close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- Вестник КазНТУ

код для вставкиСкачать
УДК 621.077
Е. Кожа, К.К. Комбаев, А.М. Достаева, Д.У. Смагулов
(Казахский национальный технический университет имени К.И.Сатпаева, Алматы,
ВКГТУ им. Д. Серикбаева, Усть-каменогорск,
Республика Казахстан)
МИКРОДУГОВОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
Аннотация. Приведены результаты исследований влияния микродугового оксидирования на
структурно-фазовое превращение образцов алюминиевого сплава. В результате закалки твердый  раствор
меди в алюминии и точечные мелкодисперсные включения растворяются от температуры микроплазмы,
фазы окисляясь, образуют корунд алюминия. После микродугового оксидирования наблюдается увеличение
интенсивности и уширение дифракционных линий относительно исходного состояния, что свидетельствует
об остаточном напряжении поверхности, которая в процессе эксплуатации обеспечивает повышение
качества детали.
Ключевые слова: Алюминиевый сплав, микродуговое оксидирование, корунд
Как известно, для упрочнения алюминиевых сплавов применяют закалку. Закалка
заключается в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы
полностью или большей частью растворяются в алюминии. Выдержка при этой температуре и
быстром охлаждении до нормальных температур позволяет получить перенасыщенный твердый
раствор. Температуру нагрева под закалку выбирают в зависимости от природы сплава,
удовлетворяющего механические свойства, предъявляемые к детали. Температура закалки сплавов
системы AL-CU (рисунок 1), определяется линией АБС, проходящей выше линии предельной
растворимости для сплавов, содержащих меньше 5,7 % cu, и ниже эвтектической линии (5480с)
для сплавов, содержащих большее количество меди [1].
Более высокие температуры вызывают пережог (оплавление по границам зерен), что
приводит к образованию трещин, снижается сопротивление коррозии, механические свойства и
сопротивление хрупкому разрушению. После закалки следует старение, при котором сплав
выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в
течение 10- 24 ч при повышенной температуре 150-2000С (искусственное старение).
Однако после закалки со старением поверхность
окисляется, требует механической обработки и получаемые
покрытия не обеспечивают высокой износостойкости
восстановленной поверхности.
Методика проведения исследований
Микроплазменная обработка применяется для весьма
узкого круга материалов и в подавляющем большинстве
направлена на получение прочного и износостойкого
оксидного слоя на поверхности анода из алюминия и его
сплавов. Между тем, потенциал этого метода еще не
раскрыт,
что
связано
с
малой
изученностью
закономерностей формирования микроплазменных разрядов
на поверхности анода и катода в различных электролитах и
их влияния на структуру и свойства поверхности
Рис. 1. Диаграмма состояния Al-Cu:
электродов. Для разработки технологии нанесения штриховая линия – температура закалки
различных покрытий на поверхность детали при помощи
микроплазменных разрядов в электролитах требуется изучить закономерности их формирования и
воздействия на поверхность катода. Известно альтернативное устройство для микродугового
оксидирования (мдо) колодцев корпуса шестеренного насоса из сплава алюминия [2]. Наиболее
сильное структурное упрочнение алюминиевых сплавов проявляется при микродуговом
оксидировании.
Для исследования микродугового оксидирования образцы размером 10×10×20 мм (рисунок
2) вырезали из сплава алюминия aл3 гост2685-75, алмазным диском, толщиной в 1 мм, который
погружен в охлаждающую жидкость. При малых оборотах резания n = 350 об/мин и низкой
нагрузке m = 250 г., образец не испытывает термической деформации.
Экспериментальные исследования и механические
испытания проводили в Региональной университетской
лаборатории инженерного профиля «ІРГЕТАС» ВКГТУ им. Д.
Серикбаева
(г.
Усть-Каменогорск)
и
в
научнотехнологическом парке «Лаборатории инженерного профиля»
КазНТУ им. К.И. Сатпаева (г. Алматы). Элементный состав
алюминиевого
образца,
исследовали
на
растровом
электронном микроскопе JSM-6390LV – фирмы JEOL
(Япония), с приставкой энергодисперсионного микроанализа
Рис. 2. Образцы для микро
INCAEnergy фирмы «OXFORD Instruments». Определяемые
-дугового оксидирования
элементы - от бора до урана. Качественный и количественный
фазовый анализ структуры образцов алюминиевого сплава проводили на рентгеновском
дифрактометре ДРОН-3 в фильтрованном излучении медного анода, также «X′Pert PRO» фирмы
«PANanalytical», с применением Cu-K излучения.
Результаты исследований и их обсуждение
Разряд зажигался от источника постоянного тока. Схема источника постоянного тока (рис.
3а), который состоит из: кнопочного поста, пускателя, диодного моста, дросселя, автомата,
амперметра, вольтметра и других электроприборов. Катод – образец из алюминия (AЛ3: 1,5-3,0Cu;
0,35-0,6Mg; 4,5-5,5Si; 0,6-0,9Mn), погружен на глубину 4-6 мм в электролит – 10% водный раствор
Na2Co3.
А) электросхема источника постоянного тока, б) микродуговое оксидирование алюминия
Рис. 3. Схема источника постоянного тока для микродугового оксидирования алюминиевых
сплавов
Необходимо отметить тот факт, что качество поверхностного слоя, получаемого при
микродуговом оксидировании, в значительной степени зависит от режимов процесса. От них
зависит мощность искровых разрядов и соответственно энергия воздействия на упрочняемую
поверхность. Экспериментально установили оптимальные режимы микродугового оксидирования
алюминия: напряжение U =200 В, сила тока I =10 А, время нагрева T=4сек., время закалки T=4
сек., общее количество циклов N=15 [3].
При включении напряжения на поверхности изделия возбуждается электрическая микродуга
(рисунк 3б), в которой от тепловыделения происходит интенсивный разогрев заготовки. Анод,
имеющий форму диска диаметром 50 мм, толщиной 2 мм, с просверленными отверстиями ø4мм
изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Микродуга возникает между катодом и жидким
электролитом [4]. Особое влияние на структурные превращения оказывает периодическое
повышение температуры, при подключении источника питания, которая возрастает выше точки
фазового →Ж–превращения (548 ºC). После отключения источника питания микродуга гаснет,
что обеспечивает доступ электролита к разогретому сплаву и его быстрое охлаждение (закалка).
В структуре алюминиевого сплава в равновесном состоянии присутствуют зерна α- твердого
раствора (рисунок 4а), в состав которого входят медь, марганец и магний, дисперсные включения
MG2SI.
а) в исходном состоянии, б) после микродугового оксидирования
Рис. 4. Микроструктура алюминиевого сплава АЛ3
После микродугового оксидирования наблюдается микроструктура закалки и
искусственного старения в потоке электролита (рисунок 4б). В результате закалки твердый  раствор меди в алюминии и точечные мелкодисперсные включения растворяются от температуры
микроплазмы, эти фазы, окисляясь, образуют корунд алюминия. Результаты элементного анализа
после микродугового оксидирования (таблица 1) свидетельствуют о появлении кислорода и
включении соответствующих элементов упрочняемому сплаву алюминия. Включения выделились
из твердого -раствора в процессе искусственного старения. После старения, поверхностный слой
алюминия оксидируются. Элементы, выделяясь в дисперсной форме, упрочняют сплав. Могут
быть обнаружены частицы CuAl2 и частицы магния.
Таблица 1. Элементный состав алюминия после МДО (к рисунку 4б)
СПЕКТР
СПЕКТР 1
СПЕКТР 2
O
2.58
4.95
NA
0.32
AL
97.42
93.49
SI
0.76
CU
0.48
ИТОГ
100.00
100.00
(все результаты в весовых %)
Для выявления структурно-фазовых превращений алюминия в результате термического
воздействия микродугового оксидирования провели рентгеноструктурный анализ [5].
Рентгеноструктурный анализ образцов алюминия в исходном состоянии поставки и после
микродугового оксидирования (рисунок 5) выявил наличие линий  – фазы на основе Аl.
А) – в исходном состоянии, б) – после микродугового оксидирования
Рис. 5. Рентгеновская дифрактограмма алюминиевого сплава
После микродугового оксидирования наблюдается увеличение интенсивности и уширение
дифракционных линий (рисунок 5б) относительно исходного состояния (рисунок 5а), что
свидетельствует об остаточном напряжении поверхности, которая в процессе эксплуатации
обеспечивает повышение качества детали. Для определения фазового состава образца
алюминиевого сплава обработанного микродуговым оксидированием осуществили компьютерную
статистическую обработку результатов. Рентгенофазовый анализ образцов показал наличие фаз
оксида алюминия. Значения межплоскостных расстояний свидетельствуют, что угловые
положения дифракционных линий образцов совпадают не полностью, а их интенсивности
значительно отличаются (таблица 2).
Таблица 2. Фазовый состав образца алюминия после мдо
№
I,ММ
2Θ,
ГРАД
Θ,
ГРАД
SIN Θ
D/N,
A
I,%
D/N,
A
I,%
HKL
D/N,
A
I,%
HKL
1
680
38,64
19,32
0,3308
2,330
100
2,338
100,0
111
2,315
45
401
2
56
44,84
22,42
0,3814
2,021
8,0
2,024
47,0
200
2,019
45
112
3
50
65,3
32,65
0,5395
1,429
7,0
1,431
22,0
220
1,426
10
710
4
11
78,42
39,21
0,6322
1,219
2,0
1,221
24,0
311
5
10
82,58
41,29
0,6599
1,168
1
1,169
7
222
6
7
112,2
56,1
0,8300
0,929
1
0,929
8
331
7
7
116,62
58,31
0,8509
0,906
1
0,905
8,0
420
Это может быть обусловлено тем, что при обработке от высокой температуры плазмы
возникает внутреннее напряжение. Источниками напряжений являются: градиенты температур по
сечению; неоднородность химического состава; структурные несовершенства; разная
ориентировка кристаллов в пространстве; различный удельный объем и различные коэффициенты
линейного расширения фаз.
Микротвердость возросла на всех режимах обработки микродугового оксидирования сплава
алюминия. Средняя микротвердость, достигнутая при микродуговом оксидировании, составляет
746 мпа (таблица 3), что примерно в 2,5 раза выше, чем у исходного материала (рисунок 6).
Таблица 3. Результаты микротвердости после мдо
№
Z1
Z3
Z2
Z4
ZR
ZB
Z
D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
408
411
412
407
405
407
410
410
409
408
411
410
407
409
408
172
160
161
164
163
160
160
163
164
164
164
163
161
162
163
325
320
320
322
325
324
323
320
318
322
322
321
320
324
321
158
161
162
157
155
157
160
160
159
158
161
160
157
159
158
153
160
159
158
162
164
163
157
154
158
158
158
159
162
158
155,5
160,5
160,5
157,5
158,5
160,5
161,5
158,5
156,5
158
159,5
159
158
160,5
158
34,21
35,31
35,31
34,65
34,87
35,31
35,53
34,87
34,43
34,76
35,09
34,98
34,76
35,31
34,76
H,МПА L,МКМ HCP
НСР-Н
777,56
729,87
729,87
757,94
748,41
729,87
720,86
748,41
767,66
753,15
739,05
743,71
753,15
729,87
753,15
-32,06
15,63
15,63
-12,44
-2,90
15,63
24,64
-2,90
-22,16
-7,65
6,45
1,79
-7,65
15,63
-7,65
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
746
746
746
746
746
746
746
746
746
746
746
746
746
746
746
(НСРН)^2
1027,89
244,33
244,33
154,71
8,44
244,33
607,21
8,44
490,87
58,51
41,61
3,22
58,51
244,33
58,51
После микродугового оксидирования
наблюдается
повышение
значений
микротвердости (рисунок 6а) относительно
исходного состояния (рисунок 6б), что,
безусловно,
повышает
эксплуатационные
качества деталей из алюминиевого сплава.
ВЫВОДЫ
1. Исследования
показали,
что
микродуговое оксидирование на определенных
режимах приводит к увеличению прочностных
свойств алюминиевых сплавов.
2. Установлено, что структурно-фазовые
а – после мдо, б- в исходном состоянии
превращения, упрочняющие сплав алюминия
Рис. 6. Среднее значение микротвердости
при микродуговом оксидировании, происходит
при значительно низких энергозатратах по сравнению с традиционной термообработкой.
а
б
ЛИТЕРАТУРА
1. Геллер Ю.А., Рахштат А.Г. Материаловедение - издание 6-е. Переработанное и дополненное. –
М.: «Металлургия». - 1989. – 456 С.
2. Новиков А.Н., Кузнецов Ю.А., Хромов В.Н. устройство для микродугового оксидирования колодцев
корпуса шестеренного насоса. Патент RU2147324C1.
3. Комбаев К.К., Кылышканов М.К., Лопухов Ю.И. Влияние электролитно-плазменной обработки
стали 18ХН3МА-Ш на поверхностную микроструктуру и твердость.//Журнал сибирского федерального
университета, серия «техника и технологии», №2 (4), Красноярск, 2009., Россия. С. 394–399.
4. Комбаев К.К., Смагулов Д.У., Кылышканов М.К. Структурно-фазовые превращения в стали
18ХН3МА-Ш при электролитно-плазменной обработке.//Вестник, №3(79) КазНТУ им. К.И. Сатпаева,
Алматы, 2010., С. 199-206.
5. С.С. Горелик, Ю.А. Скаков, Л.Н. РАСТОРГУЕВ. Рентгенографический и электронно-оптический
анализ. Изд. 4-Е, перераб. И доп. - М.: «МИСИС», 2002. - 357 С.
REFERENCES
1. Geller JA, Rahshtat AG Materialovedenie - izdanie-6oe. Pererabotannoe i dopolnennoe. - M.:
"Metallurgia". - 1989 . - 456 s.
2. Novikov AN, Kuznetsov YA, VN Hromov Ustroistvo dlya microdugovogo oksidirovaniya kolodcev
korpusa shesterennogo nasosa. Patent RU2147324C1.
3. Kombaev KK, Kylyshkanov MK, Lopuhov Yu.I. Vliyanie electrolitno-plazmennoi obrabotki stali
18HN3MA - Sh na poverhnostnuyu mikrostructuru i tverdost’. / / Zhurnal Sibirskogo federal’nogo universiteta,
seria " Tehnika i tahnologii», № 2 (4) , Krasnoyarsk, 2009 . , Rossya . S. 394 - 399.
4. Kombaev KK, Smagulov DU , Kylyshkanov MK. Strusturno-fazovye prevrasheniya v stali 18HN3MA Sh pri elektrolitno-plazmennoi obrabotke. / /Vestnik, № 3 (79) KazNTU imeni KI Satpayev , Almaty, 2010 . , S.
199-206 .
5. SS Gorelik , Y. A. Skakov L.N Rastorgouev . Rentgenograficheski i elektronno-opticheski analiz. Izd., . 4e, pererab. I dop.. - M.: "MISiS", 2002. - 357 s.
Қожа Е., Қомбаев К.К., Достаева А.М., Смағұлов Д.У.
Алюминий қорытпасын микродоғалық тотықтыру
Түйіндеме. Бұл мақалада алюминий қорытпасы үлгілерінің фаза құрылымдық өзгерісіне
микродоғалық тотықтырудың әсерін зерттеу нәтижелері көрсетілген. Шыңдау әсерінен мыстың
алюминиидегі  ерітіндісі және ұсақдисперсиялық қорытпалар микроплазма температурасынан ериді,
фазалар тотыға келе, корунд алюминийін құрайды. Микродоғалық тотықтырудан кейін, бастапқы
үлгілермен салыстырғанда, дифракциялық сызықтары ұзындығының жоғарлауы және кеңеюі байқалады.
Өңдеуден кейін ішкі кернеудің пайда болуы бөлшектерді қолдану кезінде эксплуатациялық сипатын
жоғарылатады.
Кілттік сөздер: алюминий қорытпасы, микродоғалық тотықтыру, корунд
Кожа Е., Комбаев К.К., Достаева А.М., Смагулов Д.У.
Микродуговое оксидирование алюминиевого сплава
Резюме. В данной статье приведены результаты исследований влияния микродугового оксидирования на
структурно-фазовое превращение образцов алюминиевого сплава. В результате закалки твердый  раствор меди
в алюминии и точечные мелкодисперсные включения растворяются от температуры микроплазмы, фазы
окисляясь, образуют корунд алюминия. После микродугового оксидирования наблюдается увеличение
интенсивности и уширение дифракционных линий относительно исходного состояния, что свидетельствует об
остаточном напряжении поверхности, которая в процессе эксплуатации обеспечивает повышение качества
детали.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, микродуговое оксидирование, корунд
Kozha E., Kombaev KK, Dostayeva A.M., Smagulov D.Г.
Microarc oxidation aluminum alloy
Summary. This article shows the results of studies of the impact of micro arc oxidation on the structural-phase
transformations of aluminum alloy samples. As a result of hardening, a solid fluid of copper containing in aluminum and
punctuate fine-dispersed inclusions melt caused by micro plasma temperature, and the oxidized phases form the aluminum
oxide. Increase of intensity and extension of diffraction lines with regards to the initial condition appear after the micro arc
oxidation, showing the residual stress of the surface, which improves the quality of the detail during the operation.
Key words: aluminum, electrolyte-plasma processing, micro arc oxidation, microstructure.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа