Модифицирование поверхностей

 

Модифицирование поверхностей

 

Искровое упрочнение поверхностей в электролите

Перспективным и интенсивно развивающимся направлением в повышении эксплуатационных свойств материалов является создание на деталях поверхностных слоев, обладающих повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью. Покрытия, нанесенные традиционными способами, в ряде случаев не обеспечивают требуемые характеристики или по тем или иным причинам неприемлемы. Одним из перспективных методов упрочнения поверхностей является метод искрового упрочнения. Процесс искрового упрочнения может осуществляться в газовой среде, а также в среде электролита.

Суть электролитического метода состоит в электрохимическом окислении анода – заготовки. В отличие от обычного анодирования, процесс обработки происходит при повышенных плотностях тока и напряжения, в результате чего на поверхности обрабатываемой детали возникают искровые разряды. Под действием искровых разрядов на поверхности заготовки образуется модифицированный слой металла, прочно сцепленный с подложкой и обладающий высокой микротвердостью до 24 ГПа (HRC 170) и толщиной 50 – 300 мкм. Данный метод поверхностной обработки позволяет получать покрытия с уникальным комплексом физико-механических свойств на материалах вентильной группы – алюминии, титане, магнии, их сплавах.

Посредством искровых разрядов на поверхности деталей формируются упрочненные слои, свойства которых обусловлены наличием в их составе высокотемпературных кристаллических оксидов. Упрочненные слои, формируемые на алюминиевых сплавах, состоят в основном из оксидов алюминия, а точнее из комбинации a-Al2O3 (микротвердость 24 ГПа) и g-Al2O3 (микротвердость 14 ГПа). Соотношение между a- и  g - фазами  определяется параметрами процесса. Упрочненные слои на титановых сплавах имеют в своей структуре не только оксид титана, но и титанат алюминия, что позволяет получить твердость покрытия 10-12 ГПа (HRC 74 – 88). Покрытия на магниевых сплавах имеют твердость 4-8 ГПа (HRC 30 – 60), такие слои обеспечивают высокую износостойкость и коррозионную стойкость поверхности.

При формировании упрочненного слоя геометрические размеры детали не изменяются, что позволяет проводить финишную обработку до формирования покрытия. Технология позволяет получать на деталях сложной конфигурации и внутренних полостях упрочненные слои толщиной до 200 – 300 мкм, прочно сцепленные с основой. Еще одно достоинство – технология является экологически чистой.

Наиболее широко искровое упрочнение применяется для обработки поверхностей деталей из алюминиевых сплавов. Основные свойства поверхности, сформированной методом искрового упрочнения в среде электролита на алюминиевых сплавах, следующие:

  • высокая твердость до 24 ГПа;
  • низкий коэффициент трения f = 0,01 – 0,005;
  • высокая износостойкость, в 1,5 – 3 раза превышающая износостойкость хромированных поверхностей;
  • теплостойкость до 2200° С;
  • коррозионная стойкость в различных средах на уровне коррозионно-стойких сталей;
  • диэлектрическая прочность 10 – 20 В/мкм;
  • толщина слоя до 300 мкм;
  • чистота поверхности Rz ~ 1 – 40 мкм (без удаления технологического слоя), Ra ~ 0,04 – 0,08 (после полирования).

Экспериментальная технологическая установка, имеющаяся на кафедре, позволяет отладить технологический процесс упрочнения поверхностей деталей из алюминиевых, титановых и магниевых сплавов и изготовить образцы для испытаний.

Достоинства упрочненных слоев и области применения:

 

Свойство

Область применения

Достоинства

Износостойкость

Цилиндропоршневая группа ДВС, корпусные детали ДВС и турбокомпрессоров, подшипники скольжения, детали компрессоров холодильных машин и гидроагрегатов топливной аппаратуры, детали двигателей для беспилотной авиации и малой механизации. Детали из алюминиевых сплавов, работающие в условиях эрозионного износа.

Повышение износостойкости в 10 – 15 раз, снижение механических потерь на 40 – 50%, снижение веса и материалоемкости,  снижение термонагрузок

Коррозионная стойкость

Корпусные детали автомобилей и колесные диски, детали двигателей,  корпуса центрифуг и нагревательные элементы бытовой техники

Повышение срока эксплуатации в 4 – 8 раз

Антифрикционные

свойства

Подшипники скольжения, вкладыши и опорные подшипники гидротурбин, компрессоров и турбокомпрессоров, подошвы электроутюгов

Снижение коэффициента трения в 10 – 100 раз, замена дорогостоящих материалов, повышение срока эксплуатации в 10 раз.

Диэлектрические

Вторичные источники питания средней мощности, химические лазеры, стабилизаторы напряжения

Замена дорогостоящих материалов, упрощение процесса сборки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процесс микродугового оксидирования                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       Гильза двигателя сапог-скороходов   с МДО-слоем. Материал гильзы - Д16Т.

Микротвердость рабочей поверхности 12 -16 ГПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Поршень двигателя ЭМ-100 с МДО слоем.

Поршневое кольцо из алюминиевого сплава с МДО-слоем.                                                                                                                                                                                                                          

Материал кольца – Д16Т.  Микротвердость рабочей поверхности кольца  10 –15 ГПа.