Технология упрочнения рабочих поверхностей деталей машин

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ

УДК 621.7

ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Ведерникова Ирина Игоревна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроительного производства, vridulya@mail.ru,

Егоров Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, профессор заведующий кафедрой технологии машиностроительного производства, tmp@igta.ru,

ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия»,

г. Иваново

HARDENING TECHNOLOGY OF MACHINE COMPONENT FUNCTIONAL SURFACE

Vedernikova I.I., Yegorov S.A.

Рассмотрены методы повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей машин, изготовленных из алюминиевых сплавов. Предложены оптимальный метод упрочнения и технология нанесения покрытия при восстановлении работоспособного состояния детали.

Ключевые слова: износостойкость, упрочнение, сплав, долговечность.

The article considers methods of increase in machine component functional surface wear resistance where machine components are made of aluminium alloys. The authors offer optimal hardening method as well as coating technology with component operable state restoring.

Key words: wear resistance, hardening, alloy, life time.

Алюминиевые сплавы, обладающие достаточной удельной прочностью и малой плотностью, представляют собой группу важных промышленных материалов. Применительно к алюминиевым сплавам возможна реализация следующих методов повышения износостойкости:

- химическое полирование,

- электрохимическое полирование,

- поверхностное анодирование,

- микродуговое оксидирование,

- эматалирование,

- газопламенное напыление,

- никелирование,

- глубокое анодирование,

- комбинированный метод упрочнения (оксидирование и лазерное модифицирование).

Процесс газопламенного напыления довольно трудно контролируемый и качество получаемых покрытий в значительной мере зависит от квалификации металлизатора. Шероховатость поверхности и точность взаимного расположения поверхностей после напыления превышает пределы заданных допусков, поэтому детали нуждаются в последующей механической обработке. Высокая твердость напыленного слоя создает дополнительные трудности для обработки.

Для осуществления процесса химического полирования параметры шероховатости поверхности после механической обработки должны соответствовать шероховатости, предусмотренной чертежно-конструкторской документацией. Чем глаже и однороднее покрываемая поверхность, тем беспористей и устойчивей она в отношении защиты от коррозии.

Химическое полирование ведут без применения источников тока. Этот метод пригоден для полирования деталей смежной конфигурации. Производительность процесса высокая.

Недостатки химического полирования заключаются в быстром истощении и сложности корректировки электролита, интенсивном выделении вредных газов, более низком по сравнению с электрохимическим полированием качестве поверхности.

Химическое полирование алюминиевых сплавов можно проводить в кислых и щелочных растворах.

В процессе полирования замечено, что поверхность металла покрывается тонкой пассивной окисной пленкой, шероховатость поверхности увеличивается на 1^3 класса. К недостаткам этого метода можно отнести небольшой срок службы электролита и трудность его регенерации, хотя производительность его наивысшая из сравниваемых.

Продолжительность электрохимического полирования и анодную плотность тока меняют в зависимости от степени истощения электролита. В свежеприготовленном растворе продолжительность полирования меньше, а плотность тока выше. Шероховатость поверхности уменьшается на 1^2 класса.

После электрохимической полировки показатели отражательной способности выше, чем после химической. Зеркальность поверхности также выше.

Электрохимическое полирование позволяет получать изделия с высоким качеством обработки поверхности; при этом удаляется поверхностный слой, содержащий инородные включения и скрытые дефекты.

Для электрохимического полирования характерна меньшая трудоемкость, чем для механического полирования. Этот вид обработки ведется в гальванических ваннах и легко поддается автоматизации. Съем металла при электрохимическом полировании незначителен и составляет несколько микрометров.

При обработке алюминиевых сплавов решающее значение для чистоты обработки и отражающей способности имеют химический состав и структура металла. Особенно большое внимание на качество поверхности оказывает нерастворение при полировании примеси кремния.

Для получения высокого качества поверхности при электрохимическом полировании требуется тщательная предварительная подготовка, так как царапины и другие дефекты, при этом методе обработки не уничтожаются.

Его характерной особенностью является сглаживание поверхности металла за счет интенсивного растворения мельчайших выступов, поверхностей и гребешков после механической обработки. При этом в микроуглублениях, канавках и впадинах появляется пассивность, и в этих местах уменьшается растворимость металлов. Поверхность деталей после электрохимического полирования приобретает яркий блеск, но глубокие риски не сглаживаются.

В поверхностном анодировании при прохождении тока через электролит продукты реакции на аноде могут растворяться до насыщения раствора; продукты реакции, не растворяясь в электролите, образуют на аноде прочно-сцепленное электроизоляционное оксидное покрытие (рост покрытия сопровождается до тех пор, пока сопротивление его не будет препятствовать прохождению тока до анода); продукты реакции могут частично растворяться в электролите и образовывать оксидное покрытие, которое в сухом состоянии препятствует прохождению тока через анод.

Все анодные покрытия на алюминии или его сплавах в той или иной степени пористые: поры, образующиеся в покрытии, большие, поэтому поступление

электрического тока к аноду в процессе оксидирования происходит постоянно. Рост анодной пленки продолжается до тех пор, пока скорость ее образования превышает скорость ее растворения.

Максимальная толщина оксидного покрытия изменяется в зависимости от состава электролита и условий электролиза, особенно от температуры, влияющей на скорость

растворения. Оксидные покрытия, получаемые из сернокислых электролитов, обладают значительной износостойкостью. Из хромовокислых электролитов оксидные пленки наносят на клепаные конструкции или детали с соединениями внахлестку. Такие покрытия не обладают высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью. Анодные покрытия из щавелевокислых электролитов имеют большую пластичность.

Анодное покрытие состоит из двух слоев: пористого внешнего слоя и тонкого слоя внутреннего, который является плотным и электроизоляционным. Последний называют барьерным или диэлектрическим слоем, составляющим 0,5 + 2 % общей толщины пленки. Этот слой образуется в начале анодирования при высоком напряжении, и его толщина изменяется прямо пропорционально рабочему напряжению и обратно пропорционально растворимости оксида в данном электролите. Средняя толщина диэлектрического слоя анодных пленок равна 0,03 ^ 0,05 мкм. Верхний слой оксидной пленки имеет микропористую структуру.

Одним из перспективных методов поверхностного упрочнения деталей, позволяющих формировать на поверхности принципиально новые высококачественные покрытия с высокой износостойкостью и прочностью сцепления к основе, является метод микродугового оксидирования (МДО).

Метод МДО, представляющий собой электрохимический процесс окисления поверхностного слоя в сочетании с электроразрядными явлениями на границе анод электролит, позволяет получать на деталях из алюминиевых сплавов принципиально новые покрытия. Суть метода заключается в формировании на поверхности детали в условиях воздействия микродуговых разрядов высокопрочного износостойкого покрытия (МДО-покрытия), состоящего преимущественно из a-Al2Oз (корунда) и других оксидов алюминия.

Метод МДО имеет целый ряд преимуществ по сравнению с другими методами.

К важнейшим из них относятся [1]:

- возможность нанесения покрытия на сложнопрофильные изделия, внутренние поверхности и скрытые полости;

- получение покрытий толщиной от 0,05 ^ 0,2 мм до 0,3 + 0,8 мм с адгезией, сопоставимой с прочностью материала подложки;

- получение покрытий без какой-либо предварительной подготовки поверхности;

- возможность полной автоматизации процесса;

- дешевизна и доступность реактивов и материалов;

- широкие возможности регулирования скорости процесса;

- экологическая безопасность, не требующая использования специальных очистных сооружений и т.д.

МДО берет свое начало от традиционного анодирования и по своей сути имеет с ним много общего, но есть ряд существенных отличий (таблица 1).

Таблица 1 -Сравнительная характеристика МДО технологии и анодирования

Характеристика Анодирование МДО технология

Напряжение, V 10 - 30 100 г 300 и больше

Плотность тока, A/dm2 до 10 2 О г 0 о

Твердость, kg/dm2 до 500 г 600 до 2000 -250

Тип покрытия аморфный кристаллический

Тип электролита кислотный щелочной

Микродуговые разряды нет есть

МДО покрытие представляет собой высокотемпературную модификацию окиси алюминия и, в основном, состоит из комбинации а- Л12О3 (ИУ-24000МПа) и у- Л12О3

(ИУ-14000МПа). Соотношение между а и у компонентами определяется параметрами процесса. Можно формировать покрытия от а- Л12О3 до 100% у- Л/2О3, включая все промежуточные комбинации.

Оксидная пленка обладает большой твердостью, она тверже стекла и хрома. Однако надо иметь в виду, что речь идет о твердости только самой пленки. Будучи нанесенной на мягкий металл, каким является алюминий, она не выдерживает испытания на твердость, т.к. продавливается вследствие своей незначительной толщины. Глубокое анодирование применяется для получения твердых износостойких покрытий, работающих в условиях трения. Для толстослойного анодирования часто применяют сернокислые электролиты. Анодирование в них выполняют при низкой температуре.

При анодировании деталей сложного сечения трудно добиться необходимой толщины оксидной пленки в заданном месте, особенно при восстановлении деталей. Для получения анодной пленки большей толщины в месте образования канавки износа на поверхности детали было разработано устройство для анодирования тел вращения.

Техническим результатом полезной модели является продление срока службы деталей машин из алюминия и его сплавов и сокращение времени процесса анодирования.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для анодирования тел вращения, содержащем ванну с электролитом, погруженную в нее деталь с острыми углами и магнитный элемент, а также анодную пластину, согласно

полезной модели, магнитный элемент расположен внутри тела вращения и выполнен в виде кольца и двух полюсных наконечников, расположенных с обеих сторон кольца, диаметры которых подбираются в зависимости от кривизны обрабатываемой поверхности.

При прохождении тока через электролит продукты реакции на аноде растворяются до насыщения раствора. После насыщения раствора продукты реакции, не растворяясь в электролите, образуют на детали прочно-сцепленное окисное покрытие. Магнитный элемент концентрирует поток ионов на рабочих поверхностях детали.

Применение магнитного элемента, расположенного внутри тела вращения, выполненного в виде кольца и двух полюсных наконечников, позволяет целенаправленно обрабатывать внутренние рабочие поверхности деталей машин сложного сечения.

Поверхность анодной пленки пористая, что снижает её износостойкость. При воздействии лазером происходит передача теплоты в глубину металла. В результате алюминий, выплавляясь, поднимается вверх по капиллярам и заливает их, что приводит к получению беспористой, прочной и износостойкой поверхности детали.

Структура основного материала не имеет определенного текстурного характера (рисунок 1). Включения всех структурных компонентов распределены равномерно. Основная матрица сплава - светло-серое поле с включениями отдельных пятен темного поля. Светло-серое поле представляет собой а-фазу твердого раствора меди и магния в алюминии - основной фазы закаленного состояния. Повышенная травимость серых участков фазы обусловлена началом выделения сегрегаций меди и магния, получивших название зон Гинье-Престона (рисунок 1, б). Светлые участки является слабо легированной а-фазой, вследствие чего она травится хуже, чем серая. Темная фаза -эвтектика, представляющая собой фазовую смесь а-фазы твердого раствора и интерметаллидных фаз - £ (Л12СиМ§) и #(СиЛ12).

Исследования показали существенную зависимость структуры и микротвердости слоя от интенсивности импульса излучения. Это наглядно видно на образцах, обработанных с высокой интенсивностью излучения - свыше 100 кВт/см2, у которых образовался заметный кратер. По мере продвижения к кратеру микротвердость покрытия изменяется.

Средняя микротвердость оксидного слоя без лазерной обработки - 350^400 НУ. Однако на расстояниях 100^200 мкм до начала кратера микротвердость покрытия существенно возрастала до 600^700 НУ. После оплавления покрытия микротвердость

поверхности резко падала до значений 140-150 НУ, что примерно соответствует уровню микротвердости основного материала - 123 НУ.

Рисунок 1 - Структура сплава Д16 при различных увеличениях: а) х 400, б) х1000 - оптическая микроскопия

Наличие зоны с повышенными механическими свойствами покрытия показало, что при обработке поверхности лазерным излучением требуемой интенсивности можно достичь упрочнения оксидного покрытия. Оптимальным режимом упрочняющей лазерной обработки является 10^15 кВт/см2. При этом максимальное увеличение микротвердости достигает 700 НУ.

Причинами повышения микротвердости при лазерной обработке являются, по всей видимости, изменения во внутреннем строении оксидного слоя за счет высокоскоростной закалки поверхности [2, 3].

Литература

1. Ведерникова И.И. Повышение износостойкости рабочих поверхностей

прядильных камер пневмомеханических прядильных машин: дис. ...канд. тех. наук.

Иваново, 2004. 164 с.

2. Ведерникова И.И., Латышев В.Н., Новиков В.В., Егоров С.А. Лазерное

модифицирование анодированной поверхности: сб. науч. тр Материаловедение и надежность триботехнических систем / под ред. Б.Р. Киселева. Иваново: ИГХТУ, ИвГУ, 2009. С. 60-64.

3. Ведерникова И.И., Полетаев В.А., Королькова Г.С. Упрочнение деталей

электронасосов дуговым напылением // Металлообработка. 2010. № 5. С. 18-21.