ПРИМЕНЕНИЕ НАНОПОРОШКА СUO В ФОРМИРОВАНИИ ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ОКСИДИРОВАНИЕМ

Анализ литературных данных показывает, что при эксплуатации различной техники около 50 % их деталей переходят в неработоспособное состояние при износах, не превышающих 0,1 мм. Значительную долю в этом объѐме составляют детали из алюминиевых сплавов, обладающие рядом достоинств, благодаря чему широко применяемые в машиностроении. Однако в ряде случаев они не обеспечивают требуемый ресурс подвижных соединений деталей машин.

Перспективным способом восстановления с одновременным упрочнением деталей из алюминиевых сплавов с таким износом, в значительной мере лишенным многих недостатков и получающим в последнее время все более широкое распространение, является плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО). Однако, в условиях граничной смазки или взаимодействия без смазочного материала, которые возникают в периоды приработки, начала или окончания работы машины, а также при аварийных ситуациях, у ПЭО-покрытий, проявляются повышенные фрикционные свойства. Это приводит к тому, что деталь с покрытием вызывает значительный износ сопрягаемой с ней детали типа «вал» при их взаимодействии, за счет чего происходит снижение износостойкости подвижного соединения в целом.

Сущность ПЭО 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), воздействие которых преобразует поверхностный слой изделия в прочно сцепленное ПЭО-покрытие. В результате теплового воздействия МДР окисная пленка локально нагревается до температуры выше 2000°С [2], что приводит к оплавлению стенок поровых разрядных каналов и появлению в покрытии кристаллических модификаций оксидов алюминия.

На основании литературных данных и собственных проведенных исследований мы сделали предположение, что включение частиц оксида меди в состав ПЭО-покрытий, при дуговом электрофорезе, может обеспечить существенное повышение антифрикционных свойств подвижных соединений деталей машин, содержащих покрытия данного типа.

Однако, в отличие от общепринятого дугового электрофореза, где включение частиц порошков металлов в покрытие происходит прямо из электролита, в котором и происходит ПЭО, мы предлагаем осуществить этот процесс в две стадии в начале ПЭО, а затем дуговой электрофорез с увеличенной концентрацией частиц меди на поверхности уже сформированного оксидного покрытия. Первая стадия предусматривает полное формирование ПЭО-покрытия на алюминиевом сплаве. Затем удаление рыхлого, технологического слоя. Нанесение и закрепление частиц нанопорошка CuO на поверхность ПЭО-покрытия. Далее идет вторая стадия, которая предусматривает дуговой электрофорез (вторичная обработка), для расплавления и закрепления меди в оксидном покрытии. Главным плюсом такого решения будет включение частиц антифрикционного металла только в поры и поверхностный слой ПЭО-покрытия. Это позволит существенно снизить расход применяемого порошка и повысить антифрикционные свойства внешнего слоя покрытия. Данное обстоятельство связано с тем, что в трении двух  твердых тел  участвует только внешняя поверхность покрытия. Поэтому улучшение антифрикционных свойств по всей толщине упрочненного слоя не требуется.

Проанализировав имеющиеся на Российском рынке порошковые материалы, их свойства и стоимость, мы пришли к выводу, что для повышения антифрикционных свойств ПЭО-покрытий наиболее целесообразно использовать порошки оксида меди. Такой порошок часто применяют в материаловедении, в качестве добавок к электродным материалам для изготовления высокопроводящих кислородных электродов с высокой электрохимической активностью, что по нашему мнению будет благоприятно сказываться на включениии порошка в состав покрытия при образовании МДР. Кроме этого данный вид порошка отличается относительной дешевизной.

Так как размеры пор в ПЭО-покрытии колеблются в интервале от 2 до 6 мкм [1], то для лучшей заполняемости при дуговом электрофорезе потребуется порошок фракцией менее 1 мкм. Предлагаемый нами, способ закрепления частиц нанопорошка CuO перед дуговым электрофорезом на поверхности ПЭО-покрытия заключается в следующем. Порошок должен находиться в составе раствора, который при нанесении на сформированное при первичной обработке ПЭО-покрытие позволит зафиксировать его частицы на поверхности упрочненного слоя до начала вторичной обработки. Для приготовления основы раствора-носителя мы решили выбрать дистиллированную воду и один из компонентов электролита, а именно Na2SiO3, так как натриевое жидкое стекло применяется в промышленности в качестве компонента клеевых растворов. Предполагаем, что нанопорошок CuO в растворе-носителе на основе воды и Na2SiO3 под собственным весом будет осаждаться на ПЭО-покрытии и частично проникать в его поры, а Na2SiO3 за счет склеивающей способности, после испарения воды удержит частицы CuO на ПЭО-покрытии. Выбор натриевого жидкого стекла для основы раствора-носителя также основан на том, что Na2SiO3 является компонентом электролита и не сможет повлиять на химический состав ПЭО-покрытия.

После нанесения раствора-носителя на поверхность ПЭО-покрытия верхняя часть пор в нем окажется занятой частицами оксида меди, а сама пора внутри будет полой. В этом случае при вторичной обработке воздействие МДР будет проходить по пути наименьшего сопротивления, т.е. через поры в упрочненном слое. В это же время она окажет воздействие на нанопорошок CuO, который будет находиться в зоне единичной поры. Под действием МДР нанопорошок CuO расплавится и займет полость поры. При этом также произойдет частичное расплавление стенки поры в ПЭО-покрытии. Таким образом и произойдет модифицирование его внешнего слоя, медь будет включена в состав ПЭО-покрытия. Продолжительность вторичной обработки выбирали исходя  из потребности расплавления  как можно большего количества  частиц нанопорошка CuO, нанесенного на поверхность ПЭО-покрытия.

Для проведения исследований использовали образцы, изготовленные из литейного алюминиевого сплава АК7ч ГОСТ 1583. При выборе материала руководствовались тем, что данный сплав широко применяется для изготовления поршней гидроцилиндров, а также различных корпусных и других деталей в технике. ПЭО образцов (первичную обработку)  осуществляли на  специальной установке,  работающей от трехфазной сети переменного тока 380 В и частотой 50 Гц. Эксперименты проводили в электролите, содержащем дистиллированную воду с добавлением гидроксида калия КОН ГОСТ 9285 и натриевого жидкого стекла Na2SiO3 ГОСТ 13078.

Формирование покрытий при первичной обработке проводили на следующих режимах ПЭО: плотность тока – 25 А/дм2; продолжительность оксидирования – 60-80 мин.; содержание компонентов электролита составляло: КОН – 2 г/л; Na2SiO3 – 10 г/л [1], температура электролита – 20-40°С. Данный интервал температуры был выбран для искусственного изменения пористости покрытия [1]. ПЭО-покрытия формировали на торцевой поверхности образцов.

После ПЭО снимали рыхлый, технологический слой с оксидированной поверхности образца и шлифовали его до шероховатости, соответствующей оригинальной детали (Ra=0,32). Затем на упрочненную поверхность наносили подготовленный раствор-носитель с нанопорошком CuO.

Раствор-носитель для вторичного оксидирования содержал дистиллированную воду, Na2SiO3 и нанопорошок CuO с фракцией частиц от 80 до 100 нм по ТУ 1791-003-36280340-2008. Пропорции компонентов раствора-носителя определяли опытным путем, они имеют следующее соотношение: три части по массе жидкого стекла Na2SiO3, три части по массе дистилированная вода, 1 часть нанопорошок CuO. Далее, после застывания раствора-носителя проводили вторичную обработку исследуемой поверхности образца.

Модифицирование ПЭО-покрытия при вторичной обработке дуговым электрофорезом проводили на следующих режимах: плотность тока – 25 А/дм2; продолжительность оксидирования – до 2 мин.; содержание компонентов электролита составляло: КОН – 1-2 г/л; Na2SiO3 – 2-10 г/л; температура электролита – 15-20°С. После этого образец подвергался повторному шлифованию и проведению дальнейших исследований.

Исследования показали, что с увеличением температуры электролита, сквозная пористость ПЭО-покрытия возрастает (Рисунок 1). При создании в ПЭО-покрытии необходимой пористости для последующего модифицирования частицами нанопорошка CuO температура электролита должна поддерживаться на уровне 40°С.

Продолжительность оксидирования на рациональных режимах ПЭО и сплаве АК7ч была определена экспериментальным путем. Она составила 80…90 мин. Сквозная пористость ПЭО-покрытия при этом составит 12%. Более высокие еѐ значения негативно сказываются на несущей способности упрочненного слоя. Толщина внешнего упрочнѐнного слоя ПЭО-покрытия (после

удаления технологического) составит 65…70 мкм (на сторону) при общей толщине упрочненного слоя 125 мкм. Микротвердость ПЭО-покрытия составит

10 ГПа. Исследование поверхности модифицированных нанопорошком CuO ПЭО- покрытий на содержание меди по толщине упрочненного слоя проводили на многоканальном рентгеновском спектрометре СРМ-35. Результаты представлены в Табл.1. В связи с тем, что присутствие меди по всей толщине упрочненного слоя не требуется, исследования проводили на глубину не более 15 мкм. Таким образом, наши исследования подтверждают возможность модифицирования ПЭО-покрытия частицами нанопорошка СuO после его полного формирования.

Научные исследования проводились при поддержке программы «УМНИК».

Список литературы

1.     Коломейченко, А.В. Технологии повышения долговечности деталей машин восстановлением и упрочнением рабочих поверхностей комбинированными методами [Текст]: автореф. дис. … докт. техн. наук / А.В. Коломейченко. – М., 2011. - 31 с.

2.     Суминов, И.В. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов [Текст] В 2-х т. Т. 2 / И.В. Суминов, П.Н. Белкин, А.В. Эпельфельд, В.Б. Людин, Б.Л. Крит, А.М. Борисов – Москва: Техносфера, 2011. – 512 с.