Адгезионная прочность плазменного электролитического покрытия, сформированного на высококремнистом сплаве методом микродугового оксидирования

УДК 621.794.61

АДГЕЗИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ПЛАЗМЕННОГО ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ, СФОРМИРОВАННОГО НА ВЫСОКОКРЕМНИСТОМ СПЛАВЕ МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

© Н.Ю. Дударева1, Р.В. Кальщиков2, Ф.Ф. Мусин3, Р.Р. Гринь4

Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, Россия, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12.

Приведены результаты исследования свойств упрочненных поверхностных слоев, формируемых методом микродугового оксидирования (МДО) на поверхности заготовок из Al-Si сплава. Установлено, что свойства сформированных поверхностей зависят от концентрации компонентов электролита, а режимы процесса микродугового оксидирования оказывают непосредственное и существенное влияние на структуру, термостойкость и адгезионную прочность формируемого модифицированного слоя. Ил. 5. Табл. 3. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: микродуговое оксидирование; адгезионная прочность; поверхность.

ADHESIVE STRENGTH OF PLASMA ELECTROLYTIC COATING FORMED ON HIGH-SILICON ALLOY BY MICRO-ARC OXIDATION

N.Yu. Dudareva, R.V. Kalshchikov, F.F. Musin, R.R. Grin

Ufa State Aviation Technical University, 12 Karl Marx St., Ufa, 450000, Russia.

The article presents the results of studying the properties of hardened surface layers formed by a micro-arc oxidation method (MAO) on the surfaces of Al-Si work pieces. It is found that the properties of the produced surfaces depend on the concentration of electrolyte components, while the structure, heat resistance and adhesive strength of the formed modified layer are under direct and significant influence of the modes of micro-arc oxidation. 5 figures. 3 tables. 8 sources.

Key words: microarc oxidation; adhesive strength; surface.

Введение. Метод микродугового оксидирования уже хорошо зарекомендовал себя в качестве способа упрочнения металлов вентильной группы, таких как: Ц Zr, Щ V, №, Та, ^, Mo, W, Mn. К примеру, с помощью этой технологии можно получать на поверхности деталей из алюминиевых сплавов покрытия, характеризующиеся высокими механическими свойствами. Во время процесса МДО на поверхности детали, под воздействием микродуговых разрядов, формируется оксидный слой, состоящий в основном из а-Al2O3 (корунда) и других окислов алюминия [3, 6, 8]. МДО нашел широкое применение в различных отраслях машиностроения в качестве способа получения твердых и износостойких поверхностей для пар трения. Но, по мнению авторов, этот метод может иметь широчайшие перспективы и как способ получения теплозащитных покрытий, что, например, актуально

для поршней двигателей внутреннего сгорания.

Теплозащитные покрытия, как правило, обладают двумя существенными недостатками: низкой термостойкостью и недостаточной адгезионной прочностью на поршневых алюминиевых сплавах [4]. Термостойкость покрытий характеризуется прочностью их сцепления с подложкой при циклическом воздействии температурных нагрузок и во многом зависит от их структуры, пористости и фазового состава. Кроме этого, на термостойкость влияют геометрия детали, скорость нагрева и охлаждения, а также разница коэффициентов теплового расширения металла подложки и покрытия [4].

Применение технологии МДО на поршневых силуминах для получения теплозащитного слоя с высокой адгезионной прочностью на данный момент времени является актуальным, но малоизученным вопро-

1Дударева Наталья Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей внутреннего сгорания, тел.: 89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru

Dudareva Natalia, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Internal Combustion Engines, tel.: 89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru

2Кальщиков Роман Владимирович, аспирант, тел.: 89173889941, e-mail: roman_for_work@mail.ru Kalshchikov Roman, Postgraduate, tel.: 55 89173889941, e-mail: roman_for_work@mail.ru

3Мусин Фаниль Фанусович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры материаловедения и физики металлов, тел.: 89174142414, e-mail: f-musin@ya.ru

Musin Fanil, Candidate of Physico-Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Materials Science and Physics of Metals, tel.: 89174142414, e-mail: f-musin@ya.ru

4Гринь Регина Равиловна, инженер научно-образовательного центра «Наноструктурные материалы и высокие технологии», тел.: 89177399507, e-mail: s-r-r@ya.ru

Grin Regina, Engineer of the Scientific and Educational Center "Nanostructured Materials and High Technologies", tel.: 89177399507, e-mail: s-r-r@ya.ru

сом [7]. Известно, что на качество МДО-слоя существенное влияние оказывают условия его формирования [1, 2]. Изменяя определенные факторы во время процесса обработки, а именно плотность тока и концентрацию электролита, можно получить покрытия различного качества как по структуре, так и свойствам, в том числе и по термостойкости. Однако в современной научно-технической литературе практически отсутствует информация, касающаяся термостойкости и адгезионной прочности МДО-покрытий. Поэтому целью данной работы является исследование влияния режимов процесса МДО на структуру и термостойкость покрытия, сформированного на образцах из высококремнистого алюминиевого сплава.

Методика эксперимента. Все исследования проведены на специально спроектированных лабораторных образцах, изготовленных из сплава АК12Д ОСТ 192014-90. Образцы представляли собой диски диаметром 64 мм и толщиной 5 мм, поверхность которых с двух сторон обработана методом МДО.

При проведении исследований было рассмотрено два режима МДО (табл. 1), которые отличались между собой составом электролита. Несмотря на различную концентрацию компонентов KOH и Na2SiO3 в электролите, их количественное соотношение оставалось неизменным. Такой подход обусловлен тем, что в электролите происходит взаимодействие компонентов между собой и при изменении концентрации только одного из них возникает нарушение общего баланса. Электрические факторы процесса для обоих режимов обработки принимались одинаковыми и определялись емкостью конденсаторов установки МДО, которая составляла 350±50 мкФ. При обработке образцов среднее значение плотности тока для режима №1 составляло у=7,7 А/дм2, а для режима №2 -у=9,2 А/дм2. Длительность обработки определялась интенсивностью процесса МДО, при этом формирование упрочненного слоя продолжалось до момента прекращения искрения на поверхности образцов и составляло 3 часа.

Таблица 1

Режимы обработки образцов_

Номер режима Концентрация компонентов электролита Плотность

едкого калия (КОН) Скон, г/л жидкого стекла (Na2SiO3) Сжс, г/л тока j, А/дм2

1 1,5 1,5 7,7

2 2,5 2,5 9,2

В результате на поверхности образцов были сформированы МДО-слои различного качества (рис. 1,а). Для проведения исследований на термостойкость (термоциклирование) толщину МДО-слоя предварительно сошлифовали до достижения максимальной твердости (табл. 2). Толщина слоя на образцах для исходного состояния и после термоциклирования (ТЦ) была измерена вихретоковым методом при помощи толщиномера ТТ-210 (табл. 2). Для проведения ТЦ и скретч-испытаний образцы разрезались на части (рис. 1,б).

Испытания на термостойкость МДО-слоев проводились по схеме: выдержка образцов в электропечи Nabertherm в течение 30 мин при температуре 400°С, с последующим охлаждением в воде в течение 2 мин. Общее количество циклов 150; через каждые 30 циклов исследовалась адгезионная прочность МДО-слоев.

Испытание на адгезионную прочность проводились на приборе «CSM MICROSCRATCH TESTER» с использованием алмазного индентора Роквелла с радиусом закругления 200 мкм. Параметры скретч-теста: длина пути индентора составляла 5 мм, нагрузка на инденторе возрастала от 0,03 до 30,00 Н, скорость перемещения индентора - 5 мм/мин. По результатам исследований, сопоставляя характер разрушения, глубину проникновения индентора и уровень акустической эмиссии, определяли критические нагрузки

а) б)

Рис. 1. Образцы для испытаний на термостойкость и адгезионную прочность: а - исходные образцы после МДО;

б - разрезанные образцы перед термоциклированием

Таблица 2

Толщина и микротвердость МДО-покрытий_

Толщина МДО-покрытий Микротвердость МДО-покрытий

№ исходное состояние, ср. знач., мкм сошлифованные, ср. знач., перед ТЦ, мкм средняя, ГПа максимальная, ГПа

1 82 44 6,1 8,0

2 98 49 7,4 11,0

Lc: Lc1 - нагрузка, при которой появляются первые участки нарушения модифицированных слоев; Lc2 -нагрузка, при которой МДО-слои разрушаются. Основными показателями адгезионной прочности МДО-покрытий являются критические напряжения на ин-денторе, которые вычислялись по формуле [5]:

a,nd = Lcl(wPd-(2Rind - Pd)),

где Rind - радиус индентора (200 мкм); Pd - глубина проникновения индентора.

Кроме адгезионной прочности и термостойкости, исследовали структуры МДО-покрытий. Просмотр и съемку пор проводили на растровом электронном микроскопе (РЭМ) «JEOL JSM 6390» при увеличениях х500 и х1000. Для количественной оценки параметров микроструктуры использовали снимки, полученные на РЭМ при увеличениях х500. Объемную долю пор определяли точечным методом: наложением квадратной сетки на изображение структуры. Твердость по Виккерсу МДО-покрытий на поперечных шлифах находили при помощи микротвердомера Struers Duramin. Для чего на подготовленные образцы прикладывали нагрузку 100 г в течение 10 с. Результаты оценки микротвердости представлены в табл. 2.

Результаты и обсуждение. Результаты скретч-испытаний до и после ТЦ для каждого образца представлены в виде таблицы, в которой указаны критические нагрузки и напряжения на инденторе (табл. 3). Для наглядности изменение напряжения на инденторе

при ТЦ для образца №1 показано на рис. 2,а, а для образца №2 - на рис. 2,б. На этих графиках в качестве линии тренда была использована экспоненциальная зависимость между напряжением и количеством термоциклов [4].

Испытания на адгезионную прочность образцов до ТЦ показали, что, по сравнению с образцом №2, образец №1 демонстрирует более низкую адгезию МДО-покрытия к подложке: при напряжении 505,6 МПа на отдельном участке происходит нарушение сплошности покрытия, а при достижении 540,9 МПа - равномерное разрушение покрытия. При этом определить нагрузку, необходимую для разрушения МДО-слоя, на образце №2 не удалось, так как при достижении максимальной нагрузки 30 Н разрушения покрытия не происходило. Однако нарушение сплошности покрытия на этом образце наблюдалось при напряжении 600,1 МПа.

После ТЦ, как видно на рис. 2,а, адгезионная прочность МДО-покрытия на образце №1 снизилась на 18,6% (по второму критическому напряжению). Причем градиент снижения адгезионной прочности по обоим напряжениям одинаков. Деградация адгезионных свойств покрытия на образце №2 (рис. 2,б) оказалась более существенной и составила 26,6% (по первому критическому напряжению), а после 150 термоциклов удалось не только достичь напряжения, достаточного для разрушения МДО-покрытия образца №2, но и его величина оказалась ниже, чем для образца №1, - 412,5 МПа.

Таблица 3

Критические нагрузки и напряжения после ТЦ_

Количество термоциклов N Образец № 1 Образец № 2

Критические нагрузки L, Н Критические напряжения aind, МПа Критические нагрузки L, Н Критические напряжения aind, МПа

Lc1 Lc2 aind 1 aind2 Lc1, H Lc2, H aind 1 aind2

0 19 26 505,6 540,9 28,8 - 600,1 -

30 22,9 25,6 418,5 449,5 25,2 - 663,4 -

60 21,5 27,4 417,5 431,6 27 - 432,2 -

90 17,8 25,7 401,7 470,5 25,7 - 444,3 -

120 21,3 22,5 423,4 411,5 26,8 - 483,8 -

150 20,9 26,5 383,3 432,8 22,2 25,4 481,7 412,5

Примечание. На образце №2 разрушение покрытия наблюдалось только после 150 циклов.

cs 750

—0--aind1

aind2

—О— aindl

0 30 60 90120150

0 30 60 90 120150

а)

б)

Рис. 2. Изменение напряжений на инденторе при скретч-тесте после ТЦ: а - образец №1; б - образец №2

N

N

Оценивая адгезионную прочность по активности акустических сигналов, можно отметить, что для образца №1 до ТЦ наблюдается повышенная акустическая активность (рис. 3,а) - до 35 дБ на отдельных участках. По-видимому, это связано с тем, что, углубляясь в МДО-слой, индентор проходит по участкам покрытия, которые склонны к разрушению. Для образца №2 акустическая активность невысока - не более 5 дБ (рис. 3,б), и незначительно возрастает до 23 дБ только на конечном участке скретч-теста, чему соответствует начало растрескивание покрытия.

После проведения ТЦ на обоих образцах наблюдается значительное повышение акустической активности по сравнению с исходным состоянием: максимальные значения амплитуды сигналов превышают 60 дБ для обоих образцов.

Важной особенностью является то, что, независимо от числа термоциклов, разрушение покрытия при скретч-тестировании происходит посредством поперечного растрескивания МДО-слоя и накопления трещин по мере возрастания нагрузки (рис. 4,а). Это говорит о преобладании когезионного типа разрушения.

Отслоения и обширные сколы, свойственные адгезионному типу, на обоих образцах отсутствуют (рис. 4,б).

При исследовании структуры МДО-покрытий до ТЦ, на поперечном срезе были обнаружены дефекты в виде пустот, трещин и пор (рис. 5). Встречаются как сквозные, так и замкнутые поры. Объемная доля пор достигает 15% и 17% в образцах №1 и №2, соответственно. При этом максимальная микротвердость МДО-покрытия на образце №1 составила 8 ГПа, а на образце №2 - 11 ГПа (табл. 2).

Выводы по данному эксперименту были сделаны на основе явлений и реакций, происходящих при МДО [6, 8]. В процессе микродугового оксидирования происходит проникновение и взаимодействие атомов кислорода с материалом подложки и образование кристаллического оксида алюминия. Увеличение концентрации компонентов в электролите способствует росту плотности анодного тока и повышает интенсивность процесса МДО, что, в свою очередь, приводит к увеличению пористости, толщины и микротвердости формируемых покрытий (табл. 2).

i 20 -

о

го g

10

2

< 0

!i f

\jm« ^ m

Ii 1 h

i

LJV-ЛлА.

— До термоциклирования

— После 150 термоциклов

i fl i , и

15 20 25 30

Нагрузка на инденторе, Н

- До термоциклирования

--После 150 термоциклов

15 20 25 30

Нагрузка на инденторе, Н

70

70

60 -

50 -

40 -

30 -

0

0

5

10

0

5

10

а) б)

Рис. 3. Изменение амплитуды сигналов акустической эмиссии при скретч-тесте: а - образец №1; б - образец №2

а) б)

Рис. 4. Участок разрушения МДО-слоя при скретч-тесте: а - локальное нарушение сплошности покрытия, соответствующее Lei; б - разрушение покрытия, соответствующее LC2

л. V-. ц., • , ..

МДО-слой А ?'{> и

! </

,* Сплав АК12

Х500 50|jm 10 50'BES

a; б;

Рис. 5. Снимки поперечного среза МДО-покрытий: а - образец №1; б - образец №2

Как видно из табл. 2 и 3, адгезионная прочность МДО-покрытия напрямую связана с его микротвердостью и пористостью. Такая связь, по-видимому, обусловлена тем, что наибольшее сопротивление инден-тору при испытаниях оказывают высокотвердые фазы оксида алюминия (a-Al2O3), образующиеся в результате увеличения концентрации компонентов электролита.

Испытания по ТЦ показали, что адгезионная прочность МДО-покрытий в результате термических нагрузок снижается. Однако у образца с высокой микротвердостью и пористостью разрушение покрытия наблюдается только после 150 циклов. Это связано, по-видимому, с постепенным накоплением дефектов в объеме покрытия при ТЦ, которые в результате и приводят к снижению адгезионной прочности. Такое предположение подтверждается и результатами изменения амплитуды сигналов акустической эмиссии при скретч-тестировании (рис. 3). После 150 термоциклов для обоих образцов величина сигналов акустической эмиссии возросла до 60-65 дБ.

Выводы. Анализируя полученные результаты, можно утверждать, что:

1. Режимы процесса микродугового оксидирования оказывают непосредственное и существенное влияние на структуру и термостойкость формируемого МДО-покрытия.

2. Увеличение концентрации жидкого стекла (СЖС) и едкого калия (СКон) в электролите приводит к росту толщины, пористости и микротвердости МДО-покрытия, что, в свою очередь, приводит к росту его термостойкости и адгезионной прочности. Максимальные значения вышеперечисленных контролируемых параметров МДО-слоя наблюдаются на образце, обработанном на режиме №2.

3. Адгезионная прочность МДО-покрытий в результате термических нагрузок снижается примерно на 20%. Однако, независимо от режима МДО и количества термоциклов, выдержанных покрытием, его разрушение имеет когезионный характер.

Результаты работы были получены в ходе выполнения совместного проекта ОАО «УМПО» и ФГБОУ ВПО УГАТУ «Разработка и промышленное освоение координируемых технологий высокоточного формообразования и поверхностного упрочнения ответственных деталей из Al-сплавов с повышенной конструкционной энергоэффективностью», реализуемого по Договору №40/10-30976/НЧ-НЧ-01-13-ХГ при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор Nq02.G25.31.0010 м/у ОАО «УМПО» и Министерством образования и науки РФ) в рамках Постановления Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года.

Статья поступила 30.09.2014 г.

Библиографический список

1. Габралла Мохаммед Эльхаг Мохаммед. Влияние электрического режима на свойства микродуговых покрытий, формируемых на сплаве Д16: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: МИСиС, 2007. 24 с.

2. Дударева Н.Ю. Влияние режимов микродугового оксидирования на свойства формируемой поверхности ll Вестник УГАТУ. 2013. Т. 17, вып. 3. С. 217-222.

3. Малышев В.Н., Марков Г.А., Федоров В.А. и др. Особенности строения и свойства покрытий, наносимых методом микродугового оксидирования ll Химическое и нефтяное машиностроение. 1984. № 1. С. 26-27.

4. Никитин М.Д., Кулик А.Я., Захаров Н.И. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизеля. Л.: Машиностроение, 1977. 168 с.

5. Смыслов А.М., Селиванов К.С., Гордеев В.Ю. Определение механических свойств вакуумных ионно-плазменных

защитных покрытий лопаток ГТД: лабораторный практикум по дисциплинам "Физико-химические основы технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей"; "Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств изделий" и "Технологические методы обеспечения качества и эксплуатационных свойств продукции машиностроения». Уфа: УфГАТУ, 2010. 31 с.

6. Суминов И.В. и др. Микродуговое оксидирование: теория, технология, оборудование. М.: Экомет, 2005. 368 с.

7. Чигиринов Н.М., Чигиринова В.Е., Кухарев А.А. Тепловая защита поршней высокофорсированным анодным микродуговым оксидированием // Защита металлов. 2000. № 3, т. 36. С. 303-309.

8. Шандаров Б.В., Морозов Е.М., Жуковский А.В. Основы технологии микродугового оксидирования: учебное пособие. М.: «ИД Альянс», 2008. 80 с.