Введение 3
1 Современные технологии упрочнения поверхности легких
сплавов 6
1.1 Технологии упрочнения поверхности деталей из алюминиево-
кремниевых сплавов 6
1.2 Технология микродугового оксидирования и её особенности 12
1.3 Электролиты, применяемые для МДО 18
1.4 Применение нанодисперсных добавок при МДО 21
1.5 Выбор наноразмерной добавки для модифицирования электролита
при МДО
2 Получение и исследования оксидных слоёв. Методики
исследований. Оборудование 30
2.1 Материалы и образцы для проведения исследований 30
2.2 Экспериментальная установка МДО 33
2.3 Источник питания экспериментальной установки МДО и режим
формирования оксидных слоев 36
2.4 Состав электролита и применяемые добавки 39
2.5 Скорость формирования оксидного слоя 40
2.6 Исследования структуры и элементного состава оксидного слоя.... 41
2.7 Исследования морфологии поверхности оксидного слоя 43
2.8 Определение микротвердости оксидных слоев 44
2.9 Определение износостойкости оксидных слоев 46
3 Результаты исследований и их обсуждение 48
3.1 Скорость формирования оксидных слоев 48
3.2 Структура оксидных слоев 50
3.3 Элементный состав оксидных слоев 53
3.4 Микротвердость оксидных слоев 61
3.5 Морфология поверхности оксидных слоев 62
3.6 Износостойкость оксидных слоев 65
3.7 Обсуждение и обобщение результатов исследований влияния добавок наночастиц SiO2в электролит на структуру и свойства оксидных слоев 67
3.8 Некоторые примеры практической реализации МДО силуминов 73
3.9 Выводы о влиянии добавок наночастиц SiO2 в электролит на МДО силуминов 80
Заключение 81
Список источников 82
Современные тенденции ракетно-космического машиностроения, энергетического машиностроения и приборостроения обусловливают все более жесткие требования к массогабаритным характеристикам изделий при одновременном улучшении их эксплуатационных качеств. Достигнуть требуемых массогабаритных параметров изделий только конструкторскими мерами невозможно, поэтому необходимо, в первую очередь, совершенствовать применяемые материалы и технологии их обработки. Все возрастающие требования к характеристикам материалов в сочетании с технико-экономическими требованиями к изделиям обуславливают необходимость совершенствования существующих и разработки новых технологий получения новых материалов, сталей и сплавов, а также технологий инженерии поверхностей деталей механизмов и машин [1].
Одним из современных и широко применяемых способов достижения выгодных сочетаний массогабаритных показателей/высоких
эксплуатационных свойств является использование сплавов цветных металлов. Наибольшее промышленное применение среди них получили алюминиевые, магниевые и титановые сплавы [1]. Особенно широкое распространение получили литейные алюминиевые сплавы - силумины (алюминиево-кремниевые сплавы), доля которых доходит до 85-90% алюминиевых литейных сплавов, используемых в энергомашиностроении и аэрокосмической отраслях [2].
Применение этих сплавов приносит ощутимые выгоды при изготовлении крупных корпусных материалоемких деталей, в частности, блоков цилиндров поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), головок блоков цилиндров ДВС, картеров и корпусов коробок переключения передач и других агрегатов. Силумины также прекрасно зарекомендовали себя в качестве материала подвижных и нагруженных рабочих деталей (поршней ДВС, рабочих колес турбокомпрессоров и турбонасосных агрегатов, рычагов, тяг и качалок систем управления двигателями и силовыми установками) благодаря высокой удельной прочности, хорошей технологичности и прекрасным литейным свойствам [3-6].
Основной способ получения отливок из алюминиевых сплавов - литье под давлением или гравитационным методом. Например, в поршневом двигателестроении для автомобильной промышленности в настоящее время на долю этого способа приходится абсолютное большинство литых блоков цилиндров силовых агрегатов легковых автомобилей [7,8].
Однако применяемые технологии изготовления деталей из силуминов и создания на них рабочих износостойкоих поверхностей не обеспечивают оптимального сочетания характеристики/технологичность/стоимость/ экологичность. Особенно актуальным это является для деталей, работающих в трибологических системах в условиях высоких механических нагрузок, эрозионных и агрессивных химических воздействий, так как до сих пор не найдено универсальное эффективное решение по созданию износостойкой рабочей поверхности деталей, выполненных из силуминов [9-14].
Работы в этом направлении ведутся на протяжении последних 50¬60 лет.
Данная работа посвящена исследованию возможности улучшения рабочих характеристик, в первую очередь, трибологических, путем применения технологии микродугового оксидирования алюминиевых сплавов с введением в электролит наноразмерных модификаторов, в частности, нанодисперсного диоксида кремния.
Цель работы - улучшить физико-механические и свойства оксидных слоев, а также производительность их синтеза методом микродугового оксидирования (МДО), на алюминиево-кремниевых сплавах (силуминах).
Объект исследования - оксидный слой и процесс его получения методом МДО на Al-Si-сплавах, проводимый в электролите с добавкой нанодисперсного диоксида кремния SiO2.
Предмет исследования - макроструктура, химический состав, шероховатость, микротвердость, износостойкость оксидных слоёв, а также производительность их синтеза на силуминах методом МДО в электролитах с добавкой наночастиц SiO2.
В работе планируется решить следующие задачи:
- получить образцы оксидных слоев на силуминах АК9пч и АК12пч при различных концентрациях добавки наночастиц SiO2в электролит;
- выявить влияние добавки наночастиц SiO2в электролит на
производительность процесса синтеза оксидных слоев;
- установить зависимости химического состава и структуры
оксидного слоя, морфологию его поверхности от добавки в электролит
наночастиц SiO2;
- выявить влияние добавки наночастиц SiO2 в электролит
намикротвердость и износостойкость оксидных слоев, сформированных наА1- Si-сплавах;
- проанализировать и обобщить полученные результаты,
сформулированы рекомендации для промышленного применения
предлагаемого способа МДО и дальнейших исследований в этой области.
В результате проведенных исследований установлено, что применение добавки нанодисперсного SiO2в электролит позволяет существенно повысить характеристики (толщину, микротвердость, износостойкость) оксидных слоев, формируемых при МДО алюминиево-кремниевых сплавов.
Повышение производительности МДО-процесса, улучшение макроструктуры, морфологии поверхности и износостойкости позволяют говорить о возможности промышленного внедрения технологии МДО алюминиево-кремниевых сплавов при изготовлении двигателей внутреннего сгорания и других изделий энергомашиностроения.
В результате проведенных исследований в определенной степени решена проблема применимости технологии МДО для упрочнения поверхности алюминиево-кремниевых сплавов.
В работе применялся подход, основанный на совместном воздействии как на процесс микродуговых разрядов, так и на состав материала. Для этого использованы добавки наночастиц SiO2в электролит, которые как внедряются в оксидный слой, так и изменяют условия процесса МДО. В результате реализации данного подхода значительно повысилась производительность процесса, а также износостойкость оксидных слоев на доэвтектических силуминах.
Выявленные в ходе решения физические эффекты позволяют начать теоретическую разработку гипотез и определить дальнейшее направление работы. Следующие этапы исследований направлены на создание композитных слоев с применением различных наночастиц и на снижение энергопотребления при МДО Al-Si сплавов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
