Technology development of hardening of the surfaces of friction pairs of physical-chemical method

全文:

В настоящее время физико-химические медоды широко используются в промышленности для упрочнения поверхностей деталей [1-4]. Микродуговое оксидирование (МДО), характеризуемое модифицированием одновременно с приращением размера и изменением состояния, структуры, свойств вглубь исходного материала, – новый вид электрохимической обработки поверхности металлических материалов, берущий начало от традиционного анодирования. Предприятиями, сотрудничающими с Университетом машиностроения, в настоящее время поставлена задача отработать технологию упрочнения пар трения скольжения, работающих в жестких условиях: подшипники скольжения, направляющие и толкатели клапанов подачи топлива и различных газов в узлах автомобильной, аэро- и космической отраслях производства. Основными проблемами в работе клапанов и плунжеров являются недостаточная износостойкость пары трения и образование задиров на наружных цилиндрических повехностях. Вопрос повышения износостойкости в достаточной мере может быть решен применением анодирования поверхностей, однако такие покрытия не обладают стойкостью к образованию задиров и во многих случаях не обеспечивают требуемого ресурса работы. Решить одновременно обе проблемы позволит упрочнение поверхностей методом МДО. Исследования проводились на базе Лаборатории упрочняющих технологий кафедры «Технология машиностроения» с использованием установки «МДО МАМИ-1», включающей источник технологического тока (ИТТ) и технологическую ванну проточного типа с возможностью принудительного охлаждения электролита, разработанные и собранные сотрудниками кафедры «Технология машиностроения». В качестве образцов была изготовлена партия полых цилиндров (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. Предварительная обработка поверхности под упрочнение методом МДО получена токарной обработкой, при этом шероховатость поверхности 1,72…2,21 мкм по параметру Ra. Данная концепция позволяет помимо основной программы исследования выполнить изучение переходной зоны от неупрочненной поверхности к покрытию, а также в будущем исследовать нанесение покрытий методом МДО на внутренние цилиндрические поверхности. На предыдущем этапе исследований после анализа источников был выявлен предварительный состав электролита для МДО. В качестве перспективного представляется 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. Однако нецелесообразно останавливать выбор на одном составе электролита, основываясь лишь на данных публикаций, поэтому исследования также проводились с использованием еще двух щелочных электролитов с несколько измененными составом химикатов и их концентраций. Таким образом, экспериментальные исследования проведены по плану, представленному в таблице 1 (варьирование основного управляющего параметра МДО – силы тока в импульсе, а также длительности и последовательности подачи тока в рабочую зону) и реализованному для каждого из трех электролитов на основе дистиллированной воды, состав которых представлен в таблице 2. Общее количество образцов при отработке технологии МДО на этапе экспериментальных исследований - 18 штук. Рисунок 1. Экспериментальный образец Рисунок 2. Профилограф-профилометр MarSurf PS1 Таблица 1 Программа экспериментального исследования МДО наружных цилиндрических поверхностей Номера образцов Сила тока I, А Плотность тока q, А/дм2 Время обработки t, мин 1, 7, 13 15 23,44 10 2, 8, 14 6 9,38 30 3, 9, 15 10 15,63 30 4, 10, 16 Последовательно 6-10-15 9,38-15,63-23,44 10-10-10 5, 11, 17 Последовательно 6-15 9,38-23,44 20-10 6, 12, 18 Последовательно 12-11-10 18,75-17,19-15,63 15-15-15 Таблица 2 Химический состав и концентрации химикатов в электролитах Номера образцов Состав электролита Концентрация химикатов, г/л 1-6 КОН (Na2O3)nSiO2 Н2О2 4 2 4 7-12 КОН (Na2O3)nSiO2 Н2О2 (NaPO3)n•nH2O 2 8 5 5 13-18 NAOH (Na2O3)nSiO2 3 2 В процессе проведения экспериментальных исследований контролировались: - протекание процесса МДО (визуально), - изменение шероховатости поверхности, - изменение размера образца после нанесения покрытия, - структура и состояние поверхностного слоя упрочненных заготовок в целом и собственно покрытия в частности. При выполнении экспериментальных исследований использовались: - универсальный измерительный инструмент, - профилограф-профилометр электронный MarSurf PS1, позволяющий измерить различные параметры шероховатости поверхности (рисунок 2), - оборудование для приготовления и исследований шлифов Struers (Дания) (рисунок 3), - электронный микроскоп EmcoTest Durascan (рисунок 4). Рисунок 3. Электронный микроскоп Struers Рисунок 4. Электронный микроскоп EmcoTest Durascan После упрочнения поверхностей образцов изготовлены шлифы поперечных срезов (рисунок 5), позволившие оценить характер образования покрытия по глубине упрочняемого материала. Рисунок 5. Шлифы поперечных срезов образцов после упрочнения Рисунок 6. Разрушение МДО-покрытия по причине дугообразования в процессе обработки Результаты измерения приращения размера и шероховатости поверхности образцов после упрочнения МДО представлены в таблице 3. Анализ результатов экспериментальных исследований показал следующее. Обработка заготовок с плотностями тока выше 15-17 А/дм2 непригодна к применению, так как при этом уже с начала процесса МДО происходит локальное образование блуждающего дугового разряда. Следствием этого является разрушение уже образованного керамоподобного покрытия и вырывание частиц металла основы, что приводит к необходимости отбраковки готовых изделий (рисунок 6). Двухкомпонентный электролит состава NAOH (3 г/л), (Na2O3)nSiO2 (2 г/л) не обеспечивает стабильности получаемых результатов как по шероховатости, так и по приращению размера. Кроме того, известно, что при таком химическом составе требуется значительное (более 30-40 минут) время обработки, то есть производительность процесса МДО явно недостаточна. А при длительности операции МДО менее 20 минут образуемое покрытие имеет недопустимо низкую толщину (рисунок 7). Таблица 3 Приращение размера и шероховатость поверхности образцов после МДО Номер образца Ra, мкм Δd, мм 1 1,40 0,554 2 0,815 0,043 3 2,39 0,094 4 3,71 0,083 5 1,94 0,007 6 3,97 0,035 7 4,53 0,022 8 2,251 0,047 9 4,062 0,031 10 4,316 0,035 11 3,976 0,042 12 4,49 0,262 13 3,767 -0,005 14 4,080 0,008 15 4,729 0,040 16 4,828 0,171 17 3,510 0,077 18 4,171 0,040 За счет замены гидроксида натрия на гидроксид калия с некоторым увеличением его концентрации и введения в состав электролита перекиси водорода Н2О2 (4 г/л) удается стабилизировать конечные шероховатость и приращение размера. Наилучшим из исследованных представляется четырехкомпонентный электролит состава КОН + (Na2O3)nSiO2 + Н2О2 + (NaPO3)n•nH2O. Приращение размера при разных вариантах управляющих параметров составляет порядка 0,035 мм, а покрытие визуально получается однородным и не имеющим макродефектов (рисунок 1). Изучение источников по вопросу размерообразования МДО-покрытий позволяет сделать предположение, что при таком приросте размера покрытие проникает вглубь поверхности основного материала на глубину до 0,070 мм. Таким образом толщина упрочненного керамоподобного МДО-покрытия в условиях экспериментальных исследований составляет порядка 0,05 мм на сторону, что является величиной, достаточной для проведения окончательной операции полирования упрочненной поверхности с целью достижения низких значений параметров шероховатости поверхности и удаления пористого муллитного слоя покрытия. Рисунок 7. Отсутствие покрытия и разрушение поверхности при использовании двухкомпонентных электролитов, ×1000 Рисунок 8. МДО-покрытие через 15 минут обработки в электролите с гексаметафосфатом натрия, ×1000 Исследования шлифов поперечных срезов образцов показали, что электролиты более простого состава (без добавления гексаметафосфата натрия) не обеспечивают интенсивного роста МДО-покрытия (рисунок 7): по истечении 30 минут обработки при заданных управляющих параметрах МДО не образуется существенного слоя покрытия. Гексаметафосфат натрия обеспечивает значительное ускорение процесса образования покрытия (рисунок 8): МДО-покрытие толщиной до 0,05 мм образуется за 15-25 минут. Следующим этапом проводимых в Университете машиностроения исследований станут испытания пары трения скольжения на отсутствие задиров упрочненных поверхностей и выработка алгоритма назначения величин управляющих параметров доводочной операции (полирование МДО-покрытия), обеспечивающих требуемые низкие параметры шероховатости покрытия.

作者简介

B. Shandrov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: filkas@yandex.ru
Dr.Eng.; 8(919)101-62-84

V. Filippov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: filkas@yandex.ru
Dr.Eng.; 8(919)101-62-84

N. Homjakova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: filkas@yandex.ru
8(919)101-62-84

S. Volkov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: filkas@yandex.ru
8(919)101-62-84

参考

补充文件