Разработка и исследование износостойких наноструктурированных композитов, полученных методом микродугового оксидирования (МДО) для упрочнения изделий машиностроения - Статья

В работе рассматривается технология микродугового оксидирования (МДО) по создания износостойких наноструктурированных композитов на основе вентильных металлов для уплотнений центробежных насосов системы охлаждения двигателей. Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Государственного контракта №14.518.11.7025 по мероприятию 1.8 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы». Анализ научно-технических материалов исследований и патентный поиск показал, что разработка новых экологически чистых технологий и создания многофункциональных поверхностных слоев и покрытий для защиты и упрочнения поверхностных слоев поверхности деталей, их стойкости к агрессивным средам и образующему износу в парах трения, в т.ч. торцевых уплотнений центробежных насосов является актуальной проблемой современной науки и техники. Указанный метод позволяет получить многофункциональные порошкоподобные наноструктурированные слои на вентильных металлах (алюминий, титан, магний, тантал, ниобий, цирконий и др.) их сплавах и покрытиях из этих сплавов с регулируемым в широком диапазоне составом, структурой и свойствами и использовать их в качестве износо-и коррозионностойких МДО покрытий [1]. Разрабатываемая технология по созданию износостойких наноструктурированных композитов на основе вентильных металлов для уплотнений центробежных насосов системы охлаждения двигателей ОАО «ММЗ» и ОАО «ЧТЗ-Уралтрак» позволит обеспечить замещение импорта аналогичных деталей и значительно повысит конкурентоспособность отечественных двигателей.Испытания на сжатие проводили на таких же образцах, что и на растяжение, а также на цилиндрических образцах диаметром 10 и длиной 30 мм. В результате испытаний плоские образцы с покрытием теряли устойчивость при достижении нагрузки 1700 Н (s=243 МПА), в то время как образцы без покрытия теряли ее уже при 820 Н (s=117 МПА), при этом, вплоть до потери устойчивости, трещины на поверхности покрытия не появлялись. Таким образом, образцы с МДО-покрытием показали примерно в 2 раза большую устойчивость, чем без него. Из некоторых микротрещин возникали магистральные трещины, которые раскалывали покрытие до основы. При дальнейшем повышении нагрузки начинались сколы покрытия у основания образца, а также образовывались кольцевые трещины в плоскости, перпендикулярной оси образца, и покрытие начинало отслаиваться вследствие значительной деформации металла основы.В результате испытаний было выявлено, что образцы с покрытием (уведомление о получении и регистрации заявки №2010107963 от 05.03.2010 и №2010113434 от 07.04.2010) разрушались при количестве циклов нагружения в 2,3 раза меньшем по сравнению с образцами без покрытия. Снижение числа циклов до разрушения при принятом в испытаниях высоком уровне нагружения, по-видимому, связано со значительным перепадом механических характеристик (твердости, пластичности, модуля упругости и т. д.) металлической основы и оксидного покрытия. При испытаниях трещины сначала зарождались в покрытии, а затем происходило лавинообразное разрушение образцов. Прочность сцепления МДО-покрытий с основой, как показали испытания с микроиндентором, может достигать 350-380 МПА (для покрытий толщиной 200-250 мкм), что соизмеримо с пределом прочности дуралюминов. Максимум микротвердости МДО-покрытий, формируемых на сплаве АМГ5 в силикатно-щелочном электролите находится в области с минимальным содержанием жидкого стекла и наибольшей в исследуемом диапазоне концентрацией щелочи.Изучение триботехнических характеристик МДО-покрытий в различных условиях показало, что независимо от схемы трения они обладают высокой износостойкостью, низкими значениями коэффициента трения и способны работать в определенном диапазоне нагрузок, скоростей и сред в паре со многими материалами. При трибологических испытаниях МДО-покрытий можно выделить три этапа с различной скоростью изнашивания, коррелирующие с неравномерностью распределения твердости и изменением пористости по толщине покрытия (рисунок 3): · 1-й этап с высокой скоростью изнашивания, вызванной низкой твердостью и высокой пористостью технологического слоя покрытия; На машине трения УМТ-1 исследовалась износостойкость при сухом трении по схеме «кольцо-кольцо» МДО-покрытий, сформированных в силикатно-щелочном электролите при мягком анодно-катодном режиме. Испытания на изнашивание по шлифовальному кругу марки 14А40НГТ проводили по торцевой поверхности цилиндрических образцов диаметром 10 мм на установке, обеспечивающей трение по свежей абразивной поверхности за счет вращения образца вокруг своей оси, вокруг оси патрона, в котором крепится оправка с образцом, и вращения контртела - абразивного круга. Исходя из абсолютных значений потери массы при изнашивании, можно заключить, что оксидированный слой на сплаве Д16 обладает износостойкостью, значительно превышающей таковую для быстрорежущей стали Р18, твердостью 785-800 HV (рисунок 6).