Влияние микродуговой обработки алюминия на эмиссионно-механические характеристики Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ МИКРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЯ НА ЭМИССИОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

© В.В. Тихоненко, А.М. Шкилько

Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, Украина, e-mail: kafedra@oef.uipa.kharkov.ua

Ключевые слова: микродуговое оксидирование; фотостимулированная экзоэлектронная эмиссия; пластическая деформация; микротвердость.

Методами фотостимулированной экзоэлектронной эмиссии и индентирования проведены исследования МДО-покрытий на сплаве Д16 при деформации растяжением. Метод ФСЭЭ рекомендуется для оценки качества упрочненного слоя, полученного микродуговой обработкой.

Одним из перспективных методов поверхностного упрочнения деталей, позволяющих формировать на поверхности принципиально новые высококачественные покрытия с высокой износостойкостью и прочностью сцепления к основе, является метод микродугово-го оксидирования (МДО). МДО - гибкая, недорогая и экологически чистая технология электроплазмохими-ческого преобразования поверхностного слоя вентильных металлов и их сплавов в оксидную керамику с уникальным комплексом свойств.

Целью работы является исследование методами экзоэлектронной эмиссии и индентирования изменений, протекающих в поверхностном слое МДО-покрытий на алюминии Д16, при деформации растяжением.

Методика эксперимента. Эксперименты проводились на образцах алюминия сплава Д16, изготовленных в виде двойной лопатки с размером рабочей части 25x5x1 мм: без покрытия и с МДО-покрытием по всей рабочей длине. Толщина полученного покрытия составляла (200 ± 2) мкм. Деформирование проводилось в вакууме =10-4 Па с постоянной скоростью 5-10-4 с-1 с помощью устройства нагружения, используемого в установке ИМАШ-9-66. Эмиссию электронов стимулировали в процессе деформации монохроматическим светом с длиной волны 340 нм от лампы ДКСШ-250 через интерференционный фильтр. Методика эксперимента и оборудование подробно описаны в работах [1, 2]. Экспериментальная техника позволяла одновременно снимать диаграммы а(є) и /(є). Исследование интенсивности фотостимулированной экзоэлектронной эмиссии (ФСЭЭ) в зависимости от степени деформации / = Хє) МДО-покрытий производили послойно. Для удаления поверхностного слоя образцы подвергали абразивному шлифованию кругами из карбида кремния зеленого (63С). Измерения ФСЭЭ проводили через 10 мин. после обработки. Микротвердость покрытия определяли на приборе ПМТ-3 в широком диапазоне нагрузок на индентор.

Результаты эксперимента и их обсуждение. Высокие эксплуатационные характеристики упрочненного

слоя МДО-покрытий обусловливаются содержанием стабильной высокотвердой модификации а-Л12О3 (корунд), доля которого значительна по всей толщине слоя покрытия на Д16 и максимальна в основной его зоне [3]. Именно эта фаза алюминия и будет оказывать непосредственное влияние на микротвердость и эмиссию экзоэлектронов, поскольку кинетика ФСЭЭ практически полностью определяется поверхностным слоем образца, а не материалом подложки.

Диаграммы а-е для образцов Л1 без покрытия и с МДО-покрытием носят обычный характер. Сравнение диаграмм растяжения испытуемых образцов показало, что при поверхностном упрочнении образцов из сплава Д16 наблюдается снижение прочности, что связано с уменьшением площади живого сечения металла, резким перепадом механических характеристик материала основы и покрытия (твердости, пластичности, модуля упругости и т. д.) и наличием остаточных напряжений [4].

При деформировании первичные дефекты (микро-поры, микротрещины и другие дефекты, возникающие при нанесении покрытия) постепенно соединяются друг с другом с последующим образованием на поверхности трещин, которые развиваются перпендикулярно направлению растягивающего напряжения и распространяются в глубину, достигая поверхности раздела покрытие-подложка.

Послойное исследование упрочненного слоя позволило установить изменение эмиссионных свойств по толщине. При этом было выявлено три зоны, для каждой из которых на рис. 1 приведена зависимость I = =Ле).

Характер кривых можно объяснить влиянием на интенсивность и кинетику ФСЭЭ таких факторов, как структурное состояние и толщина покрытия, пористость, адгезионная прочность системы покрытие-подложка, деформационно-прочностные свойства подложки [2]. Для наружного технологического слоя, по сравнению с остальными слоями, измеримое отклонение тока эмиссии от фонового значения регистрируется раньше и при меньшем значении нагрузки, что связано

Рис. 1. Изменение интенсивности ФСЭЭ в зависимости от степени деформации: 1 - Д16 с естественной оксидной пленкой, 2 - наружный технологический слой, 3 - основной слой

с рыхлой и пористой структурой слоя. Прочная связь зерен и связки в ячеистой структуре основного слоя МДО-покрытия требует большего значения нагрузки на образец, чем предыдущий слой. Зерна, обеспечивающие высокую стойкость материала, в то же время хрупки и при нагрузке раскалываются, что сопровождается ростом эмиссии экзоэлектронов. После прекращения деформации образца наблюдается затухание эмиссии.

На рис. 2 показано неоднородное распределение твердости по всему оксидному слою. Основная зона, в которой наблюдается экстремум микротвердости (—40 мкм от границы раздела покрытие-подложка), характеризуется по всей глубине повышенными значениями микротвердости в сравнении с остальными слоями и основным металлом.

Характер изменения микротвердости, как и интенсивности экзоэмиссии при пластической деформации, обусловлен структурной неоднородностью и фазовыми превращениями, связанными со спецификой образования покрытия в условиях МДО. При сопоставлении твердости и экзоэмиссии для каждого слоя прослеживается связь между эмиссионными и механиче-

Рис. 2. Изменение микротвердости по толщине упрочненного слоя Д16

скими свойствами металлов, что позволит в дальнейшем разработать объективный метод оценки упрочненного слоя вентильных металлов, получаемого методом МДО.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тихоненко В.В., Шкилько А.М. Изменение поверхностных свойств алюминия подвергнутого деформации растяжением // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. 2009. № 6/5 (42). С. 14-17.

2. Шкилько А.М. Экзоэмиссионная диагностика поверхности конструкционных материалов: монография. Харьков: «Ноулидж», 2009. 240 с.

3. Алехин В.П., Федоров В.А., Булычев С.И. и др. Особенности микроструктуры упрочненных слоев, получаемых микродуговым ок-

сидированием // ФХОМ. 1991. № 5. С. 121-126.

4. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б. и др. Микродуговое оксидирование (обзор) // Приборы. 2001. № 9. С. 13-23.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Tikhonenko V.V., Shkilko A.M. Influence of micro-arc treatment of aluminum on emission and mechanical characteristics Micro-arc oxide coatings on alloy D16 have been researched

during the tensile deformation by the methods of photostimulating

exoelectron emission and indentation. FSEE method is recommended for estimating quality of consolidated layer obtained by micro-arc treatment.

Key words: micro-arc oxidation; photostimulating exoelectron emission; plastic deformation; microhardness.