автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии формирования износостойких покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием

На правах рукописи

ГОЛЕНКОВА Александра Александровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ

Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2006

Работа выполнена на кафедре управления качеством и сертификации Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Ре-шетнева.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Стацура Вениамин Вениаминович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бабкин Евгений Владимирович; кандидат технических наук, доцент Меркулова Галина Александровна

Ведущая организация: ФГУП «Красноярский машиностроительный завод»

Защита состоится 15 декабря 2006 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета ДС 212.023.01 при Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева по адресу: 660014 г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», д. 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева

Автореферат разослан 15 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного сове доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из эффективных способов защиты алюминиевых сплавов от воздействия различных эксплуатационных нагрузок, в том числе и от износа, является создание на их поверхности оксидных покрытий.

Микродуговое оксидирование (МДО) — это сравнительно новый вид поверхностной обработки и упрочнения главным образом металлических материалов, происходящий от традиционного анодирования и относящийся к электрохимическим процессам.

Отличительной особенностью микродугового оксидирования является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов.

Разработанный Марковым Г. А и Марковой Т. А. способ, приводящий к росту качественно нового защитного покрытия на алюминиевых сплавах, вызвал большой научный и практический интерес. В целом, МДО - это совокупность разнообразных гальванических процессов, общим признаком которых являются химические реакции, протекающие при высококих температурах и транспорт вещества в электрической дуге, создаваемой между электродами, помещенными в среду с ионной или электронно-ионной проводимостью.

Реализация внедрения на машиностроительные предприятия МДО сдерживается отсутствием информации о конкретных технологических параметрах, ответственных за упрочнение (стойкость к износу), а также технологического оборудования и оснастки.

К настоящему времени до сих пор неясны механизмы образования покрытий. Остается малоизученным влияние токовых режимов на структуру и эксплуатационные характеристики покрытий. Не отработаны технологические режимы для получения МДО-покрытий с заданными свойствами, в частности, износостойких.

Это определяет актуальность выбранной темы, посвященной повышению износостойкости покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием.

Работа выполнялась в рамках научного проекта «Научные исследования высшей школы в области производственной технологии», раздел: «Электронно — ионно — плазменные технологии» (январь 2000 - декабрь 2000); тема: «Разработка и исследование технологии упрочнения металлических поверхностей высокоэнергетическими локальными источниками энергии».

Цель работы - повышение износостойкости покрытий на алюминиевых сплавах, формируемых микродуговым оксидированием.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование механизма формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах методом МДО;

- выявление основных технологических параметров МДО, влияющих на свойства и структуру оксидных покрытий;

- исследование влияния технологических режимов МДО на структуру и свойства оксидных покрытий;

- исследование влияния основных факторов МДО на износостойкость покрытий;

— разработка технологического процесса нанесения износостойких покрытий методом МДО.

Методы исследования. В работе выполнялись экспериментальные исследования, которые включали в себя металлографический анализ с использованием оптической и растровой электронной микроскопии, качественный и количественный рентгенофазовый анализ, определение пористости покрытия по методу цветной дефектоскопии, определение тангенса угла диэлектрических потерь с использованием измерителя добротности (ГОСТ 6433.4-71), определение напряжения пробоя и электрической прочности образца с помощью прибора УПУ-1М. (ГОСТ 6433.3-71), оценку общей коррозионной стойкости покрытий (ГОСТ 9.913-90), оценку защитных свойств покрытий по методу капли (ГОСТ 9.302-88 п. 6), определение относительного износа по методу искусственных баз, оценку адгезионных свойств покрытия по клеевой методике (ГОСТ 209-75). Кроме того, применялся метод математического планирования эксперимента.

Научная новизна работы:

- предложен и экспериментально подтвержден механизм формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием;

— исследована связь основных технологических параметров процесса МДО со структурой, физико-химическими и эксплуатационными свойствами покрытия на сплавах Д16Т, АМгб, АК9ч;

— установлено оптимальное соотношение катодной и анодной токовых составляющих (1,3:1) для получения износостойких МДО-покрытий на алюминиевых сплавах;

- выявлено соотношение толщины твердого слоя и общей толщины покрытия для сплавов Д16Т, АМгб, АК9ч.

Практическая ценность. Разработан и внедрен технологический процесс повышения износостойкости поверхности алюминиевых сплавов методом МДО, который позволит значительно повысить ресурс работы деталей в условиях трения.

Даны практические рекомендации по подбору режимов обработки микродуговым оксидированием для получения покрытий с заданным уровнем свойств. Сформулированы технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки, необходимых для реализации микродугового оксидирования деталей из алюминиевых сплавов с целью получения износостойких покрытий.

Достоверность полученных результатов. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, и не противоречат известным положениям технических и фундаментальных наук; базируются на строго доказанных выводах, предложенных авторами ранних исследований.

Реализация работы. Научные результаты внедрены на ведущем предприятии машиностроительной отрасли ФГУП «Красмашзавод» и использованы в учебном процессе в качестве лабораторной работы по дисциплине «Технология машиностроения» для студентов очной формы обучения для инженерно-экономических специальностей.

На защиту выносятся:

- механизм формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием;

- результаты исследований влияния технологических параметров на структуру, физико-химические и эксплуатационные свойства оксидных покрытий, сформированных МДО на алюминиевых сплавах Д16Т, АМгб, АК9ч;

- технологические режимы, позволяющие получать износостойкие МДО-покрытия на исследуемых в данной работе алюминиевых сплавах;

- технологический процесс формирования износостойких оксидных покрытий методом МДО на алюминиевые сплавы;

- технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки, необходимых для реализации микродугового оксидирования деталей из алюминиевых сплавов с целью получения износостойких покрытий.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Материалы, технологии, конструкции» (г. Красноярск, 1997-1999 г.г.), «Материалы, технологии, конструкции, экономика» (г. Красноярск, 2000-2002 г.г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999-2000 г.г.), на IV Всеросийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2001 г.), а также на семинарах кафедры КПИКМ, МСЛА, УКС CAA (СибГАУ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, часть из которых представлена в сборнике научных трудов Международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Днепропетровск, 2000 г.), в Вестнике СибГАУ (2003 г.), центральном журнале «Вестник машиностроения» (2003 г.), в сборнике научных трудов Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения», г. Томск, ТПУ (28 — 29 сентября 2004 г.)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, содержащего 97 наименований. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста и содержит 31 рисунок и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи работы, изложена научная новизна и практическая ценность ее результатов.

В первой главе проведен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы и патентные исследования в области электрохимических способов формирования защитных покрытий на алюминиевых сплавах.

Анализ опубликованных литературных источников в области электрохимических способов формирования защитных покрытий на алюминиевых сплавах показал, что в данном направлении исследований большое внимание со стороны авторов уделяется следующим проблемам:

1) задаваясь фиксированным комплексом начальных условий, многие изучают структуру, состав и другие характеристики покрытий или устанавливают частные закономерности изменения характеристик покрытий от разных факторов. Таковы, например, зависимости износостойкости, толщины и напряжения пробоя от состава электролита в анодном микродуговом процессе; выхода по току силикатных покрытий от катодной составляющей асимметричного переменного тока и концентрации жидкого стекла и т.п.;

2) исследованию механизма формирования оксидных покрытий на разных электрохимических стадиях: анодировании, искрении, микродуговых, дуговых процессах. Здесь предлагается множество теорий пробоя и возникновение искрения, которые можно разделить на две группы: электрошюго и ионного пробоя;

3) разработке технологических процессов формирования функциональных покрытий.

На основании проанализированного литературного материала следует отметить, что расширение практических приложений микродуговых и дуговых процессов привели к накоплению разрозненных экспериментальных данных и запаздыванию в развитии и необходимой детализации общей физико-химической базы микроплазменных процессов. Важно подчеркнуть, что термины микродуговой и дуговой разряды возникли в условиях недостатка информации вне связи с указанной классификацией и в этом смысле условны. В 1990 году Руденко Л. Г., Вольф Е. Г. и др. сделали вывод о том, что газовый разряд на вентильном аноде не является ни дуговым, ни тлеющим, хотя приближается по плотности тока к дуговым. Не выяснен механизм образования оксидной пленки при переходе за границу классического анодирования.

В литературе чаще всего встречаются данные о составе и параметрах структуры, исследовании диэлектрических и коррозионных свойств МДО-покрытий в зависимости от концентрации составляющих в электролите и продолжительности процесса. Вопросы, связанные с основными факторами, ответственными за упрочнение: влияние катодно-анодного соотношения токов и плотности тока на структуру, твердость, износостойкость и электроизоляционные характеристики покрытий на алюминиевых сплавах и представляющие особый практический и научный интерес, остаются слабо освещенными и несистематизированными. Поэтому, в настоящей работе одной из задач является установление влияния основных, факторов, ответственных за упрочнение поверхности на свойства МДО-покрытий, что составит основу для разработки технологического процесса для повышения износостойкости (твердости) поверхности алюминиевых сплавов методом микродугового оксидирования.

Вторая глава содержит описание механизма формирования покрытий микродуговым оксидированием.

Важной характеристикой процессов электрохимического окисления металлов являются формовочные кривые, которые обнаруживают принципиальные отличия стадии микродугового оксидирования от классического оксидирования (анодирования), в виде повышения роста напряжения во времени. Такая кривая подъема напряжения во времени при фиксированном общем токе отражает изменение проводимости цепи, которая содержит информацию о скорости совокупных химических реакций, происходящих на электроде. Из анализируемых параметров, характеризующих в той или иной мере процесс, наиболее информативны формы осциллограмм напряжения, тока и вольт — амперной зависимости представленных на рисунке 1.

(время продолжительности обработки с начала процесса — 100 с)

При подаче напряжения на электроды быстро растет анодное напряжение, но ток через систему некоторое время не протекает.

При некотором напряжении (IIпр) наблюдается плавное нарастание тока и затем его быстрое увеличение до максимума. С момента нарастания тока анодное напряжение стабилизируется на своем верхнем значении и устанавливается в пределах 11а »580-И)20 В, которое сохраняется как при нарастании тока, так и на участке его существенного спада.

В катодный полупериод напряжение существенно ниже напряжения и равно ик «140-480 В. Осциллограмма тока при этом практически симметрична относительно нулевой линии, с соотношением 1к/ 1а = 1- Через некоторое время оксидирования (около 10 мин) форма кривой мгновенных значений тока меняется.

В начале переднего фронта анодного импульса тока начинает появляться небольшой уступ, который отчетливо виден на осциллограмме (рисунок 1). К этому момету подложка покрыта слоем оксидной пленки толщиной в несколько микрон, на которой наблюдаются зародыши образования слоя с плотной структурой. С увеличением продолжительности оксидирования уступы на кривой значений тока сглаживаются. Покрытие утолщается и становится более равномерным.

Кинетика образования МДО-покрытий включает в себя несколько стадий. На первой стадии — стадии анодирования, под влиянием электролитически выделяющегося кислорода на поверхности металла образуется тонкая, плотная беспористая

пленка оксида металла. Эта оксидная пленка изолирует металл от электролита, т.е. оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Затем она пробивается током, и электролит проникает в каналы пробоев, в дальнейшем называем их порами. В местах соприкосновения электролита с металлом, на дне пор, образуется новая плотная пленка. Равномерный рост пленки внутрь металла обусловлен большим количеством таких пор. Образовавшаяся вначале пленка постоянно увеличивается в толщине в результате приращения новой плотной пленки, одновременно она разрыхляется проникающим в поры электролитом. Она является проводником тока, который проходит через электролит, заполняющий поры.

Рост оксида при данном градиенте потенциала и проводимости возможен лишь до определенной толщины, равной.толщине барьерного слоя 3 (0,01 ^-0,1 мкм) превыше1ше же толщины барьерного слоя обозначает переход на новую стадию оксидирования.

Описать рост оксидных покрытий при МДО аналитически очень сложно, т.к.:

1) МДО представляется как результат последовательно протекающих стадий анодирования, искрения, микродуговых и дуговых разрядов и оценить вклад каждой из стадий в процесс формирования покрытия можно приблизительно;

2) классические электрохимические представления подходят только на первой стадии. Остальные этапы оксидирования обнаруживают отклонения от закона Фарадея и приводят к утере физического смысла коэффициентов в получаемых уравнениях.

Данные об энергетических параметрах электрических разрядов из литературных источников показывают, что протекающий через них ток, существенно меньше общего тока, проходящего через оксидируемый образец, что предполагает наличие параллельно протекающих процессов в каналах пробоев и на свободной от разрядов поверхности, каждый из которых приводит к образованию оксидов па обрабатываемой поверхности, скорее всего разных по структуре, что указывает на работу двух процессов: перенос кислородсодержащих анионов через расплавленную в местах искрения (пробоя) массу и образование под воздействием высоких температур высокотвердых оксидов (микродуговой синтез) и электрохимическое анодирование на поверхности, свободной от искр, то есть на внешнем крае покрытия.

Для предопределения возможных структурных превращений и качественной оценки фазовых составляющих покрытия были выполнены расчеты температур в канале пробоя по уравнениям теории электрического пробоя. В теориях электрического пробоя анодных, пленок носителями заряда в проводящих каналах считаются электроны. Если количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока, превышает количество теплоты, отдаваемой в подложку и электролит, в канале возникают разрушительные процессы, связанные с ростом температуры и уменьшением его сопротивления. Тогда стационарная тепловая задача опишется уравнением:

При этом количество теплоты, выделяющееся в единицу времени в канале пробоя, представленном на рисунке 2, равно электрической мощности тока, проходящего через него, и вне канала равно нулю:

, ч Г/С£спри 0<х<Ъ

<?(*)ЧЛ ,

[О при х > о

Т(х, 0) = Т(х, И) = То, х<<х>,

где /с, Ес — средние плотности тока и напряженности поля в центре канала; Л— теплопроводность оксида; Ъ — радиус канала пробоя; к — толщина покрытия, а значит и общая высота ячейки.

Рисунок 2 — Схема цилиндрического проводящего канала в оксидной пленке

Решение этой стационарной задачи теплопроводности может быть представлено следующим образом:

(2)

где <р„,(х)— сложная функция координат х и радиуса канала, выражающаяся через модифицированные функции Бесселя и Макдональда.

1

(2т +1)

' (2т + \)лЬ _ ((2т + \)*Ь Л г ((2т+\)лх V

1 А л л Я и 1

——г/,Г (2от + 1)ягйУ0Г {2т + Х)жх\х>ъ

,х<Ъ

к(2т + 1)г 'I Л ,) \

/0>/, - модифицированные функции Бесселя; К0,КХ- функции Макдональда.

Результаты расчетов представлены в виде фазовых портретов распределения

9

температур в канале пробоя по оси х и г при различных значениях плотности тока оксидирования на рисунках 3,4.

Т,К

^.139 х 10

4000

3200

Т (х , 10 7 0 )

( 71 ^400 Т , 10 71 у

тТх" 10 7 2 ) - 1

т(х,Ю6-7)

1600

800 .

,.696.856 ^ о

2 -10

4 -10

х, м

5-10

Рисунок 3 — Распределение температуры в оксиде по оси х при различных значениях плотности тока

т, м

200 400 600 800 1000 1200 1400 Т(г.10в71

Рисунок 4 - Распределение температуры в канале по оси г при различных значениях плотности тока

Из литературных источников известно, что при нагреве оксида алюминия

10

/модификация, имеющая кубическую решетку, переходит в а модификацию..Этот процесс начинается уже при 800 °С (1073 К), интенсивно протекает при 1200 °С (1473 К) и полностью заканчивается при Г=1350*1400 °С (1623-1673 РС). Превращение происходит с уменьшением объема на 14,3 %. Оксид алюминия имеет твердость по Мосу 9 и уступает только алмазу и некоторым карбидам; микротвердость 23^28 ГПа; удельное электрическое сопротивление р- 1014^1016 Ом м, но'с; повышением температуры до 1000 °С (1273 К) оно снижается до 5-Ю4Ом м и оксид становится полупроводником; е= 10+12; Е„р = 45+60 кВ /мм; температура плавления оксида 2050 °С (2323 °С); теоретическая плотность а - фазы 3,99-103 кг/м3, а /- фазы 3,6-103 кг/м3; А1203 легко растворяется при рН = 4, однако в интервале/?#= 5+9 нерастворим; травится в кипящей фосфорной кислоте.

Произведенные расчеты температур в канале пробоя МДО-покрытия в соответствии со справочными данными показывают, что в отличие от процесса толстослойного анодирования, температуры, достигаемые в процессе МДО вследствие высоких значений плотности тока позволяют считать возможным формирование а— фазы оксида алюминия в структуре покрытия на алюминиевых сплавах, что, в свою очередь, предполагает значительно большую твердость, а, следовательно, и износостойкость МДО-покрытий.

Таким образом, формирование МДО-покрытий осуществляется за счет вклада двух процессов: ионной проводимости, характерной для традиционного электрохимического анодирования, и переноса частиц через каналы пробоев (микродуговой синтез), которые происходят благодаря наличию проводящего пористого слоя. Образующееся покрытие состоит из гексагональных ячеек с центрально ориентированными порами. Такая упорядоченная структура обусловлена тем, что процесс МДО протекает в неравновесных условиях, то есть при наличии сильно выраженного градиента теплового и электромагнитного полей, и рамках синергетического подхода определяется как самоорганизационный процесс. Для продолжения процесса на данном этапе необходимо сообщать все большую энергию для осуществления пробоев сквозь утолщающееся покрытие. Иначе новые пробои могут происходить со временем все реже как в случае дезорга-низационного процесса, а значит и условия для роста твердого слоя на основе оксидного барьера будут все менее благоприятными. Рост оксида при данном градиенте потенциала и проводимости возможен лишь до определенной толщины. Для получения больших толщин покрытия следует переходить на новую стадию оксидирования, т. е. увеличивать напряжете на электроды, создавая новые условия для расплавления залеченных «ран — пор - каналов пробоев»

В третьей главе представлены итоги математического планирования эксперимента для сплава Д16Т на уровне двухфакторной модели. В качестве факторов, влияющих на количественное соотношение фазовых составляющих ос и у оксида алюминия, микротвердость и толщину покрытий были выбраны плотность тока и соотношение катодной и анодной токовых составляющих. Полученные уравнения проверены на значимость коэффициентов регрессии и на адекватность модели в соответствии с критерием Фишера. Здесь же определены области оптимальных значений эксплуатационных характеристик покрытий согласно методике крутого восхождения.

Представлены результаты исследований влияния токовых режимов микродуговой обработки на состав и свойства покрытий, сформированных методом МДО, на алюми-

ниевых сплавах Д16Т, АМгб, ЛК9ч, результаты которых опубликованы соискателем в различных изданиях. Микродуговое оксидирование образцов проводили в слабощелочном водном электролите, содержащем гидрооксид калия КОН с концентрацией 1 г/л и жидкое стекло ЫагБЮз (10 г/л, т=2,9, <1=1,41 г/см2). Покрытия формировали при соотношении катодной и анодной токовых составляющих 1К/1А от 1 до 1,3 и плотностях тока в диапазоне от 10 до 30 А/дм2 в течение 90 мин с помощью источника питания, который в отличие от известных аналогичных источников, позволяет осуществлять не только независимую регулировку анодной и катодной составляющих тока, но и одновременно стабилизировать средние величины этих токов, что существенно упрощает проведение процесса МДО и ведет к улучшению качества получаемых покрытий. Источник имеет следующие технические характеристики: диапазон регулируемых напряжений — (СМ-1 ООО) В; диапазон регулируемых токов — (СН-50) А/дм2; погрешность стабилизации тока до 5 %. Прирост массы образца после МДО измеряли на аналитических весах. Толщину покрытий (общую и твердого слоя) контролировали на поперечных шлифах с использованием оптического микроскопа МБИ-15, микроструктуру покрытий изучали на оптическом микроскопе «1епауегЬ> при увеличении до 1000 и электронном микроскопе РЭМ 200. Микротвердость покрытий определяли стандартным методом на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на инденгор 0,981 Н (100 г). Качественный фазовый состав покрытий изучали на рентгеновском дифракгометре ДРОН-З.О. Прочность сцепления покрытия с основой определяли методом отрыва. Износостойкость покрытия оценивали на машине трения относительно износа закаленной стали У8.

Металлографический анализ показал, что покрытие для всех трех сплавов состоит из двух основных слоев: 1) внешнего очень пористого и непрочного слоя, содержащего муллит (образуется за счет электрохимических реакций, без участия микродуговых разрядов); 2) твердого слоя, примыкающего к металлу и содержащего, преимущественно кристаллический оксид алюминия двух модификаций у — А12Оз и а—А12Оз, которые образуются только при участии микродуговых разрядов.

Электронно-микроскопические исследования образцов с покрытием после механического удаления рыхлого верхнего слоя и травления поверхности основного плотного слоя, в соответствии с рисунком 5, обнаруживают ячеистую структуру покрытий.

а — внешний вид покрытия; б — покрытие после травления; х 1000; в — фрагмент ячеистой структуры; х 10000 Рисунок 5 — Электронномикроскопические снимки ячеистой структуры анодной оксидной пленки Общая толщина покрытия складывается из толщины твердого (внутренне-

а)

б)

в)

го) и наружного слоев, причем при высоких значениях плотности тока для всех трех сплавов закономерно соотношение: Ит/ Иобщ =(0,5н-0,6). В заданном диапазоне значений плотности тока общая толщина и толщина твердого слоя возрастают при повышении плотности тока и снижении соотношения 1к / 1А также для всех трех сплавов.

Важной характеристикой для реализации неразрушающего метода контроля толщины покрытия на изделии является прирост его массы. Зависимость прироста массы от плотности тока представлена на рисунке 6.

<КМ<Г3, г/дм2

Наблюдается замедление роста толщины внутреннего слоя и дальнейший прирост массы покрытия происходит практически за счет изменения толщины наружного слоя.

Зависимость микротвердости от плотности тока представлена на рисунке 7.

Н, ГПа

ГБ, А/дм2

1 — АК9ч; 2 — АМг 6;

3-Д16Тпри1к/1А=1;

4-Д16Т при 1к / Ц =1,3;

5 — Толстослойные электрохимические покрытия на А1 сплавах;

6 — Хромистый электрокорунд; 7 — Карбид кремния зеленый

10 15 20 25 30

Рисунок 7 — Зависимость микротвердости внутреннего слоя МДО-покрытий и покрытий, сформированных анодированием от плотности тока

Существенную роль на твердость покрытий оказывает соотношение анод-

13

ной и катодной составляющих. Самой высокой твердостью (до 24,5 ГПа на сплаве Д16Т) характеризуются покрытия, сформированные при плотности тока 27,5 А/дм2 и соотношении 1К / 1А = 1,3. Увеличение твердости покрытий с ростом плотности тока происходит за счет повышения содержания модификации а— А1203 в покрытии* что подтверждает график изменения количественного соотношения фазовых составляющих покрытия, представленный на рисунке 8.

При уменьшении соотношения 1К / 1д до 1 и ниже микротвердость покрытия снижается.

Na/Ny

1.4

1.2 1 0,8 0,6 0,4 0,2

¡I—

- 2

Сплав АК9ч

1-1к/1А = 1,3; 2 — IR. / IA — 1

Is, А/дм

Рисунок 8 — Зависимость количественного соотношения Ыа и Ыг фазовых составляющих А1203 от плотности тока Кроме высоких значений твердости, было установлено, что прочность сцепления МДО-покрытий с основой выше 14 МПа для всех трех сплавов (разрыв происходит по пленке ВК-3, т.е. результат ограничен прочностью ВК-3).

Результаты испытаний на износостойкость приведены на рисунке 9. Испытания на износ показали, что износостойкость оксидного покрытия для

COj/tOo

60

40

20

/ 1

Г" 2

" 3

Is, А/дм2

10

20

30

40

1-Д16Т; 2- АМгб; 3- АК9ч; cür износ закаленной стали У8, со0- износ покрытия (А1203)

Рисунок 9 — Зависимость относительного износа от плотности тока

при 1к / 1А= 1,3

сплава Д16Т, сформированного при плотности тока 27,5 А/дм2 и соотношении 1к / 1а = 1,3 выше в 45-^50 раз относительно закаленной стали У8, для сплава АМгб - 25+27 раз, для АК9ч-12-^-14 раз.

В четвертой главе приводятся практические рекомендации для получения различных по назначению МДО-покрытий, а также групповой технологический процесс нанесения износостойких покрытий на детали из алюминиевых сплавов. Наиболее оптимальными режимами для формирования износостойких покрытий являются режимы с плотностью тока 27,5 30 А/дм2 и соотношении ■ катодной и анодной токовых составляющих 1,3:1, процесс обработки должен проводиться в силикатно-щелочном электролите (Ыа28Юз - 10 г/л; КОН — 1 г/л) в течение 90 мин. ,

Кроме того, в данной главе перечислены разные способы охлаждения оксидируемой поверхности, а также приведены основные дефекты оксидных покрытий, их причины и способы устранения.

Сформулированы технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки, необходимых для реализации микродугового оксидирования деталей из алюминиевых сплавов с целью получения износостойких покрытий.

1 Источник должен иметь следующие технические характеристики: диапазон регулируемых напряжений - (0 1 000) В; диапазон регулируемых токов - (0 50) А/дм2, погрешность стабилизации тока до 5 %, питание — от стандартной электрической сети (частота тока 50 Гц, напряжение 380 В), позволять осуществлять не только независимую регулировку анодной и катодной составляющих тока, но и одновременно стабилизировать средние величины этих токов, что существенно упрощает проведете процесса МДО и ведет к улучшению качества получаемых покрытий.

2 Система охлаждения должна поддерживать температуру электролита постоянной в пределах 0-^4 °С, чтобы не перегревать деталь, а вместе с ней и покрытие, что приведет к интенсивному растворению металла или сплава и растрескиванию покрытия вследствие внутренних напряжений, вызванных разницей в значениях температурного коэффициента линейного расширения сплава и покрытия." Кроме того, скорость подачи воды (или охлаждающего раствора) выбирается с таким расчетом, чтобы повышение температуры охлаждающей среды после циркуляции ее через деталь не превышало 1 °С. Для чего следует правильно рассчитать схему системы охлаждения (внутреннего и (или) внешнего — за стенками ванны оксидирования). Сама система охлаждения и элементы системы циркуляции электролита (насосы) должны быть выполнены из щелочеупорных материалов.

3 Ванна. Емкость ванны зависит от скорости подачи воды в системе охлаждения, от мощности обработки, то есть, в конечном счете, от площади обрабатываемой поверхности. При формировании износостойких МДО-покрытий на алюминиевых сплавах максимальная плотность тока 15=30 А/дм2, максимальное напряжение пробоя ипр=620В. Мощность источника питания зависит от площади обрабатываемой поверхности, скорости подачи воды и объема ванны. Форма ванны должна быть согласована с формой обрабатываемых деталей для более равномерного распределения силовых характеристик полей. В связи с тем, что при оксидировании

используется щелочная среда, технологическое оборудование и оснастка (ванна, катод) должны быть выполнены из щелочеупорных материалов.

4 Технологическая оснастка для токоподвода. Специальные подвески, на которые монтируют детали, должны туго прижиматься к оксидируемой детали, т.е. иметь хороший контакт. Наиболее надежный контакт получается, если неоксиди-руемую часть детали соединяют с подводящим проводом выше уровня раствора ванны. При конструировании подвесок необходимо обеспечить отсутствие газовых мешков на деталях в процессе оксидирования. Материалом для подвесок может быть алюминий, алюминиевый сплав того же типа, что и анодируемая деталь, или титан. Причем подъем напряжения при анодировании подвески должен быть не меньше, чем от анодируемого сплава. Участки подвесок, которые не имеют контакта с токоподводящими приспособлениями, обязательно должны быть изолированы — покрыты нитролаком типа «Эмалит» или нитроклеем АК-20.

5 Установка МДО должна проектироваться и изготавливаться с учетом требований электробезопасности. Это такие, как использование электрических кабелей с изоляцией, позволяющей выдерживать значительные перенапряжения в цепи, т.е. электрическая прочность изоляции должна иметь двух- трехкратный запас. Необходимо также ограничивать доступ к токоведущим частям и элементам установки, находящимся под напряжением. В частности гальваническая ванна должна помещаться в вытяжной шкаф, снабженный крышкой из полистирола. При открывании крышки должна срабатывать автоблокировка электроустановки — это значит, что электроустановка полностью должна обесточиваться. Необходимо также добавить, что все корпуса, шасси и установки, а также другие электроприборы должны быть заземлены. Это одно из первейших требований электробезопасности.

Управляющие и силовые цепи должны иметь трансформаторную гальваническую развязку, что в значительной степени повысит безопасность при работе с ней. Установка должна быть снабжена магнитным пускателем и кнопкой "Стоп", находящейся в легко доступном месте, что важно при возникновении любой нештатной (непредвиденной) ситуации.

При выполнении практических рекомендаций можно получать разные по свойствам оксидные покрытия—износостойкие до 75 мкм с высокой твердостью до 15-^-25 ГПа, покрытия с большими толщинами с пониженной твердостью, при наполнении в различных химических растворах после промывки и перед сушкой оксидные покрытия приобретают еще и коррозионную стойкость. При наполнении покрытий электроизоляционными лаками для пропитывания пор в покрытии, их можно использовать и в качестве электроизоляционных покрытий, что позволит создавать на их основе нагревательные элементы (т.к. оксидные покрытия являются диэлектриком, а алюминиевые сплавы, на которые их наносят — хорошими проводниками). От оксидных покрытий на алюминиевых сплавах следует ожидать также и высоких жаростойких свойств в силу тугоплавкости оксида А^Оз. А вследствие шероховатой поверхности до механической обработки, их можно использовать как фрикционные. И в заключение, используя различные добавки для электролита, можно получить разные оттенки и использовать данные покрытия как декоративные.

Как известно, оксидные покрытия могут быть получены разными способами, как указывалось во введении. Сравнительный анализ свойств оксидных покрытий на

алюминиевых сплавах, сформированных электрохимическим традиционным анодированием, газотермическим способом и методом МДО, МДО-покрытия существенно превосходят газотермические и анодные по твердости, т.к. ближе всего по составу к природному оксиду (корунду), а также выигрывают по прочности сцепления с основой и износостойкости. В вопросе выбора пары трения можно рекомендовать создание пар, составленных из МДО-покрытия и бронзой или сталью, а также со сталью с фосфатолаковым покрытием. Не рекомендуется составление пар из МДО-покрытия и алюминиевых сплавов - их можно использовать только при небольших нагрузках, кроме, того, не желательно использовать сочетание оксид с оксидом, которое допустимо при очень легких нагрузках и малых скоростях относительного перемещения, так как покрытия нетеплопроводны. Из литературных сведений известно, что диапазон значений коэффициентов трения МДО-покрытий после механической обработки составляет от 0,02 до 0,2. Такая функциональность, высокие износостойкие и адгези-. онные свойства МДО-покрытий обеспечит их широкое применение в будущем на самых разных промышленных предприятиях. В четвертой главе также приведены рекомендации по использованию МДО-покрытий, например, для защиты рабочих поверхностей деталей в условиях механического износа.

Результаты и выводы по работе

1 Предложен и экспериментально подтвержден механизм формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах МДО, который заключается в том, что покрытие формируется за счет вклада двух процессов: ионной проводимости, характерной для традиционного анодирования, и переноса частиц через каналы пробоев (микродуговой синтез).

2 Показано, что покрытие состоит из двух основных слоев: твердого, примыкающего к сплаву и внешнего слоя, состоящего из муллита, причем отношение толщины твердого слоя к общей толщине покрытия находится в пределах 0,5-Ю,6.

3 Установлено, что на твердость покрытий и на толщину твердого слоя влияют, в основном, два фактора: соотношение катодной и анодной составляющих тока и плотность тока. Покрытия, сформированные при плотности тока 27,5 А/дм2 и соотношении 1К / = 1,3, характеризуются высокой твердостью (на Д16Т до 24,5 ГПа) в слое, примыкающем к сплаву, что объясняется повышенным содержанием а — фазы А12Оз в покрытии.

4 Износостойкость оксидных покрытий на алюминиевых сплавах значительно превышает износостойкость закаленной стали У8 (на Д16Т в 45-^-50 раз, на АМгб в 25-^-27 раз, на АК9ч в 12-Н4 раз) при контактном давлении 0,032 МПа и относительной скорости перемещения 1,04 м/с.

.5 Определение прочности сцепления МДО-покрытий с основой ограничено прочностью клеевого соединения ВК-3 (14 МПа), используемого согласно ГОСТ 209-75.

6 Экспериментально определены оптимальные режимы формирования износостойких покрытий на сплавах Д16Т, АМгб, АК9ч, а именно: плотность тока 27,5-КЗО А/дм2, соотношение катодной и анодной токовых составляющих 1,3, состав

электролита: гидрооксид калия КОН {1 г/л), жидкое стекло Na^i03 (10 г/л; ш=2,9; d=l,41 г/см2).

7 Сформулированы технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки и улучшен технологический процесс формирования износостойких МДО-покрытий на алюминиевых сплавах за счет оптимизации технологических режимов.

Основное содержание диссертации представлено в следующих публикациях:

1 Стацура, В. В. Исследование свойств покрытий, сформированных методом микродугового оксидирования на алюминиевых сплавах Д16 и Амгб [Текст] / В. В. Стацура, А. Е. Михеев, А. А. Голенкова// Сб. науч. тр. Всероссийской конф. «Перспективные материалы, технологии, конструкции», Красноярск: CAA, 1998. С. 124 —126.

2 Голенкова, А. А. Характеристики покрытия, полученного микродуговым оксидированием алюминиевого сплава [Текст] / А. А. Голенкова // Сб. науч. тр. Всероссийской конф. «Перспективные материалы, технологии, конструкции», Красноярск: CAA, 1999. С. 229-232.

3 Голенкова, А. А. Формирование упрочненных поверхностных слоев на алюминиевых сплавах методом микродугового оксидирования [Текст] / А. А. Голенкова, В. В. Стацура, А. Е. Михеев // Сб. науч. тр. Всероссийской конф. с междунар. участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» Красноярск: КГТУ, 1999. ч.2. С. 180-181.

. 4 Стацура, В. В. Перспективные материалы и технологии [Текст] / В. В. Стацура, В. А. Моисеев, А. И. Михеев, С. С. Ивасев, А. А. Голенкова, Т. Н. Тюнева, А. В. Гирн //Сб. науч. тр. Всероссийской конф. с междунар. участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» Красноярск: ЮТУ, 1999. ч. 2. С. 165 -166.

5 Стацура, В. В. Формирование оксидной пленки при воздействии электрических микроразрядов на сплав Ал-4 в силикатно-щелочном электролите [Текст] / В. В. Стацура, А. Е. Михеев, А. А. Голенкова // Сб. науч. тр. Всероссийской конф. с междунар. участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» Красноярск: КГТУ, 2000. ч.З. С. 290-291.

6 Стацура, В. В. Получение покрытий на алюминиевом сплаве Ал-4 методом микродугового оксидирования и исследование их свойств [Текст] / В. В. Стацура, А. Е. Михеев, А. А. Голенкова // Сб. науч. тр. Всероссийской конф. «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика», Красноярск: КГАЦМиЗ, 2000. С. 99 -102.

7 Стацура, В. В. Влияние микродуговой обработки на структуру и свойства алюминиевых сплавов / В. В. Стацура, А. Е. Михеев, А. А. Голенкова [Текст] // Сб. науч. тр. Всероссийской конф. «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика», Красноярск: КГАЦМиЗ, 2001. С. 137 -140.

8 Михеев, А. Е. Обобщенная модель микродугового оксидирования алюминиевых сплавов [Текст] / А. Е. Михеев, В. В. Стацура, А. А. Голенкова, С. С. Ивасев // Сб. научных трудов Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции». - Красноярск: КГАЦМиЗ, 2002. - С. 136 -141.

9 Михеев, А. Е. Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов [Текст] / А. Е. Михеев, В. В. Стацура, Н. А. Терехин, А. А. Голенкова, А. В. Гирн // Вестник машиностроения. Москва 2003. №2.С.56 - 63.

10 Михеев, А. Е. Влияние микродугового оксидирования в электролите на структуру и свойства поверхности алюминиевых сплавов [Текст] / А. Е. Михеев, А. А. Голенкова, В. Н. Шахов // Материалы международной конференции молодых ученых. -Днепропетровск, 2001.

11 Голенкова, А. А. Влияние токовых режимов на свойства покрытий при микродуговом оксидировании алюминиевых сплавов [Текст] / А. А. Голенкова, А. Е. Михеев // Всероссийская научная конференция «Решетневские чтения». — Красноярск: 2001, С. 40-42.

12 Голенкова, А. А. Состав защитных покрытий, сформированных методом микродугового оксидирования на алюминиевых сплавах [Текст] / А. А. Голенкова, А. Е. Михеев, С. С. Ивасев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева: Сб. науч. тр./ Под. ред. проф. Г. П. Белякова; СибГАУ.-Вып. 4 -Красноярск, 2003. С. 219-223.

13 Голенкова, А. А. Исследование технологических режимов микродугового оксидирования алюминиевых сплавов [Текст] / А. А. Голенкова, А. Е. Михеев, С. С. Ива-сев // российская научно-техническая конференция «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения». - Томск: ПТУ, 2004.

14 Голенкова, А. А. Применение покрытий, нанесенных микродуговым оксидированием [Текст] / А. А. Голенкова, В. В. Стацура, А. Е. Михеев, С. С. Ивасев, А. В. Гирн // Сб. науч. тр. Всероссийской конф. «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика». — Красноярск: КГУЦМиЗ, 2005. - С. 62 — 64.

Голенкова Александра Александровна

Совершенствование технологии формирования износостойких покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием Автореферат Подписано в печать 09.11.06 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Уч. изд. л.1. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в СибГАУ . 660014. г. Красноярск, пр. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Введение.

Глава 1 Электрохимические методы формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах. Обзор.

1.1 Электрохимические методы формирования покрытий.

1.1.1 Традиционное оксидирование алюминиевых сплавов анодирование).

1Л .2 Метод микродугового оксидирования.

1.2 Влияние начальных условий микроплазменных процессов на структуру и свойства покрытий.

Глава 2 Механизм микродугового оксидирования алюминиевых сплавов.

2.1 Кинетика образования оксидного покрытия при толстослойном анодировании и микродуговом оксидировании алюминиевых сплавов.

2.2 Стадии формирования оксидных покрытий.

2.3 Распределение температуры в канале пробоя.

Глава 3 Исследование влияния основных факторов МДО на структуру и свойства оксидных покрытий.

3.1 Математическое планирование эксперимента. Определение режимов формирования износостойких оксидных покрытий на алюминиевых сплавах.

3.2 Методы проведения исследований.

3.2.1 Изготовление образцов.

3.2.1.1 Выбор образцов для проведения исследований.

3.2.1.2 Описание технологических режимов формирования МДО-покрытий на образцы для испытаний.

3.2.2 Метод определения толщины покрытия.

3.2.3 Метод определения микротвердости покрытия.

3.2.4 Метод определения пористости МДО-покрытий.

3.2.5 Метод определения напряжения пробоя и электрической прочности покрытий.

3.2.6 Метод определения тангенса угла диэлектрических потерь.

3.2.7 Метод оценки общей коррозионной стойкости покрытий.

3.2.8 Метод оценки защитных свойств покрытий.

3.2.9 Метод рентгенофазового анализа.

3.2.10 Метод оценки относительного износа.

3.2.11 Метод определения адгезионной прочности.

3.3 Результаты исследований.

3.3.1 Результаты исследований пробной серии экспериментов.

3.3.2 Результаты исследований основной серии экспериментов.

Глава 4 Разработка технологического процесса формирования износостойких покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием.

4.1 Рекомендации по технологии микродугового оксидирования.

4.1.1 Способы охлаждения оксидируемой поверхности.

4.1.2 Дефекты оксидных покрытий и рекомендации по их устранению в процессе формирования.

4.1.3 Микродуговое оксидирование сложных поверхностей.

4.2 Технические требования к технологическому оборудованию и оснастке.

4.3 Технологический процесс формирования износостойкого покрытий на детали из алюминиевых сплавов.

Выводы.

Одним из эффективных способов защиты алюминиевых сплавов от воздействия различных эксплуатационных нагрузок, в том числе и от износа, является создание на их поверхности оксидных покрытий.

Микродуговое оксидирование (МДО) - это сравнительно новый вид поверхностной обработки и упрочнения главным образом металлических материалов, происходящий от традиционного анодирования и относящийся к электрохимическим процессам.

Отличительной особенностью микродугового оксидирования является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов.

Разработанный Марковым Г. А и Марковой Т. А. способ, приводящий к росту качественно нового защитного покрытия на алюминиевых сплавах, вызвал большой научный и практический интерес. В целом, МДО - это совокупность разнообразных гальванических процессов, общим признаком которых являются химические реакции, протекающие при высококих температурах и транспорт вещества в электрической дуге, создаваемой между электродами, помещенными в среду с ионной или электронно-ионной проводимостью.

Реализация внедрения на машиностроительные предприятия МДО сдерживается отсутствием информации о конкретных технологических параметрах, ответственных за упрочнение (стойкость к износу), а также технологического оборудования и оснастки.

К настоящему времени до сих пор неясны механизмы образования покрытий. Остается малоизученным влияние токовых режимов на структуру и эксплуатационные характеристики покрытий. Не отработаны технологические режимы для получения МДО-покрытий с заданными свойствами, в частности, износостойких.

Это определяет актуальность выбранной темы, посвященной повышению износостойкости покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием.

Работа выполнялась в рамках научного проекта «Научные исследования высшей школы в области производственной технологии», раздел: «Электронно - ионно - плазменные технологии» (январь 2000 -декабрь 2000); тема: «Разработка и исследование технологии упрочнения металлических поверхностей высокоэнергетическими локальными источниками энергии».

Цель работы - повышение износостойкости покрытий на алюминиевых сплавах, формируемых микродуговым оксидированием.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: исследование механизма формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах методом МДО;

- выявление основных технологических параметров МДО, влияющих на свойства и структуру оксидных покрытий;

- исследование влияния технологических режимов МДО на структуру и свойства оксидных покрытий;

- исследование влияния основных факторов МДО на износостойкость покрытий;

- разработка технологического процесса нанесения износостойких покрытий методом МДО.

Методы исследования. В работе выполнялись экспериментальные исследования, которые включали в себя металлографический анализ с использованием оптической и растровой электронной микроскопии, качественный и количественный рентгенофазовый анализ, определение пористости покрытия по методу цветной дефектоскопии, определение тангенса угла диэлектрических потерь с использованием измерителя добротности (ГОСТ 6433.4-71), определение напряжения пробоя и электрической прочности образца с помощью прибора УПУ-1М (ГОСТ 6433.3-71), оценку общей коррозионной стойкости покрытий (ГОСТ 9.91390), оценку защитных свойств покрытий по методу капли (ГОСТ 9.302-88 п. 6), определение относительного износа по методу искусственных баз, оценку адгезионных свойств покрытия по клеевой методике (ГОСТ 20975). Из теоретических методов использовался метод математического планирования эксперимента.

Научная новизна работы:

- предложен и экспериментально подтвержден механизм формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием; исследована связь основных технологических параметров процесса МДО со структурой, физико-химическими и эксплуатационными свойствами покрытия на сплавах Д16Т, АМгб, АК9ч;

- установлено оптимальное соотношение катодной и анодной токовых составляющих (1,3:1) для получения износостойких МДО-покрытий на алюминиевых сплавах;

- выявлено соотношение толщины твердого слоя и общей толщины покрытия для сплавов Д16Т, АМгб, АК9ч.

Практическая ценность. Разработан и внедрен технологический процесс повышения износостойкости поверхности алюминиевых сплавов методом МДО, который позволит значительно повысить ресурс работы деталей в условиях трения.

Даны практические рекомендации по подбору режимов обработки микродуговым оксидированием для получения покрытий с заданным уровнем свойств. Сформулированы технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки, необходимых для реализации микродугового оксидирования деталей из алюминиевых сплавов с целью получения износостойких покрытий.

Достоверность полученных результатов. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе. Достоверность результатов работы обеспечивается методологией исследований и сопоставлением результатов расчетов с результатами других авторов.

Реализация работы. Научные результаты внедрены на ведущем предприятии машиностроительной отрасли ФГУП «Красмашзавод» и использованы в учебном процессе в качестве лабораторной работы по дисциплине «Технология машиностроения» для студентов очной формы обучения для инженерно-экономических специальностей.

На защиту выносятся:

- механизм формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием;

- результаты исследований влияния технологических параметров на структуру, физико-химические и эксплуатационные свойства оксидных покрытий, сформированных МДО на алюминиевых сплавах Д16Т, АМгб, АК9ч; технологические режимы, позволяющие получать износостойкие МДО-покрытия на исследуемых в данной работе алюминиевых сплавах; технологический процесс формирования износостойких оксидных покрытий методом МДО на алюминиевые сплавы;

- технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки, необходимых для реализации микродугового оксидирования деталей из алюминиевых сплавов с целью получения износостойких покрытий.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Материалы, технологии, конструкции» (г. Красноярск, 1997-1999 г.г.), «Материалы, технологии, конструкции, экономика» (г. Красноярск, 20002002 г.г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999-2000 г.г.), на IV Всеросийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2001 г.), а также на семинарах кафедры КПИКМ, МСЛА, УКС САА (СибГАУ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, часть из которых представлена в сборнике научных трудов Международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Днепропетровск, 2000 г.), в Вестнике СибГАУ (2003 г.), центральном журнале «Вестник машиностроения» (2003 г.), в сборнике научных трудов Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения», г. Томск, ТПУ (28 - 29 сентября 2004 г.)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, содержащего 97 наименований. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста и содержит 31 рисунок и 14 таблиц.

Выводы по 4-ой главе. Улучшен технологический процесс формирования износостойкого покрытия на детали, выполненные из алюминиевых сплавов Д16Т, АМгб, АК9ч. Рекомендуемые параметры для формирования износостойких покрытий являются режимы с плотностью тока 27,5+30 А/дм и соотношении катодной и анодной токовых составляющих 1,3. Оксидирование рекомендуется проводить в силикатно-щелочном электролите (гидрооксид калия КОН с концентрацией 1 г/л и жидкое стекло Na2Si03 - 10 г/л, m=2,9, d=l,41 г/см2) в течение 90 мин.

Сформулированы технические требования для разработки оборудования и технологической оснастки, необходимых для реализации микродугового оксидирования деталей из алюминиевых сплавов по получению износостойких покрытий.

Даны рекомендации по порядку технологических операций, технологическим режимам, способам охлаждения оксидируемой поверхности, а также дефектам оксидных покрытий и способам их устранения, позволяющие получить МДО-покрытия, существенно превосходящие газотермические и полученные анодированием по твердости, износостойкости, а также выигрывающие по прочности сцепления с основой, которые найдут в будущем широкое применение на самых разных промышленных предприятиях [95-97].

Результаты и выводы по работе

1 Предложен и экспериментально подтвержден механизм формирования оксидных покрытий на алюминиевых сплавах МДО, который заключается в том, что покрытие формируется за счет вклада двух процессов: ионной проводимости, характерной для традиционного анодирования, и переноса частиц через каналы пробоев (микродуговой синтез).

2 Показано, что покрытие состоит из двух основных слоев: твердого, примыкающего к сплаву и внешнего слоя, состоящего из муллита, причем отношение толщины твердого слоя к общей толщине покрытия находится в пределах 0,5+0,6.

3 Установлено, что на твердость покрытий и на толщину твердого слоя влияют, в основном, два фактора: соотношение катодной и анодной составляющих тока и плотность тока. Покрытия, сформированные при л плотности тока 27,5 А/дм и соотношении 1К / 1А = 1,3, характеризуются высокой твердостью (на Д16Т до 24,5 ГПа) в слое, примыкающем к сплаву, что объясняется повышенным содержанием а - фазы А120з в покрытии.

4 Износостойкость оксидных покрытий на алюминиевых сплавах значительно превышает износостойкость закаленной стали У8 (на Д16Т в 45+50 раз, на АМгб в 25+27 раз, на АК9ч в 12+14 раз) при контактном давлении 0,032 МПа и относительной скорости перемещения 1,04 м/с.

5 Определение прочности сцепления МДО-покрытий с основой ограничено прочностью клеевого соединения ВК-3 (14 МПа), используемого согласно ГОСТ 209-75.

6 Экспериментально определены оптимальные режимы формирования износостойких покрытий на сплавах Д16Т, АМгб, АК9ч, а именно: плотность тока 27,5+30 А/дм", соотношение катодной и анодной токовых составляющих 1,3, состав электролита: гидрооксид калия КОН (1 г/л), жидкое стекло Na2Si03 (10 г/л; m=2,9; d=l,41 г/см2).

7 Сформулированы технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки и улучшен технологический процесс формирования износостойких МДО-покрытий на алюминиевых сплавах за счет оптимизации технологических режимов.

1. Гаркунов, Д. Н. Триботехника Текст. / Д. Н. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1985.-424 с.

2. Дроздов, Ю. Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник Текст. / Ю. Н. Дроздов, В. Г. Павлов, В. Н. Пучков. М.: Машиностроение, 1986. -224 с.

3. Костецкий, Б. И. Трение, смазка и износ в машинах Текст. / Б. И. Костецкий. Киев: Техника, 1970. - 396 с.

4. Крагельский, И. В. Трение и износ Текст. / И. В. Крагельский. М.: Машиностроение, 1968.-430 с.

5. Проников, А. С. Надежность машин Текст. / А. С. Проников. М.: Машиностроение, 1978.-592 с.

6. Трение, изнашивание и смазка: Справочник Текст. / Под ред. И. В. Крагельского и В. В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. - Кн. 1. - 400 е., Кн. 2-360 с.

7. Ковенский, И. М. Методы исследования электролитических покрытий Текст. / И. М. Ковенский, В. В. Поветкин. М.: Наука, 1994. - 234с.

8. Бахчисарайцьян, Н. Г. Практикум по прикладной электрохимии Текст.: Учеб. пособие для вузов; под ред. В. Н. Варыпаева, В. Н. Кудрявцева. 3-е изд., перераб. / Н. Г. Бахчисарайцьян, Ю. В. Борисоглебский, Г. К. Буркат и др-Л.: Химия, 1990.-304с.

9. Шрейдер, А. В. Оксидирование алюминия и его сплавов Текст. / А. В.

10. Шрейдер. М.: Машиностроение, 1960. - 220 с.

11. Федоров, В. А. Модифицирование микродуговым оксидированием поверхностного слоя деталей Текст. / В. А. Федоров. -М.: Энергия, 1992. 190с.

12. Эйчле, А. П. Технология поверхностной обработки алюминия и его сплавов Текст. / А. П. Эйчле, Б. Я. Тешкина. -М.: Машгиз., 1963. 130с.

13. А.С. СССР № 1767044, Кл. С 25Д. Электролит для микродугового анодирования алюминия и его сплавов / Н. Католикова.

14. Томашов, Н. Д. Толстослойное анодирование алюминия и алюминиевых сплавов Текст. / Н. Д. Томашов, М. Н. Тюкина, Ф. П. Заливалов. -М.: Машиностроение, 1968. 157с.

15. Белеванцев, В. И. Микроплазменные электрохимические процессы. Обзор Текст. / В. И. Белеванцев, О. П. Терлеева, Г. А. Марков, Е. К. Шулепко, А. И. Слонова, В. В. Уткин // Защита металлов, 1998, т. 34, № 5, С. 469 484.

16. Гюнтершульце, А. Электролитические конденсаторы Текст. / А. Гюнтершульце, Г. Бетц. М.: Оборонгиз, 1938. - 200с.

17. А.С. СССР № 149632, Кл. С 25Д. Электролит микродугового анодирования алюминия и его сплавов / Н. Скопинцева.

18. Марков, Г. А, Маркова Г. В. / А. с. 526961 СССР//Б. И. 1976. №32. С.163.

19. Ханина, Е. Я. Анодные оксидные пленки Текст. / Е. Я. Ханина. -Петрозаводск: ПТУ, 1978. 280 с.

20. Одынец, Л. Л.// Электронная техника Текст. / Л. Л. Одынец, Ф.С. Платонов, Е. Н. Прокончук. Сер. 5. Радиодетали. 1972. Вып. 2. № 27. С. 37.

21. Кусков, В. Н. Формирование оксидной пленки при воздействии электрических микроразрядов на сплав Д-16 в силикатно-щелочном электролите Текст. / В. Н. Кусков // Физика и химия обработки материалов, 1994. №6. С. 75 -79.

22. Булычев, С. И. Кинетика формирования покрытия в процессемикродугового оксидирования Текст. / С. И. Булычев, В. А. Федоров. В. П. Данилевский // Физика и химия обработки материалов, 1993. №6. С. 53 59.

23. Кусков, В. Н. Особенности роста покрытия при микродуговом оксидировании алюминиевого сплава Текст. / В. Н. Кусков, Ю. Н. Кусков, И. М. Ковенский // Физика и химия обраб. материалов, 1991. №5. С. 154- 156.

24. Орлов, В. М. Анодные окисные пленки Текст. / В. М. Орлов, Т. И. Рюгенен. Петрозаводск: ПТУ, 1978. - 132 с.

25. Марков, Г. А. Микродуговое оксидирование Текст. / Г. А. Марков, В. И. Белеванцев, О. П. Терлеева и др. // Вестн. МГТУ. Сер. машиностроение, 1992. № 1. С. 34-56.

26. Грановский, В. J1. Электрический ток в газе Текст. / В. Л. Грановский. -М.: Наука, 1971.-544 с.

27. Баковец, В. В. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов Текст. / В. В. Баковец, О. В. Поляков, И. П. Долговесова. -Новосибирск: Наука, 1991. -268 с.

28. Руденко, Л. Г. Микроразряд в конденсированной фазе на вентильных анодах. Плазмохимия Текст. / Л. Г. Руденко, Е. Г. Вольф, Е. П. Калязина и др. Ч. 1.М, 1990. С. 8.

29. А.С. СССР № 526961, МКИ С 25 Д. Микродуговое оксидирование Текст. / Марков Г. А., Маркова Т. А. 1977.

30. Мамаев, А. И. Формирование слоистых градиентных покрытий на алюминии и его сплавах Текст. / А. И. Мамаев, П. И. Бутягин // Физика и химия обработки материалов, 1998. №2. С. 57 59.

31. Тимошенко, А. В. Влияние наложенного переменного тока на состав и свойства оксидных покрытий, формируемых в микроплазменном режиме Текст. / А. В. Тимошенко, Б. К. Опара. М.: Машиностроение, 1994.

32. Николаев, А. В. Новое явление в электролизе Текст. / А. В. Николаев, Г. А. Марков, Б. И. Пешевицкий // Изв. СО АН СССР, Сер. хим. наук, 1977. В.5, № 34.1. С. 32.

33. Черненко, В. И. Получение покрытий анодно искровым электролизом Текст. / В. И. Черненко, JI. И. Снежко, И. И. Папанова. - JL: Химия, 1991.- 128 с.

34. Тимошенко, А. В. Микродуговое оксидирование сплава Д16Т на переменном токе в щелочном электролите Текст. / А. В. Тимошенко, Б. К. Опара, А. Ф. Ковалев // Защита металлов, 1991. Т.27, № 3. С. 417 - 424.

35. Марков, Г. А. Микродуговые и дуговые методы нанесения защитных покрытий Текст. / Г. А. Марков, О. П. Терлеева, Е. К. Шулепко // Тр. МИНХ и ГП им. И. М. Губкина, 1985. Т. 185. - С. 54 - 65.

36. Федоров, В. А. Физико-механические характеристики упрочненного поверхностного слоя на сплавах алюминия, получаемого при микродуговом оксидировании Текст. / В. А. Федоров, Н. Д. Великосельская // Физика и химия обработки материалов, 1990. № 4. С. 57 62.

37. Алехин, В. П. Особенности микроструктуры упрочненных поверхностных слоев, получаемых микродуговым оксидированием Текст. / В. П. Алехин, В. А. Федоров, С. И. Булычев, О. А. Тюрпенко // Физика и химия обработки материалов, 1991. № 5. С. 121 -126.

38. Тимошенко, А. В. Микроплазменное оксидирование сплавов системы А1 Си Текст. / А. В. Тимошенко, Ю. В. Магурова // Защита металлов, 1995. -Т.31, № 5. С. 523 -531.

39. Малышев, В. Н. Особенности формирования покрытий методом анодно катодного микродугового оксидирования Текст. / В. Н. Малышев // Защита металлов, 1996. -Т.32, № 6. - С. 662 - 667.

40. Марков, Г. А. Химический состав, структура и морфология микроплазменных покрытий Текст. / Г. А. Марков, А. И. Слонова, О. П. Терлеева // Защита металлов, 1997. Т.ЗЗ, № 3. - С. 289 - 294.

41. Чигринова, Н. М. Тепловая защита поршней высокофорсированныманодным микродуговым оксидированием Текст. / Н. М. Чигринова, В. Е. Чигринов, А. А. Кухарев // Защита металлов, 2000. Т.36, № 3. - С. 303 - 309.

42. Van, Т. В., Brown S. D., Wirts G. P. Mechanism of anodic spark deposition Текст. // Amer. Ceram. Soc. Bull. 1977. V. 56. № 6. P. 563 566.

43. Мамаев, А. И. Параметры импульсных микроплазменных процессов на алюминии и его сплавах Текст. / А. И. Мамаев, Ю. Ю. Чеканова, Ж. М. Рамазанова // Защита металлов, 2000. Т. 36, № 6. - С. 659 - 662.

44. Тимошенко, А. В., Опара Б. К., Фан Бан Тинь / Тез. докл. Республ. науч.-техн. семинара «Анод-88». Казань, 1988. С. 75.

45. Черненко, В. И. О свойствах покрытий, полученных на алюминии и его сплавах из щелочных электролитов в искровом разряде Текст. / В. И. Черненко, А. Г. Крапивный, JI. А. Снежко. Киев, 1980. 21с. - Деп. в УкрНИИНТИ. 1980, № 1927ДР.

46. Марков, Г. А., Гизаттуллин Б. С., Рычажкова И. Б. / А. С. СССР № 926083 //Б. И. 1982. № п. с. 138.

47. Атрощенко, Э. С. Область применения и свойства покрытий, получаемых микродуговым оксидированием Текст. / Э. С. Атрощенко, И. А. Казанцев, А. Е. Розен, Н. В. Голованова // Физика и химия обработки материалов, 1996. №3. С. 8-11.

48. Белеванцев, В. И. Модель перехода анодирования в микродуговойрежим Текст. / В. И. Белеванцев, Г. А. Марков, О. П. Терлеева, Е. К. Шулепко // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук, 1989. Вып. 6. С. 73 81.

49. Черненко, В. И. Электролиты для формовки керамических покрытий на алюминии в режиме искрового разряда Текст. / В. И. Черненко, J1. А. Снежко, С. Б. Чернова // Защита металлов, 1984. Т. 20. № 3. С. 454 458.

50. Снежко, Л. А. Анодный процесс при формовке силикатных покрытий Текст. / Л. А. Снежко, С. Г. Павлюс, В. И. Черненко // Защита металлов, 1984. Т. 20. №2. С. 292-295.

51. Левин, А. И. Теоретические основы электрохимии Текст. / А. И. Левин. -М.: Металлургиздат, 1963.-430 с.

52. Аверьянов, Е. Е. Справочник по анодированию Текст. / Е. Е. Аверьянов. М.: Машиностроение, 1988. - 157 с.

53. Малышев, В. Н. Особенности строения и свойства покрытий, наносимых методом микродугового оксидирования Текст. / В. Н. Малышев, Г. А. Марков, В. А. Федоров. Химич. и нефтяное машиностроение, 1984, № 1. С. 26 -27.

54. Слонова, А. И. Некоторые закономерности формирования микродуговых покрытий Текст. / А. И. Слонова, О. П. Терлеева, Е. К. Шулепко, Г. А. Марков // Электрохимия, 1992. -Т.28. С. 1280 - 1285.

55. Михеев, А. Е. Влияние параметров процесса МДО на формирование покрытий в электролитических растворах Текст. / А. Е. Михеев, В. В. Стацура, Н. В. Никушкин // Сб. научных трудов «Материалы, технологии, конструкции» -Красноярск, 1995. С. 144 - 146.

56. Стацура, В. В. Восстановление деталей методом железнения Текст. /

57. В. В. Стацура, А. Е. Михеев, С. С. Ивасев// Сб. научных трудов Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции". Красноярск, 1997. - С. 160-161.

58. Черненко, В. И. Получение покрытий анодно искровым электролизом Текст. / В. И. Черненко, Л. А. Снежко, И. И. Папанова. - JL: Химия, 1991.- 128с.

59. Hradsovsky R., Kozako О. / Пат. США № 383499. Опубл. 10.09.74.

60. Hradsovsky R. / Пат. США № 4082626. Опубл. 04.04.78.

61. Снежко, Л. А. Энергетические параметры процесса получения силикатных покрытий на алюминии в режиме искрового разряда Текст. / Л. А. Снежко, В. И. Черненко // Электронная обраб. Материалов. 1983. №2. С. 25 -28.

62. Гордиенко, П. С. О кинетике образования МДО покрытий на сплавах алюминия Текст. / П. С. Гордиенко, В. С. Руднев // Защита металлов, 1990. - Т. 26, №3. С. 467-470.

63. Харитонов, Д. Ю. О механизме импульсного электролитно-искрового оксидирования алюминия в концентрированной серной кислоте Текст. / Д. Ю. Харитонов, Е. И. Гуцевич, Г. И. Новиков, А. А. Фридман. М.: 1988. 17с. (Препринт/ Атоминформ: № 4705/13)

64. Руднев, В. С. Зависимость толщины покрытия от потенциала МДО Текст. / В. С. Руднев, П. С. Гордиенко // Защита металлов. 1993 Т.29, № 2. - С. 304-307.

65. Ерохин, A. JI. Модель формирования оксидных покрытий при плазменно-электролитическом оксидировании алюминия в растворах силикатов Текст. / А. Л. Ерохин, В. В. Любимов, Р. В. Ашитков // Физика и химия обработки материалов, 1996, № 5. С. 39 - 44.

66. Костров, Д. В. Тепловой пробой диэлектрических анодных пленок Текст. / Д. В. Костров, Р. А. Мирзоев // Электрохимия, 1987. Т.23, № 5. - С. 595 -605.

67. Мирзоев, Р. А. Тепловой пробой анодных пленок при наличии поверхностной проводимости границы оксид-электролит Текст. / Р. А. Мирзоев // Электрохимия, 1987. Т.23, № 5. - С. 676 - 679.

68. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий Текст. / Ю. П. Адлер, Е. В. Марков, Ю. В. Грановский. М.: Наука, 1976. -290 с.

69. Шведков, Е. JL Словарь-справочник по новой керамике Текст. / Е. JI. Шведков, И. И. Ковенский, Э. Т. Денисенко, А. В. Зырин; Отв. Ред. Трефилов В. И.; АН УССР. Ин-т пробл. материаловедения им. И. Н. Францевича 280 с.

70. Лебедев, В. М. Работоспособность металлических трибосопряжений узлов трения машин Текст. / В. М. Лебедев, Н. А. Смирнов. Красноярск: КПП, 1990.- 140 с.

71. Голенкова А. А. Характеристики покрытия, полученного микродуговым оксидированием алюминиевого сплава Текст. // Сб. науч. тр.

72. Всероссийской конф. «Перспективные материалы, технологии, конструкции», Красноярск: САА, 1999. С. 229 232.

73. Михеев А. Е. Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов Текст. / А. Е. Михеев, В. В. Стацура, Н. А. Терехин, А. А. Голенкова, А. В. Гирн // Вестник машиностроения. Москва. 2003. №2.С.56 63.

74. Голенкова А. А. Влияние токовых режимов на свойства покрытий при микродуговом оксидировании алюминиевых сплавов Текст. / А. А. Голенкова, А. Е. Михеев // Всероссийская научная конференция «Решетневские чтения». -Красноярск: 2001, С. 40-42.

75. Михеев А. Е. Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов Текст. / А. Е. Михеев, Н. А. Терехин, В. В. Стацура, А. А. Голенкова, С. С. Ивасев, А. В. Гирн // Вестник машиностроения. Москва. 2003. №2.С.56 63.

76. Эпельфельд, А. В. Применение технологии микродугового оксидирования для формирования защитных покрытий Текст. / А. В. Эпельфельд // Технология машиностроения. 2004. №4. С.39 44.

77. Steffens, Н. D., Untersuchungen zum Kiihlen mit Kohlendioxide beim plasmaspritzen / H. D. Steffens, H. M. Hohle, E. Ertriik // Schweissen und Schneiden-1981.-33,N4.-S. 159- 164.

78. Стацура, В. В. Нанесение покрытий на изделия РЭА Текст. / В. В. Стацура, В. А. Моисеев. Томск: МГП«РАСКО», 1993, 177 с.

79. Most, С. R. Comparing coating for wear and corrosion resistance / C. R. Most // Chem. Eng.- 1970.- N 12,- P. 140 145.

80. Bartuska, М. Plazmove strikani povlakii ze zaruvzdornych kyslicniku a sloucenin / M. Bartuska , K. Zverina // Strojirenstvi 1973 - 23, N 11.- S. 675 - 681.

81. Юнг, JI. Анодные оксидные пленки Текст. / JI. Юнг JL: Энергия. 1967.-232 с.

82. Федоров, В. А. Физико-механические характеристики упрочненного поверхностного слоя на сплавах алюминия, получаемого при микродуговом оксидировании Текст. / В. А. Федоров, Н. Д. Великосельская // Физика и химия обраб. материалов, 1990, № 4, с.57 62.