Разработка микродугового оксидирования рабочих поверхностей форм из высокопрочных алюминиевых сплавов

Дальнейшее повышение эффективности работы деталей агрегатов двигателей летательных аппаратов (ДЛА) и летательных аппаратов (ЛА), а также технологической оснастки, используемой при их изготовлении, связано, как правило, с повышением температуры и усилением агрессивности рабочей среды, рабочего процесса. Кроме того, необходимо обеспечить требуемую износостойкость и эрозионную стойкость деталей ДЛА и технологической" оснастки, подвергающихся механическому, абразивному и эрозионному износу в процессе эксплуатации.

Одной из наиболее распространенных причин выхода деталей и сборочных единиц ДЛА и ЛА из строя является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей. Применяя покрытия с заданными свойствами можно решить вопросы повышения износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости элементов конструкций ДЛА ЛА и технологической оснастки для их производства.

Одним из главных вопросов технологии машиностроения является учение о детали и технологических процессах ее изготовления с заданными размерами и взаимным положением поверхностей, а также требуемыми свойствами поверхностного слоя. Поэтому в настоящее время, опираясь на разработки новых технологических процессов, на первый план при проектировании и изготовлении деталей ДЛА и элементов технологической оснастки выдвигаются вопросы формирования и исследования поверхностного слоя с использованием новых способов их формирования. В большинстве случаев, именно поверхностный слой деталей ДЛА и элементов технологической оснастки определяет эффективность протекания рабочих процессов в двигателях и энергоустановках и технологических процессов в технологических реакторах и камерах, в литьевых формах, в прессформах и др. Все больше деталей проектируется с переменными свойствами по сечению, когда требуемыми оптимальными свойствами для протекания рабочего или технологического процесса обладает только поверхностный слой.

В технологии производства ДЛА, ЛА и технологической оснастки все технологические процессы обеспечения заданных физико-химических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей можно разделить на две большие группы:

— формирование заданных свойств непосредственно в поверхностном слое (закалка, диффузное насыщение поверхностного слоя, ионная имплантация и пр.);

— нанесение покрытий, защитных пленок с заданными свойствами.

Перспективным методом нанесения керамико-подобных покрытий с заданными свойствами на авиационные металлы «вентильной» группы (А1, 14, ЫЬ и др.) является метод микродугового оксидирования (МДО), позволяющий одновременно в одном технологическом процессе получить заданные свойства, как в поверхностном слое детали (образца), так и в сформированном покрытии.

В производстве ДЛА, ЛА и технологической оснастки их производства покрытия находят самое широкое применение. Традиционно используемыми методами нанесения коррозионно-и износостойких покрытий являются гальванический и химический методы. Так для деталей из высокопрочных сталей широко применяется гальваническое кадмирование и цинкование.

Для повышения коррозионно-и износостойкости алюминиевых сплавов (корпуса, фланцы, клапаны, крыльчатки, пуансоны и матрицы форм для литья и прессования) традиционно используется химическое оксидирование и электрохимическое оксидирование (анодирование). Однако в процессе развития и исследования анодирования было обнаружено, что окисная пленка на аноде может образовываться при довольно широком варьировании напряжений на ванне, в том числе и напряжений, превышающих напряжения искрового режима, переходящего в дуговой или микродуговой. Так возник перспективный способ, получивший название микродугового оксидирования (МДО).

Этот метод позволяет получить на поверхности, в частности, деталей из алюминиевых сплавов композиционный упрочненный слой, характеризующийся повышенными механическими и износостойкими характеристиками. Если ресурс рабочих поверхностей деталей агрегатов ДЛА и технологической оснастки можно увеличить за счет использования покрытий МДО, то использование алюминиевых сплавов позволит значительно снизить трудоемкость изготовления этих деталей и уменьшить их стоимость. Хорошие результаты от применения МДО можно ожидать при изготовлении форм для литья термопластов и прессования реактопластов, для прессования резинотехнических изделий, для изготовления литьевых моделей в производстве ДЛА.

Пока же, несмотря на перспективность, широкого практического применения в технологии изготовления форм процесс МДО не нашел. Это объясняется несколькими основными причинами.

Во-первых, недостаточно изучены и систематизированы процессы, протекающие при микродуговом оксидировании высокопрочных, деформируемых алюминиевых сплавов, являющихся перспективными для изготовления технологических форм.

Во-вторых, не разработаны оптимальные технологии МДО обработки деталей форм, изготавливаемых из новых деформируемых алюминиевых сплавов, и не проведены исследования свойств МДО покрытий для этих сплавов, которые могли бы доказать эффективность новых технологических процессов МДО обработки.

В-третьих, не создано специализированное автоматизированное и надежное оборудование для реализации МДО процесса. Причем решение последней проблемы тесно связано с решением первых двух.

В связи с этим актуальность темы настоящей работы определяется разработкой методик комплексного, всестороннего исследования покрытий, формируемых МДО на новых высокопрочных алюминиевых сплавах для рабочих поверхностей форм. Другими важными аспектами актуальности является необходимость разработки технологий обработки МДО новых высокопрочных алюминиевых сплавов и создание промышленно-экспериментальной автоматизированной установки МДО.

Цель настоящего исследования: разработка и исследование метода МДО получения покрытий на новых высокопрочных деформируемых сплавах, которые используются при изготовлении формдля повышения износостойкости наиболее напряженных элементов форм.

В соответствии с этим для реализации поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1.) анализ и оценка перспектив использования форм из алюминиевых сплавов и, в частности, для литья пластмасс под давлением;

2.) анализ возможностей метода МДО для повышения стойкости и ресурса рабочих поверхностей литьевых форм;

3.) обоснование и выбор конкретной марки нового высокопрочного деформируемого алюминиевого сплава и оптимальных режимов его упрочнения методом МДО;

4.) исследование геометрических и физико-химических параметров и свойств оптимальных покрытий, полученных МДО на выбранном алюминиевом сплаве;

5.) исследование эксплуатационных характеристик покрытий, полученных МДО: термостойкость, циклическое сжатие, изгиб, износостойкость;

6.) разработка и изготовление автоматизированной опытно-промышленной установки МДО;

7.) разработка и реализация опытного технологического процесса МДО применительно к высокопрочным алюминиевым сплавам форм, используемых в переработке пластмасс и резин.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

1К — катодный импульс тока, А.

1а — анодный импульс тока, А.

НУ200, Ни — микротвердость, кг/ мм2.

I — интенсивность изнашивания, мм/м.

Р — давление в полости формы, МПа (кг/см2).

Т — температура, °С.

Ь — времена процессов, мин (час).

V — объем усадки пластмассы, см3/г.

С, — жесткость узлов запирания формы, кг/см.

СууЪ Си — жесткость половин формы, кг/см.

Ь — длина деформируемых элементов, см.

Ек — усилие запирания, кг.

Рр — усилие от давления внутри формы, кг.

А1 — деформация линейных элементов формы, см.

Ар — проецируемая площадь детали, см2 у.

8К — контактная поверхность формы, см.

Гь Тг, f — суммарная деформация элементов формы, см.

N — количество циклов испытаний (работы), шт иа — анодное напряжение, В ик — катодное напряжение, В.

Ье, Ь — толщина покрытия, мкм.

Е — модуль упругости, кг/см.

Ств — предел прочности, кг/см2.

СТод — предел текучести, кг/см.

8 — относительное удлинение, %.

Ат — прирост массы образца, г.

Сяагяюз, Скон — концентрация составляющих раствора, г/л.

— плотность тока, А/дм2 иВг — напряжение пробоя, В.

Чьаве" 42 — количество электричества через покрытие, К.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. На основании анализа перспектив использования форм из алюминиевых сплавов для переработки пластмасс и резин в производстве ДЛА и технологической оснастки показана техническая и экономическая целесообразность применения для защиты рабочих поверхностей форм из высокопрочных алюминиевых сплавов технологического процесса микродугового оксидирования.

2. С привлечением методов Mold Flow Analisis и Final Element Analisis проведено исследование теплового, силового и напряженно-деформированного состояния рабочих поверхностей форм для литья пластмасс под давлением, изучены причины их разрушения, что позволило выделить наиболее ответственные поверхности, подвергаемые МДО, и сформулировать технические требования к МДО покрытиям.

3. Исследования физико-механических характеристик новых высокопрочных, деформируемых алюминиевых сплавов М-1, QC-7 и А1−89, их МДО обрабатываемости и анализ полученных МДО покрытий показали преимущество сплава Alumec-89 для изготовления форм.

4. С использованием факторного эксперимента и планирования на симплексе получены зависимости выбранных параметров оптимизации от режимов процесса МДО (плотности тока, времени оксидирования, температуры электролита и состава электролита). Получены регрессионные математические модели для скорости роста, количества электричества, микротвердости и пробивного напряжения МДО покрытия на сплаве А1−89, с учетом анализа реализованного симплекс-центроидного плана эксперимента определен оптимальный состав электролита. Определены оптимальные значения режимов получения МДО покрытия на сплаве А1−89.

5. Разработанные методики определения механических и физико-химических свойств оксидных покрытий позволили получить на выбранном сплаве А1−89 следующие наилучшие характеристики МДО покрытий:

— толщина суммарная (базового слоя) — до 200 мкм;

— твердость — до 75 HRT микротвердость — HVo, i = 1370 кг/см2.

— адгезия — до 630 кг/см2.

— пробойное напряжение — до 1000 В.

6. Созданное оборудование и методики исследования эксплуатационных свойств МДО покрытий позволили определить, что: при циклическом сжатии с частотой ~10 Гц и давлением до 1500 кг/см2 и выше используемый образец с покрытием выдержал 105 циклов без каких-либо следов деформации и разрушения;

— хотя при циклическом нагружении на изгиб с амплитудой равной 150 МПа период общей долговечности у образцов с покрытием в два раза меньше, чем у исходных образцов, однако отслаивания МДО покрытия от основного материала в процессе усталостного нагружения не наблюдается;

— МДО покрытие выдержало в течение 105 циклов изменение температуры образца от 215 °C до 80 °C;

— износостойкость образцов с МДО покрытием в 6 раз выше, чем у основного алюминиевого сплава и в 2 раза выше, чем у инструментальной стали Р20, традиционно используемой в американской промышленностикоррозионная стойкость (химическая коррозия в кислоте НС1) составила 102 минуты.

7. На основании проведенных исследований разработан типовой технологический процесс получения МДО покрытий и внедрены на предприятиях США Visteon Automotive Ford Motor Company, США и Venture Industries Corporation, США:

— опытно-промышленная установка МДО мощностью 10 кВт, обеспечивающая микродуговое оксидирование образцов и деталей площадью до 4 дм в ручном, диалоговом и автоматическом режимах при управлении от PC;

— МДО покрытие на вставке промышленной инжекционной формы для литья пластмасс под давлением и проведены их испытания в реальном литейном цикле на термопластавтомате «Toshiba» с общим числом циклов 105.