Микродуговое оксидирование как способ восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей

УДК 631.1

МИКРОДУГОВОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ КАК СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ДЕТАЛЕЙ

Кравченко Игорь Николаевич, доктор технических наук, профессор; Катаев Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент; Симонян Давид Араикович, магистрант; ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А, Тимирязева, Москва, РФ

В статье описана технология нанесения покрытий, формируемых в анодно-катодном режиме способом микродугового оксидирования на деталях сельскохозяйственной техники, выполненных из алюминиевых сплавов.

Ключевые слова: Технология МДО; оксид; электролит; микродуговые разряды (МДР); барбо-тирование.

MICROARC OXIDATION AS A METHOD OF RESTORATION AND HARDENING OF WORKING SURFACES OF PARTS

Kravchenko Igor' Nikolaevich, PhD (Doc. Tech. Sci.), professor, Kataev YUrij Vladimirovich, PhD (Cand. Tech. Sci.), associate professor, Simonyan David Araikovich, undergraduate, Russian Timiryazev State Agrarian University, Moscow, Russia

The article describes the technology of coating formed in the anode-cathode mode by the method of microarc oxidation on the details of agricultural machinery made of aluminum alloys. Keywords: MDO Technology; oxide; electrolyte; micro-arc discharges (MDR); bubbling.

Для цитирования: Кравченко И.Н., Катаев Ю.В., Симонян Д.А. Микродуговое оксидирование как способ восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей // Наука без границ. 2019. № 5(33). С. 73-78.

Вентильными считаются металлы, на которых оксидные плёнки, сформированные электрохимическим путём, обладают униполярной или асимметричной проводимостью в системе «металл - оксид -электролит». Причём положительный потенциал на металле, на котором образована анодная оксидная плёнка, соответствует запирающему или обратному направлению, т.е. система работает аналогично полупроводниковому вентилю. Способ не имеет многих недостатков, присущих другим технологиям поверхностного упрочнения. К его основным преимуществам относят: получение многофункци-

ональных покрытий заданного состава, структуры и толщины; регулирование скоростью формирования упрочнённого слоя; доступность химических реактивов; экологичность процесса, выражающуюся в отсутствии токсичных компонентов и специальных очистных сооружений для отработанных электролитов в случае применения силикатно-щелочных электролитов [1, 2, 3]. Подтверждением того, что покрытия, сформированные МДО, обладают уникальным комплексом свойств, служит тот факт, что в последнее десятилетие число работ по их изучению и практическому применению

в различных отраслях увеличилось на порядок [4, 5].

Сущность МДО заключается в том, что под действием высокого напряжения, прикладываемого между находящейся в электролите деталью и металлическим катодом (корпусом электролитической

ванны или электродом) на ее поверхности возникают мигрирующие точечные микродуговые разряды (МДР), термическое, плазмохимическое и гидродинамическое воздействие которых преобразует поверхностный слой изделия в прочно сцепленное керамическое покрытие (рис. 1).

Рис. 1. Микродуговые разряды на поверхности детали из алюминиевого сплава

Отличительная особенность МДО - участие в получении покрытия поверхностных микродуговых разрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое воздействие на фазо- и структурообразование. В результате состав и строение получаемых оксидо-керамических слоёв существенно отличаются, а их свойства значительно выше по сравнению с традиционным анодированием. Другой отличительной особенностью МДО является то, что формируемый с его помощью оксидный слой растет в обе стороны относительно действительного размера упрочняемой детали. В связи с этим МДО можно использовать в двух вариантах:

1) изменение состояния, структуры и свойств поверхности, т.е. упрочнение без приращения толщины;

2) нанесение покрытия, т.е. упрочнение с приращением толщины.

В работах, посвящённых применению

МДО в ремонтном производстве, наибольшее распространение получило второе направление, применение которого в чистом виде (без комбинирования со способами приращения поверхности) позволяет компенсировать износ до 0,1 мм [3, 5]. Использование комбинированных технологий, включающих приращение поверхности с целью компенсации износа одним из известных способов и последующее упрочнение восстановленной поверхности МДО, значительно расширяет его технологические возможности. В том числе можно обойти ограничение по оксидированию только вентильных металлов. В настоящее время разработаны технологии, в которых применяется предварительное нанесение на изделия из «невентильных» металлов (например, сталей) алюминий содержащих композиций с последующим их упрочнением МДО [3].

Анализ технологических схем формирования покрытий показал,

что в настоящее время наибольшее распространение получило анодно-катодное (АК) МДО. В этом случае на поверхности оксидируемой детали попеременно возникают то анодные, то катодные микродуговые разряды. Катодные МДР обладают большей мощностью, а температура плазмы, образующейся при их горении, примерно на 1000°С выше, чем при горении анодных МДР. В результате катодные МДР подогревают формирующееся покрытие, облегчают зажигание и способствуют устойчивому горению анодных МДР. Всё это приводит к тому, что покрытия, сформированные АК МДО, по толщине и физико-механическим свойствам значительно превосходят покрытия, сформированные анодным или катодным МДО [6, 7].

Существуют различные типы источников электрического питания для реализации МДО, хотя наибольшее распространение получили устройства, формирующие требуемые электрические параметры процесса на токах промышленной частоты [8]. Использование

высокочастотных импульсных источников питания способствует снижению энергозатрат и существенному сокращению продолжительности МДО. Однако в этом случае требуется гораздо более сложное и дорогостоящее оборудование.

Состав электролита для МДО подбирают, исходя из химического состава упрочняемого вентильного сплава и назначения покрытия, т.е. из того, какие характеристики требуются в первую очередь - износостойкость, коррозионно-защитная способность, теплостойкость, электроизоляционные свойства и другие или сочетание каких-либо свойств.

Для МДО разработано достаточно много типов электролитов (табл. 1). Однако наиболее широко применяемым в ремонтном производстве является силикатно-щелочной электролит типа «КОН-Иа^/о,», благодаря своей дешевизне, экологичности и способности образовывать с алюминиевыми сплавами покрытия с высокой твёрдостью и химической инертностью1 [9].

Таблица 1

Электролиты, применяемые для МДО

Электролит Компоненты электролита

1. Силикатно-щелочной КОН или той +

2. Фосфатно-алюминатный трс>4 + ИаЛЮ?

3. Борно-щелочной КОН или той + иро,

4. Силикатно-молибдатно-щелочной КОН или той + №£Ю3 + (ИИ)М04

5. Силикатно-фосфатно-щелочной кон или той + т^о^ + тро4

Одним из критериев подбора соотно- рьерной анодной оксидной пленки идет ее

шения компонентов электролита является растворение и выделение на поверхности

минимальное время зажигания МДР при оксидируемого металла гидратированных

определенной плотности тока. В связи с продуктов электрохимического

тем, что параллельно с образованием ба- растворения алюминиевого сплава,

1 Патент №152032, Российская Федерация, МПК C25D11/02, C25D19/00. Устройство для микродугового оксидирования рабочей поверхности поршня гидроцилиндра // А.В. Коломейченко, И.Н. Кравченко, А С. Алмосов, Н.В. Титов. - №2014143723/02; Заявл. 30.10.2014; Опубл. 27.04.2015. - Бюл. № 12.

которые могут оставлять дефекты в оксидо-керамическом покрытии и препятствовать зажиганию МДР, данное обстоятельство является важной характеристикой МДО. В работе проводили оптимизацию состава силикатно-щелочного электролита типа «КОН-Ма^Ю3» по минимизации времени зажигания МДР и получения покрытий высокой твердости. В них показано, что для этого целесообразно использовать электролит КОН = 3 г/л, Ыа^Ю3 = 12 г/л, остальное - дистиллированная вода.

Варьируя концентрацией компонентов электролита типа «КОН-Ш^Ю3», в частности, концентрацией Ыа^Ю3, можно использовать его не только для упрочнения, но и восстановления деталей из алюминиевых сплавов с износом до 0,1мм на сторону [9]. Перед оксидированием свежее приготовленный электролит в течение непродолжительного времени целесообразно прорабатывать, то есть формировать в нём покрытие на образце, площадь поверхности которого близка к площади оксидируемой детали. При проработке компоненты электролита окончательно перемешиваются, а кроме того, увеличивается его долговечность. Поскольку электролиты типа «КОНМа^Ю» имеют рН около 10, то для утилизации достаточно разбавить их в 10.. .15 раз водой для того, чтобы они полностью удовлетворяли требованиям санитарных норм (рН £ 6,5...8,5). После этого их можно сбрасывать в канализационный сток без всякой дополнительной очистки.

Покрытия, сформированные МДО, состоят из трёх слоёв - поверхностного, упрочнённого и переходного, причём все они имеют кристаллическое строение [4, 7]. Поверхностный слой - рыхлый и пенообразный, состоящий из оксида кремния, алюмосиликатов и муллита, характеризуется низкой износостойкостью. Упрочнённый слой имеет ячеистую

структуру, в которой твёрдые кристаллы с микротвёрдостью 18.24 ГПа расположены в мягкой аморфоподобной связке микротвёрдостью около 8 ГПа. Он характеризуется высокими плотностью, твёрдостью, износостойкостью, состоит из СС И у оксидов алюминия (А1 О,) и подразделяется на внешний и внутренний (относительно действительного размера детали до оксидирования). Переходный слой находится между материалом основы (детали) и упрочнённым слоем покрытия, его толщина составляет 3.5 мкм. Он включает в свой состав незначительное количество а Л у оксидов алюминия и ортоклаз.

При проточном оксидировании деталей значительной площади происходит сильный разогрев электролита, в результате чего он интенсивно испаряется, вызывает подплавление изоляции токопроводов и подвески, а также начинает частично растворять формирующееся покрытие, что приводит к уменьшению его толщины и образованию дополнительной пористости. Для того, чтобы электролит не перегревался, целесообразно осуществлять его охлаждение. Для этого в контур проточной циркуляции электролита встраивают охладитель, в котором электролит отдаёт свою теплоту охлаждающему реагенту (например, холодной водопроводной воде, фреону или хладону R134а) [8]. Это способствует получению покрытий с наибольшей толщиной и лучшими физико-механическим свойствам.

При МДО также целесообразно воздушное барботирование (орошение пузырьками воздуха) электролита и поверхности оксидируемой детали для выравнивания температурного режима электролита, его перемешивания и подачи свежего электролита в зону горения МДР

[9].

Таким образом, можно заключить, что

МДО является одним из наиболее перспективных способов поверхностного упрочнения деталей и в настоящее время получает всё более широкое распространение. Оксидокерамические покрытия фор-

мируют преимущественно на вентильных металлах, наибольшее распространение среди которых в сельскохозяйственном машиностроении получили алюминиевые сплавы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Восстановление деталей машин: справочник // Ф.И. Пантелеенко, В.П. Лялякин, В.П. Иванов [и др.]; под ред. В.П. Иванова. - М.: Машиностроение, 2003. - 672 с.

2. Басинюк В.Л. Фрикционные и механические свойства оксидно-керамических покрытий // В.Л. Басинюк, Е.И Мардосевич // Трение и износ. 2013. Т. 24. № 9. С. 510-516.

3. Кузнецов Ю.А. Электролиты для микродуговой обработки деталей / Ю.А. Кузнецов, А.Я. Коровин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2013. № 2. С. 30-32.

4. Кравченко И.Н. Свойства покрытий, сформированных на алюминиевых сплавах в анодно-ка-тодном режиме способом микродугового оксидирования / И.Н. Кравченко, А.С. Алмосов, А.В. Коломейченко // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2015. Том 3. № 1. С. 62-64.

5. Коломейченко А.В. Улучшение покрытий для восстановления гидравлики // Сельский механизатор. 2016. № 29. С.42-43.

6. Коломейченко А.В. Повышение надежности деталей машин комбинированными методами с применением микродугового оксидирования / А.В. Коломейченко, В.Н. Логачев, Н.В. Титов, И.Н. Кравченко // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2014. № 9. С. 17-23.

7. Коломейченко А.В. Микродуговое оксидирование как способ повышения ресурса деталей машин при их производстве или восстановлении / А.В. Коломейченко, В.Н. Логачев, Н.В. Титов, И.Н. Кравченко // Техника и оборудование для села. 2014. №4(202). С. 30-35.

8. Суминов И.В. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) // И.В. Су-минов, А.В. Эпельфельд, В.Б. Людин [и др.]. - М.: ЭКОМЕТ, 2009. - 368 с.

9. Ферябков А.В. Разработка технологии восстановления деталей перерабатывающей промышленности микродуговым оксидированием: автореф. дис ... канд. тех. наук. - М., 2009. - 18 с.

REFERENCES

1. Panteleenko F.I., Lyalyakin V.P., Ivanov V.P. et al. Vosstanovlenie detalej mashin: spravochnik [Restoration of machine parts: a handbook]. Ed. V.P. Ivanova. Moscow, Mashinostroenie, 2003, 672 p.

2. Basinyuk V.L., Mardosevich E.I Frikcionnye i mekhanicheskie svojstva oksidno-keramicheskih pokrytij [Friction and mechanical properties of oxide-ceramic coatings]. Trenie i iznos, 2013, vol. 24, no. 9, pp. 510-516.

3. Kuznecov Yu.A., Korovin A.YA. Elektrolity dlya mikrodugovoj obrabotki detalej [The electrolyte for micro-arc machining]. Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva, 2013, no. 2, pp. 30-32.

4. Kravchenko I.N., Almosov A.S., Kolomejchenko A.V. Svojstva pokrytij, sformirovannyh na alyuminievyh splavah v anodno-katodnom rezhime sposobom mikrodugovogo oksidirovaniya [Properties of coatings formed on aluminum alloys in anode-cathode mode by microarc oxidation]. Mashinostroenie: setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal, 2015, vol. 3, no. 1, pp. 62-64.

5. Kolomejchenko A.V. Uluchshenie pokrytij dlya vosstanovleniya gidravliki [Improved coatings for hydraulic recovery]. Sel'skij mekhanizator, 2016, no. 29, pp.42-43.

6. Kolomejchenko A.V., Logachev V.N., Titov N.V., Kravchenko I.N. Povyshenie nadezhnosti detalej mashin kombinirovannymi metodami s primeneniem mikrodugovogo oksidirovaniya [Improving

the reliability of machine parts using combined methods with the use of micro-arc oxidation]. Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya, 2014, no. 9, pp. 17-23.

7. Kolomejchenko A.V., Logachev V.N., Titov N.V., Kravchenko I.N. Mikrodugovoe oksidirovanie kak sposob povysheniya resursa detalej mashin pri ih proizvodstve ili vosstanovlenii [Microarc oxidation as a way to increase the life of machine parts in their production or restoration]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela, 2014, no. 4(202), pp. 30-35.

8. Suminov I.V., Epel'fel'd A.V., Lyudin V.B. et al. Mikrodugovoe oksidirovanie (teoriya, tekhnologiya, oborudovanie) [Microarc oxidation (theory, technology, equipment)]. Moscow, EKOMET, 2009, 368 p.

9. Feryabkov A.V. Razrabotka tekhnologii vosstanovleniya detalej pererabatyvayushchej promyshlennosti mikrodugovym oksidirovaniem [Development of technology for recovery of parts of the processing industry by microarc oxidation]. Abstract of Ph. D. thesis. Moscow, 2009, 18 p.

Материал поступил в редакцию 22.05.2019 © Кравченко И.Н. Катаев Ю.В., Симонян Д.А., 2019