Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса по проблеме повышения работоспособности деталей цилиндропоршневой группы 21
1.1 Анализ причин выхода из строя деталей цилиндропоршневой группы 21
1.2 Условия работы и причины разрушения деталей цилиндропоршневой группы .25
1.3 Материалы и способы повышения работоспособности поверхностей деталей цилиндропоршневой группы 34
Выводы по главе 1 90
Глава 2 Теоретическая база исследования 93
2.1 Описание технологии формирования наноструктурного поверхностного слоя методом микродугового оксидирования на алюминиевых сплавах 93
2.2 Механизм формирования наноструктурного поверхностного слоя методом микродугового оксидирования 100
2.3 Модели формирования наноструктурного поверхностного слоя при микродуговом оксидировании 109
2.4 Предлагаемая модель формирования наноструктурного поверхностного слоя методом микродугового оксидирования 126
Выводы по главе 2 149
Глава 3 Объект, методология и экспериментальная база исследований 150
3.1 Объект и методология исследований 150
3.2 Выбор материалов для лабораторных и экспериментальных образцов 156
3.3 Оборудование, материалы и технология формирования наноструктурных поверхностных слоев методом микродугового оксидирования 158
Выводы по главе 3 187
Глава 4 Исследование механизма микродугового оксидирования 189
4.1 Проверка гипотезы формирования наноструктурного поверхностного слоя методом микродугового оксидирования 189
4.2 Исследование влияния структуры материала на свойства поверхностных слоев, сформированных методом микродугового оксидирования 194
4.3 Исследование влияния режимов процесса микродугового оксидирования на толщину и микротвердость формируемых поверхностных слоев 199
Выводы по главе 4 208
Глава 5 Исследование параметров и эксплуатационных свойств наноструктурных поверхностных слоев, сформированных при различных технологических режимах микродугового оксидирования 210
5.1 Описание исследований, проводимых на лабораторных образцах 210
5.2 Исследование поверхностных слоев на износостойкость 213
5.3 Исследование поверхностных слоев на адгезионную прочность и теплостойкость 230
5.4 Исследование поверхностных слоев на коррозионную стойкость 242
5.5 Исследование теплофизических свойств, состава и наноразмерной структуры поверхностных слоев 252
Выводы по главе 5 283
Глава 6 Исследование работоспособности наноструктурных поверхностных слоев, сформированных микродуговым оксидированием на деталях двигателей 285
6.1 Описание исследовательского оборудования и экспериментальных образцов деталей двигателей 285
6.2 Оценка работоспособности наноструктурного поверхностного слоя, сформированного на гильзе двигателя 288
6.3 Оценка работоспособности наноструктурного поверхностного слоя, сформированного на поршнях двигателей 298
6.4 Исследования эффективности тепловой защиты поршней наноструктурным поверхностным слоем 306
6.5 Испытания деталей ДВС с поверхностным слоем, сформированным искровым разрядом без использования электролита 315
Выводы по главе 6 324
Глава 7 Рекомендации практического применения технологии микродугового оксидирования при обработке деталей ДВС 327
7.1 Особенности проектирования технологических процессов микродугового оксидирования деталей двигателей внутреннего сгорания 327
7.2 Разработка рекомендаций по конструкции приспособлений для микродугового оксидирования гильз и поршней 330
7.3 Разработка рекомендаций по основным операциям технологического процесса микродугового оксидирования 335
7.4 Исследование продолжительности срока службы электролита 338
7.5 Экологическое воздействие процесса микродугового оксидирования на окружающую среду и рекомендации по утилизации электролита 344
Выводы по главе 7 347
Заключение 348
Список сокращений и условных обозначений 351
Список литературы 354
- Условия работы и причины разрушения деталей цилиндропоршневой группы
- Проверка гипотезы формирования наноструктурного поверхностного слоя методом микродугового оксидирования
- Оценка работоспособности наноструктурного поверхностного слоя, сформированного на гильзе двигателя
- Исследование продолжительности срока службы электролита
Условия работы и причины разрушения деталей цилиндропоршневой группы
Условия работы и причины разрушения гильз цилиндра. Цилиндр является одной из основных деталей корпуса двигателя. Его внутренняя поверхность совместно с днищем поршня, и крышкой образует камеру сгорания, и является направляющей, вдоль которой происходит перемещение поршня в процессе работы [4]. Поверхность цилиндра соприкасается с пламенем и горячими газами в камере сгорания, температура которых достигает 1800-3100 К [38, с.79].
Внутренняя поверхность блока цилиндров используется в качестве рабочей поверхности довольно редко, в основном в блок цилиндров устанавливается гильза, которая имеет высокую износостойкость, и наличие которой позволяет организовать систему водяного охлаждения. Также гильза устанавливается и на двигателях воздушного охлаждения для повышения износостойкости поверхности «зеркала» цилиндра [4; 39; 40]. Работа гильзы характеризуется значительной теплонапряженностью, газовыми нагрузками, силой трения со стороны поршня и поршневых колец, - все эти факторы приводят к активному износу ее поверхности [39, с. 111].
Износ рабочей поверхности гильзы происходит по ее длине неравномерно. Возвратно-поступательное движение поршня вдоль гильзы приводит к тому, что наиболее неблагоприятные условия с точки зрения износа возникают в районе перекладки поршней. При этом самый жесткий режим наблюдается в области верхней мертвой точки (ВМТ), где фиксируются высокие температуры, которые приводят к возникновению граничного или даже сухого трения в результате выгорания смазочного материала в сопряжении «гильза - поршневое кольцо». В этой области также присутствуют частицы атмосферной пыли, попадающие в камеру сгорания вместе с воздухом [1], что вызывает абразивный износ поверхности гильзы. Стенки цилиндров ДВС с водяным охлаждением в среднем нагреваются до 100-130 оС, при этом максимальная температура наблюдается в зоне ВМТ и достигает 170-180 оС. У двигателей с воздушным охлаждением температуры гильз обычно на 30-40 оС выше [37, с. 85]. Кроме этого масляная пленка разжижается рабочей смесью в течение такта впуска, а в момент такта сжатия масляная пленка выдувается из сопряжения и выгорает при сгорании топлива [14, с. 174]. В области ВМТ и нижней мертвой точки (НМТ) всегда происходит полное или частичное разрушение масляных пленок. На Рисунке 1.1 показано изменение температуры, давления и толщины масляной пленки по длине хода поршня, а также износ поверхности гильзы.
В целом износ гильзы носит сложный характер. В качестве причин выхода из строя гильз ДВС выделяют усталостный, абразивный износ, молекулярное схватывание, а также усталостно-коррозионные явления [14, с. 175]. Явление коррозии поверхности гильзы связано с наличием соединений серы и азота в продуктах сгорания топлив. Эти вещества, растворяясь в конденсированных на поверхности гильзы каплях воды, приводят к ее химическому разрушению.
Обобщая вышеприведенную информацию можно выделить следующие основные причины выхода из строя гильз цилиндров ДВС:
а) механическое истирание поверхности гильзы поршневыми кольцами (усталостный износ);
б) коррозия поверхности;
в) разрушение масляного слоя в процесс работы, что способствует возникновению молекулярного схватывания трущихся поверхностей;
г) повышенное содержание частиц пыли во всасываемом воздухе, а также активное нагарообразование, которые вызывают абразивный износ поверхности.
На Рисунке 1.2 показаны результаты исследований износа гильзы цилиндров ДВС по их высоте на авиационных поршневых двигателях [10].
Величина износа гильз цилиндров может достигать от 0,005 до 0,015 мм за 100-200 часов при эксплуатации в нормальных условиях [10, с. 325]. При повышенной концентрации пыли износ может увеличиваться до 0,3-0,5 мм за 20-25 часов. И всегда наибольшее изнашивание происходит в верхней части гильзы - возле ВМТ (Рисунок 1.1, 1.2).
Для обеспечения долговечности гильзы к ее рабочей поверхности предъявляются следующие требования. Поверхность должна:
- иметь оптимальную шероховатость;
- иметь достаточную твердость для обеспечения минимальной интенсивности изнашивания [40];
- удерживать смазочный материал, тем самым, снижая вероятность возникновения смазочного голодания;
- быть коррозионностойкой к веществам, содержащимся в топливах, маслах и продуктах сгорания;
- быть теплостойкой, т.е. выдерживать высокие температуры, действующие со стороны горячих газов.
Условия работы и причины выхода из строя поршней. Как показывает практика, основная доля поломок двигателей связана с выходом из строя поршней. Обычно у поршня в процессе работы возникают следующие дефекты [1; 36; 37]:
- образование трещин на днище и в районе бобышек;
- прогар днища и кромок поршня;
- пригорание колец;
- износ и задир боковой поверхности (юбки поршня) [10, с. 222];
- разбивка поршневых канавок и поломка перемычек [14; 41];
- износ бобышек.
Некоторые из вышеперечисленных дефектов (износ и задир юбки поршня, разбивка поршневых канавок, прогар кромки) приводят к повышению расхода смазки, прорыву газов из камеры сгорания, что ведет к снижению мощности двигателя и других его эксплуатационных показателей. А такой дефект, как прогар днища может привести к выходу из строя не только поршня, но и двигателя в целом. Поршень современного двигателя работает при высокой температуре, которая достигает 150-455 оС [4; 10; 37]. При этом распределение температуры по телу поршня происходит неравномерно (Рисунок 1.3,а). Максимальная температура наблюдается на днище поршня (Рисунок 1.3,б), зависит от типа двигателя и достигает по разным источникам до 260-450 оС [4; 10; 37]. По образующей поверхности поршня наиболее высокая температура наблюдается в районе верхней поршневой канавки (огневого пояса) и составляет по разным источникам 190-260 оС [10; 37; 42; 43].
Верхняя и нижняя части поршня находятся в разных условиях работы и имеют самостоятельное назначение, по этой причине их различают. Выделяют, прежде всего, головку и юбку поршня. Головка поршня включает днище, жаровой и уплотнительный пояса. Вдоль оси цилиндра поршень условно разделен на три пояса [42; 43]:
а) верхний (жаровой) пояс - от верхней кромки днища до кромки первой поршневой канавки;
б) уплотнительный пояс - область поршневых колец;
в) опорный пояс – юбка поршня.
Верхний и уплотнительный пояса являются наиболее нагретой частью поршня, через которую передается значительная часть тепла от днища, через кольца к цилиндру.
Однако температура является не единственным негативным фактором, действующим на поршень. Поршень воспринимает силу давления газов – основную механическую нагрузку. На поршень также приходится наибольшее количество механических потерь [10, с. 222] (Рисунок 1.4).
Проверка гипотезы формирования наноструктурного поверхностного слоя методом микродугового оксидирования
Для подтверждения гипотезы, описывающей механизм формирования МДО-слоя был проведен специальный эксперимент. Согласно предложенной гипотезы для формирования МДО-слоя необходима кислородная газовая среда и искровой разряд, воздействующий на поверхность образца из алюминиевого сплава. В результате такого воздействия должен сформироваться слой, состоящий преимущественно из оксида алюминия, расположенный в глубине материала подложки и имеющий микротвердость -20-22 ГПа. Таким образом, цель эксперимента заключалась в установлении возможности формирования модифицированного поверхностного слоя, аналогичного МДО-слою, в результате воздействия искрового разряда на поверхность образца в кислородосодержащей газовой среде.
Методика эксперимента по проверке гипотезы формирования упрочненного слоя методом МДО. В качестве образца использовалась пластина из технически чистого алюминия A5 ГОСТ 11069-74 толщиной 3 мм, предварительно отшлифованная и обезжиренная ацетоном. Электрод также был изготовлен из алюминиевого сплава А5 и имел вид стержня диаметром 1,5 мм. Электрод и образец закреплялись на специально изготовленном приспособлении (Рисунок 4.1), при этом зазор между образцом и электродом составлял 0,5 + 0,1 мм.
Приспособление с образцом и электродом помещалось в герметичную емкость (Рисунок 4.2), из которой сначала компрессором выкачивался воздух на 0,94 кгс/мм2 (до 0,06 кгс/мм2), затем, из баллона закачивался кислород с избыточным давлением 1,6 кгс/мм2, потом газ стравливался до атмосферного давления. Такой способ заполнения емкости согласно расчетам, обеспечивал содержание кислорода не менее 97 %. Давление и количество газа контролировалось при помощи манометра.
Для генерации ИР использовался блок питания персонального компьютера. Далее, поверхность образца подвергалась многократному воздействию искрового разряда. Энергия искрового разряда оставалась неизменной в процессе обработки и составляла -0,1 мДж (значение определено расчетным путем исходя из параметров установки). Образец и электрод находились в неподвижном состоянии в течение всего процесса обработки. Суммарное время обработки поверхности образца составило 100 ч, частота импульсов 1 Гц. Замена кислорода осуществлялась каждые 10 ч.
Результаты эксперимента по проверке гипотезы формирования упрочненного слоя методом МДО. В результате 100-часовой обработки на поверхности образца сформировалась область, визуально представляющая собой пятно серого цвета (Рисунок 4.3,а). Края этой области были неровными, поверхность - пористой (Рисунок 4.3,б). Диаметр этой области увеличивался в процессе обработки и после 100 часов составил -3,0-3,5 мм. Площадь области составила 9,0 мм2.
Для измерения глубины и структуры сформированного поверхностного слоя использовался микроскоп Olimpus СК200М. При изучении поперечного шлифа визуальным анализом было установлено, что этот слой расположен в основном в глубине поверхности образца (Рисунок АЛ,а), максимальная толщина слоя составила 295 мкм, средняя толщина - 225 + 52 мкм (Рисунок 4.4,б). При этом произошло увеличение размеров образца в среднем на 15 мкм, то есть основной объем модифицированного слоя (-280 мкм) располагался в материале образца.
Для измерения микротвердости поверхности использовалась известная методика и оборудование - микротвердомер ПМТ-3М. Нагрузка на индентор составляла Р = 200 г. Микротвердость слоя, замеренная после шлифования поверхности, составила 19-22 ГПа, что соответствует микротвердости корунда сс-А1203 (19-24 ГПа [273]).
Для определения химического состава сформированного упрочненного слоя был проведен спектральный анализ поверхности на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в интервале углов 20 = 10-100 о (Рисунок 4.5).
Эталонный спектр корунда изображен на Рисунке 4.5 сплошными вертикальными линиями, выделенными точками. При расшифровке дифрактограмм (спектра) использовалась программа «FAN». Анализ спектра показал, что упрочненный слой состоит из оксида алюминия - корунда (ос-Al2O3).
Таким образом, сформированный под действием искрового разряда модифицированный слой по своим свойствам (микротвердости, глубине, химическому составу и внешнему виду) подобен МДО-слою. На основании результатов данного эксперимента был сделан вывод, что основную роль при формировании МДО-слоя выполняют искровые разряды в газовых кислородсодержащих пузырях, которые образуются на поверхности образца благодаря электрохимическим процессам, происходящим в электролите [274; 275].
В связи с тем, что обработка образца из алюминиевого сплава под действием искрового разряда в кислородосодержащей среде прошла успешно, можно считать, что предложенная гипотеза формирования МДО-слоя является подтвержденной.
Метод обработки поверхностей посредством искрового разряда в кислородсодержащей газовой среде, позволяющий получать модифицированные поверхностные слои, и по микротвердости, и по составу, и по внешнему виду являющиеся аналогами МДО-покрытий, был назван искровым упрочнением. На данный метод, авторами был получен патент РФ 2176682 от 10.12.2001 г [276].
Оценка работоспособности наноструктурного поверхностного слоя, сформированного на гильзе двигателя
Описание экспериментального образца гильзы. Экспериментальный образец гильзы двигателя ASPFS80 AR из алюминиевого сплава АК4-1 был спроектирован с учетом условий работы в двигателе и на основании конструкции штатного образца. Рабочая поверхность гильзы двигателя ASPFS80 AR обрабатывалась методом МДО. Процесс МДО осуществлялся в электролите, который был приготовлен на основе дистиллированной воды с добавлением установленного компонентного состава (Таблица 6.1) Для нанесения МДО-слоя на внутреннюю поверхность гильзы было спроектировано и изготовлено приспособление, в котором гильза устанавливалась так, чтобы она не касалась стенок и дна ванны, а также электрода (Рисунок 6.2). Рабочий электрод был выполнен в виде стержня из нержавеющей стали и помещался внутри гильзы. Кроме этого, для исключения возможности образования воздушных и/или газовых пузырей в межэлектродном промежутке в процессе МДО, был организован регулируемый поток электролита в межэлектродном пространстве. Процесс обработки гильзы МДО длился 3 часа. Напряжение в процессе обработки гильзы составило U = 430-460 В, ток I = 0,3-1,8 А. С учетом площади обработки S = 3 383,8 мм2, средняя плотность тока j = А/дм3. Гильза до нанесения МДО-слоя показана на Рисунке 6.3,а, а гильза с МДО-слоем на Рисунке 6.3,б.
После нанесения МДО-слоя с обработанной поверхности гильзы удалялся муллит (верхний рыхлый слой). Для определения основных параметров сформированного МДО-слоя измерялась его толщина и микротвердость при помощи микротвердомера HVS-1000 и толщиномера ТТ-210. Были получены следующие значения: микротвердость Нм = 14,3 ГПа, толщина h = 82 мкм. Все значения параметров МДО-слоя замерялись на образце-свидетеле, обработанном на тех же режимах, что и гильза.
Сравнительные испытания также проводились на штатной гильзе, которая была выполнена из стали 40Х ГОСТ 4543-71.
Методика испытания экспериментальных образцов гильз. Для проведения испытаний ДВС со штатной стальной гильзой и гильзой с МДО была разработана методика, в которой определялись режимы и время работы двигателя, подготовка двигателя к пуску, порядок приготовления топлива, а также регламентировались проводимые измерения. В ходе испытаний контролировались следующие параметры: частота вращения коленчатого вала ДВС («), температура головки цилиндра (7), расход топлива (Gт). Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 14846-81.
Испытания состояли из нескольких циклов, продолжительностью 10 часов каждый. После завершения каждого цикла производилась разборка двигателя для измерения износа гильзы и поршня. Износ гильзы определялся с помощью нутромера индикаторного повышенной точности, тип НИ, диапазон от 18 мм до 50 мм, цена деления 0,01 мм (ГОСТ 868-72) марка НИ 18-35-0,01. Величина износа определялась замером диаметральных размеров в 6-ти точках по трем пояскам в соответствии со схемой на Рисунке 6.4. Геометрически, точки с номерами 1, 2 и 3 располагались на плоскости, перпендикулярной коленчатому валу двигателя.
Износ штатного поршня, выполненного из сплава АК12, определялся с помощью пассаметра СИ-50 по схеме, приведенной на Рисунке 6.5. В дополнении к измерению размеров деталей проводился контроль их массы на аналитических весах ВСЛ-400/1.
1) этап 1 - обкатка двигателя. Продолжительность этапа обкатки составляла 30 минут, частота вращения коленчатого вала двигателя -5000 об/мин. Использовался рекомендованный производителем винт размером 13 х 7. После окончания данного этапа двигатель разбирался, износ гильзы контролировался замером ее диаметрального размера в соответствии с методикой, описанной выше (Рисунки 6.4), а износ поршня в соответствии с Рисунком 6.5.
2) этап 2 - ресурсные испытания. Испытания такого рода состояли из 5 подэтапов продолжительностью 10 часов каждый. В зависимости от подэтапа применялись винты разного размера и разный состав топлива (Таблицу 6.2). Каждый последующий этап отличался более «жесткими» условиями работы и при этом уменьшалось количество масла в топливной смеси. В связи с тем, что данный двигатель не приспособлен для длительной работы, испытания проходили с перерывами: через 10,5 минут работы двигатель остывал в течение 10 минут (до достижения температуры 45 оС на головке блока цилиндров). Дроссельная заслонка на разных подэтапах занимала различное положение – от 25 % до 100 % открытия, что позволило максимально приблизить работу двигателя к реальным условиям.
Скоростные характеристики этапов, в зависимости от размеров винта, приведены в Таблице 6.3. В этой таблице также указана средняя скорость двигателя на этапах и путь трения в паре «гильза-поршень». Значение пути трения вычислялось по формуле:
LТР = 2 S-n, (6.1)
где S - ход поршня, м;
n – скорость двигателя, об/мин;
t – продолжительность работы (этапа), мин.
Результаты испытания экспериментальных образцов гильз. Данные по износу штатной гильзы из стали 40Х и гильзы с МДО-слоем из сплава АК4-1 приведены в Таблицах 6.4 и 6.5, соответственно.
Данные по износу поршней при работе со штатной гильзой и гильзой с МДО-слоем приведены в Таблицах 6.6 и 6.7.
Интенсивность линейного изнашивания определялась по формуле [279]:
h = AH / LТР, (6.2)
где ЛЯ- линейный износ, м; LТР - путь трения, м.
Значения интенсивности линейного изнашивания для штатной гильзы и гильзы с МДО-слоем приведены на Рисунке 6.6. Значения были вычислены, как среднее по пояскам (Рисунок 6.4). Данные по интенсивности изнашивания поршней представлены на Рисунке 6.7.
Исследование продолжительности срока службы электролита
К недостаткам метода МДО, как и любых других электрохимических технологий, несомненно, относится неизбежное срабатывание (старение) электролита. Состав электролитов наряду с материалом обрабатываемой детали, режимами и временем обработки является определяющим фактором процесса МДО, влияющим на состав, структуру и свойства получаемых наноструктурных поверхностных слоев. Стоимость электролита вносит существенный вклад в себестоимость выпускаемой продукции и составляет 8 % в величине расходов на эксплуатацию участка МДО (по предварительным расчетам). Для серийного и мелкосерийного производства важно обеспечить требуемое качество изделий с одновременными минимальными затратами. В рамках диссертационной работы было исследовано влияние продолжительности использования электролита на качество получаемых МДО-покрытий, а также разработаны рекомендации по замене электролита.
Методика исследования влияния продолжительности использования электролита на качество получаемых МДО-покрытий. Для оценки долговечности электролита был проведен эксперимент, цель которого заключалась в исследовании влияния продолжительности использования электролита на качество формируемой поверхности.
Лабораторные образцы в количестве 5-ти штук были изготовлены из алюминиевого сплава Д16Т ГОСТ 8617-81. Образцы имели вид диска диаметром d = 44 мм, толщиной h = 5 мм, площадью S = 3732 мм2.
Обработка образцов осуществлялась по очереди в одном и том же электролите. Электролит готовился из дистиллированной воды (35 литров) с добавлением СКОН = 2 г/л и метасиликата натрия СЖС = 2 г/л. Емкость конденсаторной батареи составляла С = 100 мкФ. Продолжительность обработки каждого образца - 2 часа.
Весь эксперимент по продолжительности занял 2 дня. В первый день было обработано 2 образца, во 2-й день - 3 образца. Значения токов и напряжений измерялись каждые 30 минут.
На всех образцах проводились измерения толщины и микротвердости покрытий. Толщина покрытия определялась неразрушающим методом при помощи вихретокового толщиномера ТТ-210. Микротвердость измерялась на микротвердомере HVS-1000. Вдавливание алмазной пирамиды Виккерса осуществлялось перпендикулярно к поверхности покрытия с нагрузкой 200 г, которая прикладывалась в течение 10 с. Измерения микротвердости проводились на одной из сторон образца, с которой предварительно удалялась верхняя рыхлая часть покрытия на глубину 20-30 мкм.
Результаты эксперимента по исследованию влияния продолжительности использования электролита на качество МДО-покрытия. В результате проведенного эксперимента были получены пять образцов с МДО-покрытием (Рисунок 7.6,а). На одной стороне образцов был сошлифован верхний рыхлый слой для замера микротвердости (Рисунок 7.6,б).
При измерении толщины у образцов отличали стороны: А – сторона с верхним рыхлым подслоем МДО-покрытия, Б – сторона образца после удаления верхнего рыхлого подслоя. Толщины покрытий приведены в Таблице 7.2. Значения микротвердости приведены на Рисунке 7.7.
Анализируя Рисунок 7.6 можно утверждать, что визуально фиксируется ухудшение качества МДО-покрытия от первого образца к последнему.
Равномерный по окраске слой был сформирован только на образце №1.
В результате анализа данных было получено уравнение, показывающие зависимость микротвердости МДО-покрытия от времени использования электролита:
Н = -0,71 + 11,12, (7.1)
Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что продолжительность использования электролита влияет на качество и свойства покрытия. Прежде всего, это влияние сказывается на визуальном качестве МДО-слоя и на его микротвердости (Рисунок 7.7). Микротвердость у образца № 5 в 2,3 раза меньше, чем у образца № 1. При этом толщина слоя остается практически неизменной (Таблица 7.2).
Для объяснения полученных данных был проведен анализ токов и напряжений в процессе МДО (Таблица 7.3). В процессе работы произошло снижение среднего значения тока (примерно на 20 %) и при этом ухудшилось визуальное качество покрытий. Можно предположить, что этот эффект связан с уменьшением количества носителей заряда в электролите, а именно со срабатыванием КОН.
Известно, что основной химической реакцией на аноде в процессе МДО является образование атомов кислорода благодаря гидроксогруппам, которые притягиваются к положительно заряженному образцу [20; 169]. В результате их взаимодействия с анодом происходит комплекс реакций согласно уравнениям (2.8)-(2.10), в результате чего на поверхности образца возникают пузырьки кислорода. Очевидно, что уменьшение КОН в электролите будет приводить к уменьшению анодного тока и снижению количества атомов кислорода на поверхности анода, что, в свою очередь, приведет к снижению микротвердости МДО-слоя.
Таким образом, в результате эксперимента было установлено, что продолжительность использования электролита влияет на качество покрытия. Этот эффект связан с уменьшением количества носителей заряда в электролите, что ведет к снижению плотности тока.
Можно рекомендовать, для предотвращения ухудшения качества МДО-покрытия, компенсировать расход компонентов электролита. Однако, из практики известно [163], что добавление в силикатно-щелочной электролит щелочи с целью восстановления концентрации ионов ОН" не позволяет добиться исходной работоспособности электролита и сохранить качество наноструктурных поверхностных слоев на требуемом уровне. По этой причине можно рекомендовать либо всегда использовать новый электролит, либо добавлять в электролит стабилизирующие добавки.
Одной из добавок, стабилизирующих электролит, является крахмал, который авторы патента [332] рекомендуют вводить в электролит в количестве 6-12 г/л. Авторы этого патента считают, что срабатывание электролита связано с растворением в нем в процессе МДО, оксидируемого сплава. В результате чего электролит меняет свою природу, обогащаясь ионами АЮ2 , которые подвергаются гидролизу. Этот процесс приводит к снижению рН раствора и к ухудшению качества МДО-покрытия. Добавление в электролит крахмала, по их мнению, приводит к блокировке анодной поверхности молекулами крахмала. В результате доступ кислорода к поверхности затрудняется и процесс осаждения гидроокиси начинает преобладать над процессом оксидирования подложки. Под действием микродуговых разрядов гидроокись алюминия превращается в высокотемпературную модификацию а-Аl2Оз [33].