CC BY
14
DOI: 10.15587/2312-8372.2018.124188
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТ1 ПЛАЗМОВО-ЕЛЕКТРОЛ1ТИЧНО1 ОБРОБКИ ПОРШНЕВОГО СПЛАВУ АК12М2МГН З ФОРМУВАННЯМ КЕРАМ1КОПОД1БНИХ ПОКРИВ1В
KapaKypK4Í Г. В., Сахненко М. Д., Ведь М. В., Парсаданов I. В.
1. Вступ
Поршень двигуна внутршнього згоряння (ДВЗ) е одшею Í3 найвщповща-льнiших деталей сучасного автомобiля, який працюе в жорстких умовах при значних теплових та мехашчних навантаженнях. Тому до поршневих сплавiв висуваються вимоги щодо легкостi, мiцностi, низького коефщенту тертя, висо-ких показниюв теплопровiдностi, зносо- та корозiйноi стшкосп, економiчноi доступностi та простоти технологiчноi обробки [1].
Повною мiрою цим вимогам вiдповiдають сплави алюмiнiю з силщем (си-лумiни). Високий вмют силiцiю надае силумiну полiпшенi ливарш властивостi, дозволяе збтьшити втомну мщнють та знизити коефiцiент лiнiйного розширення. Також до складу силумiнiв вводять рiзноманiтнi легуючi компоненти для забезпе-чення бiльш високоi корозiйноi стшкосп, механiчноi мiцностi та зносостiйкостi.
В той же час поршневим Al-Si сплавам виробництва краш GC та США притаманш набагато кращi експлуатацшш характеристики. Це пояснюеться звуженням штервашв варiювання основних компонентiв сплаву, меншим вмю-том небажаних домiшок та використанням дорогих модифiкаторiв (ванадiю, цирконш, фосфору) [2]. Проте процес виробництва таких матерiалiв е високо-технолопчним та бiльш коштовним, що здорожуе вартють кiнцевого продукту.
Бiльш ращональним пiдходом до пiдвищення робочих характеристик е мо-дифiкацiя робочо!' поверхш деталей поршнево!' групи ДВЗ шляхом нанесення покривiв рiзного функцiонального призначення. 1х формування здiйснюють електрохiмiчною обробкою детаи з нанесенням гальванiчного покриву [3], ла-зерним легуванням (наплавленням) [4], осадженням iз газово1' фази [5], а також плазмовим та плазмово-дуговим напилюванням [6].
Проте наразi означен технологи не досить поширеш через значну собiвар-тiсть реаизацп та технологiчну складнiсть. Тому актуальним е пошук економь чно та технолопчно доступних способiв поверхнево1' модифжацп деталей ДВЗ iз силумiнiв для тдвищення !х експлуатацiйних властивостей [7].
Один iз пiдходiв полягае у формуванш на поверхнi деталей керамiкоподiб-них покривiв методом плазмово-електролiтичного оксидування (ПЕО) [8].
Спосiб полягае в оксидуванш поверхнi у водних розчинах електролтв при високiй напрузi тд дiею короткоживучих електричних розрядiв. У таких висо-коенергетичних режимах за рахунок реаизацп електрохiмiчних та термохiмiч-них реакцiй вiдбуваеться формування високорозвинено1' оксидно! матрицi основного металу з iнкорпорованими катiонами або переплавами компоненлв елек-тролiту [9, 10]. Перевагами даного способу поверхнево1' модифжацп е простота технологiчного обладнання, нетоксичнють робочих розчинiв, вiдсутнiсть етапу
попередньо! тдготовки деталi, можливiсть ефективно! обробки складно-профiльованих та великогабаритних b^o6íb.
Перераховаш фактори характеризують процес ПЕО-обробки як економiч-ний, екологiчний та ресурсо-ощадний. Змiнa умов оксидування та складу робо-чих розчинiв дозволяе формувати покриви заданого складу i властивостей.
2. Об'ект досл1дження та його технолопчний ауди'
Об 'ектом дослгдження е процеси поверхнево! обробки поршневого сплаву АК12М2МгН методом плазмово-електролггичного оксидування з формуванням керaмiкоподiбних покривiв.
Одним iз нaйбiльш проблемних мюць даного дослiдження е вплив хiмiчно-го складу сплаву Al-Si на процес обробки та формування керaмiкоподiбних по-кривiв. Це пов'язано з особливостями мжроструктури силумiнiв, що мають у своему склaдi значну кшьюсть легуючих компонентiв та iнтер-метaлiчних спо-лук, якi вiдрiзняються хiмiчними властивостями та електропровщнютю оксидiв. В той же час евтектики i первинш видшення кремнiю у структурi сплаву ви-кликають значне окрихчення мaтерiaлу [11].
Для встановлення зaкономiрностей впливу вмюту кремнiю в aлюмiнiевих сплавах на процес ПЕО-обробки поршневих сплaвiв проводився технологiчний аудит з метою вивчення процешв поверхнево! обробки методом ПЕО та формування керaмiкоподiбних покривiв на поршневих силумiнaх.
В результат аудиту встановлено, що електрохiмiчнi технологи широко ви-користовуються для модифшацп поверхнi силумiнiв шляхом формування пок-ривiв рiзного складу i призначення [12, 13]. ПЕО таких мaтерiaлiв мае певш особливостi у порiвняннi iз оксидуванням iнших сплaвiв aлюмiнiю.
ПЕО поршневих силумiнiв доцшьно проводити в лужних комплексних електролггах. Це пояснюеться необхiднiстю гомогешзацп поверхш в процесi обробки та забезпечення високо! адгезп оксидного покриву iз носiем. Електро-лiти цього типу вирiзняються високою стaбiльнiстю i зручшстю коригування в процесi експлуатацп. В той же час оксидування в таких розчинах дозволяе формувати керaмiкоподiбнi оксидш покриви, доповаш рiзними компонентами [14, 15]. Також можуть використовуватися електролгги-суспензп на основi базового гомогенного розчину з добавками порошюв рiзноl природи i ступеня дисперс-ностi [16, 17]. В цьому випадку ^м електрохiмiчних i термохiмiчних перетво-рень формування покриву вщбуваеться за рахунок мехaнiчного захоплення час-тинок iз робочого розчину. Проте таю електролгги е менш стабшьними.
До складу поверхневих оксидних шaрiв можуть бути введенi сполуки пе-рехiдних, благородних, рiдкiсних i розшяних метaлiв, деякi неметали. Природа допанлв буде впливати на фiзико-мехaнiчнi властивост сформованих керамь коподiбних покривiв [12, 18]. Введення до складу оксидного покриву деталей поршнево! групи ДВЗ каталггично активних компонентiв дозволяе реаизувати процес кaтaлiтичного горiння палива з тдвищенням паливно! економiчностi та зменшенням токсичних газових викидiв [19, 20].
Для плазмово-електролггично! обробки модельних зразюв сплаву викорис-товува и установку (рис. 1). Лабораторна система включае джерело струму,
електролмчну комiрку iз охолодженням та перемшуванням електролiту, ро-бочi електроди та прилади контролю робочих параметрiв процесу.
Рис. 1. Схематичне зображення лабораторно! установки для плазмово-електролiтичноi обробки модельних зразюв
Для ПЕО поршня ДВЗ використовували модифiковану установку iз тими самими складовими (рис. 2) тдвищено! потужност для забезпечення реаизацп технолопчних параметрiв процесу.
Рис. 2. Лабораторна установка для плазмово-електролггично! обробки поршня двигуна внутршнього згоряння
Для доошджень використовували зразки силумiну АК12М2МгН та поршень КамАЗ 740. Хiмiчний склад поршневого сплаву наведено у табл. 1.
Таблиця 1
Хiмiчний склад сплаву АК12М2МгН _ (ГОСТ 1583), %
А1 Мп Мв N1 Бе Сг Т1 Си РЬ 2п Ьп Дом1шок
79.5- 11- 0.3- 0.8- 0.8- до до 0.05- 1.5- до до до всього 1.3
85.55 13 0.6 1.3 1.3 0.8 0.2 0.2 3.0 0.1 0.5 0.02
ПЕО проводили у робочих електролггах, наведених у табл. 2. Робочi роз-чини для до^джень готували з використанням сертифжованих реактивiв марки «хч» i дистильовано!' води. Використання лужних розчишв iз вмiстом солей перехщних металiв дозволяе ефективно проводити ПЕО-обробку вентильних металiв та формувати оксидш покриви зi значним вмiстом допанлв [10, 18].
Таблиця 2
Склад електролтв для плазмово-електролiтичноí обробки поршневого сплаву
№ електрол1ту Допуючий компонент Склад електро-л1ту т ^нцентращя компоненпв, моль/дм3 Температура електрол1ту, °С
1 Со СоЬ04 0.1 20.25
К4Р2О7 0.4
2 Мп КМп04 0.005
КОН 0.05
Оксидування здшснювали в гальваностатичному режимi з використанням стабiлiзованого джерела постшного струму Б5-50 (Украíна). Напруга обробки складала 160-240 В, густина струму - 3...25 А/дм . Час оксидування - 30 хв. Обраш технолопчш параметри е оптимальними для формування допованих кобальтом та манганом керамiкоподiбних оксидних покривiв [21, 22].
Пiдготовка поверхш зразкiв включала етапи механiчноí обробки, знежи-рення та промивання водою.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета дослгдження - удосконалити процес поверхневоí обробки поршневого силумшу а г12 методом плазмово-електролгшчного оксидування iз формуванням допованих кобальтом та манганом керамiкоподiбних покривiв.
Для досягнення поставленоí мети необхщно вирiшити наступнi завдання:
1. Визначити технолопчш особливост плазмово-електролiтичноí обробки поршневого силумшу АК12М2МгН в лужних електролггах рiзного складу.
2. Дослiдити вплив метаив-допанпв на морфологiю поверхнi та склад сформованих оксидних шарiв.
3. Опрацювати технологiю ПЕО-обробки поршня ДВЗ iз формуванням керамiкоподiбного покриву камери згоряння.
4. Дослщити каталiтичну активнють одержаного покриву пiд час стендо-вих випробувань поршня.
4. Досл1дження кнуючих пiдходiв у вир1шенн1 проблеми
Дослщження процесш спрямованого модифкування поверхнi високо-кремнiстих силумiнiв за рахунок формування оксидних ПЕО-покривiв е перспективною практичною задачею. Вмют кремнш впливае на перебiг стадш ПЕО [22]. Умови оксидування, тип робочого електролпу i природа компонент-допанпв зумовлюють склад i властивостi сформованих керамiкоподiбних оксидних систем [10].
У робот [23] ПЕО зразкiв сплаву Al-Si з вмютом кремнiю 27-32 мас. % проводили в лужному силшатному електролiтi. Авторами установлено, що в процес оксидування в юкровш та мiкро-дуговiй областях свiтiння розрядiв вщ-буваеться переважно на межах включень Si. Внаслiдок цього процес утворення покриву по поверхш зразка гальмуеться, сформований оксидний шар е нерiв-номiрним. Морфологiя утворено1' поверхш характеризуеться наявнютю великих дендритiв оксиду кремнш. Для формування рiвномiрних оксидних покривiв час обробки зразкiв сплаву мае становити не менше 60 хв.
Схожi закономiрностi були виявлеш авторами [24] пiд час дослщження процесу ПЕО литого поршневого Al-Si сплаву з вмютом кремнiю 12 мас. %. Для оптимiзацii ПЕО-обробки дослiдниками використовувався силiкатний еле-ктролп з добавками фосфату натрiю. Встановлено, що частинки кремнш у складi сплаву i евтектичних Si-фаз гальмують оксидування алюмшш та впли-вають на склад i морфологш одержуваних покривiв.
В роботi [25] вщзначаеться, що вмiст силiкату в робочому електролт впливае на тривалiсть процесу ПЕО-обробки високо-кремнютих сплавiв алюмь нш, склад i товщину сформованих оксидних покривiв. Це дозволяе управляти технолопчним процесом плазмово-електролiтичноi обробки силумiнiв за рахунок варшвання концентраци компоненлв робочого розчину.
Сформованi в силшатних електролiтах ПЕО-покриви на силумiнах мають пiдвищену мiкротвердiсть та корозiйну стшкють порiвняно з необробленою по-верхнею [26, 27]. Проте через значний вмют кремнш в поверхневих шарах щ параметри не е оптимальними.
Для розширення спектру функцюнальних властивостей, зокрема ПЕО-покривiв на силумшах доцiльно використовувати комплекснi електролгги та вводити до складу покриву додатковi компоненти. Зокрема iнкорпорування ок-сидiв перехiдних металiв надае оксидованш поверхнi сплавiв алюмiнiю каталi-тичну актившсть [19, 21].
Автором [28] для отримання оксидних покривiв на алюмтевому сплавi А1050 використовувалися силикатно-лужш електролiти з добавками тетрабора-ту натрш, трилону Б, оцтово! кислоти i ацеталв перехiдних металiв. Покриви формували змiнним струмом при середнш густинi
100 мА/см2. У зазначених
умовах отримаш рiвномiрнi оксиднi шари з вмютом допанта 1.11-5.43 ат. %. У той же час покриви мютять 8.46-13.5 ат. % Si i 8.06-32.62 ат. % карбону, що пояснюеться термолiзом компонент електролпу тд час ПЕО.
В робоп [29] доповаш магнiем, манганом та цинком оксиднi покриви на сплавi АД1 формували з полiфосфатних електролiтiв. Встановлено, що вмiст допувальних елементiв у покривi пропорцiйний сшввщношенню концентрацiй полiфосфатiв та
солi металу в розчинi. Фазовий склад отриманих оксидних шарiв змiнюеться зале-жно вiд часу ПЕО i компонентного складу робочого розчину.
Полiфосфатнi електролiти були використанi також для отримання оксидних покривiв на алюмтевому сплавi АМцМ з високим вмютом допанту [30]. Показано, що утворення полiфосфатних комплексiв з металами-допантами сприяе !'х рiвномiрному включенню в оксидш плiвки.
Таким чином, з точки зору ефективност поверхнево!' модифжаци силуми-нiв для 1'х обробки доцшьно використовувати електролiти на основi комплекс-них сполук, зокрема полiфосфатiв. В процесi оксидування це дозволяе гомоге-нiзувати поверхневий шар сплаву за складом, зменшити вмют легувальних компонентiв i створити умови для формування рiвномiрного оксидного покриву та шкорпораци допанту.
Оксидування зразкiв поршневих сплавiв дозволяе розробити технологiю поверхнево1' ПЕО-обробки деталей поршнево1' групи ДВЗ в цшому. Найчастiше дослiдниками використовуються силшатш електролiти. В указаних розчинах формуються оксидш покриви iз тдвищеними теплозахисними властивостями.
Авторами [31] приведет результата дослщжень з використання технологи ПЕО для змiцнення робочих поверхонь блоку цилiндрiв ДВЗ. Показана техно-логiчна можливiсть реалiзацií ПЕО великогабаритних вщливок силумiнiв з оде-ржанням якiсного оксидного шару.
Робота [32] присвячена дослщженню можливостi та перспектив використання технологи ПЕО для ремонту та вщновлення геометри робочих поверхонь деталей двигушв iз силумшв з вмiстом кремнiю 4-15 %.
В роботi [33] процес ПЕО-обробки штатного поршня двигуна АПД-800 зi сплаву АК12Д використовували для одержання теплозахисного оксидного шару. Оксидування проводили протягом 1,5 год. у лужно-силшатному електролт. В результат дослщжень встановлено зменшення теплово1' напруги поршня з нанесеним ПЕО-покривом пiд час експлуатаци двигуна.
Авторами в робот [34] наведенi результати експериментальних досль джень щодо змiцнення поверхнi поршня ASP80 зi сплаву АК12 методом ПЕО у лужно-силшатному електролiтi. 1нтенсившсть зношування поршня з нанесеним покривом зменшуеться у 2.5 рази тд час стендових випробувань.
Авторами [35, 36] встановлено зниження шляхово1' та транспортно1' витра-ти палива на 5-7 % тд час використання ПЕО-покривiв на поршнях ДВЗ порь вняно iз типовими поршнями двигуна.
В роботах [37, 38] експериментально шдтверджено пiдвищення ефектив-ностi та економiчностi ДВЗ при використаннi поршшв з теплоiзоляцiйним покривом. Корундовий шар оксиду алюмшш одержують гальвано-плазмовою об-робкою штатних поршнiв двигушв.
Анаиз пiдходiв щодо ПЕО поршневих силумтв свiдчить про можливiсть обробки вказаних матерiалiв у гальваностатичному режимi та пiд час поляриза-ци iмпульсним струмом. При цьому в режимi постiйного струму спостерiгаеть-ся «залшовування» дефектiв оксидних покривiв та формування поверхш з бшьш рiвномiрною морфологiею [27].
5. Методи дослщжень
Морфологш поверхш сформованих оксидних покривiв дослiджували з вико-ристанням сканiвного електронного мiкроскопа ZEISS EVO 40XVP (Нiмеччина).
Топографiю поверхш вивчали методом атомно-силово! мiкроскопii на мш-роскопi НТ-206, зонд CSC-37 (Бшорусь).
Хiмiчний склад поверхневих оксидних шарiв визначали з використанням енерго-дисперсшного спектрометра Oxford INCA Energy 350 (Великобриташя) з iнтегрованим програмним середовищем SmartSEM.
Каталiтичну активнiсть сформованих на поршш покривiв тестували пiд час стендових випробувань в процеш згоряння i каталггачного перетворення токси-чних речовин в цилiндрi двигуна внутршнього згоряння. Для цього покрив безпосередньо формували на кришцi поршня одноцилшдрового безнаддувного дизеля. Дослiдження проводили на одноцилшдровому дизелi розмiрнiстю 12/14 з поршнем сершно! конструкцп та з поршнем з нанесеним каталггичним покри-вом за навантажувальними характеристиками при частот обертання колшчас-того валу «=1200 та 1400 хв-1.
6. Результати дослщжень
6.1. Плазмово-електролггична обробка поршневого сплаву АК12М2МгН
Пiд час плазмово-електролггично! обробки силумiнiв хронограми напруги процесу оксидування мають класичний вигляд iз роздiленням на доiскрову, юк-рову, мiкро-дугову та дугову област [14, 22]. В той же час, основш технолопч-нi параметри ПЕО залежать вiд типу використовуваного електролпу (табл. 3).
Таблиця 3
Технолопчш параметри плазмово-електролiтичноi обробки поршневого сплаву
Електролiт Густина струму обробки, А/дм2 Напруга, В Час обробки, хв
юкршня максимальна
1 3...5 115..120 140.160 30.60
2 15.20 150.170 220.240
Оксидуванням у лужних розчинах електролтв 1 та 2 на зразках поршневого сплаву АК12М2МгН одержат рiвномiрнi оксиднi покриви iз вмiстом кобальту або мангану. Послiдовним оксидуванням в електролiтах 1 та 2 можливо одержати змшаний шар оксидiв мангану та кобальту.
На начальному еташ ПЕО-обробки вщбуваегься формування поверхневого шару оксиду алюмшш, який мiстигъ велику кiлькiсгъ включень неправильно! форми (рис. 3).
Морфолопя поверхнi змiшаних оксидних покривiв змшюеться з шкорпо-ращею металiв-допантiв до матриц оксиду алюмiнiю.
в
Рис. 3. Морфолопя поверхш АК12М2МгН, збшьшення: а - х100, б - х500, в - х1000
Включення кобальту вiдбуваеться у виглядi сферощних острiвкових структур синьо-фюлетового кольору. В процесi ПЕО-обробки таю моза1'чш структу-ри рiвномiрно вкривають всю поверхню зразка. Вмют кобальту в поверхневих оксидних шарах сягае 24 ат. % (рис. 4, а).
ПЕО силумшу у манганвмюному лужному електролт забезпечуе формування рiвномiрного коричнево-чорного оксидного шару iз вмютом мангану до
35 ar. %. Поверxня покриву e мшроглобулярною, нa нiй вiзyaлiзовaнa зтачта кiлькicгь конгломерaгiв, yгворениx дрiбними cфероïдaми (риc. 4, б).
Двоcгaдiйне окcидyвaння з формyвaнням змiшaного шaрy окcидiв кобaль-гу ra мaнгaнy дозволяе одержaги дрiбнодиcперcний порyвaгий покрив. Сyмaр-ний вмicг допaнгiв y cклaдi поверxневиx шaрiв cягae 25-30 ar. % (риа 4, в).
в
Рис. 4. Морфолопя ra cклaд окcидниx покривiв нa АК12М2МгН, ar. %: а - Al | Al2O3 ■ CoOx, б - Al | Al2O3 MnOy, в - Al | Al2O3CoOx, MnOy. Збшьшення x1000
Наведений анаиз хiмiчного складу сформованих керамiкоподiбних оксид-них покривiв доводить ефективнють плазмово-електролiтичноí обробки силу-мiнiв. Вмют кремнiю у поверхневих шарах не перевищуе 3 ат. %, що е однiею iз вимог до каташтично-активних матерiалiв.
Одержанi оксиднi покриви мають високий ступшь розвинення поверхш [39], що пiдтверджують результати дослщження топографií поверхневих шарiв iз використанням атомно-силово1' мiкроскопií (рис. 5).
б
Рис. 5. 2-0- та 3-0-карти поверхш оксидних покривiв на АК12М2МгН: а - А1 | А1203 СоОх, б - А1 | А1203 Мп0у. Площа сканування 5x5 мкм
В цшому одержанi результати корелюють з даними для оксидних ПЕО-систем на сплавах алюмшш та iнших вентильних металах [9, 21].
У поеднанш iз значним вмiстом допантiв у складi оксидного покриву рiв-номiрно-глобулярний характер i висока ступiнь розвинення поверхш е переду-мовами високо1' каталiтичноí активностi одержаних систем [40].
Таким чином, результати проведених дослщжень враховують вплив пара-метрiв ПЕО на хiмiчний склад та морфологш поверхнi керамiкоподiбних пок-ривiв на сплавi АК12М2МгН.
Виходячи з цього, можна рекомендувати наступн технологiчнi параметри для поверхнево! обробки поршневого сплаву для мшiмiзащi вмюту кремнiю у поверхневих шарах та шкорпорацп каталiтично активних компонентiв (табл. 4).
Таблица 4
Рекомендован параметри плазмово-електролгтично! обробки силумiну АК12М2МгН та формування допованих кобальтом та манганом керамiкоподiб-_них покривiв_ _ _
Параметр Покрив
АЪОз-СоОх АЪОзМпОу ЪОз-СоОх, МпОу
I стад1я:
СоБО4 - 0.1;
Склад електрол1ту, Со8О4 - 0.1 КМпО4 - 0.005 К4Р2О7 - 0.4;
моль/дм3 К4Р2О7 - 0.4 КОН - 0.05 II стад1я: КМпО4 - 0.005; КОН - 0.05
Температура, °С 20.25
Режим обробки гальваностатичний
Густина струму, А/дм2 3.5 15..20 I стад1я - 3.5; II стад1я - 15..20
I стад1я -
Напруга, В 115.160 150.240 115.160 II стад1я - 220.240
Час обробки, хв 30.60
Вмют, ат. %
допанту до 24.0 до 36.0 Со - до 10.0 Мп - до 19.0
сишщю до 3.0 до 0.8 до 1.8
На основi анашзу результапв дослщжень визначенi рацiональнi параметри плаз-мово-електролiтичного оксидування зразкш поршневого силумшу АК12М2МН, за яких забезпечуеться ефективна обробка сплаву та формування керамiкоподiбних пок-ривiв зi значним вмiстом допантш.
6.2. Формування керамiчних оксидних покрив1в на кришцi поршня двигуна внутрiшнього згоряння
Апробац1я можливост використання розроблено! технологii для плазмово-електролiтичноi обробки поршнiв ДВЗ здшснювалась шляхом ПЕО поршня двигуна КамАЗ-740 (Укра!на) з формуванням оксидних покривiв на кришцi поршня [19].
Для обробки була використана модертзована лабораторна установка iз елект-ролгтичною комiркою необхiдного розмiру. За додержання запропонованих техно-логiчних параметрiв (табл. 2, 3) в цтому можлива ефективна обробка серiйного поршня з формування допованих кобальтом та манганом оксидних покривiв (рис. 6).
Рис. 6. Схематичне зображення поверхш поршня КамАЗ-740 (Укра!на) iз нанесеним покривом змшаними оксидами алюмiнiю з кобальтом або/та манга-
ном. Збiльшення *1000
Для одержання покривiв достатньо! якост слiд додержуватися температурного режиму формування та перемшування електролiту в ходi оксидування.
6.3. Тестування каталггичноУ активностi сформованих оксидних покрив1в
Синтезоваш осиднi покриви за результатами тестування у модельних реа-кцiях окиснення СО i бензолу характеризуються високою каталiтичною актив-нiстю i не поступаються матерiалам iз вмiстом коштовних металiв [20, 21].
Використання керамiкоподiбних покривiв поршня ДВЗ приводить до зни-ження температури запалювання паливно! сумiшi. За рахунок теплоiзоляцiйних властивостей шару катаитичного покриву для вшх дослiджених оксидних систем зменшуеться витрата повiтря порiвняно з поршнем з необробленою повер-хнею. Завдяки особливостями процешв каталiтичного горiння палива у пристш-кових зонах камери згоряння ДВЗ [41] скорочуеться фаза некерованого горшня палива i час його згоряння. Встановлено зниження годинно! витрати палива в межах 1-4 %. Найвищi показники паливно! економiчностi демонструе поршень iз керамiкоподiбним шаром нестехюметричних оксидiв мангану.
Зниження температури горшня виключае можливiсть участi азоту повггря у газофазових реакцiях. Зазначеш особливостi процесу горiння та каташтичш процеси на поверхнi оксидних покривiв поршня забезпечують зниження кшь-кост токсичних газових викидiв двигуна. Найвищу каталiтичну дiю проявля-ють змшаш оксиднi системи з кобальтом. Поршень iз покривом А1203СоОх до-зволяе знизити викиди NOx в межах 10 % та СО - 15-18 %, тодi як для манган-вмiсних оксидних покривiв щ показники е iстотно нижними. Така вiдмiннiсть обумовлена рiзною спорiдненiстю кобальту i мангану до оксигену, а також дифе-ренцiацiею термiчноl стабшьност вiдповiдних нестехiометричних оксидiв.
Таким чином, ПЕО-обробка поршшв ДВЗ дозволяе формувати манган- та кобальтовм^^ керамiкоподiбнi покриви i3 високими каталiтичними властивос-тями. Укaзaнi системи можуть знайти застосування в технолопях внутршньо-цилшдрового кaтaлiзу з метою зниження токсичност викидiв двигунiв та шд-вищення !х паливно! економiчностi.
7. SWOT-аналiз результатiв дослiджень
Strengths. Серед сильних сторiн даного дослiдження необхiдно вщзначити отримaнi результати щодо узагальнення впливу основних пaрaметрiв технолопч-ного процесу на формування допованих додатковими компонентами керамжопо-дiбних покривiв на силумшах. Позитивним фактором е використання нетоксичних робочих розчинiв для поверхнево! оброки алюмо-кремшевих сплaвiв.
Застосування опрацьованих технолопчних пaрaметрiв дозволяе здiйснювaти ефективну поверхневу обробку поршневих сплaвiв iз зменшенням вмiсту кремнiю до 3 ат. % та формуванням оксидних покривiв iз вмiстом мангану та кобальту.
Weaknesses. Слабк сторони даного дослщження пов'язaнi iз необхiднiстю використання систем контролю та тдтримання технологiчних пaрaметрiв процесу плaзмово-електролiтичноi обробки у вказаних штервалах. Недодержання рекомендованих пaрaметрiв може бути однiею iз причин неякюно! обробки та зниження вмюту катаитично активних компонентiв у покривах. В той же час, технолопчний процес, який вщбуваеться за високих напруг, потребуе певних зaходiв безпеки з боку робочого персоналу.
Opportunities. Перспективи подальших дослщжень пов'язаш iз aдaптaцiею запропоновано! технологii для поверхнево! обробки шших конструкцiйних ма-терiaлiв, а також розширення кола метаив-допанпв. Це дозволить пiдвищити ефективнiсть i поширити сферу використання змiшaних оксидних систем.
Впровадження запропонованого технiчного ршення щодо обробки серш-них поршшв ДВЗ дозволить суттево шдвищити паливну економiчнiсть та тер-мiн експлуатацп двигунiв, знизити кiлькiсть токсичних газових викидiв.
Threats. Склaднiсть у використанш одержаних результaтiв можуть бути пов'язаш iз декiлькомa факторами. По-перше, це якють оброблюваного конс-трукцiйного мaтерiaлу та реaктивiв для приготування робочих розчишв. Подруге, необхiднiсть оснащення технологiчноi дiлянки сучасним обладнанням. Перевагу слщ надавати мобiльним бaгaтофункцiонaльним системам iз функць ею програмування та автоматизацп технологiчного процесу.
Додaтковi витрати щдприемства пщ час впровадження запропонованого техшчно-го ршення будуть пов'язаш iз закутвлею сертифкованих мaтерiaлiв, модертзащею ю-нуючих длянок гальванообробки та шдвищення квaлiфiкaцi! робочого персоналу.
8. Висновки
1. Узагальнено вплив основних пaрaметрiв плaзмово-електролiтичноi обробки поршневого силумшу АК12М2МгН у лужних електролгтах iз вмiстом сполук мангану та кобальту. Запропоновано одностадшне оксидування силумь ну в режимi падаючо! потужност для формування керaмiкоподiбних покривiв допованих оксидами мангану або кобальту.
2. Дослщжено вплив MeTaniB^onarniB на морфологш та склад поверхне-вих оксидних шaрiв. Кeрaмiкoпoдiбнi oксиднi шари е рiвнoмiрними та мають розвинену поверхню. BMiCT дoпaнтiв (кобальту та мангану) становить до 30...36 ат. %, а вмют силiцiю не перевищуе 3.0 ат. %.
3. На пiдстaвi модельних дoслiджeнь опрацьована технолопя плазмово-eлeктрoлiтичнoi обробки сeрiйнoгo поршня КамАЗ-740 i3 формуванням керамь кoпoдiбнoгo покриву камери згоряння.
4. ПЕО-обробка пoршнiв ДВЗ дозволяе формувати мангано- та кобальто-вмiснi кeрaмiкoпoдiбнi оксидш покриви iз високими кaтaлiтичними властивос-тями. Нaйвищi показники пaливнoi eкoнoмiчнoстi на рiвнi 3-4 % демонструе манган-вмюна оксидна система. Пiд час використання поршня iз покривом оксидами кобальту зменшуеться eмiсiя токсичних газових викидiв: NOx в межах 10 % та СО - 15-18 %. Запропоноваш системи можуть знайти застосування в тeхнoлoгiях внутршньоцилшдрового кaтaлiзу з метою зниження токсичност газових викидiв двигунiв та тдвищення ix пaливнoi eкoнoмiчнoстi.
Лiтература
1. Belov N. A. Fazovyy sostav promyshlennykh i perspektivnykh alyu-minievykh splavov: monograph. Moscow: Izdatelskiy dom MISiS, 2010. 511 p.
2. Glazoff M. V., Zolotorevsky V. S., Belov N. A. Casting Aluminum Alloys. Oxford: Elsiever, 2007. 544 p. doi: 10.1016/b978-0-08-045370-5.x5001-9
3. Resursozaoshchadzhuval'na tekhnolohiya vidnovlennya znoshenykh deta-ley / Sakhnenko M. D. et al. // Intehrovani tekhnolohiyi ta resursozberezhennya. 2013. Vol. 2. P. 9-13.
4. Kolmykov D. V., Honcharov A. N. Kombynyrovannye metody uprochnenyia // Visnyk Sumskoho natsionalnoho ahrarnoho universytetu. 2012. Vol. 6 (24). P. 46-50.
5. Mazurenko Ye. A., Herasy chuk A. I., Ovsiannykov V. P. Khimichne osadzhennia z hazovoi fazy, syntez funktsionalnykh materialiv (ohliad) // Fizyka i khimiia tverdoho tila. 2001. Vol. 2, No. 3. P. 339-349.
6. Thermal spraying of cylinder bores with the Plasma Transferred Wire Arc process / Bobzin K. et al. // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202, No. 18. P. 4438-4443. doi:10.1016/j.surfcoat.2008.04.023
7. Obzor tehnologicheskih meropriyatiy, napravlennyih na povyishenie nadezhnosti tsilindro-porshnevoy gruppyi dvigatelya vnutrennego sgoraniya / Nosov A. S. et al. // Sovremennyie materialyi, tehnika i tehnologii. 2017. Vol. 3 (11). P. 80-85.
8. Okada A. Innovative materials for automotive industry. New York: Nova Science Publishers, 2010. 147 p.
9. A study of synthesis and properties of manganese-containing oxide coatings on alloy VT1-0 / Sakhnenko N. et al. // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016. Vol. 3, No. 5 (81). P. 37-43. doi:10.15587/1729-4061.2016.69390
10. Mixed alumina and cobalt containing plasma electrolytic oxide coatings / Yar-Mukhamedova G. Sh. et al. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 213. doi:10.1088/1757-899x/213/1/012020
11. Povyishenie resursa rabotyi porshney dvigateley vnutrennego sgoraniya /
Nemenenok B. M. et al. // Lite i metallurgiya. 2005. Vol. 2 (34). P. 175-178.
12. Aluminum- and titanium-supported plasma electrolytic multicomponent coatings with magnetic, catalytic, biocide or biocompatible properties / Rudnev V. S. et al. // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 307. P. 1219-1235. doi: 0.1016/i.surfcoat.2016.07.060
13. Electroplating and functional properties of Fe-Mo and Fe-Mo-W coatings / Ved M. V. et al. // Voprosyi himii i himicheskoy tehnologii. 2014. Vol. 5-6 (98). P. 53-60.
14. Electrolytic plasma technology: Science and engineering-An overview / Gupta P. et al. // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201, No. 21. P. 87468760. doi:10.1016/i.surfcoat.2006.11.023
15. Rogov A. B., Slonova A. I., Shayapov V. R. Peculiarities of iron-containing microplasma coating deposition on aluminum in homogeneous electrolyte // Applied Surface Science. 2012. Vol. 261. P. 647-652. doi:10.1016/i.apsusc.2012.08.075
16. Mcroarc oxidation in slurry electrolytes: A review / Borisov A. M. et al. // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2016. Vol. 52, No. 1. P. 50-78. doi: 10.3103/s106837551601004x
17. Malyshev V. N., Zorin K. M. Features of microarc oxidation coatings formation technology in slurry electrolytes // Applied Surface Science. 2007. Vol. 254, No. 5. P. 1511-1516. doi:10.1016/i.apsusc.2007.07.079
18. Examining the formation and prop^ties of TiO2 oxide coatings with metals of iron triad / Sakhnenko M. et al. // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 2, No. 11 (86). P. 4-10. doi:10.15587/1729-4061.2017.97550
19. Improving the environmental performance of engines by intra-cylinder neutralization of toxic exhaust gases / Parsadanov I. V. et al. // Internal Combustion Engines. 2016. No. 2. P. 63-67. doi: 10.20998/0419-8719.2016.2.12
20. Functional mixed cobalt and aluminum oxide coatings for environmental safety / Ved M. V. et al. // Functional Materials. 2017. Vol. 24, No. 2. P. 303-310. doi: 10.15407/fn24.02.303
21. Formation of coatings of mixed aluminum and manganese oxides on the AL25 alloy / Sakhnenko N. D. et al. // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2016. Vol. 52, No. 2. P. 145-151. doi:10.3103/s1068375516020113
22. Kotok V., Kovalenko V., Malyshev V. Comparison of oxygen evolution parameters on different types of nickel hydroxide // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 5, No. 12 (89). P. 12-19. doi: 10.15587/1729-4061.2017.109770
23. Xu F., Xia Y., Li G. The mechanism of PEO process on Al-Si alloys with the bulk primary silicon // Applied Surface Science. 2009. Vol. 255, No. 23. P. 95319538. doi: 10.1016/i.apsusc.2009.07.090
24. Ceramic coating formation on high Si containing Al alloy by PEO process / Wang P. et al. // Surface Engineering. 2016. Vol. 32, No. 6. P. 428-434. doi: 0.1179/1743294415y.0000000003
25. Dudareva N. Y., Abramova M. M. The Structure ofPlasma-Electrolytic Coating Formed on Al-Si alloys by the Micro-Arc Oxidation Method // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2016. Vol. 52, No. 1. P. 128-132. doi: 10.1134/s2070205116010093
26. Preparation of anti-corrosion films by microarc oxidation on an Al-Si alloy / Xue W. et al. // Applied Surface Science. 2007. Vol. 253, No. 14. P. 6118-6124. doi: 10.1016/i.apsusc.2007.01.018
27. Anti-corrosion and wear properties of plasma electrolytic oxidation coating formed on high Si content Al alloy by sectionalized oxidation mode / Dai L. et al. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 167. P. 012063. doi: 10.1088/1757-899x/167/1/012063
28. Rogov A. B. Plasma electrolytic oxidation of A1050 aluminium alloy in
homogeneous silicate-alkaline electrolytes with edta 4-complexes of Fe, Co, Ni, Cu, La and Ba under alternating polarization conditions // Materials Chemistry and Physics. 2015. Vol. 167. P. 136-144. doi:10.1016/j.matchemphys.2015.10.020
29. On Composition of Anodic-Spark Coatings Formed on Aluminum Alloys in Electrolytes with Polyphosphate Complexes of Metals / Boguta D. L. et al. // Russian Journal of Applied Chemistry. 2002. Vol. 75, No. 10. P. 1605-1608. doi: 10.1023/a: 1022263331315
30. Rudnev V. S. Multiphase anodic layers and prospects of their application. Protection of Metals. 2008. Vol. 44, No. 3. P. 263-272. doi: 10.1134/s0033173208030089
31. O primenenii tehnologii mikrodugovogo oksidirovaniya dlya remonta i vosstanovleniya izdeliy iz siluminov / Krishtal M. M. et al. // Aviatsionnaya i raketno-kosmicheskaya tehnika. 2012. Vol. 3 (34). P. 225-228.
32. Krishtal M. M., Ivashin P. V., Kolomiets P. V. Ispolzovanie tehnologii mikrodugovogo oksidirovaniya pri razrabotke DVS s blokom tsilindrov iz alyuminievogo splava // Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk. 2012. Vol. 12, No. 4. P. 242-246.
33. Experimentally Studied Thermal Piston-head State of the Internal-Combustion Engine with a Thermal Layer Formed by Micro-Arc Oxidation Method / Dudareva N. et al. // Science and Education of the Bauman MSTU. 2015. Vol. 15, No. 5. P. 115-125. doi:10.7463/0515.0774148
34. Butusov I., Dudareva N. Influence of micro-arc oxidation on durability of IC-engine's piston // Science and Education of the Bauman MSTU. 2013. Vol. 13, No. 9. P. 127-144. doi:10.7463/0913.0606017
35. Stepanov V. A. Uluchshenie ekspluatatsionnyih pokazateley avtomobiley mikrodugovyim oksidirovaniem dnisch porshney dvigateley // Science and world. 2014. Vol. 1 (5). P. 115-117.
36. Povyishenie tehniko-ekspluatatsionnyih pokazateley DVS modernizatsiey tsilin-droporshnevoy gruppyi / Nurutdinov A. Sh. et al. // Vestnik SGAU im. N. I. Vavilova. 2013. Vol. 11. P. 56-59.
37. Marchenko A. P., Shpakovskiy V. V. Vliyanie korundovogo sloya na rabo-chih poverhnostyah porshney na protsess sgoraniya v DVS // Dvigateli vnutrennego sgoraniya. 2011. Vol. 2. P. 24-28.
38. Marchenko A. P., Shpakovskyi V. V., Pylov V. V. Pidvyshchennya ekonomichnosti benzynovoho dvyhuna na riznykh rezhymakh roboty pry zastosuvanni chastkovo-dynamichnoyi teploizolyatsiyi porshniv // Visnyk NTU «KhPI». 2013. Vol. 32 (1005). P. 106-110.
39. Sakhnenko N. D., Ved M. V., Karakurkchi A. V. Chapter 38. Nanoscale Oxide PEO Coatings Forming from Diphosphate Electrolytes: Proceedings / ed. by Fesenko O., Yatsenko L. // Nanophysics, Nanomaterials, Interface Studies, and Applications. Springer International Publishing AG, 2017. P. 507-531. doi:10.1007/978-3-319-56422-7 38
40. Synthesis of Catalytic Cobalt-Containing Coatings on Alloy Al25 Surface by Plasma Electrolytic Oxidation / Ved M. V. et al. // Chemistry, Physics and Technology of Surface. 4. \ Vol. 82, No. 1. P. 73-79. doi:10.15407/hftp08.01.073
41. Increasing the efficiency of intra-cylinder catalysis in diesel engines / Parsada-nov I. V. et al. // Voprosyi himii i himicheskoy tehnologii. 2017. Vol. 52, No. 6. P. 145-151.
