» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Апрель, 2018 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №4 (13) 2018

Автор: Перекрестова Валерия Александовна, старший преподаватель
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Упрочнение и восстановление поверхностного слоя алюминий-содержащих материалов методом термодиффузионного насыщения

УДК 621.81-044.382:621.793.6

УПРОЧНЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ АЛЮМИНИЙ-СОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ТЕРМОДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ

Перекрестов Алексей Евгеньевич

аспирант кафедры «Технологии конструкционных материалов»

Перекрестова Валерия Александровна

аспирант кафедры «Технологии конструкционных материалов»

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, г.Москва

Аннотация. Одним из главных направлений в области машиностроения является продление срока службы изделий, а именно упрочнение и восстановление изношенных деталей. Перспективным методом упрочнения и восстановления алюминий-содержащих деталей является химико-термическая обработка, а именно, термодиффузионное насыщение из порошковых смесей, в том числе магния и цинка.

Ключевые слова. Термодиффузионное насыщение, упрочнение алюминий-содержащих материалов, упрочнение поверхностного слоя, восстановление деталей.

Большинство важных деталей в современных двигателях автомобилей состоит из алюминиевых деталей, например, головки цилиндров, поршни, блок-картеры, корпуса гидравлических насосов и прочие детали. Среди методов восстановления алюминиевых деталей выделяют следующие: электродуговой и газовой наплавки, металлизации, методы пластической деформации, способ ремонтных размеров, а также методы поверхностной обработки и получаемые при этом защитные покрытия [1].

В настоящее время активно развиваются методы поверхностной обработки и способы получения защитных покрытий. К числу таких покрытий относятся лакокрасочные и покрытия, получаемые электрохимическими и термодиффузионным способом.

Использование гальванических методов нанесения покрытий на алюминий-содержащих материалах весьма трудоемкая операция и в условиях серийного производства и не всегда приемлема. Лакокрасочные покрытия, чаще всего, используются либо для увеличения коррозионной стойкости алюминий-содержащих изделий, либо с декоративной целью.

Создание диффузионных слоев означает не просто повышение или улучшение эксплуатационных свойств изделий машиностроения, а в ряде случаев, позволяет создать принципиально новый многокомпонентный материал, обладающий не суммой характеристик основы и слоя, а качественно иными, часто уникальными свойствами. В этом отношении весьма актуальным является исследование процессов химико-термической обработки алюминий-содержащих материалов с использованием порошковых насыщающий сред. Данный метод отличается простотой осуществления процесса, сохранением исходного качества поверхности обрабатываемой детали и контролируемое изменение его размерных характеристик, многократностью использования и регенерации насыщающих сред и другие.

Преимуществом диффузионного насыщения как способа упрочнения поверхностного слоя алюминиевых изделий машиностроения является обеспечение высокой прочности связи диффундирующих элементов с основными металлом. Данное свойство достигается за счет проникновения диффундирующих элементов непосредственно в кристаллическую решетку основного металла.

В основе процессов диффузии лежит тепловая подвижность атомов твердого тела. Протекание процессов диффузии в металлах и сплавах обусловлено перемещением атомов, возникающим в результате их тепловой активности. Атомы, периодическое смещение которых под влиянием тепловых колебаний достигает больших амплитуд, покидают свои места в кристаллической решетке, а их места занимают атомы диффундирующего вещества. Концентрация диффундирующего элемента по глубине основного металла уменьшается постепенно, тем самым свойства сплава изменяются тоже постепенно. В связи с постепенным изменением свойств материала, между упрочненным поверхностным слоем и основным материалом нет четкой границы.

В настоящее время термодиффузионное насыщение металлов производится в трех средах: газообразной, жидкой и твердой. Образование диффузионных покрытий в газообразной среде требует сложного технического оснащения и контрольно-измерительных приборов. Такой вид насыщения имеет большую длительность процесса, большой расход насыщающей среды, а также усложняется в виду появления задачи регулирования концентрации диффундирующих элементов в диффузионной среде. Диффузионный процесс насыщения в расплавленных средах характерен тем, что для насыщения поверхности основного металла применяют диффундирующие элементы в расплавленном состоянии. Среда может состоять из нескольких диффундирующих элементов, близких по температуре плавления. Этот способ не требует сложного оборудования и точных измерительных приборов, но тем не менее имеет ряд существенных недостатков. Среди недостатков наиболее важным является большая скорость нагревания и охлаждения детали, что неизбежно вызывает ее деформацию, а если охлаждать изделие вместе с тиглем, то затрудняется отделение детали от среды после их охлаждения. При данном методе ограничена возможность регулирования концентрации диффундирующих элементов в диффузионной среде, а также почти отсутствует возможность изолировать поверхности детали, не подлежащие насыщению. Важными отличиями порошкообразной среды насыщения являются: возможность регулирования количества диффундирующих элементов в диффузионной смеси, равномерность нагревания и малая скорость охлаждения детали вследствие низкой теплопроводности инертной массы, что значительно уменьшает деформацию детали, а также большая производительность. Поскольку такая среда более производительна и обеспечивает качественное восстановление деталей, то она является оптимальной для термодиффузионного насыщения алюминий-содержащих материалов.

Анализируя влияние различных диффундирующих элементов на алюминий и его сплавы, можно выделить следующие. Магний является полезным легирующим элементом, так как он уменьшает удельный вес, повышает прочность, не снижая пластичности сплава. Кремний увеличивает твердость, износостойкость и жаропрочность алюминиевых сплавов. Цинк повышает прочность, образует интерметаллическое соединение Al₂Mg₃Zn₃, растворимое при нагревании под закалку, повышает теплопроводность, увеличивает вес и уменьшает пластичность сплава. Олово и кадмий понижает температуру плавления, твердость и износостойкость сплава, поэтому эти два элемента применяются для насыщения поверхностей деталей с целью улучшения их прирабатываемости к цилиндрам двигателя [3].

Для термодиффузионного насыщения алюминия отлично подходят цинк, магний и их сочетания. Эти элементы отвечают требованиям законов термодинамики: по атомным диаметрам, температурам плавления и растворимости в алюминии.

Известно, что из-за образования оксидной пленки, ремонт алюминиевых деталей представляет собой весьма ограниченный процесс, связанный с большими трудностями. Окисная пленка (Al₂O₃) покрывает поверхность изделий после их шлифовки в течении 15-30 минут. Скорость образования оксидной мономолекулярной пленки приблизительно составляет 10^-6 с. Через 24 часа толщина слоя оксидной пленки достигает 0,001 мкм.

Разрушение оксидной пленки необходимо сделать до начала процесса обработки, при одновременном удалении воздуха, так как её образование препятствует термодиффузионному насыщению поверхностного слоя алюминиевых деталей легирующими элементами.

Существуют различные способы удаления оксидной пленки с поверхностей изделий машиностроения из алюминия и его сплавов. Высокопроизводительным способом очистки, не требующим больших трудовых затрат, является химическая очистка. При химической очистке изделие нагревают до 250-300 ⁰С, затем покрывают слоем флюса, который растворяет окисную пленку. Слой флюса удаляется перед загрузкой в контейнер для дальнейшей обработки. Недостатками данного метода является загрязнение диффузионного слоя остатками флюса и повторное образование окисной пленки после снятия флюса. Существующие механические, химические и электролитные технологии очистки поверхностного слоя от оксидной пленки не обеспечивают полное удаление оксидной пленки, так как при воздействии среды, содержащей кислород, на поверхности вновь образуется окисная пленка.

Существуют исследования [3], изучающие разрушение окисной пленки непосредственно перед самим процессом обработки. Очистка окисной пленки осуществляется в самом контейнере для термодиффузионного насыщения с помощью электромагнитного излучателя. В таких установках очистка проводится с помощью электромагнитного излучателя, который подключается к генератору переменного тока. При пропускании переменного тока через обмотку электромагнита, возникает переменный магнитный поток, пронизывающий сердечник электромагнита, дно-мембрану контейнера и воздушные зазоры между ними. На дно контейнера действуют две противоположно направленные силы: сила притяжения, которая прогибает его вниз и сила упругости, стремящаяся воспрепятствовать прогибу.

В следствии того, что сила притяжения имеет переменный характер, который дважды изменяется за период колебания тока в обмотке электромагнита, дно контейнера начинает излучать колебания с частотой 2 кГц, т.е. вибрировать. Амплитуда колебаний совпадает с частотой собственных колебаний дна-мембраны. Частота звуковых колебаний и длина волны связаны скоростью распространения звука в заданной среде, где скорость равняется произведения длины волны на частоту колебаний. По данным, представленным в исследованиях, при частоте звука в 5 кГц длина волна в детали из алюминия равняется 1,28 м (при 20⁰С) и значительно меньше в порошкообразных и жидких средах.

Таким образом, разность длины волны в алюминиевом изделии и в насыщающей среде способствует разрушению оксидной пленки. При подборе излучателя длину волны следует рассчитывать, как скорость, деленная на частоту колебания. В процессе насыщения на диффузию магния и цинка в алюминий влияет ряд различных факторов. К таким факторам относится: степень очистки поверхности изделия, концентрация диффундирующих элементов, входящих в состав диффузионной смеси, температура и время выдержки контейнера с образцами в печи.

Список литературы:

1. Перекрестов А.Е., Германова В.А., Особенности алюминиевых блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Современные тенденции развития науки и технологий. 2016. № 5-3. С. 110-112.
2. Перекрестов А.Е., Германова В.А., Ким А.Е. Повышение срока службы деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, изготовленных из алюминиевых сплавов. Механизация строительства. 2017. № 2. С. 9-12.
3. Дъяков А.М., Экономический способ восстановления и упрочнения алюминиевых деталей. Сельское хозяйство Таджикистана, № 8, 1971.
4. Жданов В.Т., Гринберг В.Г., Никонов В.Я., Технология металлов и других конструкционных материалов. Высшая школа. Москва, 1970.
5. Калачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 1999. – 416 с.

Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: