автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение износостойкости деталей машин микродуговым оксидированием с последующим модифицированием покрытия

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 ПАР 2014

Уфа-2014

005545594

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО ОрелГАУ)

Научный руководитель: Коломейченко Александр Викторович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кравченко Игорь Николаевич

доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела Федерального государственного бюджетного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Военно-технический университет»

Фаюршин Азамат Фаритовнч

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова»

Защита состоится 11 апреля 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, 50-летия Октября, 34, ауд. 257/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан » февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Мударисов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важная роль в решении задачи технического оснащения аграрного производства должна отводиться эффективному использованию имеющегося парка машин и поддержанию его в работоспособном состоянии.

Известно, что при эксплуатации сельскохозяйственной техники около 50% её деталей переходят в неработоспособное состояние при износах, не превышающих 0,1 мм. Значительную долю при этом занимают детали из алюминиевых сплавов, обладающие многими 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, является микродуговое оксидирование (МДО). Данный способ в последние годы получил широкое распространение. Однако, при режиме граничной смазки, который возникает в аварийных ситуациях, а также в периоды приработки, начала или окончания работы машины, рабочая поверхность детали, упрочненная МДО-покрытием, за счет высокой микротвердости вызывает повышенное изнашивание сопряженной детали типа «вал». В связи с этим снижается износостойкость всего подвижного соединения.

Достоинством МДО-покрытий является возможность внедрения различных материалов в упрочненный слой для придания ему антифрикционных свойств, т.е. произвести 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. Это является перспективным направлением развития машиностроительного и ремонтного производства в современных условиях. В связи с этим, снижение изнашивания и, как следствие, повышение долговечности деталей машин является актуальной задачей, требующей своего решения.

Цель работы. Повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей машин восстановлением и упрочнением микродуговым оксидированием за счет внедрения частиц нанопорошка СиО в поры покрытия.

Объект исследования. Технология восстановления и упрочнения МДО рабочих поверхностей гоношенных деталей с последующим дуговым электрофорезом частиц нанопорошка СиО.

Предмет исследования. Физико-механические и эксплуатационные свойства упрочняющих покрытий, полученных на деталях из алюминиевого сплава АК7ч, с применением МДО и дугового электрофореза частиц нанопорошка СиО.

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 СиО в поры упрочненного слоя.

2. Выявлена зависимость электрического тока при дуговом электрофорезе частиц нанопорошка СиО в поры упрочненного слоя от сопротивления раствора-носителя СиО, 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 СиО. Технология апробирована на примере восстановления поршня гидроцилиндра серии Ц-75.

Реализация результатов исследований. Разработанная комбинированная технология восстановления с упрочнением МДО и последующим модифицированием покрытия нанопорошком СиО поршня гидроцилиндра Ц-75 внедрена в КФХ «Калинин» с. Лаврово, Орловский р-н, Орловской области и на предприятии ИП Андрюшенков г. Орел. Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ОрелГАУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на:

- международных научно-технических и научно-практических конференциях: Курская ГСХА им. профессора И.И. Иванова, 2009; Белгоролская ГСХА, 2010; Донецкий и Севастопольский НТУ, 2010; ОрелГАУ, 2013;

- Всероссийских научно-практических конференциях и форумах: ОрелГАУ, 2010, 2012; Башкирский ГАУ, 2011;

- Всероссийских конкурсах: Саратов, СГАУ, 2012 (первое место); Москва, НТТМ-2012, 2012 (второе место);

- результаты работы получили признание выделением фанта «Молодые новаторы аграрной Росси 2010 г.» на проведение научных исследований по данной теме на сумму 75000 рублей.

Вклад автора в проведенное исследование состоит во включённом участи во всех этапах процесса проведения теоретических и экспериментальных исследований, в непосредственном участии в получении исходных данных и научных экспериментах, личном участии в апробации результатов исследования, разработке и реализации плана экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных при этом данных, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

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 МДО-покрытия и раствора-носителя нанопорошка СиО 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 СиО дуговым электрофорезом при вторичной обработке и изменение эксплуатационных свойств: нагрузочной способности и износостойкости подвижных соединений с МДО-покрытиями различной пористости модифицированными частицами нанопорошка СиО;

- разработанная комбинированная технология восстановления с упрочнением МДО и модифицированием частицами нанопорошка СиО, которая обеспечивает повышение износостойкости подвижных соединений деталей сельскохозяйственной техники, и результаты её апробации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 30 рисунков, список использованной литературы из 133 наименований и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной работы и определена ее цель; раскрыты научная новизна и практическая ценность работы; приведены научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» представлен анализ литературных данных о достоинствах и недостатках способов восстановления изношенных поверхностей деталей из алюминиевых сплавов, которые не всегда обеспечивают необходимую износостойкость подвижного соединения. При формировании МДО-покрытий на алюминиевых сплавах чаще всего используют силикатно-щелочной электролит типа «K0H-Na2Si03». Большой вклад в развитие МДО внесли: Марков Г.А., Фёдоров В.А., Черненко В.И., Малышев В.Н., Эпельфельд A.B., Батищев А.Н., Новиков А.Н., Кузнецов Ю.А., Суминов И.В., Гордиенко П.С., Снежко JI.A., Коломейченко A.B. и ряд других учёных.

Анализ литературных данных показал что, несмотря на высокие показатели прочности сцепления, микротвёрдости и износостойкости при граничной смазке или взаимодействии без смазочного материала, которые возникают как при приработке, так и при эксплуатации подвижных соединений, МДО-покрытия сформированные на рабочих поверхностях деталей из алюминиевых сплавов обладают высокими фрикционными свойствами. Это позволило сформулировать следующие задачи исследований:

1. Выявить оптимальные микротвердость, толщину и пористость МДО-покрытия для последующего внедрения дуговым электрофорезом частиц нано-порошка СиО 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 растворе-носителе нанопорошка СиО и электролите для дугового электрофореза.

4. Определить факторы оказывающие влияние, на снижение коэффициента трения в подвижном соединении, включающем МДО-покрытие модифицированное частицами нанопорошка СиО, формируемое на алюминиевом сплаве АК7ч. Оценить износостойкость подвижных соединений «МДО-покрытие — сталь» с использованием нанопорошка СиО и без него.

5. Разработать и экономически обосновать комбинированную технологию, включающую в себя восстановление и упрочнение МДО рабочих поверхностей изношенных деталей и их последующее модифицирование частицами нанопорошка СиО дуговым электрофорезом, которая позволит повысить износостойкость подвижных соединений деталей сельскохозяйственной техники.

Во второй главе «Теоретические исследования для разработки комбинированной технологии восстановления и упрочнения МДО рабочих поверхностей изношенных деталей и их модифицирования частицами нанопорошка СиО дуговым электрофорезом» представлены теоретические исследования механизма модифицирования МДО-покрытия частицами нанопорошка СиО.

В основу технологии положен способ дугового электрофореза, т.е. включении в состав упрочненного слоя частиц порошков, из электролита, под дей-

ствием искровых разрядов (ИР). В отличие от общепринятого дугового электрофореза, этот процесс предлагается осуществлять в две стадии. В начале, МДО, а затем дуговой электрофорез с увеличенной концентрацией частиц оксида меди на поверхности уже сформированного оксидокерами-ческого покрытия. Первая стадия (первичная обработка) предусматривает полное форми-

мае,.

ор-носитедь СцО

. МДО-покрытие

алюминиевый __силай

а) МДО {первичная обработка)

электролит гаствор-носцтадь СиО пора

в) Дуговой т.тектрофореэ (вторичная обработка)

б) Нанесение на МДО покрытие раствора-посптетя СнО

МДО-покрытие

г) МДО-оокрьттне .модифицированное ыанонорошком СиО

Рисунок 1 - Механизм модифицирования МДО-покрытия частицами нанопоршка СиО

рование МДО-покрытия на алюминиевом сплаве. Затем удаление рыхлого, технологического слоя. Нанесение и закрепление частиц СиО на поверхность МДО-

покрытия. Далее идет вторая стадия, которая предусматривает дуговой электрофорез (вторичная обработка), для расплавления и закрепления меди в оксидоке-рамическом покрытии (Рисунок 1). Достоинством такого решения будет включение частиц антифрикционного металла только в поры и поверхностный слой МДО-покрытия. Это позволит существенно снизить расход применяемого порошка и повысить антифрикционные свойства внешнего упрочненного слоя.

Прониным В.В. разработана модель кинетической закономерности роста МДО-покрытия на алюминиевом сплаве, в которой разработана динамика процесса зарождения микродуговых разрядов (МДР) в элементарной ячейке. В этой модели учтена форма ЭДС источника технологического тока. Она получила в нашей работе дальнейшее развитие

В Б

применительно к вторичной обработке (дуговому электрофорезу) МДО-покрытия, а именно определялось изменение электронного тока, проходящего через систему «металл - оксид - раствор-носитель СиО - электролит» (МОРЭ), от напряжения на ячейке.

При рассмотрении начальных условий, был сделан ряд допущений (не учитывался ионный ток в системе и сопротивление электролита в порах МДО-покрытия). Постоянными величинами останутся следующие параметры: Яп, 11б, С, а также сопротивление электролита (ГЪ). Эквивалентная электрическая схема системы МОРЭ представлена на рисунке 2. Параметры сопротив-

ЕафО

\яР

Рисунок 2 — Эквивалентная схема системы МОРЭ в предпробойном состоянии при вторичной обработке: Яэ — сопротивление электролита; Яр - сопротивление раствора-носителя нанопорошка СиО; Яв — сопротивление воздуха в порах МДО-покрытия; — сопротивление барьерного слоя на дне сквозной поры МДО-покрытия; С - ёмкость МДО-покрытия; Е0(1:) — ЭДС источника питания

ления раствора-носителя (Яр) и сопротивления воздуха в порах (Яв) будут меняться с течением времени. Тогда падение напряжения на участке АБ при вторичной обработке МДО-покрытия (Рисунок 2) будет

иАБ= ц/С =( 1 /С) • 1,Ш1) = 12(Кв+Я6+Р(р) (1)

Следовательно

12=(( К+Яб+Кр)С)-' ■ ЩЛ) (2)

Падение напряжения на участке АВ при вторичной обработке МДО- покрытия, будет складываться из суммы падений напряжений на участках АБ и БВ, то есть

иАС= иАБ + иБВ => 1ЯЭ+ Ш„+Кб+Яр)=>Еп(1)^ 1 Кэ+ 12(П„+Кй+Яр) (3)

В этом случае, общий ток при вторичной обработке МДО-покрытия будет определяться из выражений:

7_ Eo(t) MRt +R5+Rp)_ Eo(t) f bt (dt) R. Rd R, Rj-C

I=h+I2= I,+((Re+Rñ+ RP)C)~' ■ I,t(dt) Приравниваем правые части уравнений (4) и (5)

Т1+ Jwo _Eo(t)=0

Приняв член

(R„ + Re + R„ + R>)C Rd 1

: m

(Re+ R6 + Rp)C И зная, что ЭДС источника питания E0(t) подчиняется закону

E0(t)=A ■ sin(cot)-B,

(5)

(6)

(7)

(8)

где А - текущее амплитудное напряжение (величина, зависящая от плотности тока и толщины оксида), В; В - смещение амплитуды колебаний (связано с использованием ёмкостного источника тока), В; со - угловая частота, с"1, со=2п/ (при/=50 Гц, со = 10Он).

Тогда, учитывая (7) и (8) уравнение (6) примет вид:

Ш+m I,t(dt)-Asin^-B =0

R,

Проведя необходимые расчеты общее решение данного уравнения примет вид:

, А-со-cos(cot) А-со2-sin(útf)

h{t) = em'+-, , V >+-т— У '

„ ®2 1 R3-(co1 + m2

Я,---h/и I v '

^ m

Подставив (10) в (5) получим

А-о-costal) А ■ со1 ■ sin (cot)

(9)

(Ю)

/ = е~

+((R« + RÓ + Rp) ■ C)~

„ (со2 Л R¡-(co2 + m2) R,-\ — + m V ;

m J

^•sin(ütf) A ■a)-cos(ait) R,\co2+m2)

С ,ч2 Л

Л.| со

— + т\

1 т )

(11)

Уравнение (11) представляет собой модель изменения силы тока пробоя при вторичной обработке МДО-покрытия и учитывает электрофизические параметры сквозной пористости, раствора-носителя СиО и электродвижущей силы источника питания. Оно объясняет потребность в большей силе тока в момент начала вторичной обработки МДО-покрытия с нанесенным на него раствором-носителем СиО,

чем при МДО. Уравнение позволяет определить минимальный начальный ток необходимый для вторичной обработки, его расчетное значение для рабочих поверхностей поршня гидроцилиндра Ц-75 (площадь 0,42 дм2) составляет 9,40..9,46 А. Расхождение с экспериментальными данными составляет 4,3 %. Полученная модель показывает, что при снижении параметров сопротивления раствора-носителя СиО и воздуха в порах, сила тока необходимая для вторичной обработки будет также снижаться и стабилизируется при переходе нанопорошка СиО в поры МДО-покрьгтия. Это позволит контролировать продолжительность вторичной обработки по моменту стабилизации электрического тока. Расчетное значение силы тока в момент окончания вторичной обработки для той же площади составляет 8,19... 8,27А, расхождение с экспериментальными данными составляет 5%.

В третьей главе «Программа, оборудование и методы экспериментальных исследований» приведены общая программа и частные методики экспериментальных исследований, а также применяемое оборудование.

Для проведения исследований использовали образцы, приготовленные из литейного алюминиевого сплава АК7ч ГОСТ 1583. При выборе материала руководствовались тем, что данный сплав широко применяется для изготовления поршней гидроцилиндров, а также различных корпусных деталей с.-х. техники.

Упрочнение образцов осуществляли на установке для МДО, работающей от трехфазной сети переменного тока 380 В и частотой 50 Гц. Оксидирование проводили в электролите, содержащем дистиллированную воду с добавлением гидроксида калия КОН ГОСТ 9285 с квалификацией ЧДА и натриевого жидкого стекла Ыа28Ю3 ГОСТ 130078, плотностью р= 1,47x103 кг/м3 и модулем т=3,0. Формирование МДО-покрытий (первичную обработку) проводили на следующих режимах МДО: плотность тока - 25 А/дм2; продолжительность оксидирования -80...90 мин.; температура электролита — 20...40°С, содержание компонентов в электролите следующее: КОН - 2 г/л; №25Ю3 - 10 г/л.

После МДО с упрочненной поверхности образца снимали рыхлый технологический слой МДО-покрытия до шероховатости, соответствующей оригинальной детали (11а=0,63). Затем на упрочненную поверхность наносили подготовленный раствор-носитель частиц нанопорошка СиО. Он содержал дистиллированную воду №28Ю3 ГОСТ 13078 и нанопорошок оксида меди с фракцией частиц от 80 до 100 нм по ТУ 1791-003-36280340-2008. Опытным путем были установлены следующие оптимальные пропорции компонентов раствора-носителя: три части по массе №28Ю3, три части по массе дистилированная вода, 1 часть нанопорошок СиО. Далее, после застывания раствора-носителя проводили вторичную обработку исследуемой поверхности образца. Модифицирование МДО-покрытия, при вторичной обработке дуговым электрофорезом, проводили на следующих режимах: плотность тока - 25 А/дм2 (соответствует теоретически рассчитанному значению); продолжительность оксидирования — 0,5...2 мин.; температура электролита — 15...20°С. Содержание компонентов электролита варьировалось в интервале: КОН - 0,5...2 г/л; Ыа28Ю3 — 2... 10 г/л.

Оценку работоспособности электролита проводили по изменению его кислотности. Толщину МДО-покрытия определяли с помощью вихретокового тол-

щиномера ВТ-201 по ГОСТ 9.302. Измерение линейных размеров образцов с МДО-покрытием и без него осуществляли рычажным микрометром МР-25 ГОСТ 4381. Микротвердость МДО-покрытия в НУ измеряли по ГОСТ 9450 на компьютеризированном микротвердомере ПМТ-ЗМ-01. Для определения сквозной пористости использовали метод цветной дефектоскопии по ГОСТ 9.302. Содержание меди на поверхности образца с МДО-покрытием определяли на многоканальном рентгеновском спектрометре СРМ-35 ТУ4276-051-00226230-2008 в ЗАО «Научприбор» г. Орел. Определение коэффициента трения и его молекулярной составляющей в подвижных соединениях с МДО-покрытиями осуществляли на установке сконструированной учеными Брянского ГТУ: Ильенко К.А. Ильенко А.К., Новиковым В.Г.и др. Исследования проводились в соответствии с ГОСТ 27640 и известными методиками.

Сравнительную износостойкость поверхностей образцов исследовали по ГОСТ 23.224 на машине трения МТУ-01 (ТУ 4271-001-290346000) по схеме контакта: торцы трех вращающихся роликов (контробразцы) и неподвижного диска (образца). Износ образцов и контробразцов определяли взвешиванием на лабораторных весах 8йга Е-500.

Производственные испытания проводили в условиях рядовой эксплуатации в хозяйствах Орловской области.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены полученные при проведении исследований опытные данные, проведен их анализ.

Исследования показали, что с увеличением температуры электролита, сквозная пористость МДО-покрытия возрастает (Рисунок 3). При создании в МДО-покрытии необходимой пористости для последующего модифицирования частицами нанопорошка СиО, температура электролита должна поддерживаться на уровне 40°С. Продолжительность оксидирования на рациональных режимах МДО и сплаве АК7ч была определена экспериментальным путем. Она составила 80...90 мин. Сквозная пористость МДО-покрытия при этом составит 12%. Более высокие её значения негативно скажутся на несущей способности упрочненного слоя. Толщина внешнего упрочнённого слоя МДО-покрытия (после удаления технологического) составит 65...70 мкм (на сторону) при общей толщине упрочненного слоя 125 мкм. Микротвердость МДО-покрытия составит 10 ГПа.

Размер пор в упрочненном слое составляет 2...5 мкм, поэтому для модифицирования МДО-покрытия использу-

Рисунок 3 — Влияние температуры электролита I на сквозную пористость П МДО-покрытия при Дт=25 А/Дм2; Т=80 мин; Скон=2 г/л; СЫа28Ю3=10 г/л

ется нанопорошок СиО с фракцией 80... 100 нм. Количество нанопорошка СиО в растворе-носителе определяли экспериментальным путем. Его оптимальное количество составило 160 г/л раствора (силикат натрия - дистиллированная вода). Необходимая толщина наносимого перед вторичной обработкой МДО-покрытия раствора-носителя нанопорошка СиО составляет 60...80 мкм. Большая толщина экономически нецелесообразна, а меньшая технически сложно выполнима. Отверждение раствора-носителя нанопорошка СиО осуществлялось его сушкой на открытом воздухе, при температуре 20...25°С в течение 30...50 мин. При меньшей продолжительности сушки раствор-носитель не имеет достаточной вязкости для удержания наночастиц СиО на МДО-покрытии, а при большей Ыа25Ю3 полностью отвердеет, что негативно скажется на образовании ИР на поверхности МДО-покрытия при вторичной обработке.

При модифицировании МДО-покрытия увеличение его толщины не требуется, поэтому концентрация компонентов электролита для вторичной обработки МДО-покрьттия должна быть существенно ниже, чем при первичной обработке. Установлено, что целесообразно применять электролит со следующей концентрацией компонентов: КОН=0,5...1 г/л, а Ыа28Ю3=1...2 г/л. Такой выбор концентрации КОН объясняется тем, что это минимально необходимое его содержание в электролите для образования ИР. Рекомендуемое количество Ыа28Ю3 в электролите также необходимо для поддержания горения ИР. Использование при вторичной обработке электролита с более высоким содержанием Ыа28Ю3 приводит к разрушению уже имеющегося МДО-покрытия (Рисунок 4) при эксплуатации восстановленной и упрочненной детали, а также к нежелательным образованиям на модифицируемой поверхности диоксида кремния (а-кварца) (Рисунок 5), что весьма затрудняет закрепление частиц нанопорошка СиО в порах МДО-покрытия.

Сколы

Рисунок 4 - Сколы на МДО-покрытии Рисунок 5 — Образование диоксида крем-модифицированном частицами нанопорош- ния (а-кварца) на поверхности МДО-ка СиО. образующиеся при эксплуатации покрытия при вторичной обработке, х25 восстановленной и упрочненной детали, х25

После начала вторичной обработки стабилизация силы тока наступает через 35...40 секунд. Однако после этого временного интервала в электролите рядом с модифицируемой поверхностью еще находятся в большом количестве частицы нанопорошка СиО. Поэтому для максимального заполнения пор МДО-покрытия продолжительность вторичной обработки увеличивается до 1 минуты.

Работоспособность электролита, при первичной обработке, на рекомендуемых режимах составляет 12 А-ч/л.

Результаты исследования поверхности МДО-покрытий модифицированных нанопорошком СиО на содержание меди по толщине упрочненного слоя говорят о том, что заполняемость пор в МДО-покрытии медью находится на уровне 55%. Они также заполняются компонентом электролита и раствора носителя нанопорошка СиО, то есть оксидом кремния (Si02). Это также подтверждают снимки поверхности образцов после вторичной обработки, которые были сделаны на электронном сканирующем микроскопе «Hitachi ТМ-1000» (Рисунок 6).

При определении коэффициента трения исследовались следующие подвижные соединения: 1) сталь 40Х — МДО-покрытие; 2) сталь 40Х - МДО-покрытие со сквозной пористостью 8%, модифицированное СиО; 3) сталь 40Х -

МДО-покрытие со сквозной пористостью Рисунок 6 - Заполненная пора в МДО-12%, модифицированное СиО. Получен- покрытии после вторичной обработки, ные значения коэффициента трения бы- х2500 ли усреднены, и представлены в виде диаграмм (Рисунки 7 и 8).

0 14

!. сталь 40Х - МДО-покрытио

■ сталь 40Х МДО-ПОкрыТие (порист 8%) моднф. СиО : сталь 40Х - МДО-покрытие (порист. 12*s) модмф СиО

осталь40Х-МД0- : покрытие

в сталь 40Х - МДО-покрытие (порист. 8%) модиф. СиО Qсталь40Х-МДО- | покрытие (порист, j 12У[ модиф. CuO I

Рисунок 7 — Значения коэффициента трения для различных пар трения до их приработки в зависимости от нагрузки: а - молекулярная составляющая, б - механическая

Нагрузка, н

Рисунок 8 - Значения коэффициента трения для различных пар трения в зависимости от нагрузки, после приработки и 50 ч испытаний: а — молекулярная составляющая, б — механическая составляющая

Из рисунка 7 видно, что с ростом нагрузки коэффициент трения для всех пар трения увеличивается. Из полученных данных также следует, что коэффициент трения в паре трения «сталь 40Х — МДО-покрытие» имеет более низкие значения, чем остальные. Это объясняется тем, что при одинаковом для всех образцов с МДО-покрытием параметре шероховатости Яа, параметр шероховатости Б у других пар трения увеличен за счет модифицирования частицами нанопорошка СиО (рисунок 6).

Из рисунка 8 видно, что после приработки и испытаний в течении 50 часов значения коэффициента трения для всех пар трения снизились. Наибольшее снижение произошло на паре трения «сталь 40Х - МДО-покрытие со сквозной

пористостью 12%, модифицированное СиО». При этом молекулярная составляющая коэффициента трения снизилась незначительно.

Для установления влияния частиц нанопорошка СиО, включенных в поры МДО-покрытия, на износостойкость подвижного соединения был проведен полный многофакторный эксперимент, в ходе которого контролировался коэффициент фения в соответствии с планированием эксперимента. В качестве основных факторов были выбраны следующие: X! — пористость МДО-покрытия, после первичной обработки, %; Х2 — продолжительность вторичной обработки, сек.; Х3 - содержание №28Ю3 в растворе-носителе, г/л.

В результате расчётов получено следующее уравнение регрессии: У = 0,055-0,015^, -0.0014Х, -0,00091, -0,00013,У,Х2 -0,00013Х,Х3 -0,00025Х2Х3 +0,00025.Г,Х,Х, Из полученных результатов и анализа уравнения регрессии видно, что наибольшее влияние на снижение коэффициента трения в подвижном соединении оказывает пористость МДО-покрытия и продолжительность вторичной обработки. Наибольшее снижение коэффициента трения обеспечивается использованием МДО-покрытия со сквозной пористостью 12% модифицированном частицами нанопорошка СиО. В дальнейшем исследования износостойкости подвижных соединений проводили с их использованием.

Испытания на износостойкость испытуемых подвижных соединений показали (рисунок 9), что в паре трения «сталь 40Х - МДО-покрытие модифицированное СиО» приработка трущихся поверхностей идет быстрее, чем у пары «сталь 40Х — МДО-покрытие». Кроме этого было установлено, что коэффициент трения у подвижных соединений с модифицированным МДО-покрытием значительно меньше, чем с обычным МДО-покрытием. Это подтверждает наши теоретические предположения о том, что медь (третье тело) выполняет роль антифрикционного материала.

0.12

0,09 •

0,06

0,03

о

1

1 1 -

2 ----

о

10

20

30

40

0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0.006 0,004 0,002 0

11

□ Износ контртелз по МДО-покрытию, гр.

в Износ контртела по МДО-покрытию модифиц. СиО, гр.

Рисунок 9

10 20 30 40 50 Т,ч

Рисунок 10 - Диаграмма износа контробразцов из стали 40Х в ходе испытаниий на износостойкость, Р= 2 МПа.

50 Т, ч

Изменение коэффициента трения в подвижных соединениях: 1 -«сталь 40Х — МДО-покрытие»; 2 - «сталь 40Х — МДО-покрыгие модифицированное

СиО»

Износостойкость подвижного соединения «сталь 40Х - МДО-покрытие модифицированное СиО» в 1,5...2 раза выше, чем у эталонной пары трения «сталь 40Х - МДО-покрытие» (рисунок 10). Износ образцов с МДО-покрытием, как с модифицированием СиО, так и без него был на протяжении всех испытаний

достаточно мал и к концу испытаний не превысил 3% по массе.

Сравнительные производственные испытания показали, что при наработке поршня 100...110 км, составляющей 20% от гарантированной заводом-изготовителем, износостойкость испытуемых подвижных соединений с деталями, восстановленными и упрочненными МДО-покрытиями модифицированными частицами нанопорошка СиО, была в 2 раза выше, чем у аналогичных подвижных соединений в серийных гидроцилиндрах Ц-75.

В пятой главе «Предлагаемая комбинированная технология восстановления с упрочнением и модифицированием МДО-покрытия частицами нанопорошка СиО» даны практические рекомендации по применению разработанной комбинированной технологии повышения износостойкости деталей с.-х. техники из литейного алюминиевого сплава АК7ч, которая включает восстановление и упрочнение МДО изношенных рабочих поверхностей и их модифицирование частицами нанопорошка СиО дуговым электрофорезом. В нее входят операции: очистка, дефектация, механическая обработка, обезжиривание, МДО (первичная обработка), очистка, сушка, механическая обработка, нанесение раствора-носителя СиО, дуговой электрофорез (вторичная обработка), финишная механическая обработка, очистка, заключительный контроль.

По сравнению с приобретением новых изделий расчетный экономический эффект от внедрения предлагаемой комбинированной технологии составит 176,6 тыс. рублей при годовой программе восстановления с упрочнением 500 поршней гидроцилиндров, что подтверждает целесообразность её внедрения в производство.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что оптимальные толщина, твёрдость и пористость упрочнённого слоя для МДО (первичной обработки) при соотношении катодного и анодного токов 1,0 обеспечиваются использованием электролита на основе дистиллированной воды, с содержащем 2 г/л КОН и 10 г/л Ыа28Ю3, и режимами МДО: плотность тока — 25 А/дм2, продолжительность оксидирования — 90 мин., температура электролита — 40°С. В этом случае толщина упрочненного слоя (после удаления технологического) составит: на литейном сплаве АК7ч - 65...70 мкм. Твердость МДО-покрытия - 10 ГПа. Сквозная пористость упрочнённого слоя составит 12%.

2. Теоретически рассчитана и экспериментально подтверждена сила тока, по которой определяется окончание вторичной обработки. Она составляет 8,19...8,27А. Оптимальная продолжительность вторичной обработки, позволяющая включать во внешний слой сформированного МДО-покрытия наибольшее количество частиц нанопорошка СиО, составляет 1 мин.

3. Определено оптимальное содержание компонентов в раствор-носителе нанопорошка СиО при дуговом электрофорезе (вторичной обработке) МДО-покрытия: по массе 1 часть нанопорошка СиО + 3 части N828103 + 3 части дисти-лированной воды; в электролите: КОН - 0,5 г/л, №28Ю3 - 2 г/л, при этом плот-

ность тока — 25 А/дм2 и температура электролита — 20 °С. Толщина внешнего упрочнённого слоя МДО-покрытия после дугового электрофореза останется неизменной и составит 65...70 мкм. Микротвердость МДО-покрытия до и после вторичной обработки дуговым электрофорезом не изменяется и составляет 10 ГПа.

4. Установлено, что наибольшее влияние на снижение коэффициента трения в подвижном соединении содержащем МДО-покрытие модифицированное частицами нанопорошка СиО оказывает его пористость. Теоретически и экспериментально подтверждено, что для пары трения «сталь 40Х — МДО-покрытие модифицированное СиО» значение коэффициента трения будет в 1,9...2 раза ниже чем для эталонной пары. Износостойкость испытуемых подвижных соединений с МДО-покрытиями модифицированными нанопорошком СиО в 1,5...2 раза выше, чем у аналогичных подвижных соединений без модифицирования упрочненного слоя, принятых за эталон сравнения. При наработке поршней 100... 110 км, составляющей 20% от гарантированной заводом-изготовителем, износостойкость испытуемых подвижных соединений, с восстановленными и упрочненными МДО-покрытиями модифицированными частицами нанопорошка СиО деталями, была в 2 раза выше, чем у аналогичных соединений в серийных гидроцилиндрах Ц-75.

5. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны новый способ формирования износостойких покрытий на деталях из алюминиевых сплавов, подтвержденный патентом на изобретение, и комбинированная технология, включающая в себя «первичную обработку» - восстановление с упрочнением рабочих поверхностей поршня гидроцилиндра Ц-75 МДО, и «вторичную обработку» МДО-покрытия - дуговой электрофорез частицами нанопорошка СиО, позволяющая повысить износостойкость подвижных соединений деталей сельскохозяйственной техники. При годовой программе восстановления 500 поршней гидроцилиндров расчетный экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии составит свыше 176,6 тыс. рублей.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ:

1. Козлов A.B. Повышение износостойкости деталей из алюминиевых сплавов покрытиями, модифицированными нанопорошком СиО / A.B. Коло-мейченко, A.B. Козлов // Тракторы и сельхозмашины. — 2013, - № 6. - С. 44-46.

2. Козлов A.B. Модифицирование нанопорошком СиО покрытий, сформированных микродуговым оксидированием / A.B. Коломейченко, A.B. Козлов // Техника и оборудование для села. — 2013, - № 4. - С. 44-46.

3. Козлов A.B. Использование нанопорошков СиО для повышения износостойкости подвижных соединений деталей машин с МДО-покрытиями. / A.B. Коломейченко, A.B. Козлов // Труды ГОСНИТИ. - 2013. - Т. 111. Ч. 2 - С. 169-173.

4. Козлов A.B. Модифицирование нанопорошками СиО покрытий, сформированных микродуговым оксидированием / A.B. Коломейченко, A.B. Козлов // Труды ГОСНИТИ. - 2013. - Т. 111. Ч. 2- С. 81-84.

5. Козлов A.B. Повышение износостойкости деталей из алюминиевых сплавов специализированными покрытиями / A.B. Коломейченко, A.B. Козлов // Строительные и дорожные машины. - 2013. - № 1. - С. 20-26.

Статьи в сборниках научных трудов и материалах конференций:

6. Козлов A.B. Триботехнические испытания пар трения с МДО-покрытиями, модифицированными нанопорошком СиО / A.B. Козлов // Сборник мат. международной научно-практической конференции «Особенности технического и технологического оснащения современного сельскохозяйственного производства», г. Орел - Орел: Изд-во Орел ГАУ, 2013. - С. 469-473.

7. Козлов A.B. Повышение износостойкости деталей из алюминиевых сплавов покрытиями, сформированными микродуговым оксидированием и модифицированными нанопорошком СиО / A.B. Коломейченко, A.B. Козлов, Н.В. Титов // Сборник мат. к Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Особенности технического оснащения современного сельскохозяйственного производства», г. Орел — Орел: Изд-во Орел ГАУ, 2012. — С. 135140.

8. Козлов A.B. Свойства покрытий, формируемых микродуговым оксидированием, на алюминиевых сплавах в анодно-катодном режиме / A.B. Коломейченко, A.B. Козлов, М.С. Грохольский // Вюник Харшвського нацюнального техшчного ушверситету сшьского господарства ¡мени Петра Василенка. -Харюв, - 2012. Випуск 128. - С. 191-196.

9. Козлов A.B. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники упрочняющими покрытиями / В.Н. Хромов, В.Н. Коренев, A.B. Козлов [и др.] // Сборник трудов XVII международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», г. Севастополь - Донецк: Дон НТУ, 2010. — Т.3, —С.225-228.

Патент:

10. Пат. 2487200 Российская Федерация, C25D 11/12. Способ формирования износостойких покрытий на деталях из алюминиевых сплавов [Текст] / A.B. Коломейченко, Н.В. Титов, A.B. Козлов [и др.]. - № 2012118281/02; заявл. 03.05.2012; опубл. 10.07.2013, Бюл. № 19. - 5 с.

Подписано в печать 19.02.2014 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Заказ 151. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2014, Орел, бульвар Победы, 19