Full Text

Введение Главной задачей машиностроения является повышение качества и эксплуатационных характеристик изготавливаемой продукции. Применение в производстве новых материалов, а также поиск эффективных методов повышение прочностных и специальных характеристик традиционных материалов является необходимым условием для решения поставленной задачи. Применение алюминиевых сплавов позволило значительно улучшить механические характеристики машин и механизмов за счет малого удельного веса и высокой прочности данного материала. Однако ряд недостатков алюминия, таких как высокая теплопроводность, низкая коррозионная стойкость и сопротивление на износ, ограничивают его использование в производстве [1, 2]. На сегодняшний день существует большое разнообразие методов поверхностной обработки и упрочнения алюминиевых сплавов. Повышение механических свойств деталей из данного материала, как правило, достигается путем модифицирования их поверхностного слоя. Универсального метода поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов не существует, большинство способов специфичны для каждого типа конструкций и механизмов, что требует разработки отдельных методик обработки деталей [3-5]. Одним из наиболее эффективных и экологичных способов является микроплазменное оксидирование поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов. В основе процесса лежит высокотемпературная реакция создания керамикоподобного покрытия на поверхности деталей, обладающего низкой тепло- и электропроводностью, высокой твердостью и износостойкостью [6-8]. Процесс микроплазменного оксидирования представляет собой создание покрытия на поверхности деталей, помещенных в среду электролита. В состав электролита входят гидроксиды натрия, калия, а также дополнительные элементы для легирования покрытия или создания покрытий с определенными оптическими свойствами. Для активации процесса в систему «ванна - электролит - изделие» подается переменный или постоянный пульсирующий ток напряжением 400-600 В. Плотность тока на поверхности обрабатываемого изделия составляет 10-30 А/дм2 [9-11]. Длительность процесса микроплазменного оксидирования выбирается в зависимости от необходимой толщины получаемого покрытия и может составлять до 2,5 ч [12, 13]. Установки для микроплазменного оксидирования представляют собой ванну с электролитом, системой вентиляции, охлаждения и циркуляции электролита. Циркуляция необходима в случае добавления легирующих элементов в виде порошков или элементов с более высокой плотностью, чем у электролита. В состав покрытия, получаемого при микроплазменном оксидировании алюминиевых сплавов, входят α- и γ-фазы оксида алюминия (Al2O3), а также различные соединения, такие как Al2SiO5 (силлиманит) и K(AlSi3O8) (ортоклаз) и другие элементы, в зависимости от состава и свойств электролита [14-16]. Указанные соединения, входящие в состав оксидного покрытия, обладают высокой химической стойкостью к агрессивным средам, в частности коррозионной стойкостью, что позволяет решать большое количество задач при производстве деталей из алюминиевых сплавов, требующих специальной поверхностной обработки. Толщина покрытия может достигать 400 мкм, а микротвердость - 2500 кг/см2. Важными преимуществами данного способа обработки являются неизменность размеров обрабатываемых деталей и высокая прочность сцепления покрытия с основным металлом (как правило, равна прочности основного металла) [17-19]. В исследованиях процесса микроплазменного оксидирования было выявлено, что повышение плотности тока при обработке значительно увеличивает толщину получаемого покрытия, что позволяет сократить время обработки [20, 21]. Однако при повышении плотности тока также значительно повышается и пористость в оксидном слое, достигая 30-40 % от общего объема покрытия. В некоторых исследованиях указано, что высокая пористость может положительно влиять на свойства оксидированных деталей, работающих на износ в условиях смазки [14]. Однако в условиях, требующих высокой прочности покрытия, значительное количество пор недопустимо. Целью данной работы является выявление влияния степени пористости на свойства покрытия при работе в условиях распределенной поверхностной нагрузки путем моделирования распределения напряжения в оксидном покрытии. Методика и проведение эксперимента С помощью программы Comsol Multiphysics методом конечных элементов были смоделированы условия воздействия поверхностных нагрузок на оксидные покрытия с различными значениями пористости. В качестве геометрической основы для создания модели взят фрагмент типичной микроструктуры оксидного покрытия, показанный на рис. 1. Покрытие на рис. 1 получено при микроплазменном оксидировании алюминиевого сплава Д16 на максимальных значениях плотности тока j = 12,6 А/дм2. Толщина покрытия составляла 52-54 мкм, процентная доля пористости 35 %. Рис. 1. Микроструктура поверхности оксидированного алюминиевого сплава Д16 (´475) Расчет плотности тока j (А/дм2) на поверхности покрытия выполнялся по формуле , (1) где I - значение электрического тока в цепи; - общая площадь поверхности образца, состоящая из суммы площадей отдельных участков, подверженных оксидированию. Измерение средней доли пористости выполнялось путем соотношения площадей покрытия и пор соответственно на снимках различных участков покрытия по формуле , (2) где - суммарная площадь пор на участке, P - площадь поры в покрытии; Sс - общая площадь участка покрытия; n - количество участков измерения пористости. Для получения кривых распределения напряжения внутри оксидного покрытия изображение было преобразовано в двухмерную модель в программе Comsol (рис. 2). Рис. 2. Модель пористой структуры оксидированного покрытия алюминиевого сплава Д16 Размеры модели на рис. 2 соответствуют реальным физическим размерам покрытия, высота (ось Y) по шкале указана в 1·10-3 мм, длина покрытия (ось X) - в миллиметрах. В качестве материала покрытия модели из базы данных программы было выбрано химическое соединение Al2O3 - SiO2 (твердое вещество), наиболее подходящее по составу и свойствам. Для выявления влияния пористости также были смоделированы покрытия с ровной поверхностью (рис. 4) и с меньшим количеством пор (рис. 5). Изменения параметров модели (геометрия поверхности, уменьшение пористости) производились на модели первоначальной структуры покрытия (см. рис. 2). Исходя из характера эксплуатационных нагрузок на изделия с оксидированными покрытиями в качестве источника механических нагрузок при моделировании целесообразно принять воздействие равномерно распределенной нагрузки при сжатии. Моделировалось воздействие на поверхность образца равномерно распределенной нагрузки q: , (3) где F - значение приложенной силы, Н; S - площадь участка с приложенной нагрузкой, м2. Величина нагрузки q = 100 Н/м2. Результаты вычислений показаны на рис. 3-5. Рис. 3. Модель распределения напряжений в оксидированном слое алюминиевого сплава Д16 (геометрия поверхности соответствует реальной на рис. 1) На данной модели, соответствующей реальной геометрии необработанного покрытия, видно, что максимальные напряжения (до 10,2 Н/м2) сосредоточиваются на неровных участках поверхности. Напряжения, распределенные по толщине покрытия, в данной модели значительно меньше, в средней части покрытия на глубине 20-30 мкм они достигают 4…6 · 10-5 Н/м2, а на глубине 30-40 мкм - 2…3 · 10-5 Н/м2. Самые низкие напряжения возникают вблизи поверхности основного металла, на глубине 50-60 мкм они достигают 1…1,5 · 10-5 Н/м2. Изолинии распределения напряжений по длине покрытия имеют сильные искажения, что говорит о негативном влиянии разнотолщинности покрытия на прочностные характеристики. Кроме того, в случае образования разнотолщинного покрытия большая часть нагрузки воспринимается поверхностным неровным слоем покрытия, что приводит к очаговому износу поверхности, затрагивает внутренние слои основного металла и ведет к полной потере износостойкости. Рис. 4. Модель распределения напряжений в оксидированном слое алюминиевого сплава Д16 (измененная геометрия поверхности) На рис. 4 показана расчетная модель распределения напряжений в оксидном покрытии с ровной поверхностью, сглаживание на модели аналогично поверхностной механической обработке реальных покрытий. Наибольшие искажения изолиний распределения напряжений и, как следствие, значений напряжений, располагаются в области повышенной пористости, на глубине 30 мкм напряжения составляют около 1…1,5 · 10-3 Н/м2. Максимальные напряжения располагаются непосредственно у границ пор и составляют 1,8…2,16 · 10-3 Н/м2. В области с меньшей пористостью (на расстоянии 80…120 мкм с левого края) контуры напряжений более равномерны, значения напряжений у границ пор меньше, чем в местах их интенсивного скопления, и не превышают 0,8…1 · 10-3 Н/м2. Таким образом, полученная модель распределения напряжений и контуров их искажения показывает, что наличие большого количества пор в покрытии, а также равномерное их распределение по всей глубине негативно влияют на механические свойства, снижая прочность покрытия и повышая хрупкость. На рис. 5 показана модель покрытия с ровной поверхностью и значительно меньшей, чем в предыдущем случае, пористостью (около 10 %). Уменьшение пористости в модели задавалось путем удаления пор в покрытии предыдущей модели в хаотичном порядке. Рис. 5. Модель распределения напряжений в оксидированном слое с меньшей пористостью для алюминиевого сплава Д16 В полученной модели видно, что линии напряжений внутри данного оксидного покрытия распределены более равномерно, значения напряжений, возникающие вокруг пор, меньше, чем у предыдущей модели на рис. 4. Большинство линий напряжений в данной модели сосредоточены вблизи поверхности образца, за счет чего наибольшие напряжения вокруг пор расположены именно там и составляют 1,6…1,9· 10-3 Н/м2. Искажения контуров распределения напряжений вокруг пор в нижних слоях покрытия значительно меньше, и они практически не влияют на общую картину. Среднее значение напряжения по всей толщине покрытия 0,6-1 Н/м2. В работе [21] представлены данные о распределении микротвердости по толщине покрытия 130 мкм, по параметрам и структуре пористости схожего с моделью на рис. 5. Измерение микротвердости в данной работе проводилось по методу Виккерса по нескольким полям замеров, результаты приведены в табл. 1. Таблица 1 Распределение микротвердости по толщине оксидированного слоя сплава Д16 Отпечатки HV, МПа Высота покрытия h, мм Поле замера 1 Поле замера 2 1 493 334 -0,05 2 2953 3185 0 3 2615 3166 0,021 4 2920 4097 0,028 5 2723 3487 0,031 6 3203 3092 0,035 7 3021 3444 0,042 8 3110 3281 0,052 9 2970 3242 0,062 10 3598 2380 0,069 11 - 2043 0,08 12 - 1361 0,088 Графически распределение микротвердости по толщине оксидированного слоя сплава Д16 приведено на рис. 6. Полученный график распределения микротвердости по толщине оксидного покрытия доказывает, что доля пористости и локализация пор существенно влияют на микротвердость. Наибольшая микротвердость, в пределах 3200-4097 МПа, наблюдается в средних и нижних слоях оксидного покрытия, где пористость минимальна. Вблизи поверхности, где наблюдаются густые скопления пор, значения микротвердости существенно ниже и составляют 1300-2300 МПа. Рис. 6. График зависимости микротвердости по толщине оксидированного слоя сплава Д16: Проводились измерения износостойкости в паре трения «диск - тормозная колодка». В качестве материалов использовались алюминиевый сплав АМг6 с оксидным покрытием и инструментальная легированная сталь Х12М. Результаты измерения износостойкости покрытия указаны в табл. 2. Таблица 2 Результаты измерения износостойкости Пара трения Условия работы Коэффициент трения Скорость износа, мг/с Износостойкость по отношению к стали Х12М Диск Тормозная колодка Сталь Х12М Сталь Х12М Масло 0,213 11,3×10-2 1 Без масла Адгезия - - Сталь Х12М Сплав АМг6 с оксидным покрытием Масло 0,021 6,18×10-3 18,2 Без масла 0,28-0,35 48,6×10-3 2,33 Сплав АМг6 с оксидным покрытием (пористость 10 %) Сплав АМг6 с оксидным покрытием (пористость 10 %) Масло 0,01-0,015 36,8×10-3 30,7 Без масла 0,04-0,06 67,3×10-3 16,79 Сплав АМг6 с оксидным покрытием (пористость 30 %) Сплав АМг6 с оксидным покрытием (пористость 30 %) Масло 0,01-0,012 30,1×10-3 37,5 Без масла 0,05-0,07 80,5×10-3 14,03 Из табл. 2 видно, что износостойкость алюминиевого сплава АМг6 с оксидным покрытием значительно выше, чем у инструментальной стали Х12М. При работе алюминиевого сплава в качестве колодки скорость износа составила 6,18×10-3 мг/с в условиях смазки и 48,6×10-3 без нее. При работе и колодки, и диска из алюминиевого сплава с оксидным покрытием скорость износа составляла 36,8×10-3 и 67,3×10-3 мг/с соответственно. Износостойкость сплава АМг6 с оксидным покрытием, таким образом, в 2,33-30,7 раз выше, чем у инструментальной износостойкой стали. Увеличение пористости на 20 % увеличивает износ поверхности образца при работе без масла до 80,5×10-3 мг/с, износостойкость по отношению к стали уменьшается до 14,03. Заключение Построена модель распределения напряжений под действием распределенной по поверхности нагрузки в пористом оксидированном покрытии на алюминиевом сплаве Д16. Получены данные по распределению нагрузки для моделей покрытия с различными параметрами. Модельные результаты свидетельствуют, что неравномерная толщина покрытия и наличие пор как концентраторов напряжений могут привести к возникновению очага износа, неравномерному износу покрытия в целом и быстрой потере его механических свойств. При наложении нагрузки на необработанное оксидированное покрытие основными напряженными участками становятся поверхностные неровности. Снижение пористости в средних и нижних по глубине участках оксидированного покрытия положительно влияет на картину распределения напряжений в оксидном покрытии: более равномерное распределение напряжений и отсутствие мощных концентраторов в средних слоях покрытия увеличивают твердость покрытия и его устойчивость к поверхностным нагрузкам. Повышение плотности тока процесса оксидирования сверх 13 А/дм2 (необходимое для уменьшения времени и увеличения производительности процесса) негативно влияет на механические характеристики покрытия за счет повышения его пористости.

About the authors

I. S Ponomarev

Perm National Research Polytechnic University

Email: cs8864@mail.ru

E. A Krivonosova

Perm National Research Polytechnic University

Email: katerinakkkkk@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 62

PDF (Russian) - 30

Refbacks

• There are currently no refbacks.