CC BY
9
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 669.295.539.121 DOI: 10.30977/ВиК2219-5548.2020.89.0.152
ЗМ1НА СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ МДО-ПОКРИТТ1В В АЛЮМШ1СВОМУ СПЛАВ1 АК4 В ПРОЦЕС1 ФОРМУВАННЯ ПОКРИТТЯ
Суббот1на В. В.
Нащональний техн1чний ун1верситет «Харкчвський пол1техн1чний шститут»
Анотаця. У робот1 досл1джено структуру та властивост1 покритт1в на сплав1 АК4, сфор-мованих у лужно-сил1катному електролШ1 в анодно-катодному режим! методом мтродугово-го оксидування (МДО). Наведена двошарова будова та стадттстъ структуроутворювання покритт!в у сплав1 АК4. Структура та властивост1 МДО-покриття визначаютъся не тыъки умовами електрол1зу, а й товщиною самого покриття.
Ключов1 слова: алюм1тевий сплав АК4, мтродугове оброблення, фазовий склад, товщина покриття, мтротверд1стъ.
Вступ
Метод мшродугового оксидування (МДО) -це технолопя, яка дозволяе отримувати на вентильних металах покриття з особливим спектром властивостей. Цей метод дозволяе формувати на алюмшевих сплавах покриття, як за товщиною перевищують традицшш оксидш плiвки, е мщно зчепленими з основою та мають висок мехашчш, теплостшю, зносостшю, антикорозшш та антифрикцшш властивосп.
МДО-покриття, як сформоваш за опти-мальних режимiв, поеднують високу довгот-ривалiсть (зносостшюсть, спецiальнi власти-востi) та надшнють. Вони збiльшують експлуатацiйну стiйкiсть деталей машин та шструмешгв, дозволяють вщновлювати зно-шену поверхню та зменшувати потребу в за-пасних частинах. За допомогою покриттiв вироби отримують особливi властивосп ро-бочих поверхонь (жаростiйкiсть, заданий ко-ефiцiент тертя, теплопровiднiсть), що дае змогу значно розширити сфери застосування алюмiнiевих сплавiв.
На сьогодш збiльшуеться частка алюмiнi-евих деталей з покриттями, отриманими методом МДО, тому що в разi такого типу оброблення твердють поверхнi та зносостш-кiсть збiльшуються у 5-6 разiв.
Анал1з публжацш
Вже е достатньо велика кшьюсть робiт, де аналiзуеться ця технологiя, встановленi деяю закономiрностi формування покриттiв, зв'я-зок структури з властивостями та режими [1]. Але юнують i недолши ще1 технологи, осно-вним з яких е вщносно висока енергоемнють та недостатня продуктивнiсть, що обмежуе
застосування ще! технологи у масовому ви-робництвi. Тому для подальшого розповсю-дження технологи МДО необхщно провести дослiдження щодо зниження енергозатрат та тдвищення швидкостi формування покрит-тiв [2].
Алюмiнiевi сплави та алюмшш викорис-товують у сучаснш технiцi як один з найваж-ливiших матерiалiв. 1х використовують для виготовлення рiзних деталей та елеменпв конструкцiй з малою вагою, високою плас-тичнiстю, корозiйною стiйкiстю, гарною зва-рюванiстю [3]. Значно розширити галузь застосування алюмiнiевих сплавiв можливо за допомогою нанесення рiзноманiтних покрит-тiв на вироби. Тому одшею з найбiльших на-уково-техшчних проблем сьогодення е проблема нанесення захисних покриттiв на метали, як здiйснювали б функцiю дифузш-ного бар'ера, що буде гальмувати доступ аг-ресивних середовищ, забезпечуючи захист вщ корозп. К^м того, покриття дозволяють надати металевим виробам зносостшкосп. Це дае можливють використовувати !х у парах тертя та для вщновлення зношених деталей, а також сприяе виршенню декоратив-них завдань [4].
1снуе багато способiв нанесення покрит-тiв, а саме: газове, детонацшне, плазмове, електрохiмiчне, вакуумне напилення тощо. Але отримати принципово нову яюсть пок-риттiв можливо в разi використання методу МДО [5].
Мета та постановка завдання
Метою роботи е дослщження впливу ре-жимiв МДО та складу електролггу на фазовий склад i мiкротвердiсть покриттiв, отри-
маних методом мшродугового оксидування на сплавi АК4, для пiдвищення зносостшкосп.
Для виконання завдання необхiдно розг-лянути такi питання:
- визначення електролпу i режиму мшро-дугового оксидування;
- вплив режимiв МДО та складу електролггу на фазовий склад покриття;
- визначення режимiв МДО та складу електролпу, якi забезпечують формування покриття, товщиною 100-150 мкм i мшрот-вердютю, бiльше 10000 МПа.
Дослiдження властивостей покритлв, отриманих методом МДО
Аналiз особливостей структуроутворю-вання МДО-покригтiв у процес !х формування здшснювався на алюмiнieвому сплавi АК4. Хiмiчний склад АК4 наведено у табл. 1.
Оброблення зразюв (дiаметром 30 мм, ви-сотою 10 мм) здшснювалося на лабораторному обладнаш з джерелом живлення конденсаторного типу в анодно-катодному режимi (електролiт - 2 г/л КОН + 12 г/л Na2SiO3 за щшьносп струму j = 20 А/дм2. Температура електролпу (20-30 С) пщтриму-валася охолодженням ванни водою i перемь шуванням електролпу стисненим повiтрям.
Металографiчне дослiдження поперечного шлiфа зразка з МДО-покриттям виявило ха-рактернi особливостi покриття (рис. 1). Так, його поверхневий шар пористий, мае свнло-шрий колiр, легко видаляеться зачисткою на абразивному паперг Його товщина становить 30-50 % вщ загально! товщини покриття. Якщо покриття використовуеться для деталей вузлiв тертя, то цей поверхневий шар (його називають технолопчним) необхiдно видалити. За iнших функцюнальних призна-чень (дiелектричних, захисних, тдкладка для нанесення iнших покригтiв) видаляти його не потрiбно.
Результати рентгеноструктурного аналiзу дозволили визначити фазовий склад покрит-тя в процесi його зростання. Типова дифрак-тограми, наведена на рис. 3, свщчить про кристатчну будову покриття Рентгенозш-
Рис. 1. Мшроструктура МДО-покриття на сплавi АК4
Внутрiшнiй шар покриття в сплавi АК4 мае чорнiй колiр, вiн монолiтний, зносостiй-кий, його структура та фазовий склад визна-чатимуть властивосп покриття. Нижче пода-нi даш належать до внутрiшнього шару МДО-покриття.
У робой дослщжено кiнетику зростання покриття (рис. 2). Час оброблення змшював-ся вщ 5 хвилин до 3 годин.
Лшшна залежнiсть товщини покриття вщ часу оксидування дозволяе формувати пок-риття задано! товщини.
Ь, мкм
Рис. 2. Кшетика формування товщини покриття на сплавi АК4 (електролiт 2г/л КОН + 12г/л Na2SiO3); 1 - загальна товщина; 2 - товщина внутршнього шару
мання здшснювалось на обладнаннi ДРОН-3 у випромшюванш Ка-Си, кiлькiсний фазовий аналiз проводився дифрактометричним методом з використанням еталонних зразюв [6].
Таблиця 1 - Х1м1чний склад сплаву АК4, % [ 2 ]
Основш компоненти Домшки (не бшьше)
А1 Si Мп Ti Mg Fe Си № гп шш1
91.2- 94.6 0,5-1.2 до 0.2 до 0,1 1.4-1.8 0,9-1.3 1.9-2.5 0.8-1.3 до 0,3 кожна 0.05; всього 0.1
Рис. 3. Дифрактограма покриття на алюмшь евому сплавi АК4, h = 40 мкм; т = 20 хв
Результати рентгеноструктурного анатзу демонструють, що формування покриття вщ-буваеться в двi стадп: на першш (товщина покриття до ~ 50 мкм) формуеться однорiдне за фазовим складом покриття, що складаеть-ся тiльки з фази у-А1203 (рис. 3, табл. 2). На другш стадп на рядi з фазою у-А1203 з'яв-ляеться фаза а-А1203, кiлькiсть яко! в покрит-п збiльшуеться з часом оброблення (з товщиною покриття). Отримаш результати можна пояснити зростанням потужносп мш-ророзрядiв, що призводить до тдвищення температури в об'емi розряду, отже, реалiзу-ються температурнi умови полiморфного пе-ретворювання у-А1203 в а-А1203 зi збiльшення товщини покриття [4].
Отримаш результати (рис. 4, табл. 2) свщ-чать про те, що структура i властивосп пок-риттiв визначаються не ильки умовами елек-тролiзу, а й товщиною самого покриття.
На рис. 5 наведено вплив змюту фази а-А1203 в покритп на його твердють. Зi збь льшенням товщини покриття спостериаеться
Таблиця 2 - Товщина 1 фазо
збiльшення твердосп, пов'язане зi збшьшен-ням вмюту а-А1203 фази.
с,%
Рис. 4. Фазовий склад покриття в процес йо-го формування
МУ, МПа
Рис. 5. Вплив вмюту в покритп фази а- А1203 на твердють покриття
Аналiз отриманих результанв демонструе, що для забезпечення максимальное' твердостi покриття в сплавi АК4 в електролт з вмю-том 2 г/л КОН + 12 г/л товщина ос-
новного шару повинна складати 100-150 мкм. Вардаючи товщиною покриття, можна в широкому iнтервалi змшювати властивосп покритпв, отриманих методом МДО.
й склад покриття в сплав1 АК4
Час оброблення т, хв. 5 10 15 20 30 45 60 90 120 180
Товщина мкм 10 25 30 40 64/30 75/35 90/40 140/70 190/105 250/150
у-АЬОэ, % 100 100 100 100 98 95 90 80 55 25
а-АЬОэ, % 0 0 0 0 2 5 10 20 45 75
* - знаменник - товщина внутршнього шару покриття
Висновки
1. Дослщжено структуру i властивостi по-криттiв на сплавi АК4, сформованих у луж-но-силшатному електролiтi в анодно-катодному режима
2. Наведена стадiйнiсть структуроутворю-вання покритпв у сплавi АК4. Вщбуваеться перехiд вiд однофазно1 будови покриття (фаза у-А1203) до двофазно1 (у-А1203 + а-А1203).
3. Структура та властивосп МДО-покриття визначаються як параметрами елек-тролiзу, так i 1хньою товщиною.
Лггература
1. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) / Суминов И. В., Эпель-фельд А. В., Людин В. Б., Крит Б. Л., Борисов А. М. Москва: ЭКОМЕТ, 2005. 368 с.
2. Шшлько А. М., Тихолненко В. В. Анал1з способу змщнення деталей мжродуговим оксиду-ванням. В1сник нацюналъного технгчного унгверситету «ХП1»: зб. наук. працъ. Тема-тичний вгсник: Нов1 ршення в сучасних тех-нологгях. 2010. № 46. С. 252-257.
3. Мальцев М. В. Металлография промышленных
цветных металлов и их сплавов. Металлургия. 1970.
4. Ракочi А. Г., Бардш I. В. Мжродугове оксидування легких сплавiв. Металург. 2010. № 6. С. 58-61.
5. Микродуговое оксидирование (обзор) / Суми-нов И. В. и др. Приборы. 2001. № 9. С. 13-23.
6. Штольц А. К., Медведев А. И., Курбанов Л. В. Рентгеновский фазовый анализ. Екатеринбург: ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ, 2006.
References
1 Microarc oxidation (theory, technology, equipment) / Suminov I. V., Epelfeld A. B., Lyu-din V. B., Crete B. L., Borisov A. M. Moskva: ECOMET, 2005. 368 s.
2. Shkilko A. M., Tikholenko V. V. Analysis of the method of detailing the microarc oxide oxidation. News of the National Technical University «KhPl»: z6. sciences. prats. Thematic bulletin: New solution in HUCH technology. 2010. No 46. P. 252-257.
3. Maltsev M. V. Metallography of industrial non-ferrous metals and their alloys. Metallurgy. 1970.
4. Rakoch A. G., Bardin I. V. Mikrodugovym oxidation of light alloys. Metallurg. No. 6. S. 58-61.
5. Microarc oxidation (review) Suminov I. V. et al. Instruments. 2001. No. 9, S. 13-23.
6. Shtolts A. K., Medvedev A. I., Kurbanov L. V. X-ray phase analysis. Ekaterinburg: GOU-VPO USTU-UPI, 2006.
Субботша Валерiя Валеривна, к. т. н., доцент,
кафедра «Матерiалознавство», Нацюнальний
техшчний ушверситет «Харшвський
полггехшчний шститут»,
вул. Кирпичова, 2, м. Харюв, Украша, 61002,
E-mail: subbotina.valeri@gmail. com
тел. : 067-933-20-68.
Changing the structure and properties of micro-arc oxide coatings on aluminum alloy AK4 in the process of forming coatings
Abstract. Problem. The problem is increasing the
range of aluminum alloy products with micro-arc oxide (MAO) coatings to improve surface hardness and durability by 5-6 times. Goal. The goal is to investigate the effect of MAO modes and electrolyte composition on the phase composition and micro-hardness of coatings obtained by MA oxidation on AK4 alloy in order to optimize the MAO modes. Methodology. X-ray structural analysis (Dron-3) in radiation Ка-Cu, microhardness measurement (PMT-3) with the load of 100 gr, measurement of coating thickness (vortex thickness gauge BT -10NTs). Results. A metallographic study of the cross-section of the sample with MAO coating revealed the characteristic features of the coating. The coating has a two-layer structure consisting of a technological layer (porous) and a basic one (monolithic, durable). The results of X-ray structural analysis allowed
us to determine the phase composition of the coating in the process of its growth. The formation of the coating occurs in two stages: in the first stage (thickness up to ~ 50 ¡m) a coating homogeneous in phase composition is formed, consisting only of the y-Al2O3 phase, in the second stage along with the y-Al2O3 phase a a-Al2O3 phase appears whose amount increases with the processing time (with the thickness of the coating). The obtained results can be explained by the increase in the power of the micro-discharges, which leads to an increase in the temperature in the discharge volume and the temperature conditions of the polymorphic transformation of y-Al2O3 into a-Al2O3 are realized with increasing coating thickness. The results obtained show that the structure and properties of coatings are determined not only by the conditions of electrolysis, but also by the thickness of the coating itself. lt is shown that with increasing coating thickness, there is an increase in hardness due to an increase in the a-Al2O3 phase content. To ensure maximum coating hardness in the AK4 alloy in the electrolyte with a content of 2 g /1KOH + 12 g /1 Na2SiO3, the thickness of the base layer should be 100-150 im. Originality. The structure, phase composition and properties are determined by electrolysis conditions and coating thickness. Practical value. The results obtained are a recommendation for the treatment of aluminum alloy AK4 by the method of micro-arc oxidation to obtain the desired properties. Key words: AK4 aluminum alloy, micro-arc oxidation, phase composition, coating thickness, micro-hardness.
Subbot^ Valeria , candidate of technical sciences, Department of Materials Science National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kirpichova str., 2, Kharkiv, Ukraine, 61002, E-mail: subbotina.valeri@gmail. com, tel. 067-933-20-68.
Изменение структуры и свойств МДО-покрытий на алюминиевом сплаве АК4 в процессе формирования покрытия Аннотация. В работе исследованы структура и свойства покрытий на сплаве АК4, сформированных в щелочно-силикатном электролите при анодно-катодном режиме методом микродугового оксидирования (МДО). Показано двухслойное строение и стадийность структурообразования покрытий на сплаве АК4. Структура и свойства МДО-покрытий определяются не только условиями электролиза, но и толщиной самого покрытия. Ключевые слова: алюминиевый сплав АК4, микродуговое оксидирование (МДО), фазовый состав, толщина покрытия, микротвердость.
Субботина Валерия Валериевна к. т. н., доцент, Кафедра «Материаловедение», Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, Украина, 61002, subbotina.valeri@gmail.com, 067-933-20-68.
