142241

Строительство. Транспорт

УДК 669.715:621.35

Докт. техн. наук, проф. А.Н. Новиков (Орловский государственный технический университет) Россия, г. Орел

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ для ВОССТАНОВЛЕНИЯ И

УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Современные конструкции автомобилей, тракторов и оборудования имеют большое количе­ ство деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов. Благодаря своим свойствам, алюминиевые

N3 3-4 Известия ОрелГТУ АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ

сплавы нашли самое широкое применение как конструкционный материал. От технического со­ стояния этих деталей во многом зависит надежность работы машины в целом.

Анализ износов деталей из алюминиевых сплавов показал следующее:

около 12.. .20 % деталей имеют размеры, не превышающие допустимые без ремонта; около 60.. .65 % деталей имеют износ, не превышающий 0,2 мм; около 15...25 % деталей имеет износ, превышающий 0,2 мм.

Существующие способы восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов не всегда обеспечивают долговечную работу восстановленных деталей, поэтому разработка новых методов упрочнения и восстановления таких деталей является актуальной задачей.

В настоящее время предложен совершенно новый способ поверхностного упрочнения и вос­ становления деталей из алюминиевых сплавов - микродуговое оксидирование (МДО). Способ МДО располагает большими возможностями и позволяет формировать покрытия различного со­ става и структуры, прочно сцепленные с основой и характеризующиеся высокой стойкостью к кор­ розии и изнашиванию. Он позволяет наносить керамические покрытия на любые алюминиевые сплавы.

К основным преимуществам МДО относятся: дешевизна и доступность химических реакти­ вов; получение многофункциональных покрытий заданного состава, структуры и толщины; нане­ сение покрытий, однородных по качеству и толщине как на внешние, так и на внутренние поверх­ ности деталей любой формы; регулирование скорости процесса в широком диапазоне; экологичность процесса, выражающаяся в отсутствии токсичных химических компонентов и специальных очистных сооружений для отработанных электролитов.

Сущность МДО заключается в том, что на алюминиевую деталь, расположенную в электро­ литической ванне, через специальный источник питания подается ток, приводящий к образованию на поверхности детали микроплазменных разрядов, под воздействием которых поверхностный слой детали перерабатывается в оксид алюминия. На поверхности детали образуется прочный слой керамики толщиной до 300 мкм.

Свойства упрочняющих покрытий, сформированных способом МДО на алюминиевых спла­ вах, зависят от химического состава сплава, концентрации электролита и режимов МДО. Это обу­ славливает широкие возможности МДО в формировании состава, структуры и свойств покрытий. При соответствующем выборе электролита и режимов МДО можно получать покрытия, обладаю­ щие высокой твердостью, износостойкостью и прочным сцеплением с основой.

Как показывает анализ табл. 1, при работе в различных режимах МДО в случае упрочнения химически чистого алюминия основными фазами сформированного слоя являются а-А1203 (до 70%) и 7-А2О3. Упрочненные слои медьсодержащих сплавов (Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si и др.) аналогично сплаву А99 состоят в основном из а- и у-А1203. У магнийсодержащих сплавов (Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg и др.) основными фазами упрочненного слоя являются у-А203 и А304. Содер­ жание а-А1203 мало или практически равно нулю. Упрочненные слои кремнийсодержащих сплавов (Al-Si, Al-Si-Cu и др.) состоят в основном из муллита и а-А1203, соотношение которых в значи­ тельной степени определяется количеством кремния как в оксидируемом сплаве, так и в электро­ лите. Проведенные дополнительные исследования фазового состава алюминиевых сплавов (АК4, АЛ2, Д20 и др.) подтверждают сделанные выводы и позволяют отнести практически любой про­ мышленный алюминиевый сплав к одной из выделенных групп и тем самым прогнозировать фазо­ вый состав упрочненного слоя, формируемого в режиме МДО.

Следует отметить также, что покрытия, формируемые в режиме МДО, состоят из оксидных фаз, имеющих кристаллическое строение. Фазовые превращения в них начинаются при температу­ рах порядка 1000 °С, благодаря чему обеспечивается их жаростойкость в пределах температур плавления оксидируемых сплавов. Такие покрытия можно рассматривать как композиционный ма­ териал, в котором а-А120з является упрочняющей фазой. Физико-механические свойства основных оксидных фаз покрытий^формированных из щелочных электролитов, представлены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что микротвёрдость покрытий, сформированных из щелочного электролита и содержащих в своём составе преимущественно а-А1203 может достигать значений 24 ГПа. Изно­ состойкость таких покрытий сравнима с материалами на основе карбида вольфрама и диффузион­ ных боридных покрытий.

Строительство. Транспорт

Исследования физико-механических свойств основной зоны упрочнённого поверхностного слоя различных алюминиевых сплавов, расположенной на расстоянии 20... 40 мкм от границы ме­ талл - покрытие, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Физико-механические свойства упрочненного поверхностного слоя наразличных сплавах

ffS^aa

Общее представление об износостойкости и твёрдости покрытий, сформированных МДО, даёт рис. 1.

Микротвердость, ГПа

Рис. 1. Диаграмма относительной износостойкости материалов

Важной характеристикой покрытий является адгезия к основе, определяющая возможность их использования при больших контактных нагрузках. При формировании покрытий из щелочных электролитов адгезия образующихся плёнок чрезвычайно высока и достигает 350 МПа. Адгезия зависит не только от состава электролита, но и от концентрации его компонентов. Так, в силикат­ ном электролите при концентрации жидкого стекла 65...70 г/л адгезия становится менее 20 МПа.

Высокая температура плавления оксидных и силикатных покрытий, сформированных спосо­ бом МДО, обеспечивает высокие теплоизоляционные свойства покрытий. Однако их использова­ ние в этих целях возможно только в том случае, если в результате различия в коэффициентах тер­ мического расширения оксидные или силикатные слои не будут разрушаться. Известно, что коэф­ фициент термического расширения Si02 составляет 2 106 град"1, алюминиевых сплавов - 20106 град"1. Несмотря на это, покрытия, сформированные МДО, устойчивы к тепловому удару и могут использоваться в качестве жаростойких.

Для покрытий, сформированных способом МДО, характерно наличие определённой порис­ тости, которая представляет совокупность сети микродефектов и каналов, образующихся при горе­ нии микродуговых разрядов. Пористость основной упрочнённой зоны покрытия представляет со­ бой относительно постоянное либо монотонно изменяющееся значение в пределах от 5..7 до 15...20%. Лишь поверхностная зона покрытия имеет повышенное значение пористости (до 40 %). Пористость 15 % ьыдерживает удельную нагрузку ~11 МПа, а 40 % ~ 7 МПа.

Наличие пористости от 5 до 15 % служит резервуаром для смазки в средах, не агрессивных для алюминиевого сплава. Такой процент пористости благоприятно служит для смазки при трении.

Таким образом, покрытия, сформированные МДО, обладают высокой износостойкостью, микротвёрдостью, низким коэффициентом трения, малой разницей в коэффициенте термического расширения основы и покрытия. Благодаря перечисленным свойствам покрытий во многих случаях

Строительство. Транспорт

возможна замена деталей из высоколегированных сталей и жаропрочных металлов алюминиевыми сплавами с защитным покрытием, сформированным способом МДО.

Разработка МДО, как нового электрохимического способа формирования упрочняющих по­ крытий на алюминиевых сплавах, привела к существенному увеличению возможности применения различных электролитов по сравнению с использующимися при обычном анодировании. В резуль­ тате сложилась определенная классификация электролитов, полезная с точки зрения прогнозиро­ вания возможности получения тех или иных характеристик покрытий.

Электролиты для МДО делятся на четыре основные группы.

1. Растворы, в которых упрочненный слой образуется за счет окисления металла (растворы кислот и щелочей).

2.Растворы, в которых покрытие создается за счет анионов электролита (растворы жидкого

стекла).

3.Растворы, в которых покрытие формируется за счет окисления металла и за счет анионов электролита (смеси растворов первого и второго типов).

4.Растворы, содержащие мелкодисперсные частицы.

Вэлектролитах первой группы покрытие формируется преимущественно благодаря окисле­ нию алюминия. В электролитах второй и третьей групп в состав покрытия входят вещества из электролита. В электролитах четвертой группы покрытие формируется в основном из материала, присутствующего в них в виде взвеси. Благодаря тому что процесс ведут в условиях искрового разряда на поверхности оксидируемой детали при локальных температурах в зоне реакции 700...2500 °С, композиционные добавки, находящиеся в электролите в виде порошков, сплавляются

сдругими компонентами покрытия, образуя прочный керамический слой. Применение этих элек­ тролитов позволяет формировать покрытия с использованием оксида алюминия, оксида титана и других материалов, введенных в состав электролита, что существенно расширяет возможность по­ лучения покрытий с различными функциональными свойствами.

Состав некоторых наиболее распространенных электролитов, используемых при МДО, и примерное назначение получаемых керамических покрытий представлены в табл. 4.

Таблица 4

Состав электролитов и примерное назначение формируемых в них покрытий при МДО

В промышленности наибольшее применение получили электролиты первой группы. Одним из самых простых и признанных электролитов этой группы стал раствор, содержащий КОН 2...8г/л, который дает возможность получать качественные керамические покрытия на алюминиевых спла­ вах. С этой же целью могут использоваться растворы некоторых кислот (серная, фосфорная, щаве­ левая, лимонная и др.), среди которых наибольшее распространение получила серная кислота. Следует отметить, что серная кислота, как и другие, пригодна лишь в концентрированном виде, так

как разбавленная кислота не способна пассивировать алюминий, что является решающим факто­ ром при ведении МДО.

При использовании электролитов первой группы геометрические размеры обрабатываемых деталей изменяются не значительно. Упрочненный слой формируется с внутренней стороны, то есть на границе раздела "металл - пленка" (рис. 2). В этом случае покрытие углубляется в металл, а наружный действительный размер детали меняется в пределах 10 % от толщины сформированной пленки на величину внешнего слоя покрытия, который при последующей финишной механической обработке полностью удаляется.

Рис. 2. Схема расположения оксидной пленки (Н), внешнего слоя покрытия (h') и модифици­ рованного слоя основы (h") при МДО алюминиевого сплава в чисто щелочном элек­ тролите

Особый интерес представляют электролиты 2, 3 и 4 групп. Наиболее распространенным сре­ ди них является раствор натриевого или калиевого жидкого стекла. В зависимости от желаемых свойств покрытий дополнительно могут вводиться добавки: гидроксид щелочного металла, карбо­ наты, хроматы, бораты щелочных металлов, красящие пигменты, мелкодисперсные частицы и т.д.

Используются также электролиты на основе алюмината натрия. Однако данные электролиты сильно гидролизованы и устойчивы только в избытке щелочи. Поэтому ввиду низкой стабильности широкого распространения они не получили.

Одним из самых простых и признанных электролитов, применяемых для упрочнения дета­ лей, изготовленных из алюминиевых сплавов, является электролит 3-ей группы типа «КОНNa2Si03».

На рис. 3 схематически показано расположение оксидной пленки при использовании выше­ названного электролита. В этом случае покрытие формируется наружу, увеличивая действитель­ ный размер детали на 50... 70 % толщины пленки.

Рис. 3. Схема расположения оксидной пленки (Н), внешнего слоя покрытия (h') и модифици­ рованного слоя основы (h") при МДО алюминиевого сплава в электролите типа «KOH-Na2Si03»

Характеризуя состав данного электролита, следует отметить, что концентрация КОН влияет на агрессивность электролита, проявляющуюся в травлении поверхности оксидируемого материала и образующегося покрытия. С другой стороны, концентрация электролита по КОН влияет на его удельную электропроводность. Таким образом, максимальное содержание КОН в электролите не должно превышать 3...4 г/л.

В качестве второго элемента электролита используется жидкое стекло Na2Si03. Известно, что растворы жидкого стекла имеют коллоидный характер, а строение кремнеземистых агрегатов оп­ ределяется модулем жидкого стекла, т.е. соотношением Si02/Na20 в молекуле силиката натрия. В

Строительство. Транспорт

три - и тетрасиликатах основными переносчиками электрических зарядов, наряду с гидроксидионами, являются коллоидные мицеллы.

При МДО за счет компонентов жидкого стекла происходит увеличение линейных размеров детали. Однако его концентрация в электролите должна быть ограничена 4... 14 г/л. Повышение концентрации Na2Si03 свыше 14 г/л в электролите приводит к разрушению покрытия, а ниже 4 г/л - к значительному снижению толщины внешнего слоя покрытия.

Следовательно, используя щелочной электролит с добавками Na2Si03, можно применять его не только для упрочнения, но и восстановления изношенных поверхностей деталей из алюминие­ вых сплавов.

Исходя из этого, учеными Орловского государственного технического университета и Ор­ ловского государственного аграрного университета предложены два электролита с различной кон­ центрацией и сочетанием компонентов, которые могут применяться при МДО не только для уп­ рочнения, но и для восстановления изношенных деталей из алюминиевых сплавов.

Так, например, для упрочнения деталей, изготовленных из литейных алюминиевых сплавов, рекомендуется использовать электролит следующего состава: КОН - 2,8...3,2 г/л, Na2Si03 - 5...7 г/л. При использовании электролита с такой концентрацией компонентов общая толщина качественно­ го упрочненного слоя составит 100... 150 мкм. Следует отметить, что применение данного электро­ лита целесообразно также и при упрочнении деталей, имеющих износ свыше 100 мкм на сторону, восстановленных наплавкой.

Для восстановления и упрочнения деталей, имеющих износ менее 100 мкм на сторону, целе­ сообразно использовать электролит следующего состава: КОН- 0,05... 1 г/л, Na2Si03 - 10... 14 г/л. В результате значительного снижения концентрации щелочи в электролите, его растравливающее действие на оксидную пленку и металлическую основу также уменьшается, что в итоге приводит к снижению толщины внутреннего модифицированного слоя основы до 10...40 мкм. Увеличение же линейных размеров детали до 80...100 мкм на сторону происходит за счет компонентов кремния, содержащихся в жидком стекле. Как уже было отмечено выше, предельная концентрация жидкого стекла в электролите ограничивается 14 г/л, при его повышении качественные покрытия получить не удается.

Следует отметить, что характер изменения микротвердости и микропрочности по толщине упрочненного слоя, сформированного в щелочном электролите, не зависит от оксидируемого спла­ ва и режимов МДО. Поверхностная зона упрочненного слоя характеризуется меньшими значения­ ми микротвердости и микропрочности, чем основная, толщина которой составляет 60...70% всей толщины упрочненного слоя. При этом область с наивысшими значениями микротвердости и мик­ ропрочности располагается на расстоянии 20...80 мкм от границы основного металл-упрочненного слоя в зависимости от режимов МДО и состава оксидируемого сплава. Дая примера на рис. 4 пред­ ставлено изменение микротвердости, микропрочности и интенсивности изнашивания по толщине упрочненного слоя, полученного на различных образцах из литейных алюминиевых сплавов при их оксидировании в различных электролитах.

Рис. 4. Изменение микротвердости Нм, микропрочности а и интенсивности изнашивания / по толщине h упрочненного слоя, сформированного на различных алюминиевых сплавах: а, б, в - водный раствор, содержащий, соответственно, 2 г/л КОН; 1 г/л КОН+2г/л Na2Si03; 1 г/л КОН+6 г/л Na2Si03

121

В зависимости от типа сплава и режима МДО отношение h'/h" в щелочных электролитах с добавлением жидкого стекла создает возможность выбора технологического режима МДО, кото­ рый обеспечивает получение требуемых размеров и физико-механических характеристик упроч­ ненного слоя, сформированного на деталях из алюминиевых сплавов. Необходимо отметить, что износостойкость покрытий, полученных МДО на деформируемых алюминиевых сплавах, на поря­ док выше износостойкости покрытий, полученных на литейных сплавах. Так как номенклатура де­ талей машин в большем количестве представлена литейными алюминиевыми сплавами, чем де­ формируемыми, то встает актуальный вопрос повышения износостойкости деталей, изготовленных из литейных сплавов, до уровня деформируемых. В связи с этим разработан электролит со сле­ дующей концентрацией компонентов: гидроксид калия - 2...3 г/л, жидкое стекло -8... 10 г/л, пероксид водорода - 2,5...10 г/л, оксид меди - 10...40 г/л. Введение в электролит пероксида водорода спо­ собствует увеличению а-А1203 в покрытии и повышению его твердости. Медь также входит в со­ став покрытия и выступает в дальнейшем в виде твердой смазки, снижая интенсивность изнашива­ ния. Применение данного электролита позволяет увеличить на 8... 14 % износостойкость деталей, изготовленных из литейных алюминиевых сплавов и восстановленных наплавкой:

В настоящее время метод МДО находится в состоянии развития. Проведенные исследования на алюминиевых сплавах, применяющихся для изготовления поршней, корпусов водяных насосов и гидромашин типа НШ, позволили подобрать оптимальные электролиты и установить рациональ­ ные режимы для их оксидирования.