проводили в пяти точках образца. Результатом контроля является среднее арифметическое значение. Результаты измерений En и толщины покрытий представлены в таблице. 134 Технологические процессы и материалы Результаты экспериментальных измерений толщины и коэффициентов излучения Электролит Технологические режимы обработки Алюминиевый сплав (номер образца) Толщина, мкм Коэффициент излучения En Силикатный (содержит KOH и Na2SiO3) IJIa = 1 Ia = Ik = 30 A U+ = 508-560 B t = 20 мин S = 2 Дм2 А5 42 0,881 Д-16 37 0,896 АМг-6 41 0,903 АМг-3 42 0,897 АМц 26 0,843 Фосфатно-боратный (содержит Na2HPO4, Na2B4O7, NaF) Ik/Ia = 1 Ia = Ik = 60 A U+ = 240-310B t = 3 мин S = 2 Дм2 А5 13 0,832 Д-16 12 0,821 АМг-3 18 0,845 АМц 13 0,816 Фосфатный, с добавками солей щелочных металлов (содержит Na2HPO4, K4[Fe(CN)6], Na2MoO4) Ik/Ia = 1 Ia = Ik = 25 A U+ = 220-250 B t = 10 мин S = 2 Дм2 А5 15 0,891 Д-16 18 0,884 АМг-6 20 0,889 АМг-3 19 0,891 АМц 18 0,891 Для выявления зависимости влияния толщины покрытия на коэффициент излучения были проведены дополнительные исследования. Обработке подвергались образцы алюминиевых сплавов АМг-6 и А-5 в электролитах № 1 и 2. Для получения образцов с различной толщиной в процессе обработки изменялось время и плотность тока. Результаты исследований, представленные на рис. 2, показывают, что с увеличением толщины покрытия коэффициент излучения повышается, при этом толщина покрытия должна составлять не менее 20 мкм. -1 -2 1 - обработка в электролите № 1 сплава АМг-6; 2 - обработка в электролите № 2 сплава А-5 Исследования свойств покрытий позволили выявить технологические режимы обработки для получения покрытий с высоким коэффициентом излучения. Такими свойствами обладают образцы, полученные в фосфатно-боратном и силикатном электролитах. При проведении исследований было выявлено следующее: - нанесение покрытий в электролите № 3 нецелесообразно, поскольку полученные в данном электролите покрытия обладают низкими физико-механическими характеристиками: низкой твердостью, большой пористостью и шероховатостью, низкой теплостойкостью (при нагреве происходит отслаивание покрытия); - для нанесения покрытий на инфракрасные обогреватели приемлемыми являются силикатный и фос-фатно-боратный электролиты; - с увеличением толщины покрытия коэффициент излучения повышается, при этом толщина покрытия должна составлять не менее 20 мкм. На следующем этапе исследований было нанесено МДО-покрытие на пластины ИК-нагревателей. Испытания излучательной способности проводили для пластин без покрытия № 1, с МДО-покрытием двух типов - силикатным (№ 2) и фосфатно-боратным (№ 3), а также с покрытием, полученным гальваническим анодированием (№ 4). Схема испытания приведена на рис. 3. К пластине ИК-нагревателя тепло подводилось через электронагреватель (ТЭН). Через каждые 10 мин проводили замеры температуры поверхности нагревателя и нагреваемого тела (медной пластины). Нагреваемое тело (медная пластина) Рис. 3. Схема измерения температур нагревателя и нагреваемого тела На гистограмме (рис. 4) видно, что МДО-покрытия по своим характеристикам близки к покрытиям, полу- 135 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 ченным гальваническим анодированием. Пластина без покрытия значительно нагревается и обладает меньшей теплоотдачей, что также подтверждается результатами измерения тепловизора (рис. 5). Результаты измерений тепловизором подтверждают данные измерения температур контактным методом. По полученным данным можно сделать вывод, что покрытия, получаемые методом МДО, практически не уступают по теплоотдаче анодным. Возможно увеличение коэффициента излучения путем подбора технологических режимов обработки. Рис. 4. Результаты измерений температур поверхности нагревателя (Т1) и нагреваемого тела (Т2) С №1 №2 №3 №4 в г Рис 5. Распределение температур на поверхности нагревательных пластин: а - МДО-покрытие (фосфатно-боратный электролит); б - МДО-покрытие (силикатно-щелочной электролит); в - анодное покрытие; г - без покрытия Технологии микродугового оксидирования могут быть рекомендованы для получения покрытий для ИК-нагревателей, так как по сравнению с гальваническим анодированием этот процесс более производительный, экологически безопасный и не требующий предварительной подготовки поверхности под покрытие.

Sobre autores

Anatolii Miheev

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: michla@mail.ru
Doctor of engineering sciences, Professor, head of the Department of Flying vehicles

Aleksei Girn

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: girn007@gmail.com
Candidate of Engineering Science, associate professor, associate professor of the Department of flying vehicles

Roman Alyakretsky

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: ankain-romario@yandex.ru
a student

Drar’ya Ravodina

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

postgraduate student

Tatiana Trushkina

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: Tatyana.si@mail.ru
postgraduate student

Bibliografia

Arquivos suplementares