ИЗНОСОСТОЙКОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
WEAR RESISTANT COMPOSITE COATING AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области получения износостойких покрытий и способам их получения на поверхности изделий, и может быть использовано для повышения эксплуатационных свойств поверхностей изделий из алюминиевых, в том числе алюминиево-кремниевых, сплавов.
Известны износостойкие покрытия, в том числе и композиционные, получаемые различными способами на поверхности изделий из алюминиевых сплавов. Например, способами напыления или наплавки получают покрытия, которые состоят из сложных по структуре и составу компонентов, что обеспечивает высокие эксплуатационные свойства покрываемому изделию (см. патент РФ №2198066 «Способ восстановления изношенных деталей из алюминия и его сплавов»).
Одним из наиболее значимых недостатков таких покрытий и способов их получения является сложность обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с металлом основы, вследствие чего высока вероятность отслаивания покрытия и нарушения его сплошности.
17
4
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является структура рабочей поверхности, получаемая на заэвтектическом алюминиево-кремниевом сплаве KS 284 (AlSiCuMg; коммерческие названия сплава Alusil (Kolbenschmidt) или Silumal (Mahle)) путем вытравливания «мягкой» алюминиевой основы с поверхности [Щурков В.Е. Повышение надежности цилиндропоршневой группы зарубежных автомобильных двигателей. - М.: ЦНИИТЭИавтопром, 1990. 48 с.; Хрулев А. Современные поршни // АБС. 1997. Ноябрь-декабрь. С.21-23] - прототип Покрытия.
2
Способ реализован для алюминиевого блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. По данному способу после отливки и термообработки блока цилиндров цилиндры проходят предварительную и частичную расточку, предварительное и чистовое хонингование. После чистового хонингования шероховатость по Rz примерно равна 1-2 мкм. После этого внутренняя поверхность цилиндров подвергается электрохимическому травлению в электролите нитрида натрия при плотности тока 15 А/дм. В результате на поверхности обнажаются кристаллы кремния, обладающие высокой износостойкостью. Между кристаллами образуются углубления до нескольких микрометров. Эти углубления на рабочей поверхности служат для удерживания масла. Таким образом, рабочая поверхность формируется на основе верхнего слоя обрабатываемой поверхности детали и представляет собой матрицу из чистого алюминия с укрепленными в ней частицами первичного кремния. При этом частицы первичного кремния выступают над поверхностью участков чистого алюминия (см. фиг.1), формируя особую структуру поверхности.
Поскольку сплавы с высоким содержанием кремния существенно дороже сплавов с низким содержанием кремния, проблема повышения эффективности способа решается местным насыщением поверхности кремнием [Eigenschaften nach Mass: Aluminium verdrangt Granguss // Masch. und Werkzeug. 1996. V.97, N 5. Pp.18-20 (Блоки цилиндров из алюминиевых сплавов); Robinson A. Cylinder walls are tough, light // Automative News. 1998. N 5769. Р.40]. Наиболее широкое промышленное применение нашел разработанный фирмой Kolbenschmidt способ Lokasil - прототип Способа.
Способ Lokasil основан на том, что частицы кремния в нужных местах локально внедряются в матрицу дешевого доэвтектического алюминиевого сплава, изготовленного из вторичного алюминия. Получаемая при этом на поверхности изделия металломатричная композиция имеет свойства практически такие же, как заэвтектический силумин соответствующего состава. Внедрение частиц кремния проводится металлургическими методами при проведении отливки.
Недостатком рабочего слоя, полученного по методу Lokasil или вытравливанием алюминия с поверхности сплава KS 284, является то, что выступающие частицы кремния под нагрузкой могут выкрашиваться, поскольку после вытравливания алюминия частицы кремния частично обнажаются. Контакт с поверхностью ответной детали будет производиться только по острым и твердым частицам кремния при высоком локальном давлении, что, с одной стороны, повышает износ ответной детали, а, с другой стороны, сокращает время выкрашивания частиц кремния из алюминиевой матрицы, может приводить к задиру. Эти недостатки требуют дополнительного применения дорогостоящих износостойких покрытий на ответных деталях.
Например, для улучшения противозадирных свойств алюминиевого сплава KS 284 после вытравливания алюминия с рабочей поверхности блока цилиндров в паре с алюминиевым поршнем юбку последнего гальванически покрывают железом или мягким хромом, а для защиты от коррозии железный слой покрывают оловом. Это указывает на то, что сама по себе полученная по вышеописанной технологии поверхность алюминиевого блока все же не обеспечивает требуемую износостойкость. Понятно, что проведение дополнительных мероприятий по созданию особых поверхностей контактирующих с рабочей поверхностью алюминиевого блока деталей значительно повышает стоимость цилиндропоршневой группы в целом.
Раскрытие изобретения (описание технической сущности заявляемого технического решения)
Заявляемое покрытие решает техническую задачу создания износостойких покрытий алюминиевых сплавов с использованием частиц кремния, имеющихся в составе обрабатываемых сплавов (в виде включений первичного кремния) или специально вводимых в поверхность алюминиевого сплава, не содержащего крупных включений первичного кремния.
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Заявляемое покрытие отличается от прототипа тем, что пространство между включениями высококремнистой фазы (то есть включениями с содержанием кремния не меньше, чем в двуокиси кремния SiO), выступающими над поверхностью чистого алюминия, заполнено различными устойчивыми (α-АlO и γ-АlO) и промежуточными неустойчивыми (η-АlО, χ-АlО, δ-АlО, θ-АlО и др.) модификациями окиси алюминия (см. фиг.2).
Размеры включений по усредненным значениям измерений, производимых по фотографиям поперечных микрошлифов поверхности с заявляемым покрытием, составили 0,1…10 размеров толщины самого покрытия. Этот размер определяется характером металлургических процессов при кристаллизации и перекристаллизации материала детали и по этой причине может изменятся, например, путем дополнительной термообработки, что делает процесс получения покрытия управляемым.
Если в техническом решении, принятом за прототип, частицы кремния могли быть сцеплены со слоем чистого алюминия по половине (50%) своей поверхности или менее так, что оставшаяся часть частицы будет выступать над поверхностью, то в заявляемом решении включения высококремнистой фазы закреплены не только в алюминиевой матрице, но и в матрице из окиси алюминия таким образом, что общая поверхность сцепления составляет не менее 80% площади включения. Это достигается за счет того, что окружающие указанные включения различные модификации окиси алюминия располагаются выше поверхности чистого алюминия и, заполняя промежутки между включениями, связывают их в единый силовой элемент, который имеет более высокие параметры сопротивления разрушению при износе.
В случае наличия исходных достаточно крупных частиц кремния наибольший эффект достигается, когда не менее 5% включений высококремнистой фазы, расположенных в матрице из окиси алюминия, имеют одновременно свободную поверхность и поверхность раздела с алюминиевой основой.
Для получения заявлемого покрытия можно использовать микродуговое оксидирование (МДО) заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов, содержащих частицы первичного кремния, при стандартных параметрах МДО, предварительно создавая необходимую для получения требуемой структуры покрытия исходную структуру обрабатываемого сплава. Активные пятна микродугового разряда существуют в основном на поверхности чистого алюминия, окисляя алюминий в микродуговом разряде до формирования различных модификаций окиси алюминия таким образом, что частицы кремния оказываются в матрице окиси алюминия. Высокая локальная температура может приводить к поверхностному окислению частиц кремния вплоть до формирования частиц двуокиси кремния. В итоге формируется слой, состоящий из матрицы из окиси алюминия с включениями высококремнистой фазы.
Однако для работы изделий из алюминиевых сплавов часто не требуется иметь высокое содержание кремния в объеме изделия. В этом случае, для снижения стоимости конечного изделия с заявляемым покрытием используется заявляемый способ, отличающийся тем, что для получения композиционного покрытия на основе окиси алюминия с включениями высококремнистой фазы в поверхностный слой алюминиевого сплава специально внедряют частицы кремния требуемого размера (например, как в способе Lokasil), а затем проводят окисление обрабатываемой поверхности, например, методом микродугового оксидирования.
Пример конкретного выполнения заявляемого технического решения
В экспериментах были использованы следующие заэвтектические Al-Si-сплавы: литейный - АК18 (производство АО «МОТОР ДЕТАЛЬ», г.Кострома) и гранулированный - 01379 (опытное производство ВИЛС г.Москва). Исходное состояние: АК18 - после термообработки по Т1 (старение при 210±10°С в течение 12 часов); 01379 - после спекания. Для получения требуемой структуры (необходимый размер частиц кремния) проводили дополнительную термообработку по Т6 по 2 режимам, отличающимся друг от друга температурой гомогенизирующего отжига перед закалкой - 490°C (для сплава 01379) и 520°С (для сплава АК18). Для краткости в дальнейшем температура гомогенизирующего отжига указывается в скобках после Т6: Т6 (490°С) и Т6 (520°С). При обоих режимах по Т6 после гомогенизирующего отжига длительностью 6 часов делали закалку в воду с температурой t>80°С и искусственное старение при 235+5°С в течение 4 часов.
4
7
-4
После термообработки проводили шлифование поверхности для получения Rz 2,5. Затем проводили микродуговое оксидирование для получения оксидных слоев, состоящих из окиси алюминия с включениями высококремнистой фазы. Для этого алюминиевые образцы помещали в щелочной электролит, содержащий пирофосфат-ионы (РО ), и вели анодный процесс при постоянном напряжении до контролируемого прекращения пробоя оксидного слоя. Процесс МДО вели по двум режимам: 60 минут (основной режим) и 20 минут (сокращенное время МДО).
0.1
После МДО на поперечных шлифах исследовали микроструктуру, измеряли толщину покрытия и твердость основы и самого оксидного слоя. Основной объем исследований выполняли на сканирующем электронном микроскопе LEO 1455 VP фирмы «ZEISS» (Германия) с блоком рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 с применением методики построения карт распределения химических элементов в плоскости шлифа. Измерения твердости по Виккерсу проводили на установке Micromet-II (Германия). Для оксидных слоев определяли HV (проводили по 5-10 измерений для каждого варианта).
Возможность выявления химической неоднородности в МДО-покрытии методом рентгеноспектрального микроанализа обусловлена необходимой локальностью метода исследования и характерными размерами элементов структуры исходного материала. Так, включения первичного кремния и толщина оксидных слоев при МДО имеют размер порядка 5-50 мкм, а локальность метода рентгеноспектрального микроанализа - 1 мкм.
Исследования проводили на сплаве АК18 после термообработки по Т6 (520°С) и МДО при времени обработки 20 минут (для такого режима термообработки характерен наибольший размер кристаллов кремния, который при заданном режиме оксидирования соответствует толщине покрытия).
В качестве второго объекта был выбран сплав 01379 после Т6 (490°С) и МДО в течение 20 мин. Для этого варианта размер кристаллов кремния достигал нижней границы толщины покрытия. Сплав 01379 представляет интерес по причине наиболее равномерного распределения кремния и наименьшего разброса частиц кремния по размерам.
Результаты исследований методами световой и сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа основной и переходной зон между металлом основы и оксидным слоем представлены на фиг.3, фиг.4.
Основные структурные элементы сплава АК18: α-раствор алюминия с эвтектическим кремнием, первичные кристаллы кремния, интерметаллиды. Особенность сплава 01379 - равномерное распределение мелкозернистого кремния, невозможность разделить его на кремний эвтектики и первичные кристаллы кремния.
Были проведены оценочные износные испытания, результаты которых представлены в таблице 1 в сравнении с данными для чугуна Ch190.
Триботехнические испытания проводили по схеме возвратно-поступательного движения. Для испытаний изготавливали образцы двух типов:
3
- плоские образцы 25×9×2,5 (мм) из алюминиевого сплава с МДО-покрытием (перед испытанием образцы подвергали обработке на шлифовальной бумаге);
- контробразцы - сегменты серийного поршневого кольца.
Полученные результаты испытаний на износ (Таблица 1) указывают на то, что износные свойства исследованных материалов пары трения, по крайней мере, не хуже, чем износные свойства чугуна. Причем износ контробразца для исследованных пар трения не превышает (с учетом доверительных интервалов) износа контробразца в паре с чугуном Ch190. Отметим, что износ оксидного слоя на сплаве 01379 меньше, чем на сплаве АК18. Этот результат хорошо согласуется с тем, что покрытие на сплаве 01379 более твердое (см. Таблицу 1), а сам оксидируемый материал содержит большее количество более равномерно распределенных частиц кремния (см. фиг.3 и фиг.4).
Для моделирования способа получения заявляемого покрытия на поверхности алюминиевого сплава с низким содержанием кремния в поверхность сплава АМг5 внедряли частицы кремния путем газопламенного напыления. Затем частицы со слабой адгезией к поверхности сплава удаляли металлической щеткой. После этого проводили МДО по описанному выше режиму.