[ «ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ С ПОСЛЕДУЮЩИМ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ ПОКРЫТИЯ ...»
ФГБОУ ВПО «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
Козлов Алексей Витальевич
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ С ПОСЛЕДУЮЩИМ
МОДИФИЦИРОВАНИЕМ ПОКРЫТИЯ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Орел - 2014 2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ……
1.1 Назначение, анализ работы и характеристика основных причин потери работоспособности гидроцилиндров…………………………… 1.2 Способы восстановления и упрочнения поверхностей изношенных деталей, выбранных для проведения исследований………………………. 1.3 МДО, как способ восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей из алюминиевых сплавов1.4 Свойства МДО-покрытий, сформированных на алюминиевых сплавах в анодно-катодном режиме ……………………….…….………………........ 1.5 Технологические приёмы повышения долговечности подвижных соединений и деталей машин, упрочненных МДО…….……………….... 1.6 Выводы, цель и задачи исследования……………………………………...
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И
УПРОЧНЕНИЯ МДО РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗНОШЕННЫХ
ДЕТАЛЕЙ И ИХ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧАСТИЦАМИ НАНОПОРОШКА
CUO ДУГОВЫМ ЭЛЕКТРОФОРЕЗОМ……2.1 Механизм модифицирования МДО-покрытия частицами нанопорошка CuO …
2.2 Модель тока пробоя при вторичной обработке МДО-покрытия……..... 2.3 Влияние модифицирования частицами нанопорошка CuO МДОпокрытия на коэффициент трения
2.4 Выводы ……………………………………..…………………………........... 3
ПРОГРАММА, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ
3.1 Программа исследований
3.2 Оборудование и материалы для формирования МДО-покрытий и модифицирования упрочненного слоя………………………………...……...... 3.3 Оценка работоспособности электролита для формирования МДОпокрытий ……
3.4 Измерение толщины МДО-покрытий…………………………………...... 3.5 Определение микротвердости МДО-покрытий………………................ 3.6 Определение сквозной пористости МДО-покрытий………….………… 3.7 Определение содержания меди на поверхности МДО-покрытий…….. 3.8 Определение коэффициента трения и его молекулярной составляющей в подвижных соединениях с МДО-покрытиями……..... 3.9 Планирование эксперимента по оптимизации режимов модифицирования МДО-покрытия частицами нанопорошка CuO….… 3.10 Сравнительная износостойкость подвижных соединений ………….. 3.11 Проведение эксплуатационных испытаний ………………………….. 3.12 Выводы……………………………….…………………..………………..
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ АНАЛИЗ…................………4.1 Микродуговое оксидирование алюминиевого сплава АК7ч (первичная обработка) ……………………………………………………… 4.2 Приготовление раствора-носителя нанопорошка СuO……….. …..…… 4.3 Дуговой электрофорез МДО-покрытия (вторичная обработка)……….. 4.4 Работоспособность электролита ………………………………………….. 4.5 Определение содержания меди на модифицированной поверхности МДО-покрытий……………………………………………………………….. 4.6 Определение коэффициента трения и его молекулярной составляющей в подвижных соединениях с МДО-покрытиями.................. 4.7 Сравнительные испытания на износостойкость ………
4.8 Сравнительные эксплуатационные испытания гидроцилиндров Ц-75.. 4.9 Выводы ……………………
5 ПРЕДЛАГАЕМАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ВОССТАНОВЛЕНИЯ С УПРОЧНЕНИЕМ И МОДИФИЦИРОВАНИЕМ МДОПОКРЫТИЯ ЧАСТИЦАМИ НАНОПОРОШКА CUO…………..………………
5.1 Технологический процесс восстановления с упрочнением поршня гидроцилиндра из алюминиевого сплава АК7ч МДО-покрытием модифицированным частицами нанопорошка CuO5.2 Экономическая эффективность разработанной комбинированной технологии …………………………………………………………………... 5.2.1 Расчеты по базовой технологии восстановления…………………….. 5.2.2 Расчеты по новой технологии восстановления……………………….
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Постоянная закупка новой техники не решает вопрос технического оснащения аграрного производства России. Огромная роль в решении данного вопроса должна отводиться эффективному использованию имеющегося парка машин и поддержанию его в работоспособном состоянии за счет технического обслуживания и ремонта.Вследствие изнашивания рабочих поверхностей деталей утрачивают свое работоспособное состояние около 85…90% машин. В связи с этим повышение износостойкости деталей машин является очень важным и актуальным направлением деятельности для предприятий, занимающихся как изготовлением, так и ремонтом сельскохозяйственной техники.
Невысокое качество запасных частей и постоянное увеличение их стоимости являются причинами для разработки новых технологий изготовления и восстановления, которые позволяют повысить износостойкость деталей и сборочных единиц сельскохозяйственной техники при ее эксплуатации.
Известно, что при эксплуатации сельскохозяйственной техники около 50% её деталей переходят в неработоспособное состояние при износах, не превышающих 0,1 мм [34, 87, 94]. Значительную долю в этом объёме занимают детали из алюминиевых сплавов, обладающие положительными свойствами и благодаря этому широко применяемые в сельскохозяйственном машиностроении, но имеющие низкую износостойкость и, соответственно, ресурс. Одним из современных и перспективных способов восстановления с одновременным упрочнением деталей из алюминиевых сплавов с таким износом, который лишен многих недостатков присущим другим методам, является микродуговое оксидирование (МДО). Данный способ в последние годы получил широкое распространение. Однако, при взаимодействия деталей без смазочного материала или в режиме граничной смазки, которые возникают в аварийных ситуациях, а также в периоды приработки, начала или окончания работы машины, рабочая поверхность детали, упрочненная МДО-покрытием, вызывает повышенное изнашивание сопряженной детали типа «вал». В связи с этим снижается износостойкость всего подвижного соединения. Процесс формирования МДО-покрытий предопределяет наличие в упрочненном слое остаточной пористости, которая зависит от режимов оксидирования, состава и температуры электролита. Кроме этого за счет пористости снижается площадь поперечного сечения МДО-покрытия, тогда поры становятся концентраторами напряжений, что приводит к более интенсивному изнашиванию сформированного упрочненного слоя [99, 113].
При формировании МДО-покрытий на алюминиевых сплавах чаще всего используют силикатно-щелочной электролит типа «КОН-Na2SiO3» [71, 83]. В развитие технологии МДО большой вклад внесли следующие ученые:
Батищев А.Н., Гордиенко П.С.,Малышев В.Н., Марков Г.А., Черненко В.И., Эпельфельд А.В., Новиков А.Н., Кузнецов Ю.А., Суминов И.В., Снежко Л.А., Фёдоров В.А., Коломейченко А.В., а также ряд других учёных.
Основные достоинства процесса МДО представлены в работе Коломейченко А.В. ими являются [36]: «получение многофункциональных покрытий заданного состава, структуры и толщины», также к ним можно отнести:
возможность нанесения упрочненного слоя одинакового по своим свойствам, как на внешние, так и на внутренние рабочие поверхности деталей;
одновременное оксидирование нескольких деталей (при использовании электролитической ванны); доступность компонентов электролита;
экологичность процесса, которая выражается в отсутствии необходимости создания очистных сооружений при использовании в процессе МДО силикатно-щелочного электролита; возможность использования различных материалов для придания упрочненному слою, обладающему высокой микротвердостью (до 24 ГПа), антифрикционных свойств (модифицирование покрытия). Применение модифицированных МДО-покрытий на деталях из алюминиевых сплавов, позволит значительно увеличить не только износостойкость восстановленной детали, но и ресурс ответной детали подвижного соединения, а следовательно и долговечность всей сборочной единицы. Данное обстоятельство может положительно отразится на развитии ремонтного производства.
С развитием наноиндустрии появилась возможность использования в отработанных технологиях новых, перспективных материалов, в частности нанопорошков традиционных металлов и сплавов. Одним из таких материалов является нанопорошок оксида меди (CuO). Его довольно часто используют в качестве твердого смазочного материала. Однако, теоретических основ и технологических рекомендаций по его использованию для модифицирования упрочненного слоя образованного МДО на рабочих поверхностях деталей, практически нет. В связи с этим, их разработка должна позволить повысить износостойкость подвижных соединений деталей сельскохозяйственной техники с такими покрытиями.
Цель работы заключается в повышении износостойкости рабочих поверхностей деталей машин восстановлением и упрочнением микродуговым оксидированием за счет внедрения частиц нанопорошка СuO в поры покрытия.
Объект исследования. Технология восстановления и упрочнения МДО рабочих поверхностей изношенных деталей с последующим дуговым электрофорезом частиц нанопорошка CuO.
Предмет исследования. Физико-механические и эксплуатационные свойства упрочняющих покрытий, полученных на деталях из алюминиевого сплава АК7ч, с применением МДО и дугового электрофореза частиц нанопорошка CuO.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием положений и методов электротехники и электрофизики.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик и современных приборов и оборудования.
Обработка результатов исследований проводилась с использованием методов математической статистики.
Научная новизна работы:
1. Разработан новый способ формирования износостойких покрытий на деталях из алюминиевых сплавов, позволяющий снизить коэффициент трения в подвижном соединении между рабочими поверхностями за счет внедрения дуговым электрофорезом частиц нанопророшка CuO в поры упрочненного слоя.
электрофорезе частиц нанопорошка CuO в поры упрочненного слоя от сопротивления раствора-носителя позволяющая прогнозировать продолжительность дугового электрофореза при модифицировании покрытия по рассчитанному значению силы тока.
Практическая ценность заключается в разработке комбинированной технологии восстановления и упрочнения МДО изношенных рабочих поверхностей деталей машин из алюминиевых сплавов с последующим модифицированием дуговым электрофорезом МДО-покрытия нанопорошком CuO. Технология апробирована на примере восстановления поршня гидроцилиндра серии Ц-75, который устанавливается на сеялки, культиваторы, навески тракторов МТЗ-80/82, ЮМЗ-6М/6Л, а также на другие виды сельскохозяйственной техники.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на:
международных научно-технических и научно-практических конференциях: Курск, Курская ГСХА им. профессора И.И. Иванова, 2009;
Белгород, Белгоролская ГСХА, 2010; Севастополь, Донецкий и Севастопольский НТУ, 2010; Орел, ОрелГАУ, 2013;
- Всероссийских научно-практических конференциях и форумах: Орел, ОрелГАУ, 2010, 2012; Уфа, Башкирский ГАУ, 2011;
- Всероссийских конкурсах: Саратов, СГАУ, 2012 (первое место);
Москва, НТТМ-2012, 2012 (второе место);
- заседаниях кафедры надежности и ремонта машин ФГБОУ ВПО ОрелГАУ 2009, 2010, 2011, 2012, 2013;
Молодые новаторы аграрной Росси 2010г» на проведение научных исследований по данной теме на сумму 75000 рублей.
Публикации. На основании проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 патент на изобретение и 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование технологической схемы двухступенчатой обработки (МДО + дуговой электрофорез) алюминиевого сплава;
- теоретическое обоснование изменения силы тока пробоя МДОпокрытия и раствора-носителя нанопорошка CuO при вторичной обработке, и экспериментальное подтверждение влияния продолжительности вторичной обработки на снижение коэффициента трения в подвижном соединении между рабочими поверхностями;
- результаты экспериментальных исследований влияния режимов МДО алюминиевого сплава АК7ч при первичной обработке на последующее внедрение частиц нанопорошка CuO дуговым электрофорезом при вторичной обработке и изменение эксплуатационных свойств: нагрузочной способности и износостойкости подвижных соединений с МДО-покрытиями различной пористости модифицированными частицами нанопорошка CuO;
разработанная комбинированная технология восстановления с упрочнением МДО и модифицированием частицами нанопорошка CuO, которая обеспечивает повышение износостойкости подвижных соединений деталей сельскохозяйственной техники, и результаты её апробации.
Выполнение работы осуществлялось на кафедре «Надёжность и ремонт машин» ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет».
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Назначение, анализ работы и характеристика основных причин потери работоспособности гидроцилиндров Гидравлические силовые цилиндры (в дальнейшем – гидроцилиндры) широко применяются в конструкциях тракторов для подъёма и опускания навесных и полунавесных с.-х. машин, управления поворотом, а также для приведения в действие рабочих органов комбайнов и различных с.-х. машин.Краткая техническая характеристика гидроцилиндров с поршнями из алюминиевых сплавов, широко применяемых на с.-х. технике, приведена в таблице 1.1. При её составлении использованы данные работ [1, 28, 29, 44, 106, 121].
Таблица 1.1 – Краткая техническая характеристика гидроцилиндров с поршнями из алюминиевых сплавов гидроцилиндра Продолжение таблицы 1. (Ц-125-400-3) Анализ литературных данных показал, что ресурсоопределяющей деталью гидроцилиндра является резиновое уплотнительное кольцо, установленное в канавке поршня [28, 44, 121]. При наработке порядка 500 км, которую гидроцилиндр получает в среднем за 6…7 лет работы, поршень вместе с уплотнительным кольцом изнашивается до такой степени, что уже не выполняют свои функции. В то же время нередки случаи того, что даже у новых гидроцилиндров уплотнение недостаточно эффективно работает из-за несоответствия материала кольца установленным требованиям или повреждения вследствие некачественной сборки, а также вследствие превышения предельно-допустимой нагрузки на гидроцилиндр при его эксплуатации (Рисунок 1.1). В этих случаях функции уплотнительного кольца берёт на себя рабочая поверхность поршня гидроцилиндра. В качестве материала для изготовления поршней используются, главным образом, литейные алюминиевые сплавы АК7ч и АК8М, в то время как гильзы изготовлены из закалённых сталей марок 40Х и 45 с твёрдостью порядка 50…55 HRC. В связи с этим при их взаимодействии с рабочей поверхностью поршня происходит её интенсивное изнашивание. Кроме этого на износ рабочих поверхностей поршня и гильзы гидроцилиндра влияют посторонние примеси (загрязнители), содержащиеся в рабочей жидкости гидроагрегатов. Твердость таких загрязнителей в 3…12 раз больше, чем материалов применяемых для изготовления подвижного соединения «поршень-гильза» гидроагрегатов. После попадания в зазоры между совершающими возвратно-поступательное движение деталями, неотфильтрованные твердые частицы могут вызывать не только повышенный износ, но и могут увеличить силы трения [121].
Рисунок 1.1 – Схема работы гидроцилиндра при превышении предельно-допустимой нагрузки Вследствие выше перечисленных факторов гидроцилиндр после некоторой продолжительности эксплуатации переходит в неработоспособное состояние, так как зазор в сопряжении «поршень – гильза» оказывается достаточным для того, чтобы масло свободно перетекало из одной полости гидроцилиндра в другую, не создавая при этом требуемого давления.
В связи с вышеизложенным, для проведения научных исследований нами был выбран алюминиевый сплав АК7ч, как один из широко используемых для изготовления поршней гидроцилиндров. Основной износ таких деталей приходится на внешние цилиндрические поверхности. В таблице 1.2 приведен состав вышеуказанного сплава согласно ГОСТ 1583.
применяется для изготовления поршней гидроцилиндров Марка сплава гидроцилиндра, приводящего гидроцилиндр в неработоспособное состояние, в ЗАО ТПК «СтройДорМаш – Орел», которое занимается изготовлением и ремонтом гидроцилиндров, были проведены измерения изношенных рабочих поверхностей поршней. Выборка составляла 50 штук.
Полученные статистические данные обрабатывали с использованием ПК. Результаты представлены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 – Результаты измерений и расчетов в виде статистических показателей Наименование изношенной поверхности и Рабочая поверхность поршня гидроцилиндра Анализ 50 неработоспособных силовых гидроцилиндров, имеющих наработку порядка 500…700 км, проведённый в ЗАО ТПК «СтройДорМаш – Орел», позволил установить, что износы по диаметру рабочих поверхностей поршней находятся в интервале 0,055…0,12 мм. Силовой цилиндр при таких износах полностью утрачивает работоспособное состояние, так как зазор в подвижном соединении увеличивается настолько, что абразивные частицы, находящиеся в гидравлическом масле не вызывают дальнейшего изнашивания рабочей поверхности поршня. Проведенный анализ показал, что около 90% деталей, рабочие поверхности которых подвергались дефектации, необходимо восстановливать (Приложение А) [119, 120]. Износ рабочей поверхности гильзы цилиндра значительно меньше и колеблется в интервале 20…60 мкм на диаметр. Фотография изношенной детали наглядно характеризует ее техническое состояние (Рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Изношенный поршень гидроцилиндра Ц- изношенных деталей, выбранных для проведения исследований исследований деталей с выявленным износом близким к 0,1 мм в ремонтном производстве проводят следующими методами: ремонтные размеры, постановка дополнительной ремонтной детали (ДРД), пластическое деформирование, полимерные материалы, гальванические покрытия, методы восстановления рабочих поверхностей деталей внесли следующие ученые:
Батищев А.Н., Бурумкулов Ф.Х., Васильев В.В., Голубев И.Г., Катц Н.В., Коломейченко А.В., Кузнецов Ю.А., Курчаткин В.В., Лялякин В.П., Марков Г.А., Патон Б.Е., Пучин Е.А., Черноиванов В.И., Юдин В.М., Фархшатов М.Н. и многие другие ученые. В представленных выше способах на ряду с положительными характеристиками имеют место и недостатки, существенно ограничивающие возможность их применения для восстановления и упрочнения поршней гидроцилиндров из алюминиевых сплавов.
Ремонтные размеры и постановка ДРД. Данные способы достаточно широко распространены. Однако, необходимость изготовления деталей ремонтного размера, а также нецелесообразность применения способа ДРД при малом износе усложняют взаимозаменяемость и организацию производства, и требуют больших складских помещений.
Пластическое деформирование. Для данного способа восстановления деталей характерно использование пластических свойств и запаса прочности материала детали. Недостатком данного способа является разупрочнение материала в следствии механического сдавливания и сдвига кристаллов металла, что приводит к увеличению внутренних напряжений. Это приводит к разрушению детали при её эксплуатации [56, 57]. Кроме этого твердость алюминиевых сплавов, в отличии от сталей, не велика. Поэтому использовать данный метод для ремонта таких деталей нецелесообразно.
Россельхозакадемии в ходе ремонта машин с использованием полимерных материалов, в сравнении с другими способами, снижается на 20...30% трудоемкость восстановления деталей, на 15...20% - себестоимость ремонта и на 40...50% - расход материалов [57, 69]. В тоже время, в ряде случаев существующие способы нанесения полимерных материалов связаны с проблемами адгезии полимерного покрытия с металлом, потерями при нанесении, необходимостью разработки и применения сложного дорогостоящего оборудования (при их нанесении под давлением). Кроме этого, триботехнический контакт металлической поверхности с полимером зарождает в ней водородное охрупчивание и последующее форсированное разрушение, что приводит к обнажению материала металлической основы [36, 59]. Все это ограничивает область применения полимерных материалов для восстановления поршней гидроцилиндров.
Гальванопокрытия. Покрытия, полученные электролитическим путем, получили широкое распространение, в том числе их используют для восстановления рабочих поверхностей деталей из алюминиевых сплавов.
Сплавы цинка с железом или никелем являются наиболее перспективными покрытиями. Физико-механические свойства сплава цинка с железом близки к свойствам алюминиевых сплавов. Однако, в ряде случаев, при температура и т.д.) необходимо использование более износостойкого покрытия. В таких случаях используют сплавы цинк-никель [57, 69, 70].
Однако гальванопокрытия, далеко не всегда могут соответствовать требованиям, предъявляемым современным износостойким покрытиям и материалам. Довольно часто данные покрытия характеризуются невысокой их прочностью сцепления с металлической основой или невысокими прочностными характеристиками самого покрытия. Многооперационность, дорогостоящее оборудование, вредность производства и потребность в специальных очистных сооружениях для отработанных электролитов существенно ограничивают область их применения.
Методы напыления. В последнее время они достаточно широко применяются в ремонтном производстве. Покрытия, полученные данными способами, характеризуются низкой пористостью и достаточно высокой прочностью сцепления с металлической основой. К основным недостаткам данных методов можно отнести: дороговизну применяемого оборудования, большой расход материалов используемых для напыления, в ряде случаев большой производственный шум и громоздкость оборудования, а также газовая струя может оказать высокое термическое воздействие на поверхность детали.
В настоящее время наукой созданы новые технологические способы поверхностного упрочнения деталей машин. Их основная задача заключается в создании поверхностных слоев с высокими физико-механическими свойствами, прочностью сцепления с металлической основой, а также износо- и коррозионной стойкостью. Данные характеристики являются важнейшими для обеспечения долговечности техники при её эксплуатации.
Создание поверхностных упрочненных слоев дает необходимый барьер для защиты рабочих поверхностей деталей с.-х. техники от воздействия агрессивных сред, абразивных частиц и механических нагрузок [36, 41].
В тоже время, среди способов упрочнения рабочих поверхностей деталей с.-х. техники из алюминиевых сплавов эффективных не так много.
Такими способами упрочнения являются пластическое деформирование, электроосаждение покрытий и методы напыления описанные выше. Однако, вместе с положительными характеристиками они имеют и существенные недостатки, Коломейченко А.В. в своей работе приводит следующие недостатки «невозможность обработки небольших посадочных отверстий, токсичность, низкая прочность сцепления покрытий с металлом, склонность к усталостному выкрашиванию, невысокая износо- и коррозионная стойкость, вопросы экологической безопасности».
Установленные недостатки, возникающие в перечисленных методах восстановления и упрочнения изношенных деталей, выбранных для проведения исследований, а также влияние агрессивности технологических сред и постоянно ужесточающиеся условия эксплуатации деталей с.-х.
техники не всегда могут ей обеспечить требуемую долговечность.
Постоянно растущим требованиям, которые на сегодняшний день предъявляются к свойствам упрочняющих покрытий, могут удовлетворить керамические покрытия, которые обладают высокими служебными свойствами, такими как стойкость к окислению, термоударам и вибрациям [4, 8, 17, 31, 72, 104]. Одним из видов данных покрытий является металлокварцевые композитные материалы. В работе [107] рассматривается разработка данных материалов для гидроцилиндров высокого давления. В данной работе говорится о высокой прочности и износостойкости таких покрытий. Однако, способ нанесения метало-кварцевого композитного материала предусматривает термообработку при температуре 1200…1250оС, что неприемлемо для деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов.
Наряду с технологиями напыления и рядом других способов нанесения оксидокерамических покрытий [24, 51, 124-126], весьма активно напряжением. Получаемые упрочненные слои состоят из оксида алюминия Al2O3 и композиций на его основе [7, 38, 108]. Наиболее перспективным способом получения оксидокерамических покрытий является МДО. Данный способ, в значительной мере лишенный многих недостатков и получающий в последнее время все более широкое распространение, позволяет устранить износ до 0,1 мм, а также значительно повысить стойкость к изнашиванию и коррозии рабочих поверхностей деталей [27, 36, 67, 74, 98, 101, 104, 133].
1.3 МДО, как способ восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей из алюминиевых сплавов Технология МДО достаточно хорошо отработана для таких металлов и их сплавов как – алюминий, титан, магний, тантал и другие. Они входят в группу вентильных металлов. Вентильными их называют потому, что оксидокерамические покрытия, которые формируются на их поверхности электрохимическим путём, имеют униполярную или асимметричную проводимость в системе «металл – оксид – электролит». В этом случае за счет образования анодной оксидной плёнки на металле формируется положительный потенциал, который соответствует запирающему или полупроводниковый вентиль. Метод МДО лишен многих недостатков, которые имеются у других технологий поверхностного упрочнения.
Основными преимуществами технологии МДО являются: создание многофункциональных покрытий требуемой толщины, состава и структуры;
регулирование скорости процесса формирования покрытия; доступность компонентов электролита; процесс считается экологичным, за счет отсутствия токсичных компонентов при использовании силикатно-щелочных электролитов [14, 33, 36, 38, 52]. Количество работ по изучению свойств упрочненных слоев формируемых МДО и их применению в различных отраслях за последнее десятилетие значительно возросло [9, 45, 54, 75, 95, 127, 132]. Это свидетельствует о том, что они обладают уникальным комплексом свойств.
Сущность МДО заключается в том, что под действием высокого напряжения, которое прикладывается между деталью, находящейся в электролите и металлическим катодом (которым может выступать корпус электролитической ванны) на поверхности детали возникают микродуговые разряды (МДР). Они в свою очередь своим термическим, плазмохимическим и гидродинамическим воздействием преобразуют поверхностный слой детали из алюминиевого сплава в прочно сцепленное оксидокерамическое покрытие [31, 67].
Отличительная особенность этого процесса – участие в формировании упрочненного слоя поверхностных МДР, которые оказывают достаточно существенное и специфическое воздействие на структуру и фазовый состав МДО-покрытия. В результате получаемые упрочненные слои по своим свойствам существенно отличаются от свойств покрытий полученных традиционным анодированием. Одной из отличительных особенностей оксидокерамический слой развивается в обе стороны упрочняемой поверхности детали относительно ее действительного размера [105]. Таким образом, для МДО характерны черты двух различных групп методов формирования:
1) формирование покрытия на поверхности детали, т.е. процесс упрочнения с приращением толщины;
2) изменение поверхности детали, т.е. ее структуры и свойств - процесс упрочнения без приращения толщины.
В работах [6, 45, 53, 54, 91], по развитию и внедрению МДО в ремонтное производство, наибольшее распространение получило первое направление. Его использование позволяет компенсировать износ рабочих поверхностей деталей из алюминиевых сплавов до 0,1 мм и одновременно упрочнять восстанавливаемую поверхность. Среди технологических схем, распространение получило анодно-катодное (АК) МДО [62-64, 73, 98, 104, 115, 116, 130]. Во время АК МДО на поверхности обрабатываемой детали попеременно возникают то анодные, то катодные МДР. Мощность катодных МДР больше чем анодных. Это связано с большей, почти на 1000°С, температурой горения катодных МДР по сравнению с анодными МДР. В итоге, катодные МДР повышают температуру формирующегося МДОпокрытия. Таким образом, они способствуют более легкому зажиганию анодных МДР и поддерживают их горение. Таким образом, МДО-покрытия, сформированные АК методом, по эксплуатационным характеристикам значительно превосходят аналогичные упрочненные слои, сформированные анодным или катодным МДО [101, 104, 109, 122, 123].
Для формирования МДО-покрытий существуют различные виды источников электрического питания. Больше остальных распространены источники, которые в процессе МДО образуют необходимые электрические параметры с применением токов промышленной частоты [8, 64, 85, 102, 103, 122, 129]. У импульсных высокочастотных источников питания энергозатраты ниже, чем у источников работающих на токах промышленной частоты. Однако, их использование менее предпочтительно так как они более сложны в изготовлении и дорого стоят.
двухкомпонентный силикатно-щелочной электролит типа «КОН-Na2SiO3».
Это связано с его дешевизной и экологичностью, а также способностью микротвёрдостью и химической инертностью [8, 52, 72, 85, 104, 108, 114, 123]. Перед МДО приготовленный электролит необходимо прорабатывать, то есть в течение определенного времени провести образование в нём МДОпокрытия на образце, при этом площадь поверхности образца должна быть сравнима с площадью оксидируемой детали. Проработка электролита долговечность. Электролиты типа «КОН-Na2SiO3» имеют значение pH близкое к 10. Поэтому для утилизации такого электролита достаточно разбавить его некоторым количеством воды. Этого достаточно, для того чтобы он удовлетворял требованиям санитарных норм (pH 6,5…8,5). После разбавления электролита водой его можно сбрасывать в канализационный сток без дополнительной очистки.
В МДО-покрытии различают три слоя кристаллического строения:
упрочнённый, переходный и поверхностный [57, 64, 73]. Поверхностный слой – рыхлый и имеет низкую износостойкость. Он состоит из оксида кремния, алюмосиликатов и муллита. Его удаляют при финишной механической обработке упрочненной детали. Это обязательно необходимо осуществлять, так как при эксплуатации он будет разрушаться, и служить в роли абразива. Упрочнённый слой имеет структуру в виде ячеек, он включает в себя кристаллы с микротвёрдостью 18…24 ГПа, которые расположены в аморфоподобной связке (её микротвёрдость достигает 8 ГПа). Этот слой состоит из - и -оксидов алюминия (Al2O3). Он характеризуется высокими показателями плотности, твёрдости и износостойкости. Относительно действительных размеров деталей до МДО данный слой делится на внешний и внутренний. Переходный слой, толщина которого составляет 3…5 мкм, в свою очередь располагается между металлом основы (детали) и упрочнённым слоем МДО-покрытия. В состав переходного слоя входит незначительное количество - и - Al2O3 и ортоклаз.
В настоящее время наиболее широко распространен ванный способ формирования МДО-покрытий. Он имеет несколько недостатков, которые связаны с поддержанием необходимой температуры электролита и его рациональным использованием, а также защитой поверхностей детали неподлежащих оксидированию. Проточное МДО частично или полностью устраняет эти недостатки, поэтому оно является более перспективным [14, 32, 38, 79, 91]. Сущность проточного МДО заключается в том, что упрочняемые поверхности детали находятся в электролите, который прокачивается щелочестойким насосом. Тем самым, этот способ МДО получает следующее преимущество: постоянное перемешивание электролита, за счет этого область горения МДР пополняется его новыми незадействованными порциями. Это приводит к улучшению физикомеханических свойств МДО-покрытий; возрастает работоспособность электролита и увеличивается время интервалов между его заменами; условия получения МДО-покрытий становятся более стабильными.
При проточном способе оксидирования деталей большой площади электролит сильно нагревается. В результате этого он интенсивно испаряется. Высокая температура вызывает оплавление изоляции токоведущих проводов и подвески. Горячий электролит частично растворяет создаваемое МДО-покрытие, это уменьшает его толщину и способствует образованию дополнительной остаточной пористости [38, 76, 77]. Чтобы избежать таких негативных явлений, необходимо охлаждать электролит. Для его охлаждения в контур проточной циркуляции встраивают охладитель, при этом охлаждающий реагент (например, холодная водопроводная вода или фреон) забирает часть теплоты электролита [34, 36]. В связи с этим МДОпокрытия получаются с оптимальной толщиной и физико-механическим свойствам.
Во время процесса МДО в электролитической ванне, целесообразно осуществлять воздушное барботирование (орошение пузырьками воздуха) электролита и оксидируемой поверхности детали. Это выравнивает температуру электролита, и способствует его перемешиванию и подаче свежих порций в зону горения МДР [36, 73, 81, 82, 84].
Таким образом, МДО является наиболее предпочтительным способом восстановления с упрочнением деталей из алюминиевых сплавов, который в последнее время получил достаточно широкое распространение [69, 70, 72, 73, 75, 89-94].
1.4 Свойства МДО-покрытий, сформированных на алюминиевых сплавах в анодно-катодном режиме функционального назначения и может варьироваться в достаточно широком интервале. По мнению ряда ученых, наиболее предпочтительной в технологическом отношении является толщина более 100 мкм, которая позволяет обеспечить длительную работу подвижного соединения даже в условиях абразивного изнашивания [38, 61, 87, 116]. В целом МДОпокрытия, которые формируются на литейных алюминиевых сплавах с применением рациональных режимов, обладают немного меньшей толщиной и микротвердостью, чем на деформируемых. Это связано с высоким содержанием кремния в их составе, за счет него формируемые МДОпокрытия имеют значительно больший рыхлый слой, который в последствии необходимо удалять финишной механической обработкой [3, 67, 73].
МДО-покрытия имеют очень высокую прочность сцепления с алюминиевым сплавом, которая сопоставима с пределом прочности упрочняемого металла. Это происходит из-за того, что упрочненный слой формируется за счёт действия МДР на поверхностный слой оксидируемого алюминиевого сплава, в результате поверхность материала основы перерабатывается [100, 101, 116]. Кроме этого, высокие показатели прочности сцепления обусловлены механическим сцеплением так называемого «анкерного типа». Оно образуется за счет частичного оплавления оксидируемого алюминиевого сплава в зоне контакта с МДР контакта и его перемешивания с упрочненным слоем, а также за счет сил химической связи, возникающей в результате такого воздействия [57, 72]. В зависимости от состава и содержания компонентов в электролите прочность сцепления МДО-покрытия с алюминиевым сплавом может достигать значений 350…380 МПа [57, 72].
алюминиевых сплавах, может отличаться как качественно, так и количественно. Упрочненный слой состоит из фаз – Аl2O3, – Аl2O3 и муллита 3Al2O3x2SiO2. Например, такое покрытие, сформированное на литейном алюминиевом сплаве АК7ч, имеет в своей основе фазы – Аl2O3 и муллита (3Al2O3 x 2SiO2) [18, 55, 58, 71, 112]. Фаза – Аl2O3 обладает твёрдостью порядка 14,3 ГПа, а муллит – около 10 ГПа. На процентное содержание фаз в упрочнённом слое достаточно существенное влияние могут оказывать режимы МДО и вид электролита. Одним из примеров служит увеличение содержания Na2SiO3 в электролите или количества кремния в оксидируемом алюминиевом сплаве, это приводит к возрастанию доли фазы поверхностных слоях. Это происходит в связи с уменьшением содержания фаз – и – Аl2O3 [72, 73, 112].
Известно, что если в составе электролита присутствуют силикаты, то полученный из них в разряде оксид кремния при нагреве с Аl2O3 может образовывать тугоплавкие и термически стойкие вещества – алюмосиликаты.
Наиболее часто образующиеся при МДО алюминиевого сплава в силикатнощелочном электролите алюмосиликаты – это ортоклаз К(АlSi3O8), альбит Na(АlSi3O8) и нефелин Na(АlSiO4) [105]. Максимальная микротвёрдость МДОпокрытий формируемых в электролитах типа «КОН-Na2SiO3», располагается в средней зоне упрочненного слоя. Например, на литейном алюминиевом сплаве АК7ч микротвёрдость поверхности упрочненного слоя может составить 3,5....4 ГПа. Она постепенно увеличивается в ходе приближения к металлической основе и достигает максимальных значений (около 9- ГПа) на расстоянии 25…40 мкм от границы раздела «алюминиевый сплав МДО-покрытие». После этого микротвердость упрочненного слоя существенно снижается [36, 71].
Среди различных свойств МДО-покрытий немаловажным значением обладает их пористость, ее образование происходит во время горения МДР.
Она делится на сквозную и замкнутую (тупиковую часть открытой пористости). При этом, замкнутая пористость образуется в результате частичного заполнения существующих сквозных пор при горении МДР [36, 105].
Пористость МДО-покрытий зависит от плотности тока, а также состава и температуры электролита [10, 27, 36, 40, 74, 87, 105]. Наибольшая пористость характерна для поверхностного слоя МДО-покрытий (для литейных сплавов – 15…40%), упрочнённый слой обладает относительно постоянной пористостью, для литейных алюминиевых сплавов – 10…15%, а переходный слой – не более 5%. Минимальная пористость упрочнённого слоя МДО-покрытия соответствует значениям температуры электролита С. При увеличении температуры электролита до 50…60С пористость существенно возрастает. Это происходит за счёт действия электролита, как указывалось ранее, при высоких температурах он частично растворяет слабые места в МДО-покрытии, такими местами и являются замкнутые поры [36, 76, 77, 105].
Известно, что размеры пор колеблятся от 2 до 15 мкм, при этом основное количество пор (около 90%) в упрочнённом слое имеет размер, не превышающий 6 мкм. В ходе приближения к переходному слою пористость МДО-покрытия уменьшается [36, 114, 120].
Стойкость МДО-покрытий к изнашиванию, с учетом использования рациональных режимов оксидирования, очень высока и может сравниваться с износостойкостью диффузионных боридных покрытий [31, 61, 62, 99, 122].
Это дает возможность использовать МДО-покрытия в определённом интервале нагрузок, скоростей и смазочных сред в паре трения с различными материалами. Необходимо отметить, что финишная механическая обработка МДО-покрытия, резко снижает изнашивание, как упрочненной детали, так и ответной детали подвижного соединения. Это происходит за счет существенного снижения шероховатости при удалении поверхностного слоя МДО-покрытия.
Однако, несмотря на высокие показатели прочности сцепления, микротвёрдости и износостойкости в условиях граничной смазки или взаимодействии без смазочного материала, МДО-покрытия сформированные на рабочих поверхностях деталей из алюминиевых сплавов обладают высокими фрикционными свойствами [9, 21, 22, 131]. Что в свою очередь способствует повышенному изнашиванию (до 30%) ответной, зачастую дорогостоящей, детали типа «вал» при их взаимодействии в подвижном соединении [53, 100, 111]. Чтобы устранить указанный недостаток целесообразно использовать технологические приёмы, позволяющие его минимизировать.
1.5 Технологические приёмы повышения долговечности подвижных соединений и деталей машин, упрочненных МДО Известно несколько способов улучшения антифрикционных свойств МДО-покрытий, в условиях приработки и эксплуатации подвижных соединений [36]:
1) введение антифрикционных присадок в смазочный материал, которые обладают низким сопротивлением сдвигу;
2) создание на поверхности МДО-покрытия слоя из антифрикционного материала, действие которого снизит коэффициент трения при взаимодействии деталей подвижного соединения;
3) повышение маслоёмкости МДО-покрытия, которое достигается за счёт увеличения количества пор или их искусственного наполнения смазочными материалами;
4) создание МДО-покрытий в электролитах, в состав которых введены антифрикционные материалы, которые при оксидировании входят в состав упрочненного слоя.
В работах [23, 36, 54, 60, 86, 105] достаточно широко рассмотрены указанные выше способы повышения антифрикционных свойств МДОпокрытий. Однако, у них также имеются недостатки ограничивающие область их применения. Например, при использовании первого способа:
дисперсные частицы металлов могут со временем оседать в поддонах картеров, корпусах редукторов, масляных баках и т.д. Они могут задерживаться в фильтрующих элементах гидросистем. Второй способ представлен фрикционно-механическим нанесением антифрикционного медного слоя на поверхность МДО-покрытия, который неприменим для деталей сложной конфигурации. Общим недостатком третьего способа служит отсутствие данных об изменении нагрузочной способности МДОпокрытий после их наполнения смазочными материалами. Также неизвестно какие должны быть значения оптимальной пористости упрочненного слоя, чтобы наполнять его маслом. Для реализации четвертого направления учёные, которые работают в области применения технологии МДО, разработали несколько электролитов, позволяющих при оксидировании включать в состав МДО-покрытия те или иные дополнительные компоненты, способные повысить антифрикционные свойства упрочнённого слоя [36, 43, 119].
Ультрадисперсные порошки при включении их в состав МДОпокрытий, могут повысить антифрикционные свойства и износостойкость не только упрочненного слоя на детали из алюминиевого сплава, но и ответной детали типа «вал» в подвижном соединении. Известны электролиты, с добавлением ультрадисперсных порошков оксида меди, оксида алюминия и/или циркония и др. [78, 80]. При МДО дополнительные компоненты, находящиеся в электролите транспортируются к поверхности оксидируемого алюминиевого сплава и, попадая в зону горения искрового разряда (ИР), включаются в состав МДО-покрытия. Это явление называется дуговой электрофорез. Главным недостатком таких электролитов является отсутствие или недостаточность разъяснений механизма включения дополнительных компонентов в упрочненный слой и их последующее влияние на улучшение его антифрикционных свойств. Необходимо отметить, что используемый ультрадисперсный порошок добавляется прямо в электролит. Это негативно сказывается на экономической составляющей данного метода, с точки зрения большого расхода достаточно дорогостоящего порошка, а также может негативно сказаться на экологической составляющей способа МДО.
В связи с вышеизложенным, для придания антифрикционных свойств подвижному соединению деталей машин, предоставляется целесообразным разработать новый способ включения частиц нанопорошка CuO в состав МДО-покрытия. Реализацией идеи может служить частичное изменение самого способа дугового электрофореза, а именно включение частиц нанопорошка CuO в МДО-покрытие после его полного формирования.
Данный способ предусматривает полное формирование МДО-покрытия на алюминиевом сплаве (первичная обработка). Затем удаление рыхлого, технологического слоя МДО-покрытия. Нанесение и закрепление частиц нанопорошка CuO на поверхность МДО-покрытия. Далее, для расплавления и закрепления меди в порах упрочненного слоя проводится дуговой электрофорез (вторичная обработка). Исследование свойств покрытий, полученных комбинированным способом МДО и дугового электрофореза, с применением нанопорошков CuO другими учеными не проводилось. В связи с этим представляется целесообразным подобрать рациональные состав электролита и режимы МДО, позволяющие получать на восстановленной рабочей поверхности детали из алюминиевого сплава оптимальные микротвердость, толщину и пористость упрочненного слоя для последующего внедрения дуговым электрофорезом в поры МДО-покрытия частиц нанопорошка CuO для повышения износостойкости подвижных соединений деталей машин имеющих покрытия данного типа.
Таким образом, для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости в подвижных соединениях деталей машин, содержащих МДО-покрытия данного типа можно использовать антифрикционные материалы, которые при внедрении в поры МДО-покрытия должны обеспечить решение этой задачи.
На основании анализа научной литературы были сделаны следующие выводы:
1) рабочие поверхности деталей из алюминиевых сплавов, таких как поршни гидроцилиндров, имеют максимальный износ от 55 до 120 мкм на диаметр. Около 90% продефектованных наружных цилиндрических рабочих поверхностей поршней подлежат восстановлению;
2) существующие способы восстановления и упрочнения изношенных рабочих поверхностей таких деталей не всегда обеспечивают их требуемую износостойкость. Наиболее перспективным способом восстановления с одновременным упрочнением таких деталей является МДО с использованием силикатно-щелочного электролита;
3) МДО-покрытия характеризуются высокими служебными свойствами (твёрдость, износостойкость и прочностью сцепления с алюминиевым сплавом). Однако, при граничной смазке подвижного соединения или взаимодействия деталей без смазочного материала проявляются их повышенные фрикционные свойства. Это приводит к повышенному изнашиванию ответной детали типа «вал» при их взаимодействии в подвижном соединении;
4) механизм формирования МДО-покрытий предопределяет наличие у них сквозной и замкнутой пористости, зависящей от режимов оксидирования, содержания компонентов в электролите и его температуры;
5) снизить фрикционные свойства МДО-покрытий возможно за счёт модифицирования поверхностного упрочненного слоя дуговым электрофорезом с применением нанопорошков CuO, путем внедрения их частиц в поры МДО-покрытия. Однако в открытых источниках научной литературы практически отсутствуют технологические рекомендации по данному вопросу.
Таким образом, целью настоящей работы является повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей машин восстановлением и упрочнением микродуговым оксидированием за счет внедрения частиц нанопорошка СuO в поры покрытия.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследований:
1. Выявить оптимальные микротвердость, толщину и пористость МДОпокрытия для последующего внедрения дуговым электрофорезом частиц нанопорошка CuO в поры упрочненного слоя, сформированного на литейном алюминиевом сплаве АК7ч.
2. По расчетному значению силы тока теоретически определить и экспериментально подтвердить продолжительность вторичной обработки МДО-покрытия.
3. Определить оптимальное содержание компонентов в раствореносителе нанопорошка CuO и электролите для дугового электрофореза.
коэффициента трения в подвижном соединении, включающем МДОпокрытие модифицированное частицами нанопорошка CuO, формируемое на алюминиевом сплаве АК7ч. Оценить износостойкость подвижных соединений «МДО-покрытие – сталь» с использованием нанопорошка CuO и без него.
5. Разработать и экономически обосновать комбинированную технологию, включающую в себя восстановление и упрочнение МДО модифицирование частицами нанопорошка CuO дуговым электрофорезом, которая позволит повысить износостойкость подвижных соединений деталей сельскохозяйственной техники.
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И
УПРОЧНЕНИЯ МДО РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗНОШЕННЫХ
ДЕТАЛЕЙ И ИХ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧАСТИЦАМИ
НАНОПОРОШКА CUO ДУГОВЫМ ЭЛЕКТРОФОРЕЗОМ
2.1 Механизм модифицирования МДО-покрытия частицами нанопорошка CuO Постоянно повышающиеся требования сельхозтоваропроизводителей к сельскохозяйственной технике способствуют поиску и разработке новых более совершенных способов борьбы с её изнашиванием. Упрочняющие покрытия на основе оксида алюминия Al2O3 значительно повышают износостойкость рабочих поверхностей деталей из алюминиевых сплавов, поэтому применение таких покрытий наиболее целесообразно. Данные покрытия отличаются высокой стойкостью к изнашиванию и окислению. Как было отмечено в первой главе, одним из перспективных и стремительно развивающихся способов поверхностного упрочнения оксидокерамическими покрытиями изделий сельскохозяйственного машиностроения из алюминиевых сплавов является МДО.Известно, что в процессе МДО на поверхности обрабатываемой детали возникают мигрирующие точечные МДР. В источнике [105] дается следующее определение искрового разряда и процесса его образования:
«искровой разряд (ИР) – это неустановившийся электрический разряд в газе, возникающий и протекающий нестационарно (обычно при давлениях близких к атмосферному и выше) в том случае, когда непосредственно после пробоя разрядного промежутка напряжение на нем падает в течение очень короткого отрезка времени (до 100 мкс) ниже величины напряжения гашения МДР». Таким образом МДР, то есть самостоятельный газовый разряд, формируется в порах оксидной пленки на поверхности вентильного металла.
Наиболее важными моментами в образовании МДР при МДО являются процессы возникновения парогазовых пузырьков (ПГП) и зажигания в них микроразрядов. Начальная ионизация промежутка происходит при контактно-разрывном процессе в ходе возникновения и расширения ПГП в поре МДО-покрытия. Для МДР характерно многократное увеличение длины газоразрядного промежутка за счет парогазовыделения, удлинения порового канала при росте толщины МДО-покрытия, а главное, резкого увеличения объема ПГП при зажигании микроразряда из-за роста температуры в нем.
В результате теплового воздействия МДР окисная пленка локально нагревается до температуры выше 2000С [121], что приводит к оплавлению стенок поровых разрядных каналов и появлению в МДО-покрытии кристаллических модификаций оксидов алюминия, в том числе и высокотемпературных, за счет дегидратации оксогидроксидов и полиморфных превращений.
Химический состав оксидируемого алюминиевого сплава оказывает влияние на многие параметры процесса: время зажигания МДР, состав и свойства получаемых МДО-покрытий, но прежде всего на саму возможность инициирования и поддержания продуктивного процесса МДО. Химический состав алюминиевых сплавов также определяет выбор состава электролита и режимов их оксидирования. Так, наличие в сплаве меди дает возможность уменьшить количество Na2SiO3 в силикатно-щелочном электролите, а сплавы, содержащие кремний, хорошо оксидируются в чисто силикатном электролите, но требуют более высоких плотностей тока при МДО [105].
Электролит типа «КОН-Na2SiO3» наиболее часто используется для МДО. Гидролиз протекает по следующей схеме:
Далее, претерпевая термическую дегидратацию, кремниевая кислота Н2SiO3 дает диоксид кремния SiO2 в виде -кристобалита и/или -кварца, что и наблюдается при МДО в растворах, содержащих силикаты натрия (натриевое жидкое стекло). При МДО алюминиевого сплава в силикатнощелочном электролите происходит образование силлиманита:
Если в состав электролита входят силикаты, то образующийся из них, под действием МДР, оксид кремния при нагреве с Al2O3 и оксидами других металлов может образовывать алюмосиликаты. Алюмосиликаты это тугоплавкие и термически стойкие вещества, которые не взаимодействуют с растворами большинства кислот и щелочей. Отсюда и получается высокая твердость и коррозионная стойкость формируемых МДО-покрытий при использовании электролита данного состава.
На основании вышеизложенного можно сделать краткий вывод о том, что процесс образования МДО-покрытия основан на МДР, которые образуются в парогазовых пузырьках пор окисной пленки на алюминиевом сплаве. На основании анализа литературных данных и собственных проведенных исследований нами было сделано предположение, что включение частиц CuO в состав МДО-покрытий, при дуговом электрофорезе, может обеспечить существенное повышение антифрикционных свойств подвижных соединений деталей машин, содержащих покрытия данного типа при взаимодействия деталей без смазочного материала или в режиме граничной смазки.
Однако, в отличие от общепринятого дугового электрофореза, где включение частиц порошков металлов в МДО-покрытие происходит прямо из электролита, в котором и происходит МДО, этот процесс предлагается осуществлять в две стадии. В начале МДО, а затем дуговой электрофорез с сформированного оксидокерамического покрытия. Первая стадия (первичная обработка) предусматривает полное формирование МДО-покрытия на алюминиевом сплаве. Затем удаление рыхлого, технологического слоя.
Нанесение и закрепление частиц CuO на поверхность МДО-покрытия. Далее идет вторая стадия, которая предусматривает дуговой электрофорез (вторичная обработка), для расплавления и закрепления меди в оксидокерамическом покрытии. Достоинством такого решения будет поверхностный слой МДО-покрытия. Это позволит существенно снизить расход применяемого порошка и повысить антифрикционные свойства внешнего упрочненного слоя. Данное обстоятельство связано с тем, что в трении двух твердых тел участвует только внешняя поверхность МДОпокрытия. Поэтому улучшение антифрикционных свойств по всей толщине упрочненного слоя не требуется.
Для реализации данной идеи необходимо выбрать материал порошка, его фракцию и способ его фиксации на внешней поверхности уже сформированного МДО-покрытия. Включение частиц меди в состав МДОпокрытия будет производиться дуговым электрофорезом.
Проанализировав имеющиеся на Российском рынке порошковые материалы, их свойства и стоимость, мы пришли к выводу, что для повышения антифрикционных свойств МДО-покрытий наиболее целесообразно использовать порошки CuO. Такой порошок часто применяют в материаловедении, в качестве добавок к электродным материалам для изготовления высокопроводящих кислородных электродов с высокой электрохимической активностью, что по нашему мнению будет благоприятно сказываться на включениии порошка в состав МДО-покрытия при воздействии на него ИР. Помимо этого, данный выбор порошка основан на анализе литературных источников [15, 46-50]. В частности С.Г. Красиков в работе [50] описывает преобразование пары трения «сталь-бронза» в пару трения «медь – медь». Поэтому, минуя медьсодержащие порошки мы остановили свой выбор на порошке из чистой меди.
В связи с тем, что размеры пор в МДО-покрытии колеблются в интервале от 2 до 6 мкм [36, 104, 105], можно предположить, что для лучшей заполняемости (по глубине упрочненного слоя) при дуговом электрофорезе потребуется порошок фракцией менее 1 мкм, который является наноразмерным. Предлагаемый нами, способ закрепления частиц нанопорошка CuO перед дуговым электрофорезом на поверхности МДОпокрытия заключается в следующем. Порошок должен находиться в составе раствора, который при нанесении на сформированное при первичной обработке МДО-покрытие, позволит зафиксировать его частицы на поверхности упрочненного слоя до начала вторичной обработки. Для приготовления основы раствора-носителя мы решили выбрать дистиллированную воду и один из компонентов электролита, а именно Na2SiO3, который применяется в промышленности в качестве компонента клеевых растворов. Это обусловлено тем, что порошок CuO в раствореносителе на основе воды и натриевого жидкого стекла под собственным весом будет осаждаться на внешнюю поверхность МДО-покрытия и частично проникать в его поры, а Na2SiO3 после испарения воды удержит частицы CuO на МДО-покрытии. Выбор Na2SiO3 для основы раствораносителя также основан на том, что он является компонентом электролита и не сможет повлиять на изменение химического состава МДО-покрытия при вторичной обработке. Однако нельзя полностью исключить использования и других компонентов вместо него, например крахмала. Он не взаимодействует с компонентами электролита, а также не сможет повлиять на фазовый состав МДО-покрытия. Кроме этого крахмал обладает хорошими склеивающими характеристиками. Однако, он может оказать негативное влияние на образование ИР [95].
В качестве способа для включения частиц нанопорошка CuO в состав МДО-покрытия, как описывалось ранее, будем использовать дуговой электрофорез. Ранее указывалось, что МДР при МДО проходит сквозь парогазовый пузырек, который образуется в порах упрочненного слоя. После нанесения раствора-носителя на поверхность МДО-покрытия верхняя часть пор в нем окажется занятой частицами CuO, а сама пора внутри будет полой.
В этом случае при вторичной обработке воздействие ИР будет проходить по пути наименьшего сопротивления, т.е. через поры в упрочненном слое. В это же время он окажет воздействие на нанопорошок CuO, который будет находиться в зоне единичной поры. Под действием ИР нанопорошок CuO расплавится и займет полость поры. При этом также произойдет частичное расплавление стенки поры в МДО-покрытии. Таким образом и произойдет модифицирование его внешнего слоя, медь (Cu) будет включена в состав упрочненного слоя. Продолжительность вторичной обработки будем выбирать исходя из потребности расплавления как можно большего количества частиц нанопорошка CuO, нанесенного в составе раствораносителя на поверхность МДО-покрытия. На рисунке 2.1 представлен предлагаемый нами механизм модифицирования МДО-покрытия частицами нанопорошка CuO.
Рисунок 2.1- Механизм модифицирования МДО-покрытия частицами нанопоршка CuO 2.2 Модель тока пробоя при вторичной обработке МДО-покрытия Для выбора электрического режима вторичной обработки необходимо провести теоретическое исследование, которое позволит определить электрический ток пробоя упрочненного слоя, который необходим для расплавления как можно большего количества частиц нанопорошка CuO, нанесенного на поверхность МДО-покрытия. Проведение подобного расчета требует четкого понятия о механизме протекания ИР. Он позволит понять, как меняются электрические параметры в ходе процесса дугового электрофореза в зависимости от электрофизических параметров электролита, раствора-носителя и сформированного МДО-покрытия.
Как известно, закон которому подчиняется процесс МДО является циклическим. В ходе такого процесса ИР последовательно проходит через стадии зарождения, распространения и затухания. На сегодняшний день механизм образования и пробоя барьерной пленки достаточно хорошо изучен и математически описан [19, 68, 88, 108, 110, 128]. В работе Пронина В.В.
описываются теоретические представления роста МДО-покрытия на алюминиевом сплаве и его кинетические закономерности, также в ней представлена динамика процесса зарождения МДР в элементарной ячейке [88]. В этой модели учтена форма ЭДС источника технологического тока.
Однако, в нашем случае МДО-покрытие уже сформировано, поэтому ИР будет в основном проходить через поры МДО-покрытия. Кроме этого при вторичной обработке появляется дополнительное сопротивление в виде раствора-носителя СuO.
В связи с этим модель, представленная в работе [88] получила в нашей работе дальнейшее развитие применительно к вторичной обработке (дуговому электрофорезу) МДО-покрытия. При рассмотрении начальных условий задачи, также как и в работе [88] был сделан ряд допущений. В расчетах не учитывался ионный ток в системе и сопротивление электролита в порах МДО-покрытия. В нашем случае задача была сведена к определению изменения электронного тока, проходящего через систему металл - оксид раствор-носитель CuO - электролит (МОРЭ), от напряжения на ячейке.
Эквивалентная электрическая схема системы МОРЭ представлена на рисунке 2.2. При этом также вводилось допущение, что постоянными величинами останутся следующие параметры: сопротивление МДО-покрытия (Rп), сопротивление барьерного слоя на дне сквозной поры МДО-покрытия (Rб) и емкость МДО-покрытия [105], а также сопротивление электролита (Rэ).
Параметры сопротивления раствора-носителя (Rр) и сопротивления воздуха в порах (Rв) будут меняться с течением времени. В частности Rр будет снижаться, так как раствор-носитель будет израсходован, то есть одна его часть заполнит поры и образуется сопротивление металла в порах, а другая часть вовсе растворится в электролите, при этом Rв сведется к нулю, за очень короткий промежуток времени, а появится сопротивление электролита в порах.
Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема системы МОРЭ в предпробойном состоянии при вторичной обработке. Rэ – сопротивление электролита; Rр – сопротивление раствора-носителя нанопорошка CuO; Rв – сопротивление воздуха в порах МДО-покрытия; Rб – сопротивление барьерного слоя на дне сквозной поры МДО-покрытия; С – ёмкость МДО-покрытия; E0(t) – ЭДС источника питания Тогда падение напряжения на участке АБ при вторичной обработке МДО-покрытия (Рисунок 2.2) будет:
Падение напряжения на участке АВ при вторичной обработке МДОпокрытия, будет складываться из суммы падений напряжений на участках АБ и БВ, то есть:
Тогда, общий ток при вторичной обработке МДО-покрытия будет определяться из выражений:
Приравниваем правые части уравнений (2.4) и (2.5) и получим:
Для упрощения математических расчетов, заменим коэффициентом m Тогда зная, что ЭДС источника питания E0(t) подчиняется закону:
где А - текущее амплитудное напряжение (величина, зависящая от толщины МДО-покрытия и плотности тока), В;
В - смещение амплитуды колебаний (связано с использованием ёмкостного источника тока), В;
- угловая частота, с-1, =2f (при f=50 Гц, = 100).
Учитывая (2.7) и (2.8) уравнение (2.6) примет вид:
Продифференцировав уравнение (2.9) получим:
Общее решение I0 уравнения (2.10) найдем в виде:
дифференциального уравнения;
IЧН - частное решение неоднородного дифференциального уравнения.
дифференциального уравнения имеет вид:
Тогда решение уравнения примет вид:
Ему будет соответствовать общее решение в виде:
уравнения IЧН.
можно представить:
Qm - многочлен уравнения, Qm=0.
Тогда получим частное решение неоднородного дифференциального уравнения в виде:
где D1 и D2 – постоянные коэффициенты.
Определим производную выражения (2.16) и получим:
Чтобы определить постоянные коэффициенты D1 и D2 сделаем дифференциального уравнения (2.16) и его производной (2.17) в начальное уравнение (2.10).
Общее решение уравнения примет вид:
Определим коэффициенты D1 и D2, составив систему уравнений на основе уравнения (2.18) Решением этой системы будет:
Тогда общее решение примет вид:
Подставив (2.23) в (2.2) получим:
В итоге уравнение (2.5) позволяющее определять общий ток, проходящий через систему МОРЭ, примет вид:
Уравнение (2.25) представляет собой модель, которая показывает изменение тока пробоя при вторичной обработке МДО-покрытия и учитывает электрофизические параметры сквозной пористости, раствораносителя CuO и ЭДС источника питания. Из полученного уравнения видна обратно пропорциональная зависимость силы тока от напряженности электрического поля в МДО-покрытии, сопротивления раствора-носителя CuO, электролита, МДО-покрытия и воздуха в его порах. Оно объясняет потребность в большей силе тока в момент начала вторичной обработки МДО-покрытия с нанесенным на него раствором-носителем CuO, чем при МДО.
При вторичной обработке ток зависит от сопротивления системы МОРЭ. Теоретическая зависимость изменения сопротивления системы МОРЭ от продолжительности вторичной обработки представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Теоретическая кривая изменения сопротивления системы МОРЭ от продолжительности вторичной обработки Из рисунка 2.3 видно, что в начальный момент времени вторичной обработки (точка А) сопротивление системы МОРЭ имеет максимальное значение. Этому значению сопротивления будет соответствовать ток IA.
Затем, как указывалось ранее, в ходе дугового электрофореза будет расходоваться раствор-носитель а значит, будет уменьшаться сопротивление системы МОРЭ. Когда раствор-носитель CuO будет полностью израсходован (точка В), сила тока перестанет резко расти. На некоторый промежуток времени tстаб она стабилизируется, то есть примет значение IВ. При этом в период tстаб ток IВ будет приблизительно равен IС, после чего, если не остановить вторичную обработку, МДО-покрытие начнет увеличивать свою толщину и сопротивление R начнет возрастать. Однако ранее указывалось, что это не приемлемо для разрабатываемой технологии.
Поэтому, при наступлении промежутка времени tстаб процесс вторичной обработки необходимо остановить.
Рассчитать изменение силы тока от точки А до точки В (Рисунок 2.3) весьма затруднительно, из-за отсутствия данных быстро меняющегося сопротивления Rр в ходе дугового электрофореза. Однако, используя формулу 2.25 с определенной погрешностью можно определить минимальный начальный ток IA необходимый для начала вторичной обработки и ток IВ, при котором необходимо закончить вторичную обработку. Численно рассчитанные значения IA и IВ помогут контролировать процесс вторичной обработки.
Для определения значения IA необходимо знать электрофизические параметры системы МОРЭ, то есть емкость С и сопротивления Rэ, Rр, Rб и Rв. ЭДС источника питания известна. Сопротивление воздуха Rв известно, а сопротивления Rэ, Rр, Rб и емкость С можно измерить по известным методикам [68, 88]. Таким образом подставив электрофизические параметры системы МОРЭ в точке А в формулу 2.25, можно теоретически рассчитать необходимый для начала вторичной обработки ток IA.
сопротивление Rб значительно больше чем Rр (т.е. Rб»Rр), то есть при растворении раствора-носителя CuO в электролите сила тока IВ будет изменяться незначительно. Кроме этого характер и глубина заполнения пор на данной стадии исследований нам пока не известны, поэтому при расчетах IВ сделаем следующее допущение. Примем, что в точке В сопротивление Rр полностью перерастет в сопротивление Rэ, так как раствор-носитель CuO практически полностью растворится в электролите, пористость МДОпокрытия и количество раствора-носителя наносимого на обрабатываемую поверхность отличаются на несколько порядков. Учитывая данное допущение и зная, какое количество раствора-носителя CuO было нанесено на обрабатываемую поверхность, можно рассчитать сопротивление электролита в точке В. Вычисления силы тока производились при помощи программного обеспечения «РТС Mathcad 15».
Таким образом, уравнение (2.25), которое является моделью для теоретического определения минимального начального тока IA необходимого для вторичной обработки. Полученная модель показывает, что при снижении параметров сопротивления раствора-носителя CuO и воздуха в порах, сила тока необходимая для вторичной обработки будет также снижаться и стабилизируется при переходе частиц нанопорошка CuO в поры МДОпокрытия. При этом, сопротивление воздуха в порах МДО-покрытия перерастет в сопротивление электролита в них. Причем второе будет значительно ниже первого, так как частицы нанопорошка CuO займут поровое пространство после воздействия ИР, а остатки раствора-носителя растворятся в электролите. После этого МДО-покрытие снова начнет увеличивать свою толщину, что для разрабатываемой технологии является неприемлемым. Полученная модель также позволяет контролировать продолжительность вторичной обработки по стабилизации электрического тока IВ.
2.3 Влияние модифицирования частицами нанопорошка CuO МДО-покрытия на коэффициент трения Узлы трения современных машин и механизмов, смазанные жидкими или пластичными смазочными материалами, в определенные моменты (пуск и остановка; высокие контактные нагрузки или температуры; низкие скорости относительного перемещения взаимодействующих деталей и т.д.) работают в основном в режиме граничной смазки. Поверхности трения при этом не разделены слоем жидкости, а непосредственный металлический контакт, приводящий к их повышенному изнашиванию и возможному заеданию пары трения, предотвращается (или минимизируется) вследствие образования на рабочих поверхностях участвующих в трении граничных слоев различного происхождения.
Такие способности граничных слоев как уменьшение потерь на трение, снижение изнашивания и предотвращение заедания в подвижных соединениях деталей машин возникают по следующим причинам [46-49]:
1) трущиеся поверхности разделяются под действием граничных слоев на расстояния, превышающие радиус действия адгезионных сил, что значительно снижает эти силы, поскольку они резко уменьшаются при увеличении расстояния между твердыми телами;
2) граничные слои обладают анизотропией механических свойств.
Тончайшие граничные слои могут не разрушаясь, выдерживать большие нормальные нагрузки. При этом, под действием относительно невысоких тангенциально направленных силах в граничных слоях происходит сдвиг по плоскостям наилучшего скольжения;
3) компоненты смазочного материала, взаимодействуя с поверхностью пар трения, вызывают адсорбированное пластифицирование тонких поверхностных слоев, избирательное растворение некоторых составляющих поверхностного слоя металла и перенос их на ответную поверхность, что также снижает сдвиговую прочность поверхностных слоев.
В нашем случае мы считаем, что благодаря выше указанным явлениям при граничной смазке сдвиговые деформации будут образовываться в граничном слое, образованным Cu между взаимодействующими при трении поверхностями. Образованию такого граничного слоя будет способствовать приработка рабочих поверхностей, при которой на рабочих поверхностях деталей будет иметь место некоторый износ, в том числе и на деталях с модифицированным МДО-покрытием. Тогда Cu, содержащийся в порах МДО-покрытия, будет постепенно попадать в зону контакта трущихся поверхнос-тей и выступать в роли твердого смазочного материала. Отсюда мы получим граничный слой - «третье тело» из Cu, который будет предохранять от разрушения поверхностные слои взаимодействующих деталей, а низкая сдвиговая прочность граничного слоя обеспечит относительно малые потери на трение. Данный способ доставки твердого смазочного материала в зону трения схож с ротапринтным методом нанесения твердых смазок.
После появления третьего тела в зоне трения двух деталей мы получим 2 варианта контакта: «сталь – МДО-покрытие» и «сталь – Cu – МДОпокрытие». Сила трения F в нашем случае будет подчиняться модели Боудена и Тейбора, т.е. она будет складываться из сопротивления срезу адгезионных связей на участке контакта «сталь – чистое МДО-покрытие» и сопротивления сдвигу твердого смазочного материала на остальной площадке контакта.
где А – суммарная площадь контакта, несущая нагрузку;
– доля контакта «сталь – МДО-покрытие»;
м и см – удельные сдвиговые сопротивления соответственно на участке «сталь – чистое МДО-покрытие» и на участке занятом Cu.
В нашем случае, выражение (1- ) в формуле 2.26 по сути выражает площадь контакта деталей через твердый смазочный материал, который на модифицированного МДО-покрытия. Тогда, согласно формуле 2.26 можно сделать вывод о том, что с увеличением содержания Cu на поверхности МДО-покрытия сила трения между рабочими поверхностями деталей будет снижаться, так как площадь контакта через твердый смазочный материал будет возрастать.
Можно также предположить, что коэффициент трения до приработки (образования граничного слоя) между соединением «сталь – МДО-покрытие модифицированное CuO» будет выше, чем между парой трения «сталь – МДО-покрытие». Это можно объяснить тем, что поры МДО-покрытия будут заполнены кристаллами Cu и оксида кремния, т.е. после модифицирования шероховатость упрочненного слоя увеличится.
Следует отметить, что граничный слой образуется после приработки рабочих поверхностей деталей подвижного соединения. Поэтому во время приработки за счет избирательного (фрикционного) переноса частиц меди с одной поверхности на другую, будет увеличиваться площадь контакта «сталь – Cu - МДО-покрытие». То есть, как описывалось ранее, произойдет образование третьего тела при трении, которое будет обладать меньшим сдвиговым сопротивлением, чем материалы серийных изделий. А значит, будет происходить снижение коэффициента трения и связное изменение микрогеометрии между взаимодействующими поверхностями. Данный процесс будет происходить до наступления равновесной шероховатости [47, 48].
Определенный теоретический интерес будет представлять разложение коэффициента трения на величины молекулярной и механической его составляющих между рабочими поверхностями деталей подвижного соединения. Подробное разложение данных составляющих позволит описать и выявить закономерности изменения свойств МДО-покрытий после их модифицирования частицами нанопорошка CuO.
В настоящее время общепризнанной является молекулярномеханическая теория трения, основные положения которой разработаны И.В.
Крагельским и его учениками. Исходя из представлений о дискретной механического взаимодействия на отдельных площадках контакта [47]:
где мол, мех – удельные молекулярные и механические взаимодействия или силы трения;
Амол, Амех – фактическая площадь молекулярных и механических контактов.
молекулярной составляющей и механической составляющей [47]:
После приработки механическая часть общего коэффициента трения соединения «сталь – МДО-покрытие модифицированное CuO» будет сведена к минимуму, и трение между данными поверхностями примет другой вид.
Оно в большей степени, будет сводиться к преодолению сил затрачиваемых на срез мостиков сварки внутри более мягкого материала, то есть появившегося «третьего тела» [47].
Общий вид молекулярной составляющей силы трения [47]:
где 0, – константы (определяются экспериментальным путем), зависящие от природы взаимодействия между твердыми телами;
Аr – площадь фрикционной связи;
N – нагрузка, воспринимаемая фрикционной связью.
Тогда молекулярная составляющая коэффициента трения примет вид:
где ri – среднее нормальное напряжение на фрикционной связи.
коэффициента трения напрямую зависит от 0 – прочности тела на сдвиг и – коэффициента, характеризующего увеличение касательных напряжений (прочности на сдвиг) от нормального давления. Таким образом, добавляя в зону трения Cu, которая имеет более низкую прочность на сдвиг чем сталь, взаимодействующих деталей. Тем самым уменьшаются обе составляющие коэффициента трения. Мы считаем, что в большей степени должна уменьшиться механическая составляющая коэффициента трения, а молекулярная уменьшится незначительно.
Для подтверждения этих предположений, необходимо определить составляющие коэффициента трения до и после приработки. Анализ литературных источников [5, 48] позволяет сделать вывод о том, что величину молекулярной составляющей коэффициента трения можно оценить с помощью трибометров (шариковых, роликовых).
Использование шариковых трибометров обусловлено следующими соображениями:
- обеспечение высоких контактных напряжений при сравнительно малых нагрузках, - устранение возможных погрешностей при перекосе, возникающем при вращении, - получаемые пластические отпечатки имеют сферическую форму и остаются неизменными при вращении индентора.
Определение молекулярной составляющей коэффициента трения позволит подтвердить наши предположения о снижении силы трения в исследуемой паре трения подвижного соединения «сталь – МДО-покрытие модифицированное CuO».
2.4 Выводы 2.1 Обосновано применение явления дугового электрофореза при вторичной обработке для внедрения частиц нанопорошка CuO в поры МДОпокрытия, что будет способствовать его модифицированию.
2.2 Усовершенствована модель тока пробоя при вторичной обработке (уравнение 2.25), которая учитывает электрофизические параметры сквозной пористости, раствора-носителя частиц нанопорошка CuO и электродвижущей силы источника питания и устанавливает взаимосвязь между растворением раствора-носителя в электролите и уменьшением потребного для дугового электрофореза электрического тока.
2.3 Сделано теоретическое предположение о возможном влиянии модифицирования частицами нанопорошка МДО-покрытия на молекулярную и механическую составляющую коэффициента трения в подвижном соединении рабочих поверхностей деталей.
3 ПРОГРАММА, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Программа исследований Программой научного исследования предусматривалось: изучить закономерности формирования и свойства упрочняющих МДО-покрытий модифицированных нанопорошком провести теоретические и экспериментальные исследования по выявлению физико-механических и эксплуатационных свойств восстановленных и упрочненных данными покрытиями деталей; разработать практические рекомендации для внедрения предлагаемой комбинированной технологии в производство и выполнить её экономическую оценку. На рисунке 3.1 представлена программа экспериментальных исследований.модифицированного Рисунок 3.1 – Программа экспериментальных исследований 3.2 Оборудование и материалы для формирования МДО-покрытий и модифицирования упрочненного слоя Для формирования МДО-покрытий использовали экспериментальную установку, находящуюся на кафедре «Надёжность и ремонт машин» ФГБОУ ВПО ОрёлГАУ. В устройство данной установки входят: источник питания (Рисунок 3.2, а); электролитическая ванна, которая имеет систему крепления образцов и водяную рубашку охлаждения (Рисунок 3.2, б). Установка работает от сети напряжением 380 В на переменном электрическом токе промышленной частоты 50 Гц. Она обеспечивает анодно-катодное формирование МДО-покрытий с соотношением амплитуд катодного и анодного токов IK/IA=1,0.
В ходе исследований использовались образцы, изготовленные из литейного алюминиевого сплава АК7ч ГОСТ 1583.
Рисунок 3.2 – Общий вид источника питания (а), электролитической ванны (б) экспериментальной установки для МДО: 1 – силовой блок; 2 – блок управления; 3 – блок измерения электрических режимов МДО; 4 – подвеска для образцов; 5 – электролитическая ванна.
цилиндрической формы (Рисунок 3.2, б), которая изготовлена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, она рассчитана на 10 литров электролита. В ходе исследований использовали электролит, на основе дистиллированной воды с добавлением гидроксида калия КОН ГОСТ 9285 и натриевого жидкого стекла Na2SiO3 ГОСТ 13078 c плотностью =1,47х103 кг/м3 и модулем 3,0.
Регулирование температуры электролита в процессе МДО осуществляли проточной водопроводной водой подаваемой в рубашку охлаждения электролитической ванны. В процессе МДО осуществляли воздушное барботирование электролита, тем самым перемешивали его при помощи микрокомпрессора. Закрепление образца на токоведущей подвеске осуществляли при помощи резьбового соединения.
На основе анализа литературных данных [36, 56, 119] были подобраны наиболее подходящие для исследуемого сплава АК7ч состав электролита и режимы МДО. Плотность тока при оксидировании составляла 25 А/дм2. Её выбор основан на том, что при такой плотности тока динамика роста толщины МДО-покрытия наиболее высокая и незначительно увеличивается пористость упрочненного слоя [36, 56, 119]. Для оксидирования сплава АК7ч содержание КОН в составе электролита должно быть от 1 г/л до 3 г/л [36, 56, 119]. При увеличении его содержания выше рекомендуемого значения толщина МДО-покрытия уменьшается при незначительном изменении микротвердости упрочненного слоя. Анализ технического состояния деталей проведенный в главе 1 показал, что износ поршня на сторону не превышает 60 мкм. Поэтому для компенсации такого износа за счет толщины МДОпокрытия содержание в электролите КОН должно составлять 2 г/л [36, 56, 103-105, 119]. Содержание в электролите Na2SiO3 рекомендуется от 8 г/л до 16 г/л. Однако при увеличении его содержания выше 12 г/л наблюдается снижение микротвердости упрочненного слоя [56, 103-105, 119]. Поэтому мы остановили свой выбор на рекомендациях источников [36, 57, 103-105] и составляло 10 г/л. Температура электролита изменялась в интервале 20…40С, который использовался для искусственного изменения пористости МДО-покрытия [35-37]. Продолжительность оксидирования до полного формирования МДО-покрытия была определена экспериментальным путем и составляла 80…90 мин. В дальнейшем, состав электролита при первичной обработке не изменялся. МДО-покрытия формировали на торцевой поверхности образцов (Рисунок 3.12).
Дозирование химических компонентов электролита проводили на лабораторных весах ВЛКТ-500, погрешностью при взвешивании не более 0,02 г. Свежеприготовленный электролит прорабатывали в течение 0,5 часа перед началом экспериментов. Для исключения возможности влияния обеднения электролита на свойства формируемых МДО-покрытий, после каждого опыта меняли использованный электролит на свежий, с последующей его проработкой.
После МДО с оксидированной поверхности образца снимали рыхлый технологический слой и шлифовали его до шероховатости, соответствующей оригинальной детали (Ra=0,32…0,63). Затем на упрочненную поверхность наносили подготовленный раствор-носитель с нанопорошком CuO. Он содержал дистиллированную воду, натриевое жидкое стекло Na2SiO3 ГОСТ 13078 и нанопорошок оксида меди с фракцией частиц от 80 до 100 нм по ТУ 1791-003-36280340-2008. Пропорции компонентов раствора-носителя были следующие: три части по массе жидкого стекла Na2SiO3, три части по массе дистилированная вода, 1 часть нанопорошка CuO. Далее, после застывания раствора-носителя проводили вторичную обработку исследуемой поверхности образца.
Модифицирование МДО-покрытия при вторичной обработке дуговым электрофорезом осуществляли на следующих режимах: плотность тока – А/дм2; продолжительность вторичной обработки – 0,5…2 мин.; температура электролита – 15…20С. Содержание компонентов электролита варьировалось в интервале: КОН – 0,5…2 г/л; Na2SiO3 – 2…10 г/л. Данный интервал основан на том, что концентрация компонентов электролита для вторичной обработки МДО-покрытия должна быть существенно ниже, чем при первичной обработке, так как не требуется наращивания упрочненного слоя. После вторичной обработки образец подвергался повторному шлифованию и проведению дальнейших исследований.
3.3 Оценка работоспособности электролита для формирования МДО-покрытий изменения его кислотности. Определение кислотности электролита осуществляли лабораторным рН-метром-миливольтметром модели рН-121.
Продолжительность работы электролита измеряли в Ач/л, при этом учитывали влияние площади упрочняемых образцов и объема электролита на его обеднение. Данная оценка проводилась только при первичной обработке.
При вторичной обработке компоненты раствора-носителя частично переходят в электролит. В связи с тем, что после вторичной обработки в электролите будет увеличиваться содержание Na2SiO3 поэтому для каждого следующего модифицирования МДО-покрытия, необходимо его заменять.
3.4 Измерение толщины МДО-покрытий Толщину МДО-покрытий определяли при помощи вихретокового толщиномера ВТ-201 (Рисунок 3.3) по ГОСТ 9.302. Показания толщины МДО-покрытия снимали с цифрового индикатора прибора ВТ-201 после установки датчика на исследуемый образец. За толщину принимали среднее значение из 10 измерений. Линейные размеры образцов с МДО-покрытием и без него определяли микрометром МР-25 ГОСТ 4381.
Рисунок 3.3 – Вихретоковый толщиномер ВТ- 3.5 Определение микротвердости МДО-покрытий компьютеризированном микротвердомере ПМТ-3М-01 (Рисунок 3.4) при нагрузке на индентор 1,96 Н. Погрешность измерения контрольного отпечатка составляла не более 0,3 мкм.
Рисунок 3.4 – Общий вид компьютеризированного микротвердомера ПМТ-3М- Измерения микротвердости проводили на поперечных шлифах образцов (Рисунок 3.12, а) по толщине полученных МДО-покрытий. Чтобы получить поперечные шлифы мы разрезали образцы на две половины и обрабатывали, согласно рекомендациям [11]. Помимо этого, определение микротвердости осуществляли вдавливанием алмазной пирамиды перпендикулярно в исследуемую поверхность МДО-покрытия. Перед измерениями проводили шлифование образцов наждачной бумагой типа (технологического) слоя МДО-покрытия, а затем полировали. Численное значение микротвердости определяли при помощи специализированной программы, через видеоустройство, подключенное к ПК микротвердомера.
3.6 Определение сквозной пористости МДО-покрытий Для определения сквозной пористости использовали метод цветной дефектоскопии [36, 59]. После оксидирования удаляли рыхлый (технологический слой) МДО-покрытия образцов (Рисунок 3.12, а). Затем их промывали в холодной проточной воде, после чего погружали на 30 с в теплый (35…40°С) раствор едкого натра (20 г/л) и на 1 мин в раствор осветления (азотная и плавиковая кислоты в соотношении 1:1). Для того чтобы окрасить поры образцы помещали на 5 мин в раствор, содержащий г/л сернокислой меди и 20 мл/л соляной кислоты. После промывки и сушки образцы с окрашенными порами в виде выделившейся меди на упрочненном слое исследовали под микроскопом 20. Сквозная пористость МДОпокрытий определялась из процентного отношения площади окрашенных мест к площади рассматриваемого участка.
3.7 Определение содержания меди на поверхности МДО-покрытий Содержание меди (Сu) на поверхности образца с МДО-покрытием определяли на многоканальном рентгеновском спектрометре СРМ- ТУ4276-051-00226230-2008 (Рисунок 3.5), в ЗАО «Научприбор» г. Орел.
зависимости интенсивности характеристических линий флуоресценции элемента от его массовой доли в пробе. Возбуждаемое первичным рентгеновским излучением характеристическое излучение элементов в пробе разлагается в спектр с последующим измерением интенсивности сигнала и определением массовой доли элемента с помощью градуировочного графика, построенного от проб с известным содержанием элементов.
Измерения проводились в режиме рентгеновской трубки Uа=30 кВ, Iа=30 мА, Тэксп=40 сек, с облучаемой поверхности образцов диаметром 35 мм.
Определение содержания Сu проводили по градуировке относительно стандартных образцов.
3.8 Определение коэффициента трения и его молекулярной составляющей в подвижных соединениях с МДО-покрытиями Исследования проводились на установке, принципиальная схема которой приведена на рисунке 3.6. Она сконструирована учеными Брянского Государственного технического университета Ильенко К.А., Ильенко А.К., Новиковым В.Г., Воробьевым В.И., Пугачевым А.А., Воробьевым Д.В., Новиковым А.С. и Кошелевым А.В.
Рисунок 3.6 - Принципиальная схема установки для определения коэффициента трения и его молекулярной составляющей: 1 – патрон сверлильного станка, 2 – контртело, 3 – образец, 4 – держатель образца, 5 – термопары, 6 – барабан, 7 – тензорезисторы, 8 – основание, 9 – пластина компенсационных датчиков, 10 – упор, 11 – тензобалка, Р – осевая нагрузка Измерительная часть системы состоит из анализатора спектра типа А17-Т8, входные каналы которого соединены с тензометрическим контуром, а выходные – с персональным компьютером. Прибор А17-Т8 имеет измерительных каналов. Он обеспечивает регистрацию и анализ сигналов с каждого канала одновременно в диапазоне от 0,1 до 10 кГц. Анализатор спектра оснащен встроенным генератором, позволяющим формировать сигналы специальной или произвольной формы. Тензометрический контур собран по 6-ти проводной мостовой схеме. Данная схема позволяет проводить требуемые измерения без тензометрического усилителя. Для функционирования системы необходимо использовать два входных канала аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) анализатора спектра. Первый канал (вход 1 АЦП) служит для измерения напряжения возбуждения Uвоз = Uген + Uпом, состоящего из Uген - напряжения встроенного генератора и Uпом - напряжения помех, наведенного каким-либо внешним источником.
Второй канал (вход 2 АЦП) необходим для замера суммы Uсум непосредственно на измерительной части моста Uсум = Uген + Uпом+ Uизм.
USB 2.0 передаются на ПК, что в совокупности с применением программного комплекса ZetLab обеспечивает необходимую точность измерения.
Общая погрешность измерения:
где частные погрешности:
1 = 1% - проволочных тензорезисторов;
2 = 1% - соединительных проводов;
3 = 1% - анализатора спектра;
4 = 1,5% - обработки осциллограмм.
Таким образом, общая погрешность при определении коэффициента трения Ктр составила:
тензорезистором) производилась с использованием анализатора спектра А17Т8, связанного с ПК. Она осуществлялась до начала экспериментов и после их завершения. На рисунке 3.7 приведена тарировочная характеристика, приложенной нагрузки F. Общий вид и тарировка установки представлены на рисунке 3.8.
Рисунок 3.7 - Тарировочная характеристика: 1 – тензометрический измерительный контур, 2 - анализатор спектра Рисунок 3.8 – Общий вид установки (а) и тарировка тензобалки (б) Последовательность проведения эксперимента 1. Тарировка тензобалки.
2. Очистка рабочих поверхностей образцов и контртела.
3. Установка образцов в держатель и контртела в патрон сверлильного станка.
4. Нагружение вертикальной силой.
5. Выдержка образцов (образца) и контртела под нагрузкой.
6. Включение двигателя электропривода шпинделя станка через полупроводниковый преобразователь частоты производства «Веспер».
7. При повороте контртела на 1800 двигатель выключается.
8. Осуществляется изъятие образцов (образца) из держателя (предварительно подняв контртело) 9. Проводится повторная тарировка тензобалки При проведении пунктов 5 – 7 производится запись усилия с (индустриальное масло) обезжиренные образцы выдерживаются в смазочном материале 10 – 20 минут. При повороте индентора относительно первоначального положения на 300, 900, 1800 и более, сила, необходимая для вращения остается практически неизменной [48]. Поэтому при проведении экспериментов ограничивались углом поворота не более 1800.
В роле индентора при определении молекулярных составляющих коэффициента трения был принят шарик из стали ШХ15. Данный выбор был сделан в соответствии с ГОСТ 27640. Он включает в себя «метод определения прочности адгезионной (молекулярной) связи твердых тел при трении». Данный метод предопределяет измерение молекулярной составляющей коэффициента трения между образцами, изготавливаемыми из одинакового материала. Однако в нашем случае трение идет между двумя телами из разных материалов. Поэтому во время проведения исследований мы основывались на общепринятые методики [25, 46-49, 96], а не на ГОСТ 27640.
модифицирования МДО-покрытия частицами нанопорошка CuO Для наибольшего снижения коэффициента трения в соединении нам потребуется максимально возможное присутствие меди в пространстве математической модели, описывающей зависимость коэффициента трения в подвижном соединении: «сталь 40Х – МДО-покрытие модифицированное регрессионная модель. Для получения адекватной модели был поставлен и проведён полный 2-уровневый 3-факторный эксперимент [2, 20, 23]. За параметр оптимизации Y приняли коэффициент трения после 10 часов испытаний под нагрузкой 2 МПа и скоростью скольжения поверхности контробразцов по поверхности образца – 1м/с. На основании проведённых исследований и анализа научной литературы [16, 42, 57] в качестве основных факторов, которые влияюют на коэффициент трения, были выбраны следующие:
Х1 – пористость МДО-покрытия, после первичной обработки, %;
Х2 – продолжительность вторичной обработки, сек.;
Х3 – содержание Na2SiO3 в растворе-носителе, г/л.
Выбор уровней и интервалов варьирования факторов осуществляли на основании результатов предварительных исследований (таблица 3.1).
Таблица 3.1 – Интервалы и уровни варьирования факторов Продолжительность сек.
Содержание Na2SiO3 в растворе-носителе, г/л Чтобы построить стандартную матрицу планирования эксперимента безразмерные величины (кодировали) по формуле кодирования источника [20]:
где Х i – кодовое значение i-го фактора;
xi – натуральное текущее значение i-го фактора;
xi – интервал (полуинтервал) варьирования i-го фактора где xiMAX и xiMIN – соответственно, натуральные значения верхнего и нижнего уровней варьирования i-го фактора.
Для нижнего и верхнего уровней, кодированные значения факторов варьирования рассчитанные по формуле (3.2), соответственно равны:
В таблице 3.2 представлена матрица планирования эксперимента.
характеризует влияние трёх факторов (Х1, Х2, Х3) на коэффициент трения (Y), можно выразить в виде математического уравнения первого порядка [20]:
Определение дисперсии параллельных опытов осуществляли по формуле [20]:
где n – количество параллельных опытов, принимаем минимально возможное количество n=2 [20];
yUV – параметр оптимизации одного из параллельных опытов;
yUC – среднее значение параметра оптимизации по параллельным опытам.
Оценку однородности дисперсий параллельных опытов проводили по критерию Кохрена [2, 20]:
где N – количество независимых опытов ( N =8, таблица 3.3).
«