Микродуговое оксидирование — Современные технологии восстановления

В последние годы учеными РГАЗУ и ОрелГАУ проводится много исследований в области развития метода микродугового оксидирования (МДО), являющегося разновидностью метода плазменной электролитической анодной обработки (оксидирования). Микродуговое оксидирование – экологически чистая технология электроплазмохимического преобразования поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов в высокотемпературные модификации оксидов алюминия α — и γ -фаз .

МДО позволяет создавать на поверхности изделия керамические многофункциональные покрытия, отличающиеся высокой износостойкостью и прочностью сцепления, теплостойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред. Простота технологического оборудования, экологически чистые электролиты, отсутствие специальных требований к подготовке поверхности перед нанесением покрытий предопределяют перспективность метода МДО для машиностроения, а также восстановления и упрочнения изношенных деталей.

Технологическая установка (рис. 17) для нанесения МДО-покрытий состоит из источника технологического тока (ИТТ) 6 и технологической ванны 1, сообщающейся с емкостью 5 для охлаждения электролита и змеевиком 4 соединительными шлангами 3. Насос 2 служит для перекачки электролита из одной ванны в другую. Деталь 7 помещают в электролит и закрепляют на токоподводящей шине .

Рис. 17. Схема установки для микродугового оксидирования

При пропускании от ИТТ переменного тока на поверхности обрабатываемой детали возникают микродуговые разряды. В каналах разрядов образуется низкотемпературная плазма и происходят реакции, в ходе которых поверхностный слой детали преобразуется в высокотемпературные модификации оксидов алюминия α — и γ -фаз с включением в него компонентов электролита. В локальной зоне образования оксида электрическое сопротивление возрастает. Поэтому, когда слой покрытия достигает определенной толщины, микродуговые разряды перемещаются на соседние участки, где электрическое сопротивление ниже. И так продолжается до тех пор, пока сила тока не снижается до уровня, при котором процесс окисления прекращается. В результате получаются покрытия, сравнимые по износостойкости с карбидом вольфрама.

Под руководством докторов технических наук Батищева А. Н. и Кузнецова Ю. А. сотрудниками РГАЗУ и ОрелГАУ разработаны технологии восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов АК7ч ГОСТ 1583, АО3-7 ГОСТ 14113, АД1 (1013), АМг2 (1520), Д16 (1160) по ГОСТ 4784, а также коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632.

На рис. 18 представлена общая структурная схема технологий восстановления и упрочнения деталей с применением МДО .

Детали разбиты на группы по значению износа и для каждой группы разработана технология восстановления и упрочнения.

Детали из алюминиевых сплавов разделены на три группы:

• 1 группа – детали, с износом до 0,06 мм;
•  2 группа – детали, с износом от 0,06 до 3,0 мм;
• 3 группа – детали, с износом свыше 3,0 мм.

Для деталей первой группы рекомендуется технология восстановления и упрочнения деталей МДО. Технология включает подготовительную обработку (очистка и дефектация деталей, предварительная мехобработка, обезжиривание, изоляция мест, не подлежащих наращиванию и монтаж деталей на подвеску), наращивание (МДО) и обработку деталей после наращивания (демонтаж с подвески, снятие изоляции, промывка водой, сушка и контроль покрытий, финишная мехобработка покрытий и контроль). Для наращивания деталей из АК7ч и АО3-7 используют электролит состава № 1, содержащий KOH – 1,8…2,1 г/л, Na₂SiO₃ – 14…18 г/л. Плотность тока составляет 25…30 А/дм². Продолжительность обработки 100…110 мин. Толщина покрытия достигает 0,115 мм, а микротвердость – 8 ГПа.

Детали второй группы рекомендуется восстанавливать тремя комбинированными технологиями: расточкой под ремонтный размер с последующим упрочнением МДО, пластическим деформированием с последующим упрочнением МДО или сверхзвуковым газодинамическим напылением (ГДН) с 254

Рис. 18. Общая структурная схема технологий восстановления и упрочнения деталей с применением МДО

последующим упрочнением МДО. В первой комбинированной технологии используют те же режимы и электролит состава № 1, указанные в предыдущей технологии.

Для упрочнения деформируемых сплавов во второй комбинированной технологии рекомендуется электролит состава № 2, который включает КОН – 4…6 г/л, Н₃ВО₃ – 20…25 г/л, крахмал – 6…12 г/л. Добавка крахмала повышает работоспособность электролита до 2 раз. Упрочнение МДО производят при температуре электролита 20…40 °С, плотности тока 15…20 А/м² и продолжительности обработки 100…120 мин. Толщина упрочненного слоя достигает 0,15 мм, а микротвердость – 19 ГПА.

Сверхзвуковое ГДН производят при давлении воздуха 0,7 МПа, температуре 400 °С и дистанции напыления 10…15 мм. Для напыления используют порошок на основе алюминия А-80-13, фракцией 30…50 мкм. Обработку МДО осуществляют при плотности тока 18…22 А/дм² с продолжительностью оксидирования 100…120 мин. В электролит состава № 3 входят KOH – 2,9…3,6 г/л, Na₂SiO₃ – 4…6 г/л. Толщина упрочненного слоя достигает 0,135 мм, а микротвердость – 16 ГПА.

Для деталей третьей группы рекомендуется постановка дополнительной ремонтной детали из алюминия, упрочненной МДО. Для упрочнения используют электролит состава № 1.

Скорость изнашивания покрытий, полученных МДО на алюминиевых сплавах и напыленных поверхностях, в 4…6 раз ниже скорости изнашивания неупрочненных деталей.

Детали из коррозионностойких сталей также разделены на три группы:

1. группа – детали, работающие при небольших контактных нагрузках, с износом до 0,6 мм;
2. группа – детали, работающие при небольших и средних контактных нагрузках, с износом от 0,6 до 3,0 мм;
3. группа – детали, с износом свыше 3,0 мм.

Для деталей первой группы рекомендуется комбинированная технология восстановления и упрочнения – газопламенное напыление (ГПН) с последующим упрочнением МДО. Напыление производят порошковыми газопламенными горелками фирмы «TERMIKA»: «Искра-1» и «Искра-1В». Первоначально напыляют подслой порошком ПТ-Ю5Н толщиной 0,1…0,2 мм, затем основной слой – из алюминиевого порошка САС толщиной 0,15…0,3 мм.

Сцепляемость основного напыленного слоя зависит от фракции порошка и шероховатости подслоя (рис. 19 и рис. 20). Как видно из рис. 19 и 10.20, оптимальные фракции порошка D лежат в диапазоне 60…100 мкм, а шероховатость поверхности подслоя Rz – 60…120 мкм. Упрочнение МДО проводят с применением электролита состава № 2, при этом толщина упрочненного слоя достигает 0,125 мм, а микротвердость – 11 ГПА.

Детали второй группы рекомендуется восстанавливать комбинированной технологией – сверхзвуковым газодинамическим напылением (ГДН) с последующим упрочнением МДО. Режимы ГДН и МДО те же, что и при восстановлении алюминиевых деталей второй группы.

Рис. 19. Влияние фракции алюминиевого порошка на сцепляемость алюминия САС-2 с подслоем ПТ-Ю5Н: 1 – при отрыве; 2 – при сдвиге

Рис. 20. Влияние шероховатости подслоя ПТ-Ю5Н на сцепляемость с алюминием САС-2: 1 – при отрыве; 2 – при сдвиге

Для деталей третьей группы рекомендуется постановка алюминиевой дополнительной ремонтной детали, упрочненной МДО. Для упрочнения используют электролит состава № 1. Коррозионная стойкость покрытий с обработкой МДО повышается в 1,4…1,6 раза, а износостойкость – до 5 раз, в сравнении с аналогичными характеристиками стали 12Х18Н10Т.

Опыт восстановления шестеренных насосов НШ-32У-3 и НШ-10Е, насосов 50-3Ц7,1-20, поршней гидромуфты КП трактора «Fendt Favorit 824», валов стенда СПО-35-89 для укладки металлокорда автотракторных шин, показал высокую эффективность разработанных технологий.

В настоящее время наибольшее распространение в ремонтном производстве получил ванный способ формирования МДО-покрытий. При восстановлении данным способом крупногабаритных деталей возникает необходимость в значительном увеличении габаритных размеров ванн, существенно повышаются затраты на приготовление, контроль и корректировку электролита, которого в этом случае требуется на порядок больше. В виду того, что, как правило, восстанавливают не всю деталь, а лишь изношенные поверхности, значительно увеличивается площадь поверхности, подлежащая изоляции. По вышеуказанным причинам значительно увеличивается себестоимость восстановления.

В этой связи при восстановлении крупногабаритных деталей МДО представляется перспективным проточное оксидирование. Сущность метода заключается в том, что с помощью несложных устройств восстанавливаемые поверхности становятся стенками электролитической ячейки, через которую щелочестойким насосом прокачивается электролит. При этом возможно локальное восстановление и упрочнение поверхностей деталей практически любых габаритных размеров, отличающееся по сравнению с ванным способом, существенным снижением расхода электроэнергии. Благодаря интенсивному обновлению электролита и удалению газообразных продуктов из анодно-катодного пространства достигается более оптимальная структура МДО-покрытий и снижение в них остаточных напряжений.

Дальнейшее развитие МДО получило в работах д. т. н., профессора Коломейченко А. В. и его учеников . Разработана конструкция установки для проточного МДО внутренних цилиндрических поверхностей неразъѐмных подшипников скольжения с охлаждением электролита, принципиальная схема которой изображена на рис. 21.

При ее работе щелочестойкий насос 11 закачивает электролит из бака 9 и нагнетает его через трубопровод 12, охладитель 13 и подводящую трубу 14 во внутреннюю полость электролитической ячейки 6. В последней установлена оксидируемая деталь 1 и электрод 7 в форме цилиндра из нержавеющей стали, который через кольцо 2 крепится к пластине 3 при помощи болта 4 и гайки 5. В это же время через входной патрубок 15 в секцию охлаждения охладителя 13 подаѐтся охлаждающий реагент, который после заполнения секции отводится через выходной патрубок 16. Когда оксидируемая деталь 1 полностью покрывается электролитом, последний через отводную трубу 8 поступает в бак 9 и одновременно включается блок питания.

Чем выше плотность тока, тем интенсивнее протекает процесс. Однако с ростом тока протекающего через электролит, последний сильно нагревается.

Происходит его частичное испарение, перегрев изоляции токопроводов и подвески и в определенный момент времени рост упрочненного слоя покрытия начинает замедляться. Это связано с тем, что при высокой температуре электролит начинает частично растворять формирующееся МДО-покрытие, что приводит к уменьшению его толщины и образованию дополнительной пористости.

Рис. 21. Установка для проточного МДО деталей с охлаждением электролита

Кроме этого понижается пассивация оксидируемой поверхности, из-за чего электрический пробой происходит при меньших значениях напряжения и это, в свою очередь, является причиной уменьшения содержания в упрочнѐнном слое высокотемпературной упрочняющей фазы αAl₂O₃. Поэтому для осуществления процесса при высокой плотности тока необходимо охлаждение электролита.Наиболее эффективным методом охлаждения детали, на поверхности которой формируется МДО-покрытие, является метод внутреннего охлаждения. Однако его реализация отличается сложностью, так как кроме пропускания через деталь электрического тока, необходимо осуществить подачу и отвод охлаждающего реагента, который должен циркулировать внутри детали и не смешиваться с электролитом при оксидировании.

Существует более простой метод охлаждения детали – метод наружного охлаждения. При его применении деталь охлаждается непосредственно электролитом, который должен иметь постоянную температуру, изменяющуюся в незначительных пределах. Для этого в контур циркуляции проточной установки встраивают охладитель, в котором электролит отдаѐт своѐ тепло охлаждающему реагенту (холодной воде, фреону или хладону R134А).

Благодаря непрерывному охлаждению электролита при его проточном циркулировании по системе прокачки установки, температура электролита поддерживается в интервале 8…10 °С, поэтому формирование МДО-покрытий можно осуществлять при более высокой плотности тока, что увеличивает их толщину и улучшает физико-механические свойства (табл. 2).

Таблица. 2 Свойства покрытий, полученных при проточном МДО

Как видно из табл. 2, применение проточного МДО деталей с охлаждением электролита позволяет до 50 % увеличить толщину и коррозионную стойкость упрочнѐнного слоя МДО-покрытия, а также на 15 % – его микротвѐрдость. При этом пористость и интенсивность изнашивания снижаются.

Наибольшая производительность достигается тогда, когда при оксидировании создаѐтся турбулентный режим течения электролита, который достигается при скорости потока более 1 м/с.

Микродуговое оксидирование в проточном электролите имеет следующие преимущества:

1. интенсивное перемешивание электролита и пополнение его новыми обогащенными порциями приводит к улучшению физико-механических свойств и повышению качества покрытий;
2. постоянная подача свежего электролита и барботирование сжатым воздухом зоны горения микродуговых разрядов приводит к инициированию последних, тем самым увеличивается производительность оксидирования;
3. уменьшается насыщенность покрытия и материала подложки выделяющимся при оксидировании водородом;
4. увеличивается срок службы электролита и, соответственно, интервалы времени между его заменами;
5. значительно уменьшается количество используемого электролита, что снижает себестоимость восстановления;
6. процесс формирования упрочняющих покрытий отличается высокой стабильностью, что позволяет рекомендовать способ в массовом производстве для получения покрытий с заданными свойствами.

Механизм формирования покрытий способом МДО полагает наличие в них сквозной пористости, которая определяет защитные свойства покрытий при работе в контакте с агрессивными средами. При граничном трении в покрытиях, сформированных МДО, при определенных условиях эксплуатации может проявляться увеличение фрикционных свойств. Это приводит к тому, что деталь с покрытием МДО вызывает повышенное изнашивание сопрягаемой детали, действуя на нее как абразив.

Проблема повышения коррозионной стойкости покрытий МДО решена путем оптимизации режимов МДО, обеспечивающих снижение сквозной пористости покрытия. Для повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей машин предложено наполнять маслом покрытие, сформированное МДО, или наносить на него медный слой оригинальным фрикционно-механическим способом .

Натирающая медная пластина 1 прижимается с усилием F_п к покрытию МДО 4 и перемещается относительно нее со скоростью V_cк (рис. 22).

Рис. 22 – Схема взаимодействия натирающей пластины с покрытием, сформированным МДО, при фрикционно-механическом нанесении медного слоя: 1 – натирающая пластина из меди; 2 – теплоизолирующее оксидное покрытие, сформированное МДО; 3 – нажимной элемент устройства для натирания; 4 – покрытие, сформированное МДО; 5 – деталь

Пластина из технически чистой меди марки М2 закреплена на нажимном элементе устройства для натирания 4. Между ними размещено оксидное покрытие 2. Так как медная пластина контактирует с обеих сторон с керамическими (оксидными) покрытиями она имеет ограниченный теплоотвод в окружающую среду. Поэтому при движении пластины ее температура повышается до значения, при котором происходит ее рекристаллизация и перенос на поверхность покрытия с образованием сплошного медного слоя.

Исследованиями установлены оптимальные параметры МДО: концентрация компонентов электролита, г/л: КОН -3, Na₂SiO₃ – 10, остальное – дистиллированная вода; режимы МДО: плотность тока – 20 А/дм², температура электролита – 20⁰С, продолжительность МДО – 2 часа. Оптимизация состава электролита и режимов МДО позволила снизить сквозную пористость покрытий с 14…15 до 3…4%.

Определены оптимальные режимы фрикционно-механического нанесения медного слоя на поверхность покрытия, сформированного МДО: контактное давление – 15МПа, скорость скольжения – 0,5 м/с, толщина натирающей пластины – 0,05….0,10 мм, продолжительность нанесения – 230….240 с, смазка контактирующих поверхностей – технический глицерин, которые позволяют получить медный слой толщиной 4,0….4,5 мкм и шероховатостью R_а = 0,63 мкм.

На рис. 23. показаны результаты исследования нагрузочной способности различных вариантов исполнения покрытий МДО. Из рисунка следует, что наполнение маслом веретенным АУ покрытия МДО пористостью 14…15% увеличивает нагрузочную способность подвижного соединения «сталь – покрытие в 1,8 раза, а фрикционно-механическое нанесение на его поверхность медного слоя – в 2,8 раза. Дальнейшие исследования показали, что при наполнении маслом покрытия МДО пористостью 14…15% износостойкость подвижного соединения «сталь – покрытие увеличивается в 1,7 раза, а при нанесении на его поверхность пористостью 3…4% медного слоя – в 4,5 раза.

В результате обобщения результатов исследований учеными ОрелГАУ разработаны комбинированные технологии восстановления и упрочнения, которые показаны на рис. 24.

Рис. 23. Нагрузочная способность для соединений «сталь – покрытие», сформированное МДО: пористостью 3…4%» (1), пористостью 14…15%» (2), пористостью 14…15% наполненное маслом» (3), пористостью 3…4% с медным слоем» (4)

Комбинированные технологии включают наплавку, пайку, электродуговую металлизацию, обжатие, изготовление дополнительной ремонтной или новой детали, с последующим нанесением керамического покрытия микродуговым оксидированием. В зависимости от износа, площади повреждения, типоразмера и материала деталей, а так же наличия на конкретном предприятии ремонтнотехнологического оборудования, восстановление или изготовление новых (ремонтных) изделий рекомендуется проводить по одному из маршрутов, представленных на рисунке. Толщина упрочненного слоя после удаления технологического составляяет: на деформированном сплаве Д16 – 150 мкм; на литейных сплавах АК7ч и АК9ч, на литейном АК7ч и специальном АО3-7 после обжатия, на припое ПА12 и на сварочных проволоках СвАМr6, СвАК5, СвАК9М2 – 120 мкм, а его сквозная пористость составит не более 4%. Оптимальная шероховатость покрытия для нанесения медного слоя Rа = 1,20…1,25 мкм.

Рис. 24. Структурная схема комбинированных технологий восстановления изношенных и изготовления новых (ремонтных) деталей с упрочнением МДО для повышения долговечности рабочих поверхностей деталей машин