автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка технологии формирования и озононасыщенной среде износостойких оксидных покрытий на автотракторных деталях из литейных алюминиевых сплавов

КУРГАНСКИЙ ШШШ0СТР01ШШй1й ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 669.71.691.5

КОЛЕНЧИИ Николай Филиппович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ В ОЗОНОНАСШРИЮЙ СРПде ИЗНОСОСТОЙКИХ ОКСВДШ ПОКРЫТИЛ НА АВТОТРАКТОРНЫХ ДЕТАЛЯХ га ЛИТЕЙНЫХ ЛЖМИНИЕВиХ СПЛАВОВ

Специальность • 05:02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган - 1994

Работа выполнена в Тюменском индустриальном институте. Научный руководитель - к.т.н., доцент НАУК П.Е. Научный консультант - к.т.н., доцент СКИВДШИ C.B. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор ГУРЕВИЧ Ju.r. - кандидат технических наук, доцент КОВЯЗШ A.M.

Ведущее предприятие - Тюменский завод автотракторного электрооборудования.

Защита диссертации состоится "/f " -ХМ-Ла/: 199 Уг. на заселении специализированного совета K.064.I8.0I по присуждению учёной степени кандидата технических наук в Курганском маши -ностроительном институте по адресу: 640669, г. Курган, площадь т. В.И. Ленина, КМ.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курганского машиностроительного .института.

Отзывы на автореферат диссертации в одном экземпляре, за -веренмые гербовой печать» учреждения, просим направить ученому секретаре специализированного совета.

Автореферат разослан

^¿4/^19931

Ученый секретарь специализированного совета каничдат технических наук,

профессор э-в- РАП1АН0В

OQ'IAH ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопросы повышение качества, надек -иости и долговечности узлов и механизмов являются первостепенными во всех отраслях машиностроения. Создание современных технологий предусматривает: повышение экономичности и производи -тельности выпускаемой продукции; применение наиболее дешевых и распространенных в природе материалов; экологическую чистоту разработанных технологических решений.

В этой связи особый интерес представляют алюминиевые сплавы. В автотракторном машиностроении для изготовления корцусных деталей типа корпуса масляного1. насоса, крыльчатки, подзипников скольжения и других деталей сложной формы, широко применяются литейнкэ алюминиевые сплавы. Износ рабочих поверхностей алюминиевых дета -лей, при котором производится юс выбраковка, обычно не превышает 0,1 мм., что свидетельствует о целесообразности применения способов искусственного формирования упрочняющих покрытий.

В настоящее время существует множество различных технологий упрочнения основными недостатками которых являются:

- низкая сцегияемость, малая толщина /до 20 мкм / при химическом оксидировании, металлопокрытиях;

- незначительная твердость в случае термообработки поверхностного слоя,

- высокая энергоемкость при дуговых и плазменных процессах.

Одним из наиболее перспективных методов упрочнения является • метод электрохимического оксидирования, позволяющий формировать . твердые покрытия толщиной до 250 мкм с достаточно высокой ацге-ч1'рй оксида с основным материалом. Процесс ведется при напряжении не электродах," как правило, не превышающем 120 В. Сксвдиро-ряние при технологическом напряжении более ЮС Б (жесткий, режим)

позволяет формировать твердые покрытия, однако требует охлеж-дения электролита до отрицательных значений температур, либо использования в качестве рабочего раствора сложных недостаточно стабильных многокомпонентных электролитов. Ведение процесса при более высоких температурах рабочей среды требует поэтапного изменения электрических параметров по мере роста пленки, что понижает производительность оксидирования. Поэтому, исследоваг-ния, направленные на формирование твердых, толстослойных покрытий в оксвдировочных средах не сложных по составу, в скорост -ных режимах при снижении агрессивности раствора являются актуальными.

Цель работы. Исследование и разработка высокопроизводительной технологии для формирования оксидного покрытия повышенной твердости на автотракторных деталях из литейных алюминиевых сплавов в озононасыценной среде.

.Методы исследования. Теоретические и экспериментальные разработки основывались на использовании современных методов металлографического, и рентгеноструктурного анализа, теория планирования эксперимента, методов статистической обработки экспериментальных данных. В экспериментальной установке использовались современная контрольно-измерительная аппаратура и ряд разработанных оригинальных устройств.

Научная новизна. Найдены закономерности влияния компонентного состава озонированного воцного раствора серной кислоты, ис -пользованного в качестве среды оксидирования, на фазовое состояние конверсионных пленок на алюминиевых сплавах. Предложена технология формирования толстослойного покрытия на алюминиеных сплавах в условиях доминирования ионов кислорода в околоанодном пространстве.

Практическая ценность. Разработанная технология формирования

о

оксидных иченок для сшовп ЛЛ9 в условиях озононасицекня нозви-ляет получать покрытия, микротвердость которда достигает 7000 МПа (положительное решение о выдаче авторского сввдетельства по заявке № 4016129/26 от 26.09.91 г.). Изменения условий окисления увеличивает производительность процесса на 4С1% - 70$, дает возможность его ведения при снижении концентрации сернокислотного электролита с 20$ до 2,5%. При пропускании озона через рабочий раствор электролита установлен ¡эффект ионного удаления, что позволяет стабилизировать технологический процесс оксидирования. На защиту выносятся:

Теоретические и пкспериментальные исследования процесса оксидирования с целый определения вчияиия 'омпонентного состава озонированного годного раствора серной кислоты на фазовое состояние упрочненного слоя.

2. Результаты влияния режимов оксидиромнил на основные показатели качества покрытия.

3. Особенности формирования структура оксида в условиях озоно -насыщения рабочего раствора.

4. Модель Факторного гзаимодеАствия основных, показателей упрочнения с режимами нанесения оксидного слоя.

5. С.чемы технологических процессов оксидирования и результаты влияния озонирования на качество электролита.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены на Тю -менском лаподе автотракторного электрооборудования. Проведены про из го дет пенные испытания на Калининском ремтехпредприлтии и технология упрочнения принята дли внедрения.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались но втором и третьем неуч-ло-тсхничрских семинарах по проблемам машиностроения, г. Ты -иень 1991-1992 гг.; на конференции молодых ученых 1993 г.,

б

Тюмень; на совещании ведущих специалистов КБ по проектирование озонаторов завода Курганхиммаш, Курган 1993;на семинаре по использованию озонаторных установок в Инженерностроительном институте, Тюмень 1993.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из них I решение о вццаче авторского сввдетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов основного текста, общих выводов списка литературы включаицего 100 наименований, 9 приложений и содержит 133 страницы машинописного текста, 30 иллюстраций, 4 таблицы.

содашниЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуапьность диссертационной работы, изложена краткая аннотация основных положений и результатов исследований.

I. Современные представления о технологических параметрах упрочнения деталей из алюминиевых сплавов. Постановка задач. В первой главе дан анализ существующих способов нанесения оксидных покрытий на алюминии и его споавах. Из критического обзора упрочнящих технологий были ввделены основные недостатки, ограничивающие их использование (высокая энергоемкость, низкая сцепляемость и производительность, малая толщина покрытия). В качестве наиболее подходящего варианта, при перечисленных вше недостатках, выбран способ электрохимического оксидирования. Рассмотрены различные научные теории о механизме образования искусственного оксица. Ввделены наиболее распространенные-кол-лондноэлектрохимическая Богоявленского А.Ф. и плазменная Аверьянова Е.Е.

При систематизации факторного во.чдейогьия определена тенденция положительного влияния на процесс формирования оксица кис-

лорэдосодоржр.и'ей среды. Е результате литературного обзора (;ипо установлено, что наиболее твердое покрытие формируется при пропускании газовых пузырьков воздуха через электролит в процессе енодиропания. Еще больший эффект был достигнут п технологическом процессе формирования покрытия при замене воздуха чистым кислородом. Ионизируя межэлектродннй воздушный промежуток с црлью носыцения приэлектродной зоны детали активными ионами окислителя было получено покрытие высокого качества.

В заключительной части первой главы предлагается в процессе оксидирования в качестве окислителя использовать озон, пропуская <>го через раствор электролите в составе воз,душной смеси.Соз-дрнирм условий доминирупдего иононасыцения активным кислородом моколектродного пространство предполагается повлиять на механизм образования оксид?, с целью увеличения производительности про -цесса и улучшения качества покрытия.

Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:

1. Анализ факторов, определяющих Формирование оксида в озонона-смденнэП среде.

2. Раскрытие ачияние технологических режимов но качество оксидных покрытий.

3. Оптимизация технологических режимов.

4. Составление практических рекомендаций.

2. Методике исследований

Прецстаменя принципиальная схема оксидирования в озононасы-щенчэм кислотном электролите и схема лабораторной установки.Особенностью принципиальной схемы, предстааченной на рис. I,. является реализация процесса' при активации кислорода вне системы межзлектродного пространства. Процесс смегсивения электролитичес-

кого раствора с газовой смесью происходит в рессивере для достижения наиболее полного растворения озона в жидкости.

Схема подготовки образцов для проведения исследований включает в качестве основных операций:

1. Механическая обработка,

2. Химическое обезжиривание. 2. Промывка.

За базовый рабочий раствор выбран однокомпонентный сернокислотный электролит. Были исследованы два режима - гальваностатический и режим падающей мощности. За входные параметры были приняты - плотность тока; начальное напряжение; кислотность раст -Ьора, выраженная через водородный показатель рН; концентрация озона в воз,душой смеси.

среде, I- Ванна оксидирования; 2 - Барботер; 3 - Наполнительная емкость; 4 - Рессивер; 5 - Генератор озона; б - Компрессор; 7 - Холодильный агрегат; б - Источник питания; 9 - Насос; 10.II - Регулировочные краны.

В качестве исследуемых факторов выступили: толщина, порис -тость, твердость износостойкость, точность, шероховатость ок -сцдных покрытий.

Для генерирования озона использовали установку, изготовленную в лаборатории функциональных покрытий Тюменского индустриального института. Озонатор имеет ступенчатое регулирование. Каждая ступень изменяет на один процент содержание озона по объему в воздушной смеси соответственно. Температура электролита, при которой проводились исследования, соответствовала 0°С.

Температурный режим создавали при помощи установки ФАК 1.5. Дня исследования качественных показателей были использованы стандартные методы.

3. Влияние технологических факторов на процесс формирования структуры покрытия при пропускании озоновоз,душной смеси через электролит.

Проведены рентгеноструктурные исследования;сформированных покрытий при помощи установки ДРОН - 3. Получены дифракторраы-мы упрочненных слоев, снятых в диапазоне угла 2& » 20° * 60°. При расшифровке полученных пиков, установлено наличие кристаллической, низкотемпературной ^ - фазы. Наличие аморфной составляющей находится в пределах чувствительности прибора, ее при -сутствие подтверждает размытое гало при значении угла 26 » 20*4 35°.

Анализ результатов факторного воздействия на процесс кристаллообразования, показал, что основное влияние на фазовый состав, оказывает концентрация озона и электрические параметры (плотность тока, начальное напряжение), и в меньшей мере кислотность раст -вора. Из двух исследуемых,режимов, наиболее благоприятным для

формирования кристаллической ({азы, установлен режим падающей мощности.

Механизм образования кристаллического оксида был рассмотрен с позиций энергетических уровней ионизации. Известно, что процесс с участием сульфат- и гидроксил-ионов приводит к образо -ванию гидратов (так называемый "корковый" и вторичный бемиты), и сульфатов алюминия. Данные химические соединения являются как бы промежуточными фазами, часть которых, в течении процесса постепенно переходит в оксвд алюминия. Наличие же ионов кислорода, создает условия для непосредственного образования оксида кристаллической формы. Но количествоОионов при обычном анодировании незначительно в сипу их высокого потенциала иониза -ции. При пропускании озона в составе воздушной смеси через раствор электролита, происходит перераспределение ионного состава в приэлектродной области с насыщением кислород-содержа -щих ионов, обуславливающих преобладание кристаллической фазы в структуре покрытия, что и подтверждено проведенными исследованиями.

4. Исследование влияния технологических факторов на качество оксидного покрытия, сформированного при пропускании озоновоздушной смеси через электролит.

Исследованы технологические параметры покрытия - толщина, твердость, пористость и износостойкость, линейная точность и шероховатость. Установлено, что при увеличении концентрации озоновоздушной смеси пропускаемый через электролит, изменение толщины происходит незначительно. Основное влияние на данный параметр оказывает кислотность раствора и электрические режимы оксидирования. С интенсификацией электрических режимов возрастает энергия ионного потока в зону плазменного слоя, созда-

вая условия образования оксида. С изменением pfi раствора (0,050,6) снижается эффект растворения, в результате замедляется рост покрытия.

При исследовании окседных покрытий, было установлено увеличение их пористости с изменением всех рассматриваемых варьируемых факторов от нижних пределов до верхних.

Установлено, что твердость покрытия определяется в основном его структурой. Наличие кристаллической фазы позволяет получать для сплава АЛ9 твердость до 6800 МПа при оксидировени^ в режиме падаыцей мощности и до 6200 Ш1а при оксидировании в гальванос -татическом режиме. Учитывая, что данный показатель формируется под влиянием концентрации озона и электрических режимов появляется возможность проводить процесс оксидирования при кислотности раствора с pli 0,80. Дальнейшее снижение кислотности электролита ограничивается малой толщиной покрытия.

Анализируя результаты испытаний на износ деталей, оксидиро -ванных в озононасыщенной среде, было отмечено увеличение износостойкости в пределах 1.4 + 2,3 раза' в зависимости от режимов оксидирования. При исследовании точности обработки было уста -новлено, что размеры образца после оксидирования изменяются на величину равную половине толщины покрытия с полем рассеивания отклонений в II мкм, что соответствует 4-5 квалитету точное- . ти для интервала размеров (30 - 120) мм. Шероховатость определялась по высоте неровностей профиля Ra до и после оксидирования. Исследуя влияние варьируемых факторов на данный показа г тель после оксидной обработки был проведен сравнительный ана -лиз профилограмм, в результате которого было установлено, что изменение шероховатости происходит в сторону ее увеличения от G до 18$.

б. Проышденное внедрена.

Посвящена практическому использованию результатов проведенных исследований, содержит:

- технологический процесс оксидирований корпуса масляного насоса типа НШ и основания бензонасоса системы АВХс) в озононасы -ценном сернокислотном электролите;

- схему контактно-подвесного устройства для крепления основания бензонасоса;

- установку для оксидирования корпусов масляного насоса;

- номограмму режимов оксидирования, изображенную на рис. 2;

- результаты проведенных исследований по определению качества электролита;

- результаты эксплуатационных испытаний упрочненных деталей и оценку техлико-экономической эффективности предложенных технолог 1й„

Основные результаты работы

1. "На основании проведенного анализа установлено, что для существующих методов упрочнения характерны следумцие недостатки (низкая сцепляемссть, высокая стоимость,и энергоемкость процесса, малая толщина покрытия и незначительная твердость). Наиболее перспективным является способ электрохимического оксидирования.

2. Определено, что в условиях кислородонасыцения рабочего пространства формируется более качественное покрытие.

3. Предложено в качестве ионного носителя кислорода использовать озон, пропуская его через раствор электролита (положительное решение о ввдаче авторско о свидетельства по заявке » 4816129/26 от 26.09.91 г.). .

«о эа зо «р оо во «зол эооо

Рис, 2 Номограмма рекимов оксидирования

4. Установлено, что в результате иононасыщения водного раствора серной кислоты создастся условия для образования кристалличес -кой низкотемпературной ^ - фазы окисла алюминия.

5. Определено влияние технологических параметров процесса на качество покрытия при оксидировании в озононасыденной среде. С увеличением концентрации озона в воздушной смеси возрастает твердость до 7000 МПа, износостойкость в 1,4 + 2,3 раза и произво -дотельность процесса на 40 - 70$.

6. Оксидирование в условиях озононасыщения электролита позволяет формировать покрытия при концентрациях сернокислотного вод -кого раствора изменяющихся в диапазоне 2,5$ до 20$.

7. Обнаружено, что в результате озонирования создаются условия очистки электролита от накопления в нем ионов алюминия, что увеличивает долговечность раствора.

8. Результаты исследований внедрены на Тюменском заводе автот -ракторного электрооборудования и проведены производственные испытания и рекомендованы для внедрения на Калиниском Ремтехпред-приятии г. Тюмени.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. П.Е. Наук", C.B. Скифский, Т.Д. Нокорнеева, Н.Ф. Коленчин. Оценка качества покрытий по графику формирующего напряжения. /В межвуз. сб.

Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири. Тюмень, 1990 г.

2. 1ферова C.B., Коленчин Н.Ф., Ски$ский C.B. Опыт упрочнения корпусных алюминиевых деталей твердым анодированием. /Тез.докл. III научно-технического семинара по проблемам машиностроения. Ткмень, 1992 г.