CC BY
78
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
нии припусков и напусков на поковки и холодноштампованные полуфабрикаты, изготавливаемые обжимом толстостенных трубных заготовок в конических матрицах.
Библиографический список
1. Аверкиев, Ю. А. Технология холодной штамповки : учебник для вузов по специальностям «Машины и технология обработки металлов давлением» и «Обработка металлов давлением»/ Ю. А. Аверкиев, А. Ю. Аверкиев. — М. : Машиностроение, 1989. — 304 с.
2. Попов, Е. А. Основы теории листовой штамповки : учеб. пособие для высших технических учебных заведений / Е. А. Попов. — М. : Машиностроение, 1968. — 283 с.
3. Холодная объёмная штамповка: справ. / Под. ред. Г. А. Навроцкого. — М. : Машиностроение, 1973. — 496 с.
4. Коновалов, В. А. Формоизменение и силовой режим при обжиме толстостенных трубных заготовок : моногр. / В. А. Коновалов. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. — 112 с.
КОНОВАЛОВ Валерий Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».
САВЕЛЬЕВ Константин Дмитриевич, магистрант, группа ОДМ-612.
ВАСИЛЬЕВ Евгений Дмитриевич, магистрант, группа ОДМ-612.
АЛЕКСАНДРОВА Наталья Сергеевна, магистрант, группа ОДМ-612.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ОмГТУ, кафедра «Машиностроение и материаловедение».
Статья поступила в редакцию 13.03.2014 г.
© В. А. Коновалов, К. Д. Савельев, Е. Д. Васильев,
Н. С. Александрова
УДК 621.794.61 н. ф. КОЛЕНЧИН
Тюменский государственный нефтегазовый университет
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АНОДИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНА__________________________
Рассмотрено строение, определены толщина и износ оксидных покрытий на алюминиевом сплаве АЛ9 после анодирования в водном растворе серной кислоты с применением озона. Установлено увеличение кристаллической составляющей (у-Д1203) в покрытии. Разработана технология анодирования корпуса шестеренчатого насоса, которая уменьшает износ деталей в 7 раз.
Ключевые слова: анодирование, алюминиевый сплав, озон, толщина, микротвердость, износ.
Анодирование деталей из алюминия и его сплавов активно применяется в промышленности для повышения коррозионной стойкости, поверхностной твердости, износостойкости и т.д. Его сущность заключается в формировании оксида алюминия за счет поверхностного слоя металла, погруженного в электролит, при пропускании постоянного электрического тока. Основными технологическими параметрами процесса являются напряжение, плотность тока, а также состав и температура электролита.
Технологию анодирования совершенствуют до сих пор: меняют состав и понижают температуру электролита, применяют импульсы тока различной формы, ультразвук, в зону реакции вводят дополнительный кислород, перекись водорода и т.д. Перспективным в этом аспекте оказывается добавление озона к воздуху для барботажа электролита в процессе анодирования.
Озон известен как активный окислитель [1], ре-докс-потенциал которого уступает только фтору. Озон окисляет серебро, золото, платину [2]. Озониды щелочных металлов типа КО3, NaO3 являются силь-
нейшими окислителями, т.к. содержат большое количество активного кислорода в виде аниона О3-. Отмеченная активность озона обусловлена появлением в ходе взаимодействия синглетного кислорода 1О2 в электронно-возбужденном состоянии и других активных радикалов.
При этом использование озона в процессе анодировании алюминия и его сплавов осложняется сравнительно малой его растворимостью в водных растворах, быстрым (миллисекунды) разложением озона при столкновении с твердой поверхностью.
В работе исследовали влияние озона на процесс анодирования в водном растворе серной кислоты, используя установку, схема которой приведена на рис. 1.
Эксперименты провели с образцами алюминиевого сплава АЛ9 с размерами 30х30х5 мм. Температуру поддерживали на уровне (0±1) °С, содержание озона в воздушной смеси: 1, 2 и 3 мг/л при скорости ее подачи 2 л/мин, концентрация серной кислоты — от 2,5 до 20 мас. %. Использовали режим падающей мощности, который обычно позволяет формировать пленки большой толщины.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для анодирования:
1 — ванна анодирования из стали 12Х18Н10Т; 2 — барботер;
3 — наполнительная емкость; 4 — ресивер; 5 — генератор озона; 6 — компрессор СО-45А 7 — холодильный агрегат ВС 0,7-3;
8 — источник питания ВСМР-200-5Б; 9 — насос;
10,11 — регулировочные краны
80
2 70 2 - 60
3 & 50
л | 40 £ 30 20 /
X
0 1 0 ? 0 3 0 40 50 л ЬО 7 Время, МИН 0
Рис. 2. Изменение толщины анодного покрытия на сплаве АЛ9 при начальном напряжении 75 В и содержании озона в смеси с воздухом 1 (1), 2 (2) и 3 (3) мг/л
Ж 2 5 (л
о о _
го К сб
си
0 5 1 5 2,5 3 3 Концентрация озона, мг
Рис. 3. Величина износа анодных покрытий на сплаве АЛ9 в зависимости от концентрации озона в смеси с воздухом
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
%
С
и
о
ч
а
о
М
И
О
&
■pH = 0,05 -pH =0,35 -pH =0,60 -pH =0,5
Время, мин
Рис. 4. Влияние водородного показателя электролита на микротвердость анодного покрытия на сплаве АЛ9 (концентрация озона 3 мг/л, начальное напряжение 75 В)
а б
Рис. 5. Общий вид анодного покрытия с каналами (а Х95) и кристаллическая частица в канале (б Х8000).
Электронный растровый микроскоп
Толщину оксидных покрытий определяли вихретоковым контактным толщиномером ВТ10 НЦ и металлографически на микроскопе МИМ-6. Микротвердость покрытия измеряли на поперечных шлифах на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 0,196 Н. Износостойкость определяли по уменьшению толщины покрытия при скольжении со смазкой контртела из стали ШХ9 со скоростью 1,5 — 2,0 м/с и нагрузке 49 Н.
Рентгеноструктурные исследования выполнили на дифрактометре ДРОН-3 в диапазоне углов 29 = 20° — 600 в СоКо,-излучении. Расшифровку рентгенограмм провели на основе данных американской картотеки ICPDS.
На рис. 2 приведены зависимости толщины оксидного покрытия от времени. Видно, что повышение концентрации озона в смеси с воздухом от 1 до 3 мг/л увеличивает конечную толщину оксида алюминия на 30 %. При этом в случае малого содержания озона рост покрытия практически стабилизируется к 40-й минуте процесса, а при большом содержании он продолжается до 50-й минуты, т.е. окислительный потенциал обогащенной озоном смеси выше.
Результаты определения износа оксидных покрытий, полученных при анодировании с начальным напряжением 75 В и различным содержанием озона в смеси с воздухом приведены на рис. 3. С увеличением концентрации О3 величина износа снижается в 1,4 — 2,3 раза.
!
о о
Рис. 6. 3D-изoбpaжeниe поверхности анодированного образца сплава АЛ9
Повышение износостойкости покрытия с обогащением озоном газовой смеси обусловлено увеличением кристаллической составляющей в покрытии. Например, по данным рентгеноструктурного анализа анодных осадков, полученных при начальном напряжении 75 В, интенсивность линии (400) у-А1203 возросла более чем в 2 раза при изменении концентрации 03 от 1 до 3 мг/л. При этом доля аморфной составляющей в покрытии уменьшилась, о чем свидетельствует сокращение на рентгенограмме гало в интервале углов 29=20 — 40 0.
Водородный показатель электролита определяется концентрацией серной кислоты. Он определяет соотношение роста и травления анодного оксида, изменяя геометрию пор. Снижение микротвердости покрытия, наблюдаемое при увеличении рН электролита (рис. 4), объясняется дополнительной адсорбцией оксидом алюминия ионов электролита и воды. Наличие воды в структуре покрытия доказано в работе [3], причем ее количество повышается с приближением к поверхности раздела покрытие — электролит. Сульфатные и гидратированные соединения, появляющиеся в анодном оксиде отрицательно влияют на его микротвердость.
Определение точности обработки показало, что размеры образца после анодирования изменяются на величину, равную половине толщины покрытия с полем рассеяния отклонений в 11 мкм, что соответствует 4 — 5 квалитету точности для размеров интервала от 30 до 120 мм. Шероховатость, определенная по высоте неровностей профиля Rz , увеличилась от 8 до 18 %. Размерные факторы необходимо учитывать при выборе конкретных изделий для анодирования.
Общий вид анодного покрытия представлен на рис. 5а (изображение уменьшено при печати). Внутри него видны каналы, перпендикулярные металлической основе (нижняя часть фотографии), и ветвление одного из каналов вследствие перекрывшей его сечение частицы у-А1203 (рис. 5б).
Применение метода атомно-силовой зондовой микроскопии позволило увидеть не только плоское, но и объемное изображение растущего оксида алю-
миния (рис. 6, изображение уменьшено при печати). Показан характерный участок анодного покрытия размером 5х5 мкм. Видны растущие кристаллы оксида алюминия и указана их высота в нанометрах.
На основе полученных данных разработана технология анодирования корпуса шестеренчатого насоса НШ-32 из сплава АЛ9. Толщина оксидного покрытия составила 30 — 40 мкм. После эксплуатационных испытаний в течение 2200 ч (3 месяца круглосуточно) величина износа составила 20 — 26 мкм, в то время как у серийных корпусов — 148—163 мкм после 1248— 1560 ч работы.
Таким образом, применение озоно-воздушной смеси при анодировании алюминиевых сплавов позволяет получать оксидные покрытия с повышенными толщиной и износостойкостью. При этом содержание серной кислоты в электролите можно снизить с 20 до 2,5 %.
Выводы.
1. Установлено, что применение озоно-воздушной смеси для барботажа электролита при анодировании сплавов алюминия интенсифицирует процесс и увеличивает конечную толщину оксидного покрытия на 30 % (при повышении концентрации озона в смеси с воздухом от 1 до 3 мг/л). При этом содержание серной кислоты в электролите можно снизить до 2,5 %.
2. С увеличением концентрации озона в смеси с воздухом от 1 до 3 мг/л величина износа анодированных образцов снижается в 1,4 — 2,3 раза. Полученный результат обусловлен увеличением кристаллической составляющей (у-А1203) в покрытии.
3. Исследованы особенности строения анодного покрытия.
4. На основе полученных данных разработана технология анодирования корпуса шестеренчатого насоса НШ-32, которая позволила уменьшить износ деталей в 7 раз.
Библиографический список
1. Лунин, В. В. Физическая химия озона / В. В. Лунин, М. П. Попович, С. Н. Ткаченко. — М. : Изд-во МГУ, 1998. — 480 с.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
2. Разумовский, С. Д. Озон и его реакции с органическими соединениями / С. Д. Разумовский, Г. Е. Заиков. — М. : Наука, 1974. — 208 с.
3. Белов. В. Т. Сравнение гидратируемости фазового оксида алюминия, полученного в растворах различных электролитов/ В. Т. Белов // Анодное окисление металлов. — Казань : Изд-во КАИ, 1983. — С. 39-45.
КОЛЕНЧИН Николай Филиппович, кандидат технических наук, доцент (Россия), первый проректор по учебной работе.
Адрес для переписки: ко1епсЫп @ tsogu.ru
Статья поступила в редакцию 27.03.2014 г.
© Н. Ф. Коленчин
УДК 620.17:678.743.4:539.2 Д. Д. НЕГРОВ
Е. Н. ЕРЕМИН
B. Ю. ПУТИНЦЕВ О. Д. ПЕРЕДЕЛЬСКДЯ
C. Д. ДНДРЕЕВД
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРДЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НД МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВД ПОЛИТЕТРДФТОРЭТИЛЕНД, МОДИФИЦИРОВДННОГО ДЕТОНДЦИОННЫМИ НДНОДЛМДЗДМИ
Рассмотрено влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства политетрафторэтилена модифицированного детонационными наноалмазами. Показано, что введение ультразвуковых колебаний в прессуемый материал приводит к повышению предела прочности и модуля упругости и снижению относительного удлинения синтезируемого композита.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, политетрафторэтилен, механические свойства, ультразвуковые колебания, детонационные наноалмазы, модифицирование.
Введение. В настоящее время в различные отрасли промышленности внедряются новые, технически более совершенные производственные процессы, основанные на использовании при обработке полимерных материалов внешнего энергетического воздействия, в том числе ультразвука [1-4]. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства полимеров обусловлено изменением структуры обрабатываемого материала [5]. В процессе такой обработки полимеров существенно облегчается возникновение и развитие пластической деформации частиц порошка; осуществляется активация дислокаций, происходящая в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств [4]. Вследствие этого за короткое время происходит локальный нагрев материала вокруг этих источников поглощения, увеличение молекулярной подвижности, что обусловливает более интенсивное развитие пластической деформации.
Ультразвуковое воздействие (УЗВ) может быть успешно использовано при твердофазной технологии получения (синтезе) полимерных композиционных материалов (ПКМ). Особенно это актуально для
диспернонаполненных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) [6].
Это обусловлено тем, что возможности структурной модификации ПТФЭ за счет введения в полимерную матрицу наполнителей различного типа уже в значительной степени исчерпаны. Совершенствование технологии получения ПТФЭ в направлении приложения ультразвука большой интенсивности непосредственно при прессовании композита позволяет достичь существенного повышения его механических свойств [7, 8].
Использование энергии ультразвуковых колебаний при прессовании порошкообразных или гранулированных полимеров и полимерных композиции приводит к уплотнению прессуемого материала, сопровождающееся удалением газовой фазы. Указанный эффект обусловлен тем, что при воздействии вибрационных импульсов отдельным частицам материала сообщаются индивидуальные скорости и ускорения, разрушаются арочные образования и происходит равномерная укладка частиц порошка [9]. Это обусловливает интенсивную дегазацию, перемешивание и сплавление отдельных частиц в однородную безпористую массу, обладающую высокой структур-
