CC BY
113
УДК 621.791.75
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКСИДИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ОКСИДИРОВАНИЯ
© 2013 И.С. Пономарев1, Е.А. Кривоносова1, А.И. Горчаков2
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет 2 Пермская государственная сельскохозяйственная академия
Поступила в редакцию 18.10.2013
В данной статье рассматривается метод упрочнения поверхности алюминиевого сплава АМг6 с помощью метода микродугового оксидирования. Показано влияние различных параметров оксидирования, таких, как состав электролита, электрический режим и форма тока на механические характеристики полученного оксидного покрытия. Проведен анализ результатов экспериментов.
Ключевые слова: микродуговое оксидирование, микротвердость, толщина оксидного слоя, алюминиевый сплав АМг6, пористость, состав электролита, режим оксидирования
Технический прогресс в области машиностроения неразрывно связан с повышением технологичности изготавливаемых изделий, качество которых, в основном, зависит от применяемых материалов. Основными требованиями к материалам являются высокая износостойкость, коррозионная стойкость, прочность, а также малый удельный вес. Во многих сферах промышленности используются алюминиевые сплавы, однако их низкая поверхностная прочность, малая износостойкость и высокая химическая активность ограничивает область их применения. Для повышения характеристик алюминиевых сплавов существует достаточное количество методов модификации поверхностного слоя, таких, как анодирование, напыление, металлизация и микродуговое оксидирование. Главным критерием выбора метода получения необходимого покрытия с заданными свойствами является низкая себестоимость работ и технологического процесса. Наиболее всего данным критериям отвечает метод микродугового оксидирования. Процесс оксидирования схож с методом анодирования, но отличается использованием микроразрядов на поверхности детали, помещенной в электролит, представляющими собой одновременно искровой, микродуговой и микроплазменный процесс [1]. В статье показано влияние различных режимов оксидирования и состава электролита на механические характеристики оксидированной поверхности детали.
Пономарев Илья Сергеевич, аспирант Кривоносова Екатерина Александровна, доктор технических наук, профессор кафедры «Сварочное производство и технология конструкционных материалов». E-mail: [email protected] Горчаков Александр Иванович, кандидат технических наук, профессор
Для исследования влияния были проведены две группы опытов: 15 образцов на исследование толщины и микротвердости, и 3 - на исследование микротвердости и пористости. Исследования проводились на образцах алюминиевого сплава марки АМГ-6. После оксидирования были подготовлены микрошлифы. Измерения толщины проводились с помощью профессиональной программной среды «Видео-ТесТ» на компьютере, подключенном к металлографическому микроскопу МИМ-8 через фотокамеру «ProgR.es C10 plus». Микротвердость покрытия по Виккерсу проводилось посредством замеров отпечатков, выполненных на твердомере «ПМТ-3М». Свойства оксидированных покрытий (микротвердость рабочего слоя и подслоя, толщина покрытия) и режимы процесса оксидирования (время и состав электролита) приведены в табл. 1.
Наименьшей толщиной 122 мкм согласно данным табл. 1 обладает покрытие на образце 1, полученное при минимальном времени оксидирования (10 мин.) и составом электролита с минимальным количеством изопропилового спирта. Максимальная толщина покрытия (235 мкм) была получена на образце 10 при максимальном времени оксидирования 30 мин в смеси перекиси водорода и спирта. Средняя толщина покрытия образцов при длительности микродугового оксидирования 10 мин составляет 140-150 мкм, при выдержке 20 минут - 170 мкм. Максимальное время оксидирования 30 мин позволило получить толщину покрытия не менее 180 мкм. Графически зависимость толщины и твердости от времени выглядит следующим образом (рис. 1).
Таблица 1. Свойства оксидированных покрытий и режимы процесса оксидирования алюминия
№ обр Режим оксидирования и состав электролита Свойства покрытия
время оксидирования ^ мин концентрация изопропилово-го спирта, г/л концентрация перекиси водорода, г/л средняя толщина рабочего слоя ^р, мкм микротвердость подслоя НУп.с, Н/мм2 микротвердость рабочего слоя НУс, Н/мм2
1 10 15 100 122 1020 2460
2 10 25 50 203 3200 2220
3 10 25 150 133 2520 2530
4 10 35 100 207 3680 2510
5 20 15 50 192 1740 3110
6 20 15 150 226 1870 3660
7 20 25 100 204 2530 2930
8 20 25 100 198 1360 2700
9 20 25 100 201 1090 3500
10 20 35 50 237 1530 3550
11 20 35 150 190 1000 2910
12 30 15 100 188 1100 1640
13 30 25 50 226 2050 3140
14 30 25 150 235 2640 1710
15 30 35 100 186 2020 2320
Толщина, Иср, мкм Твердость, НУ=Л0,
Н/мм2 эй
^ Твердость
МО
- -
"ппнння
10 15 20 25 30
Время процесса, мнн
Рис. 1. Зависимость толщины и твердости от времени оксидирования
Для исследования микротвердости использовалась вторая группа образцов. Изменяемым параметром являлся состав электролита, состоящего из дистиллированной воды и следующими группами веществ:
- обр. №1: КОН - 4 г/л, №28Ю3 - 3 г/л, этил.сп.
- 100 г/л, из.сп. - 25 г/л;
- обр. №2: КОН - 4 г/л, ^^Оз - 3 г/л;
- обр. №3: КОН - 4 г/л, ^ЗЮз - 3 г/л, из.сп. -25 г/л.
Результаты исследований приведены в табл. 2. По данным табл. 2 была составлена графическая зависимость микротвердости поверхности, образованной в ходе микродугового оксидирования (рис. 2).
По результатам эксперимента можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на микротвердость оксидированного слоя оказывает наличие КОН и №28Ю3 электролитов. При использовании электролитов КОН и №28Ю3 обеспечивается пористость с объемной долей
пор ~1,9%. Поры размером до 10 мкм распределены по всей толщине оксидированного слоя, а более крупные сосредоточены ближе к поверхности. Добавление в электролит этилового и изопропилового спиртов позволяет снизить объемную долю пор до ~0,8-1,0% и количество крупных пор к минимуму. Также можно отметить, что местоположение пор небольших размеров больше сосредоточено к границе Ме-оксидный слой.
Таблица 2. Распределение микротвердости по толщине
Отпечатки И V, Н/мм2 S, мм
1 2 3
1 75 75 75 -0,261
2 371 316 90 -0,17
3 493 350 334 -0,05
4 2953 1509 3185 0
5 2615 7060 3166 0,021
6 2920 9005 4097 0,028
7 2723 9767 3487 0,031
8 3203 9767 3092 0,035
9 3021 9567 3444 0,042
10 3110 10863 3281 0,052
11 2970 9005 3242 0,062
12 3598 9767 2380 0,069
13 - 9767 2043 0,08
14 - 9095 1361 0,088
15 - 7123 - 0,094
16 - 7123 - 0,103
17 - 5551 - 0,108
18 - 2480 - 0,13
Рис. 2. Изменение микротвердости по толщине: ♦ - обр. № 1, ■ - обр. № 2, • обр. № 3
Кроме изучения влияния состава электролита и времени оксидирования на свойства оксидного слоя было проведено исследование различных схем включения конденсаторного источника питания и влияния формы тока и значения напряжения на оксидный слой детали. В частности, в первом случае использовался конденсаторный источник питания со схемой включения, показанной на рис. 3.
Деталь
С/'
Ванна с элотролнгои
Рис. 3. Принципиальная схема источника питания № 1
Первая схема ИП позволяет проводить оксидирование на «мягком» режиме, то есть с плавным началом микродугового процесса. Фактически детали, оксидирование которых проводилось с помощью ИП с данной схемой, получали равномерное покрытие за счет плавного течения процесса. Напряжение между анодом и катодом не превышало 350-400 В. Длительность процесса оксидирования образцов составляло около 30 минут. Для повышения мощности ИП и скорости микродугового оксидирования была составлена вторая схема источника питания (рис. 4). Эта схема предназначена для анодного микродугового оксидирования с «жестким» началом процесса.
Рис. 4. Принципиальная схема источника питания № 2
За счет умножения напряжения с помощью конденсаторных батарей (С1 и С2) и выпрямительных диодов (УБ1 и \и2) процесс оксидирования начинался практически сразу. Напряжение между анодом и катодом составляло в среднем 400-450 В., в частности, из-за выпрямления напряжения диодами У01 и У02. Процесс оксидирования при работе с данным ИП являлся менее стабильным, чем с первым, на поверхности образцов часто возникали дуговые разряды. Кроме процесса микродугового оксидирования в ванне с электродом также имел место процесс анодирования. Время оксидирования при работе источника питания по схеме рис. 4 составил около 20 минут. Поверхность образцов имела неравномерное покрытие и следы разрушения покрытия там, где возникали дуговые разряды.
Выводы:
1. По результатам эксперимента было выявлено, что повышение содержания перекиси водорода по отношению к изопропиловому спирту (но не больше 100 г/л) и времени оксидирования приводит к повышению микротвердости и толщины оксидного слоя.
2. По результатам измерений пористость значительно снижает среднее значение микротвердости оксидированной поверхности, в частности, около поверхности, где она выше.
3. Качество поверхности оксидного покрытия выше при работе на «мягких» режимах и переменном напряжении. Повышенное напряжение и выпрямленный ток уменьшают стабильность 4 микродугового процесса и увеличивают количество дефектов на поверхности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 5.
1. Суминов, И.В. Микродуговое оксидирование (тео- 6 рия, технология, оборудование) / И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд и др. - М.: ЭКОМЕТ, 2005. 368 с.
2. Горчаков, А.И. К вопросу образования пор в покрытиях при микродуговом оксидировании / А.И.
Горчаков, Е.А. Кривоносова // Тяжелое машиностроение. 2008. № 7. С. 26-29. Горчаков, А.И.Кинетические закономерности формирования покрытий на сплавах алюминия при микродуговом оксидировании / А.И. Горчаков, Н.М. Бородин, Е.А. Кривоносова // Машиностроение и материаловедение. Вестник ПГТУ. 2010. №5. С. 78-86.
Кривоносова, Е.А. Фрактальный анализ структуро-образования покрытий при микродуговом оксидировании / ЕА. Кривоносова, О.А. Рудакова, А.И. Горчаков, Н.М. Бородин // Сварка и диагностика. 2010. № 1. С. 37-41.
Харитонов, Л.Г. Определение микротвёрдости. -М., Металлургия. 1967. С. 20-45. Дунькин, О.Н. Влияние параметров микродугового оксидирования на свойства покрытий, формируемых на алюминиевых сплавах / О.Н. Дунькин и др. // ФХОМ. 2000. №2. С. 49-53.
MECHANICAL CHARACTERISTICS OF THE OXIDIZED SURFACE AT VARIOUS MODES OF OXYDIZING
© 2013 I.S. Ponomarev1, E.A. Krivonosova1, A.I. Gorchakov2
1 Perm National Research Polytechnical University 2 Perm State Agricultural Academy
In this article the method of hardening the surface of aluminum alloy AMg6 by means of microarc oxidizing method is considered. Influence of various parameters of oxydizing, such as composition of electrolyte, electric mode and current form on mechanical characteristics of the received oxide-coated covering is shown. The analysis of results of experiments is carried out.
Key words: microarc oxydizing, microhardness, thickness of oxide layer, aluminum alloy АМg6, porosity, composition of electrolyte, oxidizing mode
Iliya Ponomarev, Post-graduate Student
Ekaterina Krivonosova, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Welding Production and Technology of Constructional Materials ". E-mail: [email protected] Alexander Gorchakov, Candidate of Technical Sciences, Professor
