автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Упрочнение поверхностей трения методом микродугового оксидирования

&.Л6 03 99- СЙ^/ОГ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

-иУ/ф Л/у. ■[ На правах рукописи

МАЛЫШЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

Специальности: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант

Член-корреспондент РИА,

д.т.н., профессор Г.М. СОРОКИН

Москва, 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................6

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ........................................................................9

1.1. Современные методы поверхностного упрочнения

концентрированными потоками энергии.................................................................11

1.2. характеристика нового метода упрочнения - метода микродугового оксидирования (МДО)...............................................................................................30

1.2.1. Разновидности методов МДО и характер их энергетического воздействия.............................................................................................................31

1.2.2. Основные параметры и физико-химические основы метода анодно-катодного микродугового оксидирования............................................................39

1.3. синергетический подход как методологическая основа комплексных исследований по формированию и изнашиванию МДО-покрытий.........................46

1.4. Цель диссертационной работы и постановка задач исследования..................54

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ УПРОЧНЯЮЩЕГО КЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ...............................................................................................................56

2.1. Теории пробоя анодного оксидного покрытия............................................... 56

2.1.1. Модели электрического пробоя АОП..........................................................60

2.1.2 Теории пробоя при анодировании................................................................66

2.1.3. Механизм роста пленок в режимах искрения и микродуги.......................74

2.2. Разработкасинергетических моделей формирования износостойкого

керамического покрытия..........................................................................................80

2.2.1. Процесс МДО с позиций синергетики........................................................84

2.2.1.1. Бифуркационные неустойчивости при формировании

МДО-покрытий................................................................................... 86

2.2.1.2 Фрактальная природа формирования керамического слоя покрытия.....96

2.2.2. Разработка компьютерных моделей формирования МДО-покрытий........99

2.2.2.1. Модель элементарного пробоя диэлектрической пленки.....................100

2.2.2.2. Модель формирования плотного износостойкого слоя покрытия......108

2.2.2.2.1. Модели роста фрактальных кластеров................................................110

2.2.2.2.2. Физические процессы, сопровождающие рост окислов на поверхности металлов................................................................................................................112

2.3. Исследование разработанных моделей и компьютерное

экспериментирование............................................................................................120

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕТОДА МДО......................................................................................................133

3.1. Разработка техники и технологии формирования износостойких покрытий на основе метода МДО.................................................................................................134

3.1.1. Разработка источника питания с расширенными функциональными возможностями.....................................................................................................135

3.1.2. Влияние токовых параметров на характеристики покрытий..................139

3.1.3. Разработка основ выбора состава электролита для формирования покрытий с высокой износостойкостью.............................................................147

3.1.3.1. Двух-трех компонентные водные электролиты.............................151

3.1.3.2. Электролиты-суспензии.........................................................159

3.2. формирование керамических покрытий в условиях нестационарного электролиза..............................................................................................................167

3.2.1. Разработка оптимальных технологических режимов получения покрытий с высокой износостойкостью...............................................................................167

3.2.2. Влияние частоты повторения импульсов на характеристики покрытий. 182 3.3. Механизм формирования и свойства композиционных покрытий с

использованием порошков окислов, карбидов, боридов и нитридов металлов ... 188

3.4.Формирование износостойких МДО-покрытий на черных и других металлах и сплавах....................................................................................................................195

3.5. Долговечность электролита и его регенерация...............................................210

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК МДО-ПОКРЫТИЙ.............................................................220

4.1. Состав, строение и структура МДО-покрытий.................................................221

4.2. изучение физико-механических характеристик МДО-покрытий методом кинетической микротвердости по диаграмме вдавливания индентора................240

4.2.1. Микродеформации упрочненного слоя и выявление структурно-чувствительных критериев оценки физико-механических свойств покрытий.247

4.3. Оценка эффекта упрочнения по статическим и динамическим испытаниям образцов покрытий...................................................................................................262

4.4. Прочность сцепления, пористость и плотность МДО-покрытий....................269

4.5. Трещиностойкость керамического покрытия с позиций синергетики и механики контактного разрушения........................................................................283

4.6. Определение фрактальной размерности, мультифрактальный анализ МДО-покрытий и их корреляция с физико-механическими характеристиками.............294

ГЛАВА 5. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДО-ПОКРЫТИЙ...........................................................313

5.1. Исследование абразивной износостойкости покрытий, сформированных методом МДО..........................................................................................................314

5.2. Повреждаемость и разрушение керамического слоя при трении и нагрузочная

способность МДО-покрытий...................................................................................334

5.3. Трение и износ керамических покрытий в различных сочетаниях пар и условий контактно-силового взаимодействия с позиций синергетики..............................354

5.4. Связь физико-механических характеристик МДО-покрытий с износостойкостью и разработка критериев оценки износостойкости..................379

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ УПРОЧНЯЮЩИХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ УЗЛОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ................................392

6.1. Примеры использования МДО-покрытий в узлах трибосопряжений..............392

6.2. Рекомендации по применению МДО-технологии в промышленности...........410

6.3. Изучение путей снижения энергоемкости и повышения производительности формирования покрытий МДО................................................................................415

6.4. Экономическая эффективность применения керамических покрытий в условиях эксплуатации узлов трения....................................................................419

6.5. Перспективы использования МДО-покрытий в промышленности..................420

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................422

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................427

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................463

Введение

Развитие машиностроения во многом обусловливается решением проблемы надежности подвижных сопряжений машин на основе рационального конструирования, подбора высокоэффективных материалов и методов их технологической обработки, выбора смазочных материалов и покрытий. На современном уровне развития машиностроения, когда детали узлов машин испытывают все более возрастающие скорости, давления, рабочие температуры и нагрузки, решение этой проблемы невозможно без использования деталей, имеющих высокие физико-механические характеристики поверхностных слоев, так как в большинстве случаев именно они ответственны за износостойкость, коррозионную стойкость, адгезионную совместимость и другие эксплуатационные характеристики изделий.

Ужесточение требований к структуре и свойствам поверхностных слоев стимулировало развитие новых методов их модификации различными видами технологической обработки, среди которых, наряду с традиционными технологическими приемами, обусловливающими повышение преимущественно объемных свойств материала (термическая, химико-термическая и другие виды обработки) и уже исчерпавших свои возможности, получают все более широкое распространение методы непосредственного воздействия на рабочую поверхность деталей концентрированных потоков энергии. При этом создаются специфические поверхностные структуры, реализующие низкий и стабильный коэффициент трения при высокой износостойкости.

Одним из таких методов, которому посвящена настоящая работа, является метод поверхностного упрочнения деталей, преимущественно из алюминиевых сплавов, основанный на процессе микродугового оксидирования (МДО). Метод МДО представляет собой относительно новый и перспективный метод поверхностного упрочнения, возникший в начале 70-х годов, благодаря открытию явления микродуговых разрядов в электролите, в Институте неорганической химии СО РАН (автор Г.А. Марков), и позволяющий формировать на поверхности

принципиально новые высококачественные покрытия с высокой износостойкостью и прочностью сцепления к основе. Благодаря их уникальным свойствам -

V/ С» 1> V _

сочетанию высокой износостоикости, коррозионной стоикости, а также тепло- и эрозионностойкости, все более широкие области различных отраслей машиностроения находят практическое использование новых покрытий.

Но широкое внедрение этих покрытий в производство сдерживается сложностью и недостаточной изученностью процессов их формирования, влиянием на свойства покрытий различных технологических факторов, необходимостью разработки новых эффективных энергосберегающих источников питания и рациональных, с точки зрения производительности и экономической эффективности, экологически безопасных электролитов. Кроме того, большое количество публикаций (более ста наименований), появившихся за последнее десятилетие, по различным аспектам МДО-технологии требуют их теоретического осмысления и обобщения. Появилась настоятельная необходимость взглянуть на наблюдаемые явления и процессы не только с феноменологических, но и других позиций, учитывающих многообразие форм их проявления и нелинейность зависимостей «состав-свойство».

Настоящая работа предназначена для восполнения указанного пробела. Проведенные в диссертации исследования позволили, используя фундаментальный подход, основанный на принципах синергетики, разработать модели, характеризующие определенные этапы формирования МДО-покрытий и учитывающие их специфические особенности, выявить оптимальные режимы получения покрытий с высокими механическими характеристиками и износостойкостью. Разработаны новый способ и источник питания с расширенными функциональными возможностями, позволяющие формировать покрытия на повышенных частотах с улучшенным качеством и большей производительностью. Разработано новое направление в МДО-технологии с использованием электролитов-суспензий. Изучены состав, структура, особенности и основные физико-механические свойства МДО-покрытий, сформированных в различных режимах, проведен фрактальный и мультифрактальный анализ пористой структуры покрытий, позволившие в совокупности получить

комплексную оценку основных свойств керамических покрытий. Широкие экспериментальные исследования основных характеристик трения и изнашивания МДО-покрытий в различных условиях контактно-силового взаимодействия, при трении с различными материалами и в различных средах, позволили получить объективные представление об абразивной износостойкости, коэффициенте трения и нагрузочной способности керамических покрытий и определить основные пути по повышению их триботехнических характеристик. Широкое внедрение результатов разработок в промышленности и опыт эксплуатации деталей узлов трения, позволили разработать основные рекомендации по применению нового метода упрочнения - микродугового оксидирования - в различных отраслях промышленного производства.

Экспериментальные исследования по диссертации выполнялись автором на кафедрах «Прикладная механика» и «Металловедение и неметаллические материалы» Российского государственного университета (РГУ) нефти и газа им. И.М.Губкина, а также лаборатории специального материаловедения Харьковского филиала института ВНИПИморнефтегаз и кафедре «Машиноведение» Брестского политехнического института.

Автор сознает своим необходимым долгом выразить глубокую признательность научному консультанту - чл.-корр. РИА, д.т.н., профессору Сорокину Г.М., автору метода - Маркову Г.А. и с.н.с., к.т.н. Булычеву С.И. за ценные замечания и помощь при выполнении и обсуждении этой работы.

Глава 1. Методы упрочняющей технологии

трибосопряжений

Процессы трения и износа подвижных сопряжений при эксплуатации машин происходят в самых тонких поверхностных слоях контактирующих материалов, от качества, шероховатости, твердости, физико-механических свойств, химической стойкости и напряженного состояния которых, во многом зависит износостойкость узла трения и надежность, и долговечность машины в целом.

Вместе с тем объемные свойства материала не всегда удовлетворяют тем требованиям, которые предъявляются к его поверхностным характеристикам, обеспечивающим необходимую износостойкость трущегося сопряжения. Последнее достигается применением различных технологических методов, позволяющих создать на поверхности детали износостойкие слои, обладающие необходимым комплексом физико-механических и триботехнических свойств [270,300,417,418,185,322,345,355 и др.].

Развитие технологических методов упрочнения поверхностей деталей, связанное с успехами в развитии фундаментальных научных исследований, привело к созданию нового вида технологии, а именно - упрочняющей технологии [185], основной задачей которой является получение поверхностных слоев с достаточной прочностью, износо- и коррозионностойкостью и другими высокими эксплуатационными характеристиками. В настоящее время эта область производства располагает широким арсеналом методов и средств, позволяющих обеспечить высокие эксплуатационные показатели машин и механизмов.

Учитывая комплекс основных триботехнических требований к поверхностному слою, а именно: обеспечение высокой прочности, твердости и стойкости к трибоокислению, допустимой пористости, высокой прочности сцепления с основным материалом, малой склонности к адгезионным взаимодействиям, необходимо в первую очередь применять различные способы

модифицирующего поверхностного упрочнения, позволяющие получать высокопрочные покрытия.

Наиболее широкое применение в промышленности нашли методы поверхностной закалки, различные химико-термические способы обработки (цементация, азотирование, борирование и т.д.), наплавки, гальванические методы осаждения покрытий и т.п. Возможности этих методов в значительной мере уже исчерпаны. В связи с этим в последнее время интенсивно расширяется применение новых технологий упрочнения деталей, основанных на воздействии на их поверхность концентрированных потоков высокоэнергетических квантов и более крупных частиц (электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров). К ним относятся лазерные, электронно-лучевые (пучковые), вакуумные ионно-плазменные (включая имплантацию) и газотермические технологии [258].

При использовании технологий, основанных на воздействии на поверхность концентрированных потоков энергии и вещества, реализуется получение так называемых поверхностных композитов - многослойных материалов (как минимум двухслойных), в которых один из слоев (основной металл) подбирается из условий обеспечения конструкционной прочности и стабильности размеров детали в целом, а создаваемые внешние слои гарантируют функциональные свойства поверхности (износостойкость, антифрикционность, коррозионную стойкость, сопротивление усталости и др.). Кроме того, поверхностные упрочненные слои могут повышать и конструкционную прочность деталей в целом за счет снижения дефектности поверхностного слоя, уменьшения опасности развития фреттинг-коррозии и образования задиров, вследствие явления схватывания металлов.

Ниже анализируются указанные методы получения высокопрочных покрытий.

1.1. Современные методы поверхностного упрочнения концентрированными потоками энергии

По физической сущности все многообразие методов модифицирования поверхностного слоя, путем воздействия концентрированным потоком энергии, можно разделить на следующие три группы [258]:

1) методы, в которых перенос вещества от некоторого источника осуществляется к предварительно очищенной обрабатываемой поверхности, на которой это вещество оседает, формируя защи