CC BY
20
УДК 621.891:621.793
ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ, МОДИФИЦИРОВАННОЕ НАНОПОРОШКОМ CTO
КОЗЛОВ А.В.,
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Орловский ГАУ, тел. (4862) 43-19-79, aleksvit1610@rambler.ru.
Реферат. Детали из алюминиевых сплавов получили достаточно широкое применение в различных видах техники. Большинство таких деталей утрачивают работоспособное состояние при износах до 0,1 мм. Это обусловлено низкой износостойкостью материала изготовления, а значит и ресурсом детали в целом. Существует множество способов ремонта таких деталей, которые обладают как преимуществами, так и недостатками. Наиболее перспективным из них является способ восстановления с одновременным упрочнением, а именно плазменно-электролитическое оксидирование. Однако, покрытия получаемые данным методом, делают рабочую поверхность детали из алюминиевого сплава более износостойкой, чем рабочая поверхность ответной детали. Это обстоятельство приводит к тому, что в условиях недостатка смазочного материала, деталь с плазменно-электролитическим покрытием вызывает повышенный износ ответной детали. Одним из способов, направленных на снижение такого негативного эффекта, является включение в состав покрытия антифрикционных материалов. В статье рассмотрены технология и результаты исследований по модифицированию покрытия, сформированного плазменно-электролитическим оксидированием, а именно включение частиц нанопо-рошка оксида меди (CuO) дуговым электрофорезом в состав покрытия, приведено влияние на конечный результат таких факторов как температура электролита, размер частиц порошка, состав раствора-носителя порошка. Применение разработанного способа модифицирования позволит повысить износостойкость подвижного соединения с таким покрытием в 1,5.. .2 раза.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, плазменно-электролитическое оксидирование, дуговой электрофорез, нанопорошок, износостойкость.
THE PLASMA ELECTROLYTIC COATING MODIFIED WITH CUO NANOPOWDER
KOZLOV A.V.,
candidate of technical Sciences, associate Professor, FSFEI of HE "Oryol State Agrarian University named after N.V. Parakhin"
Essay. Parts made of aluminium alloys are widely used in various types of equipment. Most of these parts lose their working condition when they are worn to 0.1 mm. This is so due to the low wear resistance of the material, and hence the life of the part as a whole. There are many ways to repair such parts, these methods have both advantages and disadvantages. The most promising of them is the reduction method with simultaneous strengthening, namely plasma-electrolytic oxidation. However, the coatings obtained by this method make the working surface of parts made of aluminium alloys more wear-resistant than the working surface of the counterpart. This circumstance leads to the fact that in conditions of lack of lubricant, a part with a plasma-electrolytic coating causes increased deterioration of the counterpart and thereby reduces the life of the entire flexible joint. One of the ways aimed at reducing this negative effect is to include antifriction materials in the coating composition. The article describes the technology and results of researches on the modification of the coating formed by plasma-electrolytic oxidation, namely the inclusion of particles of copper oxide nanopowder (CuO) by arc electrophoresis in the coating composition. The influence on the final result of such factors as the electrolyte temperature, the size of the powder particles, the composition of the powder-carrier solution is given. The application of the developed method of modification when restoring parts made of aluminium alloys will allow to increase the wear resistance of the flexible joint with such a coating by 1.5 ... 2 times.
Keywords: aluminum alloy, plasma-electrolytic oxidation, arc electrophoresis, nanopowder, wear resistance.
Введение. Технология плазменно-электроли-тического оксидирования (ПЭО) сравнительно хорошо изучена для вентильных металлов и их сплавов и прежде всего - алюминия. Для создания ПЭО-покрытий на поверхности деталей из
алюминиевых сплавов наиболее часто применяют силикатно-щелочной электролит типа «КОН-Na2SiOз» [1-3].
Однако, у ПЭО-покрытий могут проявляться повышенные фрикционные свойства, это проис-
ходит при взаимодействии без смазочного материала или его недостаточностью. Это обстоятельство приводит к повышенному износу сопрягаемой с ПЭО-покрытием поверхности детали типа «вал», за счет этого снижается износостойкость всего подвижного соединения. Механизм создания ПЭО-покрытий предопределяет наличие у них сквозной пористости, которая может быть задействована при дуговом электрофорезе частиц антифрикционных материалов в состав ПЭО-покрытия. Таким образом, была бы решена поставленная перед нами задача: снижение фрикционных свойств ПЭО-покрытий.
Проведя анализ порошковых материалов Российского рынка, мы пришли к выводу, что для снижения фрикционных свойств ПЭО-покрытий можно применить порошок оксида меди. В качестве способа включения твердых антифрикционных материалов в состав ПЭО-покрытия нами выбран дуговой электрофорез. При использовании такого метода частицы порошка под действием электростатического притяжения осаждаются на поверхности покрытия и вплавляются в него. Но недостатком этого метода является то, что используемый порошок добавляется прямо в электролит. Это отрицательно сказывается на расходе достаточно дорогостоящего порошка.
В связи с вышеизложенным, нами был предложен новый измененный способ дугового электрофореза, а именно, включение частиц антифрикционного порошка в ПЭО-покрытие после его полного формирования. В данный способ входит: полное формирование ПЭО-покрытия на алюминиевом сплаве (первичная обработка); удаление рыхлого, технологического слоя покрытия; нанесение и закрепление частиц порошка СиО на поверхность упрочняющего покрытия; расплавление и закрепление меди в оксидном покрытии дуговым электрофорезом (вторичная обработка). Преимуществом такого решения будет включение частиц антифрикционного металла только в поры и поверхностный слой ПЭО-покрытия.
Материал и методика исследования.
Размеры пор в ПЭО-покрытии находятся в интервале от 2 до 6 мкм в диаметре [3], поэтому для лучшей их заполняемости (по глубине упрочненного слоя) при дуговом электрофорезе нам потребуется нанопорошок СиО фракцией до 100 нм. За основу наших исследований была взята пара трения «сталь 40Х - алюминиевый сплав АК7ч».
Для закрепления частиц нанопорошка СиО на поверхности ПЭО-покрытия перед дуговым электрофорезом он должен находиться в составе раствора, который должен зафиксировать его частицы на поверхности уже сформированного упрочненного слоя до начала вторичной обра-
ботки. Для приготовления основы раствора-носителя мы сделали выбор в пользу дистиллированной воды и одного из компонентов электролита, а именно Na2SiO3, последний элемент выступает в качестве клея. Частицы оксида меди, находящиеся в растворе-носителе, под собственным весом будут осаждаться на поверхности ПЭО-покрытия и частично заполнять его поры, а раствор-носитель после сушки удержит частицы оксида меди на ПЭО-покрытии.
Частицы нанопорошка включали в состав ПЭО-покрытия, как описывалось ранее, при помощи дугового электрофореза. Микродуговые разряды (МДР) при ПЭО проходят через парогазовый пузырек, который образуется в порах образуемого оксидного покрытия. После нанесения раствора-носителя на поверхность ПЭО-покрытия, частицы СиО займут верхнюю часть пор, а сами поры внутри будут полыми. Тогда при вторичной обработке МДР пройдут по пути наименьшего сопротивления, т.е. через поры в оксидном покрытии, и на их пути окажутся частицы нанопорошока СиО. Таким образом, под действием МДР частицы нанопорошка СиО будут расплавляться и занимать полость поры. В итоге произойдет модифицирование ПЭО-покрытия на детали. Медь окажется в составе упрочненного слоя. Механизм модифицирования ПЭО-покрытия представлен на рисунке 1.
В исследованиях использовали образцы, изготовленные из литейного алюминиевого сплава АК7ч. Контробразцы были изготовлены из стали 40Х, твердостью ИЯС 50...55, при этом шероховатость рабочей поверхности Яа=0,63 мкм. Выбор алюминиевого сплава основан на том, что его широко применяют для изготовления поршней гидроцилиндров, различных корпусных и других деталей в современной технике. В исследованиях применяли аппаратный комплекс для ПЭО, имеющийся в Орловском ГАУ [4].
Результаты исследования. Анализ литературных источников и собственные исследования показали, что в выбранном электролите (при первичной обработке) необходимо использовать следующую концентрацию компонентов: КОН=2 г/л, №^Ю3=10 г/л. Плотность тока =25 А/дм2. Температура электролита должна поддерживаться в интервале 35-40 °С, для придания покрытию пористости не более 12 %, при больших значениях пористости теряется несущая способность ПЭО-покрытия. Продолжительность оксидирования на указанных режимах и сплаве была определена экспериментальным путем и составила 65-70 мин. Толщина внешнего упрочнённого слоя ПЭО-покрытия (после удаления технологического) составит 60 мкм при общей толщине оксидной керамики 125 мкм. Его твердость составит 10 ГПа.
Рисунок 1 - Процесс модифицирования ПЭО-покрытия
Опытным путем установлено: оптимальная концентрация в растворе-носителе будет
1/1 по массе от дистиллированной воды; количество нанопорошка CuO (фракция порошка - 100 нм) в растворе-носителе составило 160 г/л раствора-носителя; толщина наносимого раствора-носителя CuO пред вторичной обработкой должна составлять 60-80 мкм.
Сушка раствора-носителя CuO осуществлялась при температуре 20-25 °С на открытом воздухе. Время сушки раствора-носителя CuO должно составлять 30-50 мин.
Состав электролита при вторичной обработке упрочненного слоя должен быть таким, чтобы только поддерживать горение микродуговых разрядов. Нами установлено, что при проведении вторичной обработки будут целесообразны следующие концентрации компонентов: К0Н=0,5-1 г/л, а №^Ю3=1-2 г/л. Плотность тока при этом будет такой же как и на первом этапе формирования покрытия - 25 А/дм2.
В ходе исследований мы выяснили, что продолжительность действия искровых разрядов на ПЭО-покрытие при вторичной обработке должна составлять 1-2 мин. Для дугового электрофореза оксида меди в состав ПЭО-покрытия этого времени достаточно. Для снижения скорости растворения раствора-носителя необходимо чтобы вторичная обработка проходила в электролите температурой 15-20 °С.
Мы проводили измерение твердости ПЭО-покрытия после первичной и вторичной обрабо-
ток, показания твердости остались неизменны и составили 10...12 ГПа. На рисунке 2 показан результат заполнения пор в ПЭО-покрытии антифрикционным материалом, снимки сделаны при помощи электронного сканирующего микроскопа «ШitacЫ TM-1000», увеличение х2500. Необходимо отметить, что помимо оксида меди в поры частично внедряется компонент раствора-носителя, а именно SiO2.
При проведении сравнительных испытаний на изнашивание мы установили влияние меди, включенной в состав ПЭО-покрытия при дуговом электрофорезе. Контактное давление соответствовало паре трения «поршень - зеркало гидроцилиндра» и составляло 2 Мпа. При испытаниях на изнашивание рабочих поверхностей контробразцы из стали 40Х скользили по ПЭО-покрытию, образованному на образцах из алюминиевого сплава АК7ч. Скорость передвижения контробразцов по ПЭО-покрытию образцов составляла максимально допустимую для выбранной пары трения - 1 м/с [5]. При этом, за эталон сравнения приняли чистое ПЭО-покрытие, то есть без модифицирования. Во время проведения испытаний на изнашивание вели контроль за коэффициентом трения (рисунок 3).
Как видно из рисунка 3, наилучшие показатели коэффициента трения у пары «сталь 40Х -ПЭО-покрытие (порист. 12 %) модифицированное CuO». В дальнейшем сравнивали только эту пару и эталонную (рисунок 4).
а) поверхность ПЭО-покрытия после первичной б) ПЭО-покрытие после вторичной обработки обработки
Рисунок 2 - Внешняя поверхность ПЭО-покрытия
0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
□ сталь 40Х - ПЭО-покрытие
□ сталь 40Х - ПЭО-покрытие (порист. 8 %) модиф. СиО
□ сталь 40Х - ПЭО-покрытие (порист. 12 %) модиф. СиО
125Н
240Н
340Н
Рисунок 3 - Коэффициент трения для различных пар трения с различной нагрузкой после приработки и 50 ч испытаний
Рисунок 4 - Износ контробразцов из стали 40Х при сравнительных испытаниях на изнашивание, нагрузка Р= 2 МПа
Выводы. Проведенные испытания на изнашивание показали, что износостойкость подвижного соединения из стали 40Х и сплава АК7ч, упрочненного модифицированным СиО ПЭО-покрытием в 1,5-2 раза выше чем у пары трения, взятой за эталон (рисунок 4). При этом величина износа образцов упрочненных ПЭО-покрытиями как без модифицирования так и с модифицированием СиО, была на протяжении всех испытаний достаточно мала и к концу испытаний не превысила 3 %. Эксплуатационные испытания
провели на гидроцилиндре Ц-75, износостойкость пары: поршень восстановленный и упрочненный по новой технологии и стенка гидроцилиндра была в 1,5 раза выше, чем у эталонной пары сравнения.
На основании проведенных исследований была разработана и предложена ремонтному производству технология восстановления с упрочнением ПЭО и модифицированием ПЭО-покрытия нанопорошком СиО.
Список использованных источников
1. Коломейченко А.В., Логачев В.Н., Титов Н.В.Повышение ресурса деталей методами плазменного электролитического оксидирования // Физика и химия обработки материалов. - 2017. - № 3. - С. 25-32.
2. Козлов А.В., Коломейченко А.В.К вопросу механизма модифицирования МДО-покрытий частицами нанопорошка CuO // Агротехника и энергообеспечение. - 2014. - № 1 (1). - С. 604-609.
3. Козлов А.В. Повышение износостойкости деталей машин микродуговым оксидированием с последующим модифицированием покрытия: дисс. ... на соиск. уч. степ. канд.техн. наук. - Орел, 2014. - 152 с.
4. Козлов А.В. Аппаратный комплекс для плазменно-электролитического оксидирования // В кн.: Молодежь и XXI век - 2018: материалы VIII Международной молодежной научной конференции. В 5-ти томах. - Курск, 2017. - 512 с.
5. Коломейченко А.В., Козлов А.В. Повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей машин микродуговым оксидированием и модифицированием покрытия нанопорошком CuO. - Курск, 2017.
- 193 с.
List of used sources
1. Kolomeichenko A.V., Logachev V.N., Titov N.V. Enhancing Parts Life by Plasma Electrolytic Oxidation, Physics and Chemistry of Materials Processing. - 2017. - № 3. - P. 25-32.
2. Kozlov A.V., Kolomeichenko A.V. On the Question of the Mechanism of Modifying MAO Coatings with Particles of CuO Nanopowder, Agrotehnika i Energopolyazhenie. - 2014. - № 1 (1). - P. 604-609.
3. Kozlov A.V. Increasing the wear resistance of machine parts by microarc oxidation and subsequent modification of the coating: diss. ... on the competition uch. step. Cand.Tech. sciences. - Orel, 2014. - 152 р.
4. Kozlov A.V. Hardware complex for plasma-electrolytic oxidation // In the book: Youth and the XXI century
- 2018 Materials of the VIII International Youth Scientific Conference. In 5 volumes. - Kursk, 2017. - 512 p.
5. Kolomeichenko A.V., Kozlov A.V. Increasing the wear resistance of the working surfaces of machine parts by microarc oxidation and modification of the coating with CuO nanopowder. - Kursk, 2017. - 193 p.
УДК 678.025.1:63
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА НА ПРОЦЕСС ДОЗИРОВАНИЯ
ПИРОЖКОВ Д.Н.,
доктор технических наук, доцент, декан инженерного факультета, Алтайский ГАУ; тел.: (3252) 203-365; e-mail: mms.asau@yandex.ru.
СОРОКИН С.А.,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика и инженерная графика», Алтайский ГАУ; тел.: (3252) 203-365; e-mail: Sorokin_sg@mail.ru.
КОНЯЕВ Н.В.,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электроэнергетика» ФГБОУ ВО Курская ГСХА;e-mail: konyaev_nv@mail.ru.
НАЗАРЕНКО Ю.В.,
старший преподаватель кафедры «Электротехника и электроэнергетика» ФГБОУ ВО Курская ГСХА; e-mail: yurij.nazarenko.71@mail.ru.
Реферат. В производстве многокомпонентных смесей при дозировании сыпучих ингредиентов процесс истечения во многом зависит от влажности самого материала. При выборе оборудования этот факт должен учитываться наряду с другими общепринятыми параметрами. Выбор оборудования должен производиться в соответствии с предъявляемыми требованиями к качеству готовой продукции, соотношению компонентов и технологическим свойствам обрабатываемого материала.
Большинство сыпучих компонентов комбикормов в естественном состоянии имеют влажность от 9 до 18 %. Скорость изменения влажности достигает до 1 % в сутки. Но при движении материалов по технологической линии, при подаче в емкости дозаторов и последующим перемещении изменение влажности может принимать периодический характер, составляющий 6-8 мин, при колебании Аю « 2 — 3%. Следовательно, необходимо определить, какое для комбикормовой промышленности дозирование объемное или весовое наиболее пригодно при работе с сыпучими материалами, способными легко менять внутреннюю влажность.
Погрешность весового дозатора по сухому веществу в массе дозы складывается из массы воды в материале, например 6 %, и погрешности самой дозирующей системы от 2 до 4 %. То есть, суммарная погреш-
