МИКРОДОҒАЛЫҚ ОКСИДТЕУ РЕЖИМДЕРІНІҢ ТҮЗІЛЕТІН БЕТТІҢ ҚАСИЕТТЕРІНЕ ӘСЕРІ

​INFLUENCE OF MICROARC OXIDATION MODES ON THE PROPERTIES OF THE FORMED SURFACE

Akerke Shoyenbayeva

graduate student, East Kazakhstan Technical University,

Kazakhstan Ust-Kamenogorsk

Didar Eskermasov

scientific adviser, PhD, associate professor, East Kazakhstan Technical University,

Kazakhstan Ust-Kamenogorsk

АҢДАТПА

Қазіргі заманғы машина жасаудың және атап айтқанда қозғалтқыштың негізгі тенденциялары сөзсіз артықшылықтардың барлық кешеніне ие алюминий қорытпаларын қолдануды кеңейтуге бағытталған: төмен тығыздық, жоғары жылу өткізгіштік, жеткілікті беріктік. Алайда, алюминий қорытпаларының бір маңызды кемшілігі бар-тозуға төзімділігі мен төзімділігінің төмендігі. Бөлшектерді беттік қатайту әдісін қолдану — микродоғалық оксидтеу (МДО) бұл мәселені шеше алады.

Бұл жұмыста силикат-сілтілі электролит концентрациясының және микродугты оксидтеу (МДО) процесінің электр режимдерінің алюминий қорытпаларында түзілетін беттің қасиеттеріне әсері зерттелді. Электролит концентрациясы мен электр режимдерінің мәндерін МДО қабатының қалыңдығы мен микроқаттылығымен байланыстыратын регрессия теңдеулері алынды.

ABSTRACT

The main trends of modern mechanical engineering and the engine in particular are aimed at expanding the use of aluminum alloys, which have a whole complex of undeniable advantages: low density, high thermal conductivity, sufficient strength. However, aluminum alloys have one significant drawback - low wear resistance and durability. The application of the method of surface hardening of particles — microarc oxidation (MDO) can solve this problem.

In this paper, the influence of the concentration of a silicate-alkaline electrolyte and the electrical modes of the microarc oxidation process (MDO) on the properties of the surface formed in aluminum alloys is investigated. Regression equations linking the values of the electrolyte concentration and electrical modes with the thickness and microhardness of the MDO layer are obtained.

Түйінді сөздер: микродоғалық оксидтеу, беріктендіру, бет, микроқаттылық, қалыңдық, алюминий қорытпалары.

Keywords: microarc oxidation, hardening, surfaces, microhardness, thickness, aluminum alloys.

Кіріспе

Микродоғалық оксидтеу -металдар мен қорытпалардан жасалған бұйымдарды беттік өңдеудің ең перспективалы түрлерінің бірі, ол жақында әртүрлі салаларда кеңінен таралды. Әдетте МДО алюминий мен оның қорытпаларының бөліктерінде көп функциялы тозуға және коррозияға төзімді, диэлектрлік, ыстыққа төзімді және сәндік жабындарды қалыптастыру үшін қолданылады.

МДО әдісі жоғары микроқаттылығы - 5...24 ГПа  болатын және Al, Mg, Ti, Ta, Nb, Zr, Be және олардың қорытпаларында едәуір қалыңдықта —400 мкм дейін түрлендірілген үстіңгі қабаттарды алуға мүмкіндік береді [1, 3]. Тозуға төзімділігі бойынша МДО қабаттары вольфрам карбиді негізіндегі композициялық материалдардан кем түспейді және 45 болаттан (HRC 42) 6-14 есе артық. МДО әдісімен қалыптасқан беткі қабаттардың тағы бір ерекшелігі-жабынның субстратқа жоғары адгезиясы. Сонымен қатар, барлық басқа жабындардан айырмашылығы, МДО қабатының қалыңдығының жоғарылауымен субстратқа адгезиялық беріктігі артады.

МДО технологиясы арнайы қондырғыда экологиялық қауіпсіз электролитті пайдалану арқылы іске асырылады. Процестің физикалық мәні мынада: дайындаманың бетінде пайда болатын доғалық және ұшқын разрядтарының әсерінен субстрат материалы ериді және оның газ ортасы мен электролиттің молекулалары мен атомдарымен әрекеттесуі жүреді, нәтижесінде наноқұрылымды жабын немесе корундтан тұратын модификацияланған беткі қабат пайда болады () [1, 5]. Химиялық құрамы мен құрылымының ерекшеліктеріне байланысты МДО қабаттары жоғары механикалық қасиеттерімен, жылу төзімділігімен, тозуға және коррозияға төзімділігімен сипатталады [1, 2].

Жоғарыда аталған қасиеттерге байланысты mdo алюминий қорытпаларынан жасалған әртүрлі түйіндердің, машиналар мен механизмдердің бөлшектерінің бетінің тозуға төзімділігін арттыру үшін кеңінен қолданылады.

Цилиндр, поршень және клапан орындықтары сияқты іштен жану қозғалтқышының (ІЖҚ) бөліктерінде МДО қолдану мысалдары белгілі. Жоғарыда аталған ІЖҚ бөлшектері жоғары жүктемелер, температура, үйкеліс, коррозиялық ортаның болуы кезінде күрделі жағдайларда жұмыс істейтініне қарамастан, МДО-қабаттар өздерінің жоғары жұмыс қабілеттілігін ғана емес, сондай-ақ қозғалтқыштардың сенімділігінің айтарлықтай артуына ықпал етті. Жүгіруді механикаландыру құрылғысының (ЖМҚ) ішкі жану қозғалтқышында mdo жабынын қолданудың оң тәжірибесі. Бұл жағдайда дәстүрлі шойын жеңі пайдаланылмайды, оның орнына D16T алюминий қорытпасы цилиндрінің беті МДО әдісімен нығайтылады.

Нәтижесінде жоғары микроқаттылыққа және тозуға төзімділікке ие қабат пайда болады, алюминий қорытпасынан жасалған цилиндрді қолдану арқылы ЖМҚ массасын азайтуға болады, mdo қабатының арқасында цилиндр айнасының жоғары тозуға төзімділігі қамтамасыз етіледі. Оң жағында МДО жабыны және бөлшектерде IЖҚ коспрессор саптамаларын қолданған кезде өзін көрсетті.

МДО енгізу саласындағы жетістіктерге қарамастан, бірқатар проблемалар бар. Қазіргі уақытта микродугты тотығу технологиясы қалыптасу сатысында. Микродугты тотығу механизмінің көптеген аспектілері әлі күнге дейін ашылмаған, бұл процеске ішкі және сыртқы факторлардың әсері туралы жүйелі ақпарат жоқ, әдіс атауы мен қол жеткізілген нәтижеге қатысты бірыңғай терминология әзірленбеген, МДО процесінде қатайған қабаттың пайда болуын қамтамасыз ететін электр разрядының сипатына қатысты келісім жоқ. Бүгінгі таңда осы процестің теориялық мәселелерін зерттеу бойынша да, олардың тиімділігін арттыру үшін технологиялық әдістер мен құралдарды жетілдіру, өңделген қорытпалардың номенклатурасын кеңейту, жаңа электролиттер мен оңтайлы режимдердің жартысы, сондай-ақ оларды жүзеге асыруға мүмкіндік беретін жаңа технологиялық қуат көздерін құру бойынша жұмыстар жалғасуда [6].

1. Міндеттерді қою

МДО қабатын қалыптастыру кезінде пайда болады негізінен оның сапасына әртүрлі факторлардың көп мөлшері әсер ететіндігімен байланысты проблемалар: электролиттің құрамы, концентрациясы және температурасы, өңдеу ұзақтығы, дайындама материалының химиялық құрамы мен құрылымы, сонымен қатар МДО процесінің электр режимдері [7, 8]. Сонымен қатар, mdo процесін жүзеге асырудың көптеген жолдары бар, олар бір-бірінен электролит құрамымен және/немесе электр тізбектерімен ерекшеленеді [1, 6]

Қазіргі уақытта mdo үшін электролиттердің көптеген рецептері белгілі, бірақ жалпы жағдайда олардың құрамы дайындаманың материалына және қалыптасқан қатайтылған қабаттың қасиеттеріне байланысты. Әдетте электролит-бұл клапан металдарымен әрекеттесуге қабілетті тұздардың, қышқылдардың және жібектің ерітіндісі. Ең қарапайым электролит – cиликат болып табылады, ол Na₂SiO₃ сұйық әйнек негізінде дайындалады. Жоғары сапалы МДО қабатын алу үшін электролитке аз мөлшерде КОН немесе NаОН қосылады [9]. Сондай-ақ, электролитте Nа₃AlF₆, С₄Н₅О₆К, NаF және т.б. сияқты органикалық қышқылдардың тұздары болуы мүмкін. Бұл қоспалар қалыптастырылатын МДО қабатының қасиеттерін басқаруға мүмкіндік береді: микроқаттылықты өзгерту, не ыстыққа төзімділікті арттыру, не сапасы мен сыртқы түрін жақсарту.

Технологиялық жабдықтың маңызды бөлігі болып табылатын технологиялық ток көздерінің схемалары да бір-бірінен ерекшеленеді. Жағдай мынада, кең қолданудың стандартты көзі әлі жоқ. Шартты түрде барлық технологиялық ток көздері екі түрге бөлінеді: оң тұрақты кернеуде және айнымалы токта жұмыс істейді. Соңғысы, өз кезегінде, "конденсатор" және "трансформатор" болып бөлінеді [6].

МДО қондырғыларының жоғарыда аталған Электр тізбектерінің және электролиттердің ең көп тарағаны конденсатор тізбегі мен Силикат-сілтілі электролит қондырғысы болды. Себебі, конденсаторлық схемамен МДОқондырғысы mdo процесін қарапайым және кең таралған тәсілмен жүзеге асыруға мүмкіндік береді, ал тазартылған су, сұйық әйнек (Na₂SiO₃) және калий гидроксиді (КОН) тұратын Силикат-сілтілі электролит ең экологиялық таза және арзан болып табылады. Сонымен қатар, орнатудың бұл түрі мен электролиттің құрамы қанағаттанарлық сападағы МДО қабаттарын қамтамасыз етеді.

Қазіргі уақытта МДО процесі әзірлену үстінде, бірақ электролит құрамы мен электр режимдерінің қалыптасатын МДО қабатының сапасына әсері туралы белгілі бір ақпарат бар [7, 8]. Алайда, бұл ақпараттың барлығы негізінен кеңестік сипатқа ие және қазіргі уақытта қажетті қасиеттері бар қатайтылған беткі қабаттарды алу үшін МДО процесінің технологиялық режимдерін таңдауға мүмкіндік беретін эмпирикалық тәуелділіктер жоқ.

Сондықтан жұмыстың мақсаты тұжырымдалды: селикат-сілтілі электролитті пайдалану кезінде МДО қондырғысының конденсаторлық схемасы үшін жарамды болатын МДО процесінің әртүрлі факторларының МДО қабатының сапасына әсер етуінің эмпирикалық тәуелділіктерін алу.

2. Зерттеу әдістемесі

МДО процесінің физикалық негіздерін талдау нәтижесінде келесі негізгі факторлар қалыптасқан қабаттың сапасына әсер ететіндігі анықталды:

• электролиттің құрамы және оның компоненттерінің концентрациясы;
• процестің электр режимі;
• электролит температурасы;
• өңдеу ұзақтығы [2, 10].

Сондай-ақ, зерттеу жүргізу кезінде олардың санын азайту мақсатында МДО қабатының сапасына әсер ету тұрғысынан процесс факторларына талдау жүргізілді. МДО қабатының сапасына әсер ететін негізгі факторлар ретінде таңдалды:

• КОН электролиттегі сілтінің концентрациясы, г / л;
• Na₂SiO₃сұйық шыны электролиттегі концентрация, г / л;
• қондырғының конденсатор батареясының сыйымдылығымен анықталатын электр режимдері.:

Әдетте ток тығыздығы МДО процесінің электр режимін сипаттайтын көрсеткіш ретінде қолданылады. Алайда, МДО-дағы ток тығыздығының мәні тәуелсіз фактор емес. МДО-дағы ток тығыздығына электролит компоненттерінің концентрациясы және қондырғы конденсаторларының сыйымдылығы әсер етеді [1, 2, 6]. Сондықтан электр режимін сипаттайтын mdo процесінің анықтаушы факторы ретінде mdo қондырғысының қуат көзінің конденсатор батареясының сыйымдылығы қабылданды. Бұл жағдайда үлгілердің ауданы тұрақты болды. Бұл тәсіл, әрине, басқа аймақтың үлгілері үшін алынған эмпирикалық теңдеулерді қолдануды шектейді, бірақ сонымен бірге процестің барлық басқа факторларының қалыптасқан қабаттың сапасына әсер ету дәрежесін анықтайды. Электролиттің температурасы процестің жеке факторы ретінде пайдаланылмады, өйткені қолданыстағы ұсыныстарға сәйкес [7] МДО қабатының ең жақсы сапасын алу үшін электролиттің температурасы 45 °С-тан аспауы керек, оны МДО зертханалық қондырғысының салқындату жүйесі қамтамасыз етті.

Осылайша, МДО процесінің факторлары ретінде:

• х₁ - қондырғы конденсаторларының сыйымдылығы, мкФ;
• х₂ – n₁ сұйық шынының концентрациясы, Na₂SiO_3, г / л;
• х₃ – n₂ концентрация және сілтілік, КОН, г/л.

Шығу параметрлері ретінде таңдалды:

• у₁ - муллитті есепке алмағанда қатайған қабаттың қалыңдығы h, мкм;
• у₂ - қабаттың микроқаттығы Н_µ, ГПа.

МДО қабатының микроқаттығы мен қалыңдығы негізгі шығу параметрлері ретінде таңдалды, өйткені бөлшектердің сенімділігі оларға тікелей байланысты: микроқаттылық беттің тозуға төзімділігіне тікелей әсер етеді, ал қатайтылған қабаттың қалыңдығы бөліктердің ресурсын анықтайды.

Нәтижесінде үш факторға арналған 2 типті толық факторлық эксперимент жоспарланды (1-кесте). Электролит компоненттері концентрациясының шекті мәндері қолданыстағы ұсыныстар негізінде таңдалды [2, 6]. Процестің ұзақтығы 2 сағат болды — бұл уақыт жоғары сапалы МДО қабатын алу үшін жеткілікті.

Кесте 1

Факторлардың деңгейлері және өзгеру аралықтары

2-кестеде эмпирикалық теңдеулерді алу үшін қажет болатын экспериментті жоспарлау матрицасы берілген.

Кесте 2

Экспериментті жоспарлая матрицасы

Үлгілер диаметрі 32 мм және қалыңдығы 3 мм болатын d16t алюминий қорытпасынан жасалған, олардың беті алдын-ала тегістелген. Үлгілерді өңдеу ауданы ≈ 1660 мм² болды. Электролиттің көлемі 50 литр дистилденген су болды, оған эксперимент жоспарына сүйене отырып,қажетті мөлшерде Na₂SiO₃ және КОН қосылды.

Эксперименттік қондырғының схемасы 1-суретте көрсетілген. Үлгі 1 алюминий сымына бекітіліп, ток өткізетін орын электролитке тиіп кетпеуі үшін электролитке 2 батырылды. Сондай-ақ, тот  баспайтын 18XH болаттан жасалған катоды 3 электролитке батырылды, ал өңделген үлгінің өзі анод болды.

Катод пен анод бір-біріне параллель 15…20 см қашықтықта орналастырылды (1-сурет). Үлгі мен электрод бүкіл МДО процесінде қозғалыссыз болды. Электрлік орнату режимі (қондырғының қуат көзінің конденсатор батареясының сыйымдылығы) эксперимент жоспарына сәйкес таңдалды. Өңдеу аяқталғаннан кейін үлгі ток жүйесінен ажыратылып, ағынды сумен жуылады.

Сур. 1. Электролиттік ваннаның схемасы:

1 - нығайтылатын үлгі (анод); 2 - электролит; 3 - тот баспайтын болаттан жасалған катод; 4 - электролиттік ванна; 5 - ток өткізгіш; 6 - электродтарға арналған бекіту

Силикат электролиттерінде пайда болатын МДО қабаттарының ерекшелігі-қатайтылған қабат құрылымдық гетерогенділікке ие. Егер МДО қабатының негізгі бөлігі тығыз және жоғары қатты алюминий оксидінен тұрса, онда қатайған қабаттың бетінде муллит қабаты (Al₂O₃*SiO₂)пайда болады, ол кеуекті және борпылдақ құрылымымен сипатталады [6]. Муллит әдетте кейінгі өңдеу кезінде жойылады.

Экспериментте МДО қабатының микроқаттығы мен қалыңдығы үш нүкте бойынша өлшеу негізінде орташа арифметикалық мәндер ретінде анықталды.

Муллитпен МДО қабатының қалыңдығы эксперимент барысында анықталғанымен, негізгі шығу параметрі ретінде пайдаланылмады. Өлшеулер келесі жабдықтардың көмегімен жүргізілді: МДО қабатының қалыңдығы 77210 қаптаманың портативті қалыңдығы өлшегішімен үлгілерді бұзбай анықталды; микроқаттылық 200 г жүктемемен НVS-1000 микроқаттамасында өлшенді.

3. Тәжірибе нәтижелері

Жүргізілген эксперименттердің нәтижесінде МДО қабаты бар үлгілер алынды (сурет. 2). Муллит МДО қабатының параметрлерін муллитпен өлшеу үшін үлгінің тек бір жағынан механикалық түрде алынып тасталды (сурет. 2, а) және онсыз (сурет. 2, 6). Эксперимент нәтижелері 3- кестеде келтірілген.

Сур. 2. МДО әдісімен қапталған үлгілер

a) муллитпен үлгі

b) муллит қабаты жоқ үлгі

Кесте 3

Эксперимент нәтижелері

Эксперимент нәтижелерін эмпирикалық тәуелділікке біріктіру үшін өзара әрекеттесу әсерімен регрессия теңдеуі жасалды [9]:

4-кестеде эмпирикалық теңдеулерді алу үшін қажетті факторлардың кодталған мәндері және олардың туындылары көрсетілген.

Кесте 4

Эмпирикалық теңдеулерді алу үшін қажетті факторлардың кодталған мәндері және олардың туындылары

Нәтижесінде келесі регрессия теңдеулері алынды:

Эмпирикалық формулалар бойынша есептелген және өлшеу арқылы алынған мәндерді салыстыру үшін олардың арасындағы айырмашылық ұсыныстарға сәйкес есептелді. Нәтижелер 5-кестеде келтірілген. Сондай-ақ, алынған теңдеулердің жеткіліктілігі тексерілді.

Кесте 5

Есептеулер нәтижелері

Алынған модельдің барабарлығын тексеру үшін келесі формула бойынша анықталған Фишер критерийі қолданылды [11]:

Мұндағы, - жеткіліктілік дисперсиясы,  - репродуктивтілік дисперсиясы.

Фишердің F - өлшемінің мәні 5% маңыздылық деңгейінде кесте бойынша анықталды, содан кейін (2) формула бойынша есептелген Фишер өлшемімен салыстырылды. МДО қабатының қалыңдығын теңдеу үшін:

Микроқаттылық теңдеуі үшін:

Фишер критерийінің есептелген мәндері екі жағдайда да F = 6,9 кестелік мәнінен аспайтындығына байланысты алынған модельдер барабар деп саналады.

Жұмысты жүргізу нәтижесінде МДО қабатының микроқаттылығы мен қалыңдығының электролит концентрациясына және процестің электрлік режимдеріне тәуелділігін көрсететін эмпирикалық теңдеулер алынды:

Алынған модельдің барабарлығын тексеру үшін келесі формула бойынша анықталған Фишер критерийі қолданылды [11]:

Алынған теңдеулердің көмегімен электролиттің берілген концентрациясына және процестің электрлік режимдеріне (қуат көзі конденсаторларының сыйымдылығы) негізделген МДО қабатының қалыңдығы мен микроқаттылығының мәндерін есептеуге болады.

Қорытындылар мен нәтижелер

1. Жұмыс нәтижесінде электролит концентрациясының және процестің электрлік режимдерінің МДО қабатының микроқаттығы мен қалыңдығына әсерін көрсететін регрессия теңдеулері алынды.

2. Алынған теңдеулер мен эксперимент нәтижелерін талдау кезінде ең жоғары микроқаттылыққа келесі режимдерде қалыптасқан МДО қабаты ие екендігі анықталды: КОН (n₂) - 2 г/л, Na₂SiO₃ (n₁)- 2 г/л., С — 100 мкФ, ал ең жоғары қалыңдығы - электролиттің сол концентрациясында, бірақ С - 400 мкФ.

3. Теңдеулерді талдай отырып, МДО қабатының қалыңдығы мен микроқаттылығына электролит құрамы үлкен әсер етеді деп қорытынды жасауға болады. Сонымен қатар, Na₂SiO₃ және KOH концентрациясының жоғарылауымен МДО қабатының қалыңдығы төмендейді, ал микроқаттылық артады.

Әдебиеттер тізімі:

1. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с.
2. Горчаков А. И., Щербаков Ю. В., Бородин Н. М. Формирование покрытий увеличенной толщины на сплавах алюминия при микродуговом оксидировании // Технология металлов. 2006. № 1. С. 39-41.
3. Дударева Н. Ю. Моделирование процесса формирования упрочненного слоя при микродуговом оксидировании алюминиевых образцов // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. №3. С. 63-65.
4. Дунькин О. Н., Ефремов А. П., Крит Б. Л. и др. Влияние параметров микродугового оксидирования на свойства покрытий, формируемых на алюминиевых сплавах // Физика и химия обработки материалов. 2000. №2. С.49-53.
5. Малышев В. Н., Колмаков А. Г., Бунин И. ж. Оптимизация режимов получения и свойств оксидных покрытий на алюминиевом сплаве с использованием метода мультифрактального анализа // Физика и химия обработки материалов. 1997. №5. С.77-84.
6. Малышев В. Н., Марков Г. А., Федоров В. А. Особенности строения и свойства покрытий, наносимых методом микродугового оксидирования // Химическое и нефтяное машиностроение. 1984. № 1. С. 26-27.
7. Маркова Г. А., Слонова А. И., Терлеева О. П. Химический состав, структура и морфология микро-плазменных покрытий // Защита металлов. 1997. Т. 33. №3. С.289-294.
8. Руднев В. С., Гордиенко П. С., Курносова А. Г., Овсянникова А. А. Влияние электролита на результат микродугового оксидирования алюминиевых сплавов // Защита металлов. 1991. Т. 27. № 1. С. 106-110.
9. Суминов И. В., Эпельфельд А. В., Людин В. Б. и др. Микродуговое оксидирование: теория, технология, оборудование. М.: ЭКОМЕТ, 2005. 368 с.
10. Черненко В. И. и др. Получение покрытий анодно-искровым электролизом / В. И. Черненко, Л. А. Снежко, И. И. Папанова. Л.: Химия, 1991. 128 с.
11. Шандров Б. В., Морозов Е. М., жуковский А. В. Основы технологии микродугового оксидирования: Учебное пособие. М.: «ИД Альянс», 2008. 80 с.