Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений терминов

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Алюминий и сплавы на его основе

1.2 Электрохимические способы оксидирования

1.2.1 Анодирование алюминия и алюминиевых сплавов

1.2.2 Оксидирование алюминия и алюминиевых сплавов

1.3 Области применения и свойства покрытий, получаемых микродуговым оксидированием

2. Основная часть

2.1 Методика экспериментальных исследований

2.1.1 Рентгеноструктурный анализ

2.1.2 Растровая электронная микроскопия

2.1.3 Масс-спектрометрия вторичных ионов

2.1.4 Микротвердометр ПТМ-3

3. Расшифровка результатов эксперимента

3.1 Анализ элементного состава образца

3.2 Рентгеноструктурный анализ образца

3.3 Анализ исследования морфологии поверхности образца

3.4 Анализ исследования микротвердости образца

4. Охрана труда

4.1 Анализ опасных и вредных факторов при исследованиях

4.2.Расчет защитного заземления

5. Экономическая часть

5.1 Анализ рынка наукоемкой продукции на Украине

5.1.1 Установление цен на научно - техническую продукцию

5.1.2 Анализ основных факторов рынка наукоемкой продукции

Выводы

Перечень ссылок

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений терминов

ВИМС - вторичная ионная масс-спектрометрия

МДО - микродуговое оксидирование

МИМ - металлографический микроскоп

ПТБ - правила технической безопасности

ПТЭ - правила технической эксплуатации

ПУЭ - правила устройства электроустановок

РСА - рентгеноструктурный анализ

РЭМ - растровая электронная микроскопия

Введение

К легким металлам относят металлы с малой плотностью, менее 3 г/см³, и если исключить щелочно-земельные металлы, тоже обладающие низкой плотностью, то тогда к легким металлам можно отнести алюминий, магний и бериллий.

Из трех легких металлов алюминий имеет наибольшее значение, что хотя бы характеризуется объемом производства (второе место после железа) и невысокой стоимостью. Применять алюминий как конструкционный материал из-за низкой прочности совершенно нецелесообразно. Однако некоторые его свойства - высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность - позволяют весьма эффективно его использовать. Таким образом имеются несколько направлений применения технического алюминия:

а) высокая пластичность позволяет производить из алюминия глубокую штамповку, прокатку до тонкой толщины (например алюминиевая фольга для обертки конфет и др.);

б) высокая электропроводность (65% от меди) позволяет применять алюминий для электротехнических целей (проводниковый металл);

в) высокая коррозийная стойкость позволяет широко применять алюминий (например авиастроение и др.) [1].

До 1906 г. алюминий применяли только в чистом виде. Но сейчас широкое применение как конструкционный материал имеет не чистый алюминий, а его сплавы.

Важной особенностью алюминия и его сплавов является образование на воздухе пленки Al₂O₃, изолирующей металл от окружающей среды. Это обстоятельство и позволяет считать алюминий коррозионностойким металлом. Однако толщина этой пленки очень мала (приюлизительно 100 Е), поэтому для её увеличения и, соответственно, упрочнения алюминиевых сплавов можно применять микродуговое оксидирование (МДО). В данной работе исследовалась модификация свойств алюминиевого сплава, подвергнутого микродуговому оксидированию [2].

• 1. Аналитический обзор

1.1 Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий - элемент III группы периодической системы элементов Менделеева, порядковый номер 13, атомный вес 26.98. Температура плавления 660°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК-решетку с периодом а = 0.40413 нм. Плотность алюминия составляет 2.7 г/см³. Алюминий обладает высокой электропроводностью (с = 2.6548 Ом?м), составляющей 65% от электропроводности меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой I чистоты А999 (99.999% А1), высокой чистоты А-995 (99.995), А-99 (99.99), А-97 (99.97), А95 (99.95) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, АО (99.0).

Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al₂O₃) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:

- боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)₃ и оксидов других металлов - алюминиевая руда;

- алунит - (Na,K)₂SO_{4 *} Al₂(SO₄)_{3 *} 4Al(OH)₃ ;

- нефелин - (Na,K)₂O _* Al₂O_{3 *} 2SiO₂ ;

- корунд - Al₂O₃ - прозрачные кристаллы;

- полевой шпат (ортоклаз) - K₂O _* Al₂O_{3 *} 6SiO₂ ;

- каолинит - Al₂O_{3 *} 2SiO_{2 *} 2H₂O - важнейшая составляющая часть глины и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.

И хотя содержание его в земной коре 8.8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4.65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом [1].

Немецкий химик Ф. Вёлер в 1827 получил алюминий при нагревании хлорида алюминия AlCl₃ со щелочными металлами калием (K) и натрием (Na) без доступа воздуха.

Технический алюминий, поступающий в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов, маркируется АД и АД1. В качестве примесей в алюминии присутствуют Fе, Si, Cu, Mn, Zn, Ti. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью. Вследствие образования на его поверхности тонкой пленки Аl₂О₃. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость. Холодная пластическая деформация повышает предел прочности технического алюминия (АДН), но относительное удлинение снижается. В результате высокой пластичности в отожженном состоянии алюминий легко обрабатывается под давлением, но обработка резанием затруднена. Хорошо сваривается всеми видами сварки. Алюминий склонен к росту зерна, что ухудшает пластичность и внешний вид изделий. Применяется технический алюминий (АД и АД1) для элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокая тепло- и электропроводность. Так, например, из технического алюминия изготавливают витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, всевозможные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы, корпусы часов, фольгу, посуду, цистерны для молока и т. д.

Более широко применяются сплавы алюминия. Различают деформируемые сплавы и сплавы для фасонного литья [3].

Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (2.5 - 3.0 г/см³) в сочетании с достаточно хорошими механическими свойствами и удовлетворительной устойчивостью к окислению. По своим прочностным характеристикам и по износостойкости они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий [4].

Особо выделяются алюминиевые сплавы с повышенной пластичностью, содержащие до 2.8% Mg и до 2.5% Mn - они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной стойкости к алюминию.

Дуралюмины - от французского слова dur - твердый, трудный и aluminium - твердый алюминий. Дуралюмины - сплавы на основе алюминия, содержащие:

- 1.4-13% Cu;

- 0.4-2,8% Mg;

- 0.2-1,0% Mn;

- иногда 0.5-6.0% Si;

- 5-7% Zn;

- 0.8-1.8% Fe;

- 0.02-0.35% Ti и др.

Дуралюмины - наиболее прочные и наименее коррозионно-стойкие из алюминиевых сплавов. Склонны к межкристаллической коррозии. Для защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют чистым алюминием. Они не обладают хорошей свариваемостью, но благодаря своим остальным характеристикам применяются везде, где необходима прочность и легкость. Наибольшее применение нашли в авиастроении для изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей.

Магналии - названы так из-за большого содержания в них магния (Mg), сплавы на основе алюминия, содержащие:

- 5-13% Mg;

- 0.2-1.6% Mn;

- иногда 3.5-4.5% Zn;

- 1.75-2.25% Ni;

- до 0.15% Be;

- до 0.2% Ti;

- до 0.2% Zr и др.

Магналии отличаются высокой прочностью и устойчивостью к коррозии в пресной и даже морской воде. Магналии также хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO₃, разбавленной серной кислоты H₂SO₄, ортофосфорной кислоты H₃PO₄, а также в средах, содержащих SO₂.

Применяются как конструкционный материал в авиастроении, судостроении, машиностроении (сварные баки, заклепки, бензопроводы, маслопроводы), для изготовления арматуры строительных сооружений, для изготовления деталей холодильных установок, для изготовления декоративных бытовых предметов и др.

При содержании Mg выше 6% магналии склонны к межкристаллической коррозии. Обладают более низкими литейными свойствами, чем силумины.

Силумины - сплавы на основе алюминия с большим содержанием кремния (Si).

В состав силуминов входят:

- 3-26% Si;

- 1-4% Cu;

- 0.2-1.3% Mg;

- 0.2-0.9% Mn;

- иногда 2-4% Zn;

- 0.8-2% Ni;

- 0.1-0.4% Cr;

- 0.05-0.3% Ti и др.

При своих относительно невысоких прочностных характеристиках силумины обладают наилучшими из всех алюминиевых сплавов литейными свойствами. Они наиболее часто используются там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные по форме детали. По коррозионной стойкости занимают промежуточное положение между дуралюминами и магналиями. Нашли свое основное применение в авиастроении, вагоностроении, автомобилестроении и строительстве сельскохозяйственных машин для изготовления картеров, деталей колес, корпусов и деталей приборов.

Также существуют сплавы, состоящие из Al и 20-22% Al₂O₃. Их получают спеканием окисленного алюминиевого порошка. После спекания частицы Al₂O₃ играют роль упрочнителя.

Прочность данного соединения при комнатной температуре ниже, чем у дуралюминов и магналиев, но при температуре превышающей 200 °С превосходит их.

При этом данные сплавы обладают повышенной стойкостью к окислению, поэтому они незаменимы там, где температура эксплуатации превышает 400 °С [5].

1.2 Электрохимические способы оксидирования

В воздухе на поверхности алюминия образуется оксидная пленка, которая практически не разрушается в атмосфере, воде и окислительных средах. Однако толщина пленки очень невелика, ее защитная способность значительно ослаблена из-за наличия легирующих компонентов. Поэтому алюминий и его сплавы обычно подвергаются искусственному оксидированию, создают пленку большей толщины.

Из химических и электрохимических методов оксидирования преимущественно пользуются электрохимическим способом анодного оксидирования, при котором покрытие получается лучшего качества [6].

1.2.1 Анодирование алюминия и алюминиевых сплавов

Анодирование обеспечивает образование устойчивой защитной пленки, которая может быть окрашена в любой цвет. При анодировании постоянным током деталь сначала полируют до зеркального блеска (царапин и вмятин не должно быть), обезжиривают ацетоном и затем в течение 3 - 5 минут раствором едкого натра (50 г/л). Температура раствора должна быть около 50? С. После обезжиривания желательно провести химическое полирование. Для этого деталь необходимо поместить на 5 -10 минут в состав из 75 объемных частей орто-фосфорной кислоты и 25 серной кислоты. Температура состава должна быть 90 - 100? С.

Деталь после полирования промывают и опускают в ванну, заполненную 20%-ным раствором серной кислоты (температура электролита не более 20? С). Ванной может служить стеклянная, керамическая или эмалированная посуда. Подвеска для детали должна быть алюминиевой. Анодом является деталь. Катод - свинцовая пластинка. Контакты токопроводов (алюминиевых) с анодом и катодом должны быть очень надежными. Их лучше выполнять клепкой или пайкой. Напряжение на электродах поддерживают 10 - 15 В. Плотность анодного тока для алюминиевых деталей 0.15 - 0.20, для деталей из дюралюминия 0.2 - 0.3 А/м². Необходимую плотность тока можно обеспечить изменением напряжения в указанных пределах и изменением расстояния между электродами. Время анодирования 25 - 50 минут.

Качество анодирования проверяют следующим образом. Химическим карандашом проводят черту по анодированной поверхности детали (в незаметном месте). Если черта не будет смываться под проточной водой, анодирование выполнено хорошо. Деталь после проверки промывают и опускают в водный раствор анилинового красителя на 10 - 15 минут. Температура раствора 50 - 60? С [7].

Если деталь опустить в 10%-ный раствор двухромовокислого калия на 10 - 15 минут при температуре 90? С, то она окрасится в золотистый цвет.

Окончательный процесс - уплотнение (закрытие) пор пленки. Поры уплотняются после кипячения детали в воде в течение 15 - 20 минут. Деталь после просушки можно покрыть бесцветным лаком или клеем БФ - 2, БФ - 4.

При анодировании переменным током все подготовительные и заключительные операции аналогичны описанным выше. Особенность состоит в том, что анодируются сразу две детали (если деталь одна, то в качестве второго электрода используют алюминиевый лист или болванку). При переменном напряжении 10 - 12 В добиваются такой же плотности тока, как при анодировании постоянным током. Время анодирования 25 - 30 минут [2].

1.2.2 Оксидирование алюминия и алюминиевых сплавов

Микродуговое оксидирование (МДО) - один из наиболее перспективных видов поверхностной обработки, получающий в последнее время широкое распространение для получения многофункциональных покрытий, находящих применение в самых различных отраслях промышленности [8].

Микродуговое оксидирование относится к электрохимическим процессам, но его отличительной особенностью является использование энергии электрических микроразрядов в электролите на поверхности обрабатываемых изделий для получения особых свойств покрытий. Это позволяет получать керамикоподобные покрытия с регулируемыми в широком диапазоне составом, структурой и свойствами и использовать их в качестве износо- и коррозийностойких, электроизоляционных и теплостойких, а также как декоративные покрытия.

Микродуговое оксидирование берет свое начало от традиционного анодирования и по своей сути имеет с ним много общего, но есть ряд существенных отличий от него, а именно: процесс ведется при напряжениях на порядок выше (до 1000В); используется в основном не постоянный, а переменный ток; применяются в основном не кислотные, а слабощелочные электролиты [9].

Наибольшее распространение МДО - процесс получил для обработки вентильных металлов и их сплавов (алюминий, магний, титан, тантал, ниобий, цирконий и т. д.).

При оксидировании алюминия и алюминиевых сплавов детали очищают от загрязнений, тщательно обезжиривают в бензине или, если они сильно загрязнены, в кипящем растворе кальцинированной (безводной) соды, после чего промывают в теплой (50 - 60^о С), а затем в холодной воде до тех пор, пока вся поверхность не станет равномерно смачиваться. Для оксидирования готовят раствор, содержащий 50 г кальцинированной соды, 15 г хромовокислого натрия и 1 г силиката натрия на один литр дистиллированной (в крайнем случае кипяченой) воды. В подогретый до 80^о С раствор деталь опускают на 10 минут. Затем ее тщательно промывают в проточной воде.

Можно предложить и другой способ оксидирования алюминия. Деталь крацуют (чистят поверхность кардощеткой), делая небольшие штрихи в разных наравлениях, создавая определенный рисунок. Стружку и грязь удаляют чистой ветошью. Затем поверхность детали покрывают ровным слоем 10% - ного раствора едкого натра (температура раствора 90 - 100^о С). После высыхания раствора на поверхности детали образуется красивая пленка с перламутровым отливом. Сверху пленку покрывают бесцветным лаком. Пленка получится более красивой, если перед нанесением раствора едкого натра деталь нагреть до 80 - 90^о С [10].

1.3 Области применения и свойства покрытий, получаемых микродуговым оксидированием

Алюминий и его сплавы, являясь перспективными материалами, обладают низким модулем упругости, недостаточной износо- и коррозионной стойкостью. Вместе с тем оксидные покрытия алюминия по структуре, строению, морфологии, составу и свойствам не тождественны ни одной из его известных модификаций [8].

Покрытия представляют собой оксидные пленки, формируемые под действием электрической дуги в специальном электролите. Покрытия, полученные технологией микродугового оксидирования, применимы для деталей и изделий различной группы сложности.

Накопленные сведения о микроплазменных процессах формирования оксидных покрытий на металлах позволяют классифицировать эти процессы по следующим признакам:

а) по виду поляризация - анодные, катодные, анодно-катодные (переменно - полярные). При этом поляризация может быть непрерывной и импульсной;

б) по характеру разрядов - искровые, микродуговые и дуговые;

в) по составу электролита - кислотные, щелочные, солевые и комбинированные;

г) по характеру процесса:

- оксидирование - окисление поверхностных слоев металлических изделий химической или электрохимической обработкой либо воздействием воздуха при высоких температурах;

- электрофорез - движение под действием внешнего электрического поля дисперсных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой или газообразной среде;

- термохимические превращения - получение покрытий за счет тепловых эффектов химических процессов и теплоты фазовых переходов;

- травление - химическая обработка, обычно растворами кислот, твердых материалов для изменения вида и свойств их поверхности.

Оксидные слои, формирующиеся при микроплазменных процессах, могут образовываться как за счет оксидирования материала основы, так и за счет термохимических превращений составляющих электролита на поверхности детали и их последующего оплавления на поверхности [9].

Оксидирование в кислых и щелочных растворах обеспечивает разные свойства покрытий сообразно природе электролита. Основные технологические параметры, позволяющие управлять процессом оксидирования и свойствами покрытий: концентрация раствора электролита, напряжение и плотность тока, температура, продолжительность процесса, последующая термическая обработка. Наиболее часто рост оксидного слоя протекает через стадии анодного оксидирования в безыскровом режиме; искрового; микродугового и дугового оксидирования. Переход от одной стадии процесса к другой обусловлен изменением структуры оксидного слоя.

При оксидировании в безыскровом режиме объемный заряд сосредоточен преимущественно на границе металл - оксидный слой в области барьерного слоя. Переход в режим искрения сопровождается электрическим пробоем образовавшегося оксида и его частичным разрушением. Сочетание процессов электрического пробоя барьерного слоя и плазмохимического образования расплавленного оксида в местах пробоя приводит к утолщению первичного барьерного слоя и перемещению зон объемного заряда в глубь покрытия. Это приводит процесс в микродуговой режим, при котором микроплазменные разряды не достегают границы металл-оксид. Рост оксидного слоя осуществляется за счет диффузии металла через слои оксида в зону объемного заряда и встречного движения частиц электролита под действием поля в зону разряда. Скорости роста внутренних (до зоны объемного заряда) и внешних слоев покрытия различаются. С большей скоростью обычно наращиваются внешние слои. Это приводит к изменению как свойств покрытий, так и условий для теплоотвода из зоны микроплазменного разряда. Следствием этих процессов может явиться тепловой пробой зоны объемного заряда, сопровождающийся разрушением покрытия зачастую на всю толщину. Процесс переходит в другой режим.

Уровень напряженности электрического поля в покрытии обеспечивается формированием в структуре оксидного слоя либо зоны объемного заряда, либо слоя диэлектрика в объеме или на поверхности покрытия [11].

Изменение химического состава материала может быть достигнуто как изменением химического состава материала, так и введением добавок в электролит при оксидировании. При этом добавки в электролит могут быть как растворимыми, так и нерастворимыми [12].

К основным изменениям функциональных свойств изделий, подвергаемых оксидированию, можно отнести:

а) для повышения защитных свойств покрытий необходимо проведение процесса оксидирования в микродуговом режиме с введением в электролит химически стойких соединений в мелкодисперсной или коллоидных формах;

б) для повышения электроизоляционных свойств покрытий необходимо проведение процесса, обеспечивающего ускоренный рост внутренних слоев покрытия, либо периодическое уменьшение толщины или сопротивления внешних слоев;

в) для повышения теплозащитных свойств покрытий процесс проводится в микродуговом или дуговом режимах с введением в состав электролита растворимых или нерастворимых частиц, способных образовывать оксиды с низким коэффициентом теплопроводности. В связи с этим следует увеличивать пористость и толщину внешнего слоя покрытия;

г) для повышения износостойкости покрытии следует проводить процесс в микродуговом режиме, обеспечивая рост внутренних слоев покрытия, и включая в электролит частицы, способные образовывать смешанные оксиды с оксидами материала основы.

Технология оксидирования обеспечивает высокий уровень свойств. Так, покрытие толщиной 3 - 100 мкм увеличивает поверхностную твердость в 10 - 200 раз. Износостойкость поверхности, например, зубчатых колес, копиров, нитеводителей, шкивов и других деталей возрастает в 3 - 5 раз.

Такие покрытия широко внедряются в медицине, машиностроении и радиоэлектронной промышленности [13].

алюминий сплав оксидирование

2. Основная часть

2.1 Методика экспериментальных исследований

2.1.1 Рентгеноструктурный анализ

Влияние микрооксидирования на фазовый состав изучали с помощью дифракции рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный анализ (РСА) образца технически чистого алюминия проводился на установке ДРОН-2.0. Дифрактограммы снимались на углах 2 от 20° до 110 в медном K-излучении [14].

Дифрактометр предназначен для проведения разных рентгенографических исследований поликристаллических образцов и монокристалов. Универсальность прибора обусловленная возможностью использование разных вариантов геометрии снятия, сменных специализированных приставок к гониометру, изменения детекторов, а также применение разных методов регистрации дифракционной картины. Геометрия снятия может изменяться в широких границах, которые достигается использованием трубок с разными размерами фокуса.

Технические характеристики ДРОН-2.0: границы измерения углов дифракции от - 90 + 164° , точность измерения углов дифракции ± 0.005 град суммарная погрешность измерения интенсивности за 10 часов работы не большее 0.5 % [15].

Расшифровывание дифрактограм выполнялось по такой методике:

а) сначала определяют, к какому типу структуры принадлежит исследуемая фаза, которая исследуется, (гексагональная, тетрагональная, кубическая и др.);

б) из формулы Вульфа-Брегга

 2dsin=nl, ( 2.1)

где d - межплоскостное расстояние;

- угол падение;

n - порядок отражения;

- длина волны

находят межплоскостные расстояния d:

.(2.2)

Для медного излучения =1.5418 нм [15].

в) определив межплоскостное расстояние d, с использованием таблиц - дублетов находят возможные элементы или соединения. Например, если проводится обработка алюминиевого образца, то наибольшее внимание необходимо обратить на межплоскостные расстояния, которые отвечают межплоскостным расстояниям предполагаемого материала;

г) идентифицировав некоторые пики, которые отвечают исследуемому материалу, ищут другие пики на дифрактограмме, которые отвечают этому материалу. При этом необходимо учитывать интенсивность одних пиков относительно других для каждого материала;

д) определяют поправку на погрешность прибора (инструментальную погрешность) по пикам, которые идентифицированы, и переградуируют шкалу углов 2, учитывая эту погрешность;

е) вычисляют межплоскостные расстояния по формуле (2.2);

ж) с использованием таблиц - дублетов определяют фазы неидентифицированных пиков, которые остались. Зная материал основы, необходимо обращать внимание на наиболее возможные соединения. Например, на поверхности алюминия преимущественно получается оксидная пленка. Поэтому наиболее вероятным соединением может быть Al₂O₃. В зависимости от вида обработки могут появляться те или другие фазы;

з) определяют параметры решетки идентифицируемого материала, который идентифицируется, по пиками, находящихся на больших углах 2 дифрактограммы.

Например, для ромбоэдрической решетки a-Al₂O₃ параметры решетки а и б можно определить, решив систему двух уравнений, если знать межплоскостные расстояния двух интерференционных пиков этой фазы d₁ и d₂:

, (2.3)

где h, k, l - индексы Миллера;

а и б - параметры решетки.

Для определения межплоскостного расстояния кубической решетки (Al) достаточно знать межплоскостное расстояние одного пика. Тогда

, (2.4)

и) если нет литературных данных для межплоскостных расстояний для предвиденного соединения, но известен тип решетки и ее параметры, то не можно определить межплоскостные расстояния для интерференционных пиков этого соединения из формулы (2.2) в случае ромбоэдрической решетки, а из формулы (2.3) - в случае кубической решетки, подставляя разрешенные значения индексов Миллера для данного типа решетки [16].

2.1.2 Растровая электронная микроскопия

Использование растровой электронной микроскопии дает возможность изучения морфологии поверхности и исследование внутренней структуры при рассмотрении косых шлифов [17].

Морфологию алюминиевого сплава после микродугового оксидирования исследовали на растровом электронном микроскопе РЭМ-102Э при увеличении от 182 до 554.

2.1.3 Масс-спектрометрия вторичных ионов

В процессе распыления поверхностные слои разрушаются, и потому измерение относительного содержимого продуктов распыления представляет собой прямой метод определения состава разрушенного слоя. Распыленные частички испускаются в виде:

а) нейтральных атомов, которые находятся в разных возбужденных состояниях,

б) положительных и отрицательных ионов, заряженных единовременно или многократно, и в виде кластеров.

Отношение количества ионов к количеству нейтральных частичек может изменяться для того же самого образца на несколько порядков в зависимости от состояния поверхности. Анализ продуктов распыления является наилучшим способом исследования поверхности. Он используется при измерении маленьких концентраций атомов в твердых телах.

Наиболее широко распыление применяется с целью дальнейшей регистрации и анализа ионизированных продуктов распыления - вторичных ионов [14]. Это дало название метода - масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС). Все приборы ВИМС позволяют выполнять поверхностный и объемный анализ концентрации элементов. При одному из режимов работы пучок ионов перемещается по поверхности образца, на которой он создает кратер. Чтобы не регистрировались ионы от стенок кратера, система детектирования поставляется электронными воротами, которые пропускают сигналы от ионов из центральной части кратера [18].

Спектры вторичных ионов имеют сложную структуру, так как создаются не только единовременно или многократно заряженными ионами атомов, но и всеми другими ионизированными кластерами. Однако в большинстве случаев преобладает выход единовременно ионизированных атомов [19].

2.1.4 Микротвердометр ПТМ-3

Измерение твердости вследствие скорости и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия строить заключения про его свойства, получило широкое применение для контроля качества металлов в металлических изделиях и деталях. Ее исследованием занимались авторы многих работ [18, 19].

Исследование твердости обусловлено такими преимуществами ее измерения:

а) между твердостью пластических металлов, которая определяется способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом временным сопротивлением), существует количественная зависимость. Размер твердости характеризует временное сопротивление металлов, которые получают во время испытаний на растягивание сосредоточенную пластическую деформацию (шейку). Это связано с тем, что при испытаниях на растяжение при большей нагрузке, предшествующей разрушению, и отношению к его начальной площади (временное сопротивление), отвечает сосредоточенная пластическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогичная деформации, которая создается в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника. По величине твердости можно определять некоторые пластические свойства материалов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также границу выносливости металлов [18];

б) измерение твердости по технике выполнения провести значительно более просто, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытание твердости не требует изготовления специальных образцов и выполняется непосредственно на исследуемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадке, а иногда даже и без такой подготовки. Измерение твердости выполняется быстро, например, при вдавливании конуса за (30-60) с, а при вдавливании шарика за (1-3) мин;

в) измерение твердости обычно не влечет за собою разрушение исследуемой детали и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовления специальных образцов из детали;

г) твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, толщина которых не превышает (для некоторых способов измерения твердости) десятых частей миллиметра, или в микрообъемах металла [11].

Испытание на микротвердость очень часто используют на практике. Его применяют для измерения твердости тонких пленок, покрытий.

Исследование микротвердости алюминиевого образца проводилось с помощью микротвердометра ПТМ-3. Измерение микротвердости выполняли для определения твердости тонкого модифицированного слоя. В качестве индентора использовали алмазную пирамидку, имеющую форму ромба.

Микротвердость измеряли после микродугового оксидирования при нагрузке 10 грамм, что отвечает глубине проникновения индентора от нескольких десятых до нескольких микрометров.

Для образца выполняли 6 измерений. Микротвердость рассчитывали как отношение действующей на индентор силы к размеру проекции отпечатка по формуле [19]:

,(2.5)

где P - нагрузка, Н;

d - диагональ отпечатка.

Значение микротвердости для каждого образца усредняли по формуле:

, (2.6)

где n - количество испытаний;

H_i - значение микротвердости в каждом испытании;

i - номер испытания [19].

• 3. Расшифровка результатов эксперимента

3.1 Анализ элементного состава образца

Анализ элементного состава алюминиевого сплава в исходном состоянии и после обработки методом микродугового оксидирования проводился с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС).

В исходном состоянии на масс-спектре ВИМС четко видны пики таких металлов как Al⁺, Mg⁺, Mn⁺, V⁺ и Fe⁺. Марганец, магний и ванадий являются легирующими элементами сплава, а железо, является неизбежным загрязнением системы Al-Mg-Mn [1].

Также обнаружены небольшие пики загрязний Na⁺, Ca⁺, K⁺, H₂O⁺ и С⁺ на поверхности исследуемого сплава. Эти элементы попали на поверхность в результате обработки образца при его подготовке к исследованиям.

Кроме того на масс-спектре обнаружен большой по интенсивности пик Ar⁺. Это связано с использованием пучка аргона для выбивания атомов из поверхности образца при ионном травлении методом вторичной ионной масс-спектрометрии.

Помимо этого присутствуют небольшие пики кластеров и AlO⁺, что является подтверждением наличия оксидной пленки Al₂O₃ на поверхности исследуемого сплава.

Масс-спектр алюминиевого сплава после микродугового оксидирования в растворе Cr(OH)₃ представлен на рисунке 3.1.

В отличие от масс-спектра алюминиевого сплава в исходном состоянии здесь появились новые пики Cr⁺, VO⁺, MnO⁺, MgO⁺, а интенсивность пика AlO⁺ заметно увеличилась.

Наличие пиков оксидов свидетельствует об окислении поверхности исследуемого сплава, а увеличение интенсивности пика AlO⁺ - о повышении концентрации оксида алюминия на поверхности.

Наличие кластеров с большей молярной массой на масс-спектре не зафиксирована из-за низкой чувствительности ВИМС в диапазоне свыше 90 атомных единиц массы и меньшего количества двух- и трехатомных кластеров [14].

3.2 Рентгеноструктурный анализ образца

Исследование структура сплава Al-Mn-Mg-V-Fe в исходном состоянии и после микродугового оксидирования мы осуществляли с помощью рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.0.

Несмотря на высокую интенсивность Mg и Mn на масс-спектре ВИМС, на дифрактограмме пиков, соответствующих этим металлам, не обнаружено из-за растворения их в алюминиевой матрице. Присутствовали пики только алюминия.

После микродугового оксидирования алюминиевого сплава ситуация на дифрактограмме резко изменилась (рисунок 3.2). Резко выраженными оказались пики б-Al₂O₃ (202), б-Al₂O₃ (234) и б-Al₂O₃ (204), имеющие ромбоэдрическую решетку с параметром а=0.3253±0.0022 нм и углом б=56.65±0.8^о [20]. А интенсивности пиков Al(200), Al(311) и Al(400), имеющих кубическую ГЦК-решетку с параметром решетки а=0.4032±0.0303 нм [20], уменьшились в значительной степени. Это свидетельствует об образовании толстой пленки Al₂O₃ на поверхности сплава.

Кроме того обнаружены небольшие пики CrO₃. Их наличие является результатом электролиза хрома из раствора электролита в поверхностные слои обрабатываемого алюминиевого сплава.

В таблице 3.1 представлены результаты расшифровки дифрактограммы сплава Al-Mn-Mg-V-Fe после обработки микродуговым оксидированием.



Литературные данные [15, 16]	б, град	-	-	55.3	-	-	55.3	-	-	55.3	-
	a, нм	0.4040	-	0.3165	-	-	0.3165	-	0.4040	0.3165	0.4040
	dhkl, нм	0.2020	0.2000	0.1740	0.1740	0.1710	0.1233	0.1230	0.1219	0.1040	0.1011
	I, отн ед	0.40	0.07	0.50	0.15	0.03	0.20	0.02	0.30	0.08	0.02
	2и?	44.9	45.3	52.6	52.6	53.6	77.4	77.4	78.4	95.7	99.4
Экспериментальные данные	Состав	Al	CrO3	б-Al2O3	CrO3	CrO3	б-Al2O3	CrO3	Al	б-Al2O3	Al
	б, град	-	-	55.8	-	-	56.0	-	-	57.4	-
	a, нм	0.4063	-	0.3231	-	-	0.3250	-	0.4002	0.3275	0.4049
	hkl	200	200	202	-	-	234	-	311	204	400
	dhkl, нм	0.2031	0.2031	0.1758	0.1758	0.1715	0.1239	0.1239	0.1207	0.1057	0.1012
	I, отн ед	0.16	0.16	1.00	1.00	0.06	0.59	0.59	0.06	0.33	0.03
	2и?	44.6		52		53.4	76.9		79.4	93.7	99.2
	№ пика	1		2		3	4		5	6	7

Таблица 3.1 Расшифровка дифрактограммы алюминиевого сплава посло МДО

3.3 Анализ исследования морфологии поверхности образца

Исследование морфологии поверхности и косого шлифа обработанного алюминиевого сплава проводилось с помощью растрового электронного микроскопа РЭМ-102Э и металлографического микроскопа МИМ - 7.

Существенных отличий исследований с помощью РЭМ и МИМ не обнаружено. Качество фотоснимков после МИМ значительно хуже, чем после РЭМ. Поэтому в данной дипломной работе снимки МИМ не приводятся.

При исследовании морфологии поверхности алюминиевого сплава методом растровой электронной микроскопии было обнаружено наличие инородных участков. Их видно на снимках РЭМ, сделанных на поверхности обработанного алюминиевого образца и на косом шлифе

Из этих снимков следует, что оксидная пленка не является однородной по толщине, что можно объяснить неравномерностью окисления различных участков поверхности сплавов.

Учитывая результаты исследования ВИМС и РСА можно предположить, что капельки на сером фоне (т.е. на Al₂O₃) являются включениями фазы CrO₃.

3.4 Анализ исследования микротвердости образца

Для исследования влияния микродугового оксидирования на свойства алюминиевого сплава проводилось исследование микротвердости на микротвердометре ПТМ-3 с нагрузкой 10 г.

Микротвердость исходного необработанного участка составляет порядка 12.6 кПа (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Измерение микротвердости алюминиевого сплава

№ измерения	Микротвердость, кПа
1	11.92
2	11.29
3	12.26
4	13.36
5	11.29
6	10.99

Измерить микротвердость на обработанных участках образца не представилось возможным из-за выкрашивания твердых, но хрупких участков фазы б-Al₂O₃.

Из этого можно сделать вывод, что микродуговое оксидирование алюминиевого сплава привело к образованию очень твердой фазы Al₂O₃ на поверхности исследуемого образца.

Недостатком этой обработки является высокая хрупкость этого покрытия и плохая адгезия (связаннная с наличием границы раздела фаз) между полученной фазой и матрицей основного материала.

4. Охрана труда

Наиболее важным условием проведения научно-исследовательских работ является обеспечение безопасности, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе трудовой деятельности. Это может быть обеспечено выполнением научно обоснованных правил и норм как при проектировании и монтаже, так и при эксплуатации экспериментальной установки. Так как при экспериментальном исследовании возникает ряд потенциальных опасностей и вредностей, то становится очевидной необходимость исследования установки с точки зрения требований охраны труда.

4.1 Анализ опасных и вредных факторов при исследованиях

Все эксперименты необходимые для исследований (изучение модификации свойств Al₂O₃ при микрооксидировании) проводились в лаборатории на установках ВИМС и ДРОН-2. Исследование микротвердости проводилось на микротвердометре.

При эксплуатации данных установок экспериментатор, в соответствии с ГОСТ 12.0.003-74 [22] может подвергаться воздействию следующих опасных производственных факторов:

--воздействию электрического тока;

--повышенное значение напряжения в электрической сети, замыкание которой может произойти через тело человека;

--опасность возникновения пожара;

а также вредностей:

--рентгеновское излучение;

--недостаточная освещенность рабочей зоны;

--шум.

В соответствии со СНиП 11-90-81 [23] лаборатория по степени опасности поражения электрическим током относится к помещениям с повышенной опасностью (второй класс опасности) так как возможно одновременное прикосновение человека к металлоконструкциям здания имеющим соединения с землей (батареи отопления, трубопровод водоснабжения), и к металлическим конструкциям электрооборудования (корпус стенда).

Для устранения воздействия опасных и вредных факторов настоящим разделом дипломной работы предусматриваются следующие мероприятия. Токоведущие части (соединительные провода) выбираются с двойной изоляцией в соответствии с ГОСТ 12.2.007-75 [24] для обеспечения защиты от случайного прикосновения. Для защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическому корпусу установок ВИМС и ДРОН , который может оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, предусматривается применение защитного заземления. В соответствии с ГОСТ 12.2.007-75 [25] заземление корпуса является обязательным, так как установка на номинальное переменное напряжение 380В находится в помещении с повышенной опасностью поражения электрическим током.

По способу защиты от поражения электрическим током приборы ВИМС и ДРОН-2 относятся к 01 классу защиты согласно ГОСТ 12.2.007-75 [24]. Перед включением в сеть этого оборудования необходимо убедиться в исправности сетевого соединительного шнура, защитного заземления.

По степени защиты от поражения электрическим током используемые в установке магниторазрядный насос, форвакуумный насос, диффузионный насосы относятся, в соответствии с ГОСТ12.2.007-75 [24] , к 01 классу защиты. Перед тем как включать насосы в сеть, необходимо убедиться в исправности сетевого соединительного шнура и соединить клемму "заземление" с шиной защитного заземления .

Согласно СНиП 11-90-81 [23] помещение, где проводится эксперимент, относится к категории В -- пожароопасное, так как в нем находятся твердые сгораемые вещества и материалы (деревянные столы, шкафы, пластмасса, бумага).

В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 [26] противопожарная защита обеспечивается:

--предотвращением образования горючей среды или внесения в нее источников зажигания. Для обеспечения выполнения этого требования запрещено курение в лаборатории;

--применением средств пожаротушения;

--устройством системы пожарной сигнализации автоматического действия с тепловыми извещателями.

В качестве первичного средства пожаротушения предполагается использовать ручной огнетушитель ОУ--5, который в соответствии с ГОСТ 12.4.009-83 [27] размещается на высоте 1.5 м от уровня пола до нижнего торца огнетушителя. Так как при возникновении пожара оборудование может оказаться под напряжением, то выбран углекислотный огнетушитель.

Используемая при проведении эксперимента установка ВИМС является источником электромагнитного излучения, возникающего в вакуумной камере. Предельный уровень напряженности электрического поля, согласно техпаспорту, не превышает предельно допустимого уровня, равного 20 В/м (ГОСТ 12.1.006-84) [28].

Известно, что шум, неблагоприятно воздействуя на организм человека, вызывает психические и физиологические нарушения, снижающие работоспособность и создающие предпосылки для общих и профессиональных заболеваний и производственного травматизма[29].

Источником шума являются форвакуумные, диффузионные, паромасляные насосы установки ВИМС и ДРОН-2, а также масс-спектрометр. Уровень звукового давления не превышает 60 дБ, что менее предельно допустимого уровня по ГОСТ 12.3.002-75 [29]. Снизить уровень шума в лаборатории можно использованием звукопоглощающих материалов с максимальными коэффициентами звукопоглощения в области частот 63 - 8000 Гц для отделки помещений, подтвержденных специальными акустическими расчетами.

Дополнительным звукопоглощением служат однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен и подвешенные в складку на расстоянии 15 - 20 см от ограждения. Ширина занавеси должна быть в 2 раза больше ширины окна.

В соответствии с указанными стандартами мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения при работе прибора ДРОН-2 в любой точке на расстоянии 0.05м. от корпуса при любых положениях регулировочных устройств не должна превышать 7.74х10 А/кг, что соответствует эквивалентной дозе, равной 0.1 мбэр/час (100 мкР/час).

4.2 Расчет защитного заземления

Заземлению подлежат корпуса эксперементальных установок приборов , ДРОН-2 и РЕМ в соответствии с ГОСТ 12.1.019-79 [30]. Как известно, защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. По расположению заземлителей относительно заземленных корпусов заземления делят на выносные и контурные. В данном случае будет использоваться выносное заземление, т.е. заземлители будут располагаться на некотором удалении от заземляемого оборудования, и безопасность обеспечивается только за счет малого сопротивления заземления. Для расчета защитного заземления воспользуемся методом, изложенным в [31].

Цель расчета заземления: определить число и длину вертикальных элементов (труб), длину горизонтальных элементов (соединительных шин) и разместить заземлитель, исходя из регламентированных правилами значения допустимого сопротивления заземления.

Для защитного заземления оборудования принимаем следующие данные: напряжение сети - до 1000В; мощность трансформатора - до 100кВА; тип заземлительного устройства - вертикальный; размер заземлителей - длина труб (м), диаметр труб (м), ширина соединяющей полосы (м), глубина заложения (м); расположение заземлителей - вертикально в один ряд; грунт - супесок; климатическая зона - вторая. Схема заземлительного устройства приведена на рис.4.1.

Рисунок 4.1 - Схема заземлительного устройства

В соответствии с ПУЭ, ПТБ и ПТЭ определяем допускаемое сопротивление растекания тока в заземлительном устройстве R_з=10 Ом для сети до1000 В.

Определяем удельное сопротивление грунта (супесок), рекомендуемое для расчета, с_табл. =300 Омм.

Определяем повышающий коэффициент для труб К_п.т. и для полосы К_п.п., учитывающий изменение сопротивления грунта в различное время года в зависимости от количества выпадаемых осадков: К_п.т.=1.5 К_п.п.=3.

Определяем удельное расчетное сопротивление грунта для труб _табл.т. с учетом неблагоприятных условий, учитываемых повышающим коэффициентом

_табл.т.=_табл.К_п.т.=3001.5=450 (Омм). (3.1)

Определяем удельное расчетное сопротивление грунта для полосового заземлителя

_табл.п.=_табл.К_п.п.=3003=900 (Омм). (3.2)

Определяем расстояние от поверхности земли до середины трубы

(м). (3.3)

Определяем сопротивление растекания тока для одиночного углублённого заземлителя, расположенного ниже поверхности земли на 0.6-0.8 м,

R_т=0.366(_табл.т./) (Ом). (3.4)

Определим необходимое число труб (одиночных заземлителей) без учёта коэффициента экранирования.

n_тэ.т.=R_т/R_з (3.5)

Определяем расстояние между трубами из соотношения

для заземлителей. Для углубленных стационарных заземлителей это отношение рекомендуется принять

(м). (3.6)

Определяем коэффициент экранирования труб _э.т. при числе труб n_т и отношении

, _э.т.=0.55.

Определим необходимое число труб (одиночных заземлителей) с учётом коэффициента экранирования

n_т..э.=R_т/(R_зэ.т.)=141.44/(100.55)=25.7226. (3.7)

Определяем расчётное сопротивление растекания тока при принятом числе труб n_т..э.

R_расч.т. n_т.э.=R_т/(n_{т.э. э.т.})=141.44/(260.55)=9.891 (Ом). (3.8)

Определяем длину соединяющей полосы

L_с.п.=1.05(n_т..э.-1)=1.053(26-1)=78.75 (м). (3.9)

Определяем сопротивление растекания тока в соединяющей полосе

R_с.п.=0.366(_{расч.п..}/L_с.п.)(2L_с.п.²/)=0.366(13.510⁴/78.75)

(2(13.510⁴)²/0.050.8)34.5(Ом). (3.10)

Определим коэффициенты экранирования _э.с.п. для соединяющей полосы при n_т..э и отношении

, _э.с.п.=0.37.

Определяем расчётное сопротивление растекания тока в соединяющей полосе (с учётом коэффициента экранирования)

R_расч.п.=R_с.п./_э.с.п.=34.5/0.3793.2. (3.11)

Определяем общее расчетное сопротивление растекания тока в трубах и соединяющей полосе

R_{общ.расч.}=1/(1/R_расч.т+ R_расч.п.)=1/(1/9.891+1/93.2)=8.94. (3.12)

Определяем необходимое сечение S_ш. магистральной шины внутреннего контура по ПУЭ, S_ш=100(мм²).

Определяем необходимое сечение проводников S_п. для соединения заземленного оборудования с магистральной шиной по ПУЭ для голых проводников при открытой прокладке (материал - медь), S_п.=4(мм²).

Таким образом, защитное устройство с рассчитанными выше параметрами принимается в качестве защитного заземления оборудования в экспериментальной лаборатории.

• 5. Экономическая часть

5.1 Анализ рынка наукоемкой продукции на Украине

Определяющим фактором производства является труд. А труд характеризуется тем, что люди сначала создают образцы, проекты, модели вещей, а затем уже сами вещи. Так что производству продукта предшествует его проектирование, конструирование. Со своей стороны ни проект, ни конструкцию невозможно разработать без знаний, которые дает людям и производству наука. Так что научные исследования и разработки зримыми и незримыми нитями вплетены в ткань производства.

В современном мире наука превратилась в один из важнейших факторов обеспечения эффективного экономического развития. Это объясняется несколькими причинами. Способность генерировать и внедрять достижения научно - технического прогресса становится одним из главнейших факторов обеспечения конкурентоспособности как национальной экономики в глобальной конкурентной среде, так и отдельных товаропроизводителей на конкретных рынках. Наука превратилась в «специфическую сферу товарного производства», производящую специфический и очень дорогостоящий товар - объекты интеллектуальной собственности [32].

5.1.1 Установление цен на научно - техническую продукцию

При работе научных и научно-исследовательских организаций и подразделений в условиях рынка цена научно-технической продукции выступает как общественная мера затрат труда, как средство распределения доходов между отдельными подразделениями данной организации, как регулятор спроса и предложения научно-технических разработок. Форма реализации научной продукции определяется, как правило, контрактом (договором) на ее разработку или передачу, а также нормативно-технической документации, действующей в стране, отрасли или научно-производственном комплексе.

Появление научной продукции на рынке в качестве товара сразу же ставит в центр внимания ряд проблем, среди которых на первом месте -- ценообразование на научно-технические продукты и услуги. По существу, теоретические рассуждения о стоимости и ее величине связаны с необходимостью обосновать цену научного товара, так как именно цена, а не стоимость интересует в конечном счете участников обмена научно-техническими достижениями.

Действительно, в условиях рынка цена должна предопределяться величиной экономического эффекта, который проявляется при использовании продукта и зависит от его потребительской стоимости. Реализация специфической потребительской стоимости научного продукта должна выражаться в установлении цены, рассчитанной по реальному экономическому эффекту, получаемому конкретным потребителем и обществом в целом. Покупатель, приобретая научный продукт или услугу (научно-техническую информацию, программный продукт, коммерческие сведения, методики, разработки и т. п.), стремится обеспечить себе дополнительную выгоду - опередить конкурента, снизить издержки, повысить качество и т. д. Чем важнее для него научный продукт, тем больший доход он может ему принести. Но ожидаемый эффект небезразличен и продавцу. И он по праву претендует на получение его определенной части. Она-то как раз и должна определить истинную цену товара. Проведенное экономистами исследование современного состояния теории и методов ценообразования на научно-техническую продукцию позволило выявить следующие основные модели цен.