Исследование свойств покрытий гильз цилиндров, восстановленных с применением технологий газодинамического напыления и микродугового оксидирования

Язык труда и переводы:
УДК:
621.793.79
Дата публикации:
12 мая 2022, 15:24
Категория:
Инновационные технологии ремонта, реновации и восстановления в машиностроении
Аннотация:
Рассмотрена возможность применения комбинированного покрытия для восстановления изношенных гильз цилиндров нанесением слоя алюминиевого сплава холодным газодинамическим напылением с последующим микродуговым оксидированием рабочей поверхности. Проведены исследования на адгезионную и когезионную прочность покрытия, фазовый состав упрочненного слоя и сравнительную износостойкость. Установлено, что адгезионная и когезионная прочность достаточна для применения данного метода на практике, в покрытии преобладает оксид алюминия с гексагональной и кубической кристаллическими решетками, износостойкость образца с покрытием превышает износостойкость эталонного образца. Сделаны выводы о возможности и целесообразности применения данного покрытия для восстановления изношенных гильз цилиндров.
Ключевые слова:
холодное газодинамическое напыление, микродуговое оксидирование, гильзы цилиндров, повышение износостойкости, восстановление
Основной текст труда

Введение

Существует множество технологий восстановления ресурса гильз цилиндров (ГЦ), одного из ограничивающего срок эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (ДВС) узлов. Однако все эти методы имеют ряд недостатков, и разработка новых технологий является актуальной задачей на сегодняшний день. Такой технологией может стать нанесение комбинированного покрытия холодным газодинамическим напылением (ХГДН) с последующим микродуговым оксидированием (МДО). Данный вид покрытий изучен недостаточно, чтобы гарантировать его эффективность при ремонте ГЦ. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования его свойств и характеристик. Целью данной работы является повышение ресурса гильз цилиндров нанесением комбинированного покрытия с использованием холодного газодинамического напыления и микродугового оксидирования внутренней рабочей поверхности цилиндров. Задачи работы: исследовать адгезионную и когезионную прочность покрытия, изучить толщину и состав покрытия, провести сравнительные стендовые испытания покрытия, подобрать оптимальный режим нанесения покрытия.

Методы

Исследуемое покрытие предполагается наносить на изношенную рабочую поверхность ГЦ для восстановления износа величиной до 0,3 мм. Износ компенсируется нанесением слоя алюминиевого сплава методом ХГДН, а прочность и износостойкость — последующим МДО. Таким образом исследуемое покрытие должно сочетать преимущества обеих технологий. На первом этапе необходимо убедиться в механической прочности связи покрытия и основы, а также частиц покрытия между собой в условиях нагрузок, эквивалентных нагрузкам в паре поршень-цилиндр. Для этого проведены испытания на адгезионную и когезионную прочность. Образец со ступенчатым бортиком из напыленного покрытия разрушался на срез, нагрузка, необходимая для разрушения образца, фиксировалась при помощи динамометра. Аналогичная методика испытаний описана в [1]. Посредством обработки этих данных можно вычислить величины адгезии и когезии покрытия. Испытания на износостойкость проводились по методике ГОСТ 23.224–86 [2]. 
Для испытаний на образцы из серого чугуна наносился порошок А-10-01, состоящий из смеси технически чистого алюминия (около 40 %) и корунда (около 60 %). Нанесенный слой обрабатывался микродуговым оксидированием в течение 100 мин при плотности тока 20 А/дм2. Толщина упрочненного МДО слоя составляла от 60 до 100 мкм [3]. Шероховатость рабочей поверхности образца не превышала Ra 0,8.

Результаты

По результатам рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа установлено, что основными фазами покрытия являются оксиды алюминия типа Al2O3 с двумя различными кристаллическими решетками: гексагональной и кубической. В поверхностном слое присутствуют также максимумы интенсивности от алюмосиликата типа Al2(SiO4)O.
По результатам проведенных испытаний на адгезионную прочность было установлено, что она составляет от 12 до 27 МПа при использовании изогнутого сопла [4] для напыления внутренних цилиндрических поверхностей и от 23 до 42 МПа при использовании стандартного сопла. Когезионная прочность составила от 33 до 40 МПа и от 56 до 106 МПа соответственно. Из результатов прочностных исследований следует, что применение изогнутого сопла для восстановления внутренней поверхности обосновано.
По результатам трибологических испытаний образцов было установлено, что износ образца с покрытием в 1,5 раза меньше износа эталонного образца. Стоит заметить, что износ контробразца после испытания образца с покрытием имеет большее значение, чем в испытаниях с эталонным образцом. Это объясняется большей твердостью наносимого покрытия по сравнению с эталоном. Коэффициент трения приработанного соединения для образца с покрытием на 10% ниже, чем для эталона. Эти данные говорят о качественно большей износостойкости полученного покрытия. 

Выводы:

  1. Результаты исследований адгезионной и когезионной прочности установили пригодность использования технологии ХГДН для восстановления внутренней поверхности цилиндров ДВС и последующего упрочнения технологией МДО.
  2. Исследованиями химического и фазового состава МДО-покрытий установлено, что основными элементами покрытия являются алюминий и кислород; в покрытии преобладают кристаллические оксиды алюминия с гексагональной и кубической  решетками.
  3. Качественное увеличения износостойкости покрытия в 1,5 раза подтверждено полученными результатами испытаний.
Литература
  1. Чавдаров А.В., Толкачев А.А. Применение холодного газодинамического напыления (ХГДН) для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность малых диаметров. Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт, 2019, № 10, с. 30–36.
  2. ГОСТ 23.224–86. Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей. Москва, Стандартинформ, 2005.
  3. Чавдаров А.В., Скоропупов Д.И., Першин П.Н. Условия существования и стадии роста покрытия при микродуговом оксидировании. Труды ГОСНИТИ, 2014, т. 117,с. 268–272.
  4. Чавдаров А.В., Валяйчиков А.В., Толкачев А.А. Устройство для газодинамического нанесения покрытий на внутренние поверхности цилиндрических деталей. Патент 2714002 Российская Федерация, 2019, бюл. № 5, 8 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.