Hardening of surfaces by physical and chemical method of coating

Abstract

The article considers the application of the new electrolyte based on sodium phosphate for hardening of outer cylindrical surfaces of parts from aluminum alloy.

Full Text

Физико-химические методы обработки изделий в настоящее время широко применяются в промышленности [1-3]. При этом решаются задачи как управления процессами упрочнении и обработки, так и оценки качества достигаемых результатов и разработки перспективных методик улучшения существующих технологий [4, 5]. Микродуговое оксидирование (МДО) – относительно новый вид электрохимической обработки поверхности металлических материалов, берущий начало от традиционного анодирования. Отличительной особенностью метода является участие в процессах модифицирования поверхностных электрических микроразрядов. В результате состав и строение получаемых оксидных слоев значительно отличаются, а их свойства существенно выше по сравнению с традиционным анодированием. Феноменологическая особенность МДО заключается в том, что формируемые оксидные слои растут в обе стороны относительно исходной поверхности обрабатываемого изделия с различными скоростями. Таким образом, МДО одновременно сочетает в себе черты двух различных групп методов модифицирования: нанесение покрытий (модифицирование с приращением размера) и изменение состояния, структуры, свойств по направлению внутрь исходного материала. МДО обеспечивает получение многофункциональных керамикоподобных модифицированных слоев покрытия с широким комплексом свойств, таких как износостойкость, коррозионностойкость, теплостойкость, диэлектрическая прочность, декоративность и другие. Другими положительными отличительными чертами процесса МДО являются его экологичность, отсутствие необходимости тщательной предварительной подготовки поверхности в начале технологической цепочки. Широчайший спектр областей применения обусловливает востребованность технологии МДО в производстве. Выполненные российскими учеными исследования показали, что МДО может применяться для повышения износостойкости пар трения (подшипники скольжения, зубчатые передачи, плунжеры, направляющие), обеспечения работоспособности изделий, работающих в агрессивных средах, в том числе при высоких температурах (детали топливной аппаратуры, защитные рубашки термопар, работающих в расплавах металлов, изоляторы высоковольтного оборудования) и во многих других случаях [6-8]. Несмотря на большое количество выполненных исследовательских работ, современный уровень развития химических технологий предполагает большой потенциал повышения эффективности МДО, в том числе за счет применения новых электролитов. Актуальной задачей в настоящее время является отработка технологий МДО для повышения срока службы и надежности таких деталей, как клапаны, толкатели, плунжеры. Исследования проводились на базе лаборатории упрочняющих технологий кафедры «Технология машиностроения» с использованием установки «МДО МАМИ-1». В качестве образцов использовались полые цилиндры (рисунок 1) из алюминиевого сплава марки Д16 диаметром 18 мм, длиной 100 и толщиной стенки 2 мм. Обработка осуществлялась при неполном погружении образца в рабочий электролит. Данная концепция позволяет помимо основной программы исследования выполнить изучение переходной зоны, а также в будущем исследовать нанесение покрытий методом МДО на внутренние цилиндрические поверхности. Рисунок 1 – Экспериментальные образцы Рисунок 2 – Экранный вид программы измерения шероховатости поверхности Рабочей средой являлся электролит на основе фосфата натрия Na3PO4 и жидкого стекла (Na2O3)nSiO2 с силикатным модулем n=2,5, разводимых в дистиллированной воде в концентрации 10 г/л и 2 г/л соответственно. Поверхность под упрочнение методом МДО получена токарной обработкой, Ra=1,25…2.5мкм. Программа проведения экспериментального исследования представлена в таблице 1. Таблица 1 Программа экспериментального исследования МДО гладких валов Номер образца Сила тока I, А Плотность тока q, А/дм2 Время обработки t, мин 1 15 23,44 10 2 6 9,38 30 3 10 15,63 30 4 6-10-15 9,38 - 15,63 - 23,44 10 -10 -10 5 6 -15 9,38 - 23,44 20 - 10 6 12 -11-10 18,75 - 17,19 - 15,63 15 -15 -15 Образцы 4, 5 и 6 обрабатывались серией режимов с целью выявить целесообразность и особенности обработки МДО с изменением энергетических показателей процесса в течение всего времени обработки. Например, образец 5 обрабатывался первые 20 минут при плотности тока q = 9,38 А/дм2, следующие 10 минут при плотности тока q = 23,44 А/дм2. В процессе проведения экспериментальных исследований контролировалось протекание процесса МДО (визуально), оценивались изменение шероховатости поверхности и изменение размера образца после нанесения покрытия. При выполнении экспериментальных исследований использовались: профилограф-профилометр электронный модели 130, позволяющий измерить различные параметры шероховатости поверхности (рисунок 2), электронный микроскоп модели Falkon Vision (рисунок 3). Визуальное наблюдение процесса МДО является важным этапом исследований (рисунок 4). Благоприятное протекание процесса характеризуется равномерным средней или высокой яркости свечением бело-желтого оттенка. Анализируя результаты наблюдений, можно предположить, что образцы 1,4 и 5, характеризуемые наличием в процессе обработки периодов с плотностью тока более 20 А/дм2, отличаются склонностью к образованию дуговых пробоев в зоне обработки. Дуговые пробои снижают эффективность упрочнения и зачастую приводят в отбраковке упрочненных изделий. С этой точки зрения наиболее благоприятными условиями протекания процесса МДО представляются режимы упрочнения, выбранные для образцов 2 и 3. Рисунок 3. Электронный микроскоп Falkon Vision Рисунок 4. Яркое равномерное свечение поверхности заготовки при микродуговом оксидировании Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 2. С точки зрения шероховатости упрочненных поверхностей не наблюдается четко выраженной закономерности. Это является ожидаемым результатом, так как образованное покрытие условно представляет собой два слоя: основной (рабочий, отличающийся повышенными износостойкостью, прочностью, меньшей пористостью) и так называемый муллитный слой (менее прочный и более рыхлый, свойства которого, однако, могут быть эффективно использованы, например, в случае нанесения диэлектрических покрытий). Муллитный слой при производстве изделий может быть легко удален, например, тонким полированием. Таблица 2 Результаты экспериментального исследования Номер образца Rа, мкм dисх, мм dкон, мм Δd, мм Характер свечения Примечание 1 1,40 17,433 17,987 0,554 Плотное оранжевое Начало сильных пробоев через 6 минут 2 0,815 17,961 17,918 0,043 Бело-фиолетовое 3 2,39 17,923 17,829 0,094 Белое Редкие пробои через 30 минут 4 3,71 17,947 17,864 0,083 Белое Пробои через 12 минут 5 1,94 17,920 17,913 0,007 Бело-фиолетовое Пробои через 24 минуты 6 3,97 17,879 17,844 0,035 Белое-оранжевое-слабое Пробои через 6 минут Анализируя изменение размера после упрочнения образцов, можно утверждать, что выбранные состав электролита и режимы упрочнения приводят к увеличению размера изделия в среднем на 3-50 мкм на сторону (образцы 2-6). Более значительные величины приращения размера характерны для больших плотностей тока. При этом, хотя такие приращения и могут достигать 200-250 мкм на сторону (образец 1), такие покрытия обладают худшими характеристиками, большей пористостью, а сопровождающие процесс упрочнения дуговые разряды могут приводить к дефектам в покрытии. Рисунок 5. Микрофотография поперечного среза образца с поверхностью, упрочненной микродуговым оксидированием Изучение поперечных срезов образцов после упрочнения на электронном микроскопе позволяет заключить, что упрочнение методом МДО не приводит к изменению макрогеометрии упрочняемых поверхностей. То есть дефекты погрешности формы, волнистость поверхности, макродефекты на упрочняемых объектах не исправляются (рисунок 5). Таким образом, по результатам выполненных исследований можно заключить, что применение электролита на основе фосфата натрия обеспечивает требуемое качество получаемых покрытий. Следует выполнять упрочнение при плотностях тока, не превышающих 20А/дм2, избегая при этом условий, приводящих к пробоям и образованию дуговых процессов при обработке. Введение дополнительных периодов обработки и изменение силы тока в процессе упрочнения не приносит существенных результатов с точки зрения характеристик получаемого покрытия. Для исследования эффективности упрочнения с точки зрения структурно-фазового состава поверхностного слоя требуются дополнительные исследования.