CC BY
86
УДК 621.002.3-419; 620.22-419
ОБ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ И ИЗНОСОСТОЙКИХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
© 2013 М. М. Криштал, П. В. Ивашин, А. В. Полунин, Д. А. Павлов, К. Н. Никеров
Тольяттинский государственный университет
Представлены результаты исследований, посвящённых определению адгезионной прочности, склонности к сколообразованию упрочнённого методом МДО износостойкого теплоизоляционного слоя на алюминиево-кремниевых сплавах. Показана возможность использования технологии МДО для упрочнения деталей из алюминиево-кремниевых сплавов, работающих в условиях высоких температур и значительных тепловых деформаций в энергомашиностроении.
Силумины, микродуговое оксидирование, износостойкость, теплостойкость, адгезия, энергомашиностроение.
Работа современных энергетических машин (двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинных двигателей, паровых турбин, компрессоров, насосов и т.д.) сопряжена с трением в условиях высоких температур и агрессивных сред.
Широкое использование алюминиевых сплавов в конструкции современной машиностроительной и энергетической техники обусловливает необходимость повышения износостойкости деталей из этих сплавов. Основная доля алюминиевых сплавов, используемых в энергомашиностроении, - это литейные сплавы, среди которых наиболее широкое распространение получили алюминиево-кремниевые сплавы (силумины). Как отмечается в работе [1], они успешно конкурируют с чёрными металлами, заменяя или полностью вытесняя их из традиционных сфер использования благодаря хорошей технологичности, достаточно высокому уровню физических, механических свойств и коррозионной стойкости. Поэтому вопросы повышения износостойкости поверхности силуминов особенно актуальны.
В значительной мере требованиям по износостойкости, способности воспринимать значительные температуры, высоким механическим свойствам и ресурсу
отвечают различные покрытия, наносимые на рабочие поверхности деталей. Традиционно рабочие поверхности изделий из алюминиевых сплавов упрочняют различными покрытиями, как, например, Сгоша1, МкавП, ЬоеавП и им подобными. Защитные покрытия позволяют более полно использовать массогабаритные, технологические и эксплуатационные преимущества применения алюминиевых сплавов для изготовления различных деталей. Однако некоторые методы нанесения покрытий на поверхности алюминиевых сплавов отличаются высокой себестоимостью, сложностью реализации технологического процесса и иногда экологической вредностью технологии.
Альтернативой применяемым покрытиям является технология микродугового оксидирования (МДО) алюминиевых сплавов. Микродуговое оксидирование -эффективный и экологически чистый способ обработки алюминиевых сплавов, в результате которого на поверхности изделия под действием хаотически перемещающихся электрических дуг с характерным
2 4
размером 10-10" нм формируется керамический оксидный слой на основе оксида алюминия с твёрдостью до 1400 НУ01. МДО-покрытия благодаря своим механическим, тепловым, электроизоляционным
свойствам, а также возможности получения покрытий большей толщины, выгодно отличаются от оксидных плёнок, полученных традиционным анодированием [2, 3] и позволяют применять их как защитные антифрикционные, износостойкие и теплоизоляционные.
Одной из важнейших характеристик любого покрытия является его адгезионная прочность, определяющая качество и силу соединения покрытия и подложки. В работах [4, 5] была дана предварительная экспериментальная оценка эксплуатационным свойствам, адгезионной прочности и склонности к сколообразованию защитных покрытий, полученных методом МДО на силуминах. Исследования плоских образцов с МДО-покрытием на сплаве АК9 [5] показали, что при циклическом воздействии температурных перепадов на упрочнённый МДО-слой с пиковой скоростью охлаждения около 1000 °С/с склонность к сколообразованию не усиливалась и тенденций к отслаиванию покрытий не наблюдалось.
Тем не менее, при работе в реальных конструкциях энергетических машин может существовать проблема отслаивания упрочнённого МДО-слоя от материала основы вследствие значительной разности коэффициентов термического расширения материалов покрытия и подложки, приводящей к возникновению значительных температурных напряжений между покрытием и основой.
Для анализа состояния реальных узлов энергетических машин были проведены расчёты напряжённого состояния между упрочняющим слоем и подложкой для гильзы ДВС, выполненной из алюминиевого сплава с МДО упрочнением рабочей поверхности. Было смоделировано тепловое состояние гильзы цилиндра. За основу температурного распределения на рабочей поверхности цилиндра принято эмпирически определенное температурное поле, полученное фирмой ЛУЬ в процессе доводочных испытаний двигателя ВАЗ 11194. Схема рассчитываемой гильзы представлена на рис.1.
Рис. 1. Схема рассчитываемой гильзы
Материал гильзы цилиндра - алюминиевый литейный сплав (силумин) АК6М2. Материал покрытия - корунд, а-Л1203. Толщина покрытия составляет 100 мкм. Внутренняя поверхность с упрочнённым слоем имеет температурное распределение, указанное на рис. 1. Наружная среда гильзы - охлаждающая жидкость, условно принимаемая с равномер-
ным и постоянным температурным распределением.
Для определения напряжений между упрочнённым слоем и подложкой использован метод конечных элементов, заложенный в программный пакет ЛКБУБ у.13.
Результаты расчёта показали, что наибольшие напряжения возникают в зоне
жарового пояса и в районе верхнего (первого компрессионного) поршневого кольца (соответствует температурам 300-320 °С на рис. 1), то есть упрочнённый слой испытывает максимальные напряжения в зоне максимального температурного градиента. Расчётные значения напряжений в этих зонах составили до 940 МПа, что при совмещении с рабочими напряжениями в гильзе цилиндра ДВС может приводить к отслоению покрытия от подложки. Однако результаты расчёта требуют экспериментального уточнения, поскольку нет достоверных данных об удельных усилиях, необходимых для отрыва МДО-слоя данной толщины от основы алюминиевого сплава. Кроме того, расчёт показывает, что наиболее значительно разница коэффициентов теплового расширения будет сказываться при минимальном температурном перепаде между внутренними и внешними волокнами. Такой режим соответствует значительному перегреву ДВС, что само по себе является аварийной ситуацией. Поэтому проведён экспериментальный анализ адгезии защитного МДО-слоя к внутренним цилиндрическим поверхностям.
4
б
Рис. 2. Схема оценки склонности МДО-покрытия к сколообразованию: а - сверление алюминиевой подложки образца до образования области повреждений; б - образование области повреждений на МДО-покрытии; 1 - алюминиевая подложка; 2 - МДО- покрытие; 3 - опора; 4 -сверло
Для экспериментальной оценки адгезии МДО-слоя изучена склонность покрытия к сколообразованию при воздействии торможения тепловых деформаций формой изделия. На покрытие воздействовали одновременно и тепловые напряжения, связанные со значительной разницей коэффициентов теплового расширения покрытия и основы, и механические напряжения отрыва покрытия от поверхности.
Испытания проведены на кольцевых образцах из сплава АК6М2 наружным диаметром 30 мм, шириной 10 мм и толщиной стенки 3 мм с внутренним МДО-слоем толщиной 95-100 мкм.
Такая конфигурация кольцевого образца позволяет создать значительные тепловые напряжения между подложкой и покрытием при равномерном прогреве образца. Благодаря значительной разнице коэффициентов теплового расширения (6*10-6 1/°С для покрытия и 22*10-6 1/°С подложки) между покрытием и основой при нагреве образца возникают напряжения, составляющие 1000-1050 МПа (рассчитаны по методике, изложенной в [6]), что сопоставимо с полученными ранее расчётными значениями напряжений для гильзы цилиндра ДВС.
Эксперимент заключался в нагреве двух (один с термообработкой по Т6, другой без термообработки) образцов из четырёх до температуры 200 °С, выдержке каждого образца при этой температуре не менее 20 минут с последующим сверлением 4 радиальных отверстий в боковых поверхностях в горячем состоянии. Два других образца (один с термообработкой по Т6, другой без термообработки) подвергались сверлению в базовом, "холодном" состоянии как эталонные для сравнения.
Склонность покрытия к сколообра-зованию оценивалась следующим образом. Образцы колец 1 исследуемых сплавов с МДО-покрытием 2 устанавливали на опору 3 (рис. 2, а). Затем с внешней стороны кольца (со стороны подложки) сверлили отверстие с применением кондукторной втулки (диаметр сверла 1,5 мм,
частота вращения шпинделя 500 об/мин) при постоянном усилии подачи инструмента (5 Н). После сверления (рис. 2, б) на поверхности образца образуется область повреждений (пояс отслаивания, рис. 3), которую можно охарактеризовать численным значением её диаметров.
Величины Dom и Dno (рис. 3) измеряли на микроскопе Carl Zeiss Axiovert 40 MAT в программном продукте Thixomet Pro 2010 с точностью 5 мкм. Количество измерений - не менее 4 на каждое отверстие у каждого образца.
На рис. 4 и 5 представлены примеры фотографий отверстий для двух образцов: одного после сверления без предварительного нагрева, второго - после сверления при температуре 200 °С.
Для каждого образца были измерены 4 отверстия, величина диаметра области повреждений каждого отверстия определялась 4 раза, после чего были вычислены средние значения отношений Dno / Dom.
Таким образом, сравнительная оценка склонности покрытия к сколообразова-нию заключалась в сравнении отношений диаметра пояса отслаивания к диаметру сверления (Dno / DOTB) у различных образцов для каждого из отверстий. Полученные результаты приведены на диаграмме (рис. 6).
Как видно из рис. 6, величины средних значений Dn0/D0TB у образцов, подвергнутых сверлению в горячем состоянии, не выше, чем у образцов, подвергнутых сверлению в холодном состоянии.
Таким образом установлено, что тепловые напряжения не приводят к усилению тенденции к сколообразованию.
Результаты эксперимента показывают, что при моделировании теплового напряжённого состояния покрытия, в частности на алюминиевом зеркале цилиндра, необходимо учитывать специфические особенности свойств МДО-покрытий, получаемых на силуминах, и характер их сцепления с подложкой.
1 - отверстие; 2 - покрытие; 3 - пояс отслаивания
Рис. 4. Выходное отверстие образца без нагрева
Хол.образецХол.Образец Гор.образец Гор.образец безТО с ТО безТО сТО
Рис. 6. Величины средних значений
отношения БПО /БОТВ для каждого из отверстий образцов
В результате исследований показано, что адгезионные свойства защитных покрытий, полученных методом МДО, являются удовлетворительными при повышенных температурах. Это позволяет применять упрочняющие МДО-покрытия как износостойкие и теплоизоляционные на алюминиевых сплавах в конструкциях энергетических машин и установок, где имеют место значительные тепловые деформации и напряжения.
Библиографический список
1. Силумины. Атлас микроструктур и фрактограмм промышленных сплавов: справ. изд. [Текст] / под ред. Ю.Н. Тарана и В.С. Золотаревского. - М.: «МИСИС», 1996. - 175 с.
2. Krishtal, M.M. The effect of the initial structure of Al-Si alloys on chemical uniformity and quality of layers hardened by micro-arc (plasma electrolytic) oxidation [Текст] / M.M. Krishtal // Surface Modification Technologies, Vol.21 (Proceedings of the XXI international Conference on Surface Modification Technologies. Paris, France,
September 24-26, 2007): Edited by T.S. Su-darshan and M. Jeandin, USA.
3. Krishtal, M.M. Oxide Layer Formation by Micro-Arc Oxidation on Structurally Modified Al-Si Alloys and Applications for Large-Sized Articles Manufacturing [Текст] / M.M. Krishtal // Advanced Materials Research, 2009, Vol. 59, 204-208.
4. A Wear-Resistant Coating for Aluminium-Silicon Alloys using Microarc Oxidation and an Application to an Aluminium Cylinder Block [Текст] / M.M. Krishtal, B.A. Chudinov, S.E. Pavlikhin [et al] // SAE tech. paper 2002-01-0626, (SP-1683).
5. Повышение износостойкости деталей алюминиево-кремниевых сплавов методом МДО для работы в экстремальных режимах трения [Текст] / М.М. Криштал, П.В. Ивашин, А.В. Полунин [и др.] // Известия СНЦ РАН, 2011. - Т.13. -№4 (3). - С. 765-768.
6. Орлов, П. И. Основы конструирования [Текст]: справ.-метод. пособие: в 2 кн. Кн.1 / П.И. Орлов; под ред. П.Н. Учае-ва. -3-е изд. испр. - М.: Машиностроение, 1988. - 560 с.
ADHESION STRENGTH OF HEAT- INSULATING AND WEAR-RESISTANT CERAMIC COATINGS ON ALUMINUM ALLOYS
© 2013 M. M. Krishtal, P. V. Ivashin, A. V. Polunin, D. A. Pavlov, K. N. Nikerov
Togliatti State University
The paper presents a review of research devoted to the determination of adhesion strength and tendency to cleavage of a wear-resistant heat-insulating layer on aluminum-silicon alloys strengthened by the microarc oxidation method. The possibility of using the microarc oxidation technology for the strengthening of parts made of aluminum-silicon alloys operating under high-temperature conditions and significant thermal deformations in power plant engineering.
Silumin, microarc oxidation, durability, heat resistance, adhesion, power plant engineering.
Информация об авторах
Криштал Михаил Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика», ректор, Тольяттинский государственный университет. E-mail: krishtal@tltsu.ru. Область научных интересов: физика прочности, металловедение, физика поверхности.
Ивашин Павел Валентинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетические машины и системы управления», Тольяттинский государственный
университет. E-mail: ivashinpv@rambler.ru. Область научных интересов: прикладные аспекты механики газа, жидкости и плазмы, конструкция и рабочие процессы ДВС.
Полунин Антон Викторович, ведущий инженер НИО-4 НИЧ ТГУ, аспирант кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика», Тольяттинский государственный университет. E-mail: polfam@mail.ru. Область научных интересов: микродуговое оксидирование, прочность, износостойкость деталей машин.
Павлов Денис Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетические машины и системы управления», Тольяттинский государственный университет. E-mail: Pavlov-DA@mail.ru. Область научных интересов: теплотехника, прочность, конструкция и рабочие процессы ДВС.
Никеров Константин Николаевич, инженер кафедры «Энергетические машины и системы управления», Тольяттинский государственный университет. E-mail: vorekin@yandex.ru. Область научных интересов: численное моделирование рабочих процессов энергетических машин.
Krishtal Michail Michailovich, Doctor of Sciences (Engineering), Professor of the Department "Nanotechnologies, Physical Metallurgy and Mechanics", Rector of Togliatti State University. E-mail: krishtal@tltsu.ru. Area of research: physics of strength, surface physics, physical metallurgy.
Ivashin Pavel Valentinovich, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor of the Department "Power Plants and Control Systems", Togliatti State University. E-mail: ivashinpv@rambler.ru. Area of research: application aspects of fluid and plasma mechanics, construction and work processes of internal combustion engines.
Polunin Anton Victorovich, engineer, postgraduate student of the Department "Nano-technologies, Physical Metallurgy and Mechanics", Togliatti State University. E-mail: pol-fam@mail.ru. Area of research: microarc oxidation, durability and wear resistance of machine elements.
Pavlov Denis Alecsandrovich, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor of the Department "Power Plants and Control Systems", Togliatti State University. E-mail: Pavlov-DA@mail.ru. Area of research: heat engineering, durability, construction and work processes of internal combustion engines.
Nikerov Konstantin Nikolaevich, engineer of the Department "Power Plants and Control Systems", Togliatti State University. E-mail: vorekin@yandex.ru. Area of research: numerical modeling of work processes of energy-converting machinery.
