Пиролитическое хромирование как способ упрочняющей обработки литейных алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния

Широкое применение алюминия в промышленности, прежде всего, связано с его большими природными запасами, а также совокупностью химических, физических и механических характеристик [1-3]. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. Алюминий совместно с легирующими элементами образует различные системы, содержащие от двух до пяти компонентов. Системы обладают различными механическими, коррозионными, технологическими свойствами, различными структурами и каждая система состоит из нескольких сплавов.

В последнее время одним из активно развивающихся направлений двигателестроения является создание и производство форсированных двигателей, условия работы деталей в которых значительно отличаются от условий работы в обычном двигателе. Такие двигатели могут применяться не только в автомобилестроении, но и при производстве мото- и снегоходной техники, а также в лёгкой авиации [4]. Поршень – одна из важнейших деталей двигателя внутреннего сгорания, предназначенная для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом [5]. Он передает энергию сгорания топлива через палец и шатун коленчатому валу.

Панарин Александр Витальевич, начальник сектора

К материалам, применяемым для изготовления поршней двигателей, предъявляются следующие требования: высокая механическая прочность, малая плотность, хорошая теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения, высокая коррозионная стойкость, хорошие антифрикционные свойства. Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы [6, 7]. Поршни из чугуна прочны и износостойки. Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения, они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра. Однако чугун имеет довольно большой удельный вес. Чаще исходным материалом служат алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния АК12Д, АК18Д и др. Достоинства алюминиевых поршней: малая масса (как минимум на 30% меньше по сравнению с чугунными); высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250ºС, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях; хорошие антифрикционные свойства.

Кремний вводят в алюминиевые сплавы в виде специальной добавки или он присутствует как примесь, которому присущи хорошие литейные свойства: высокая жидкотекучесть и герметичность при повышенной коррозионной стойкости [8]. Присадка кремния в алюминий позволила создать группу литейных сплавов типа силумин. Для защиты алюминиевых сплавов от износа в узлах трения осуществляют процессы поверхностного оксидирования. Однако получение качественных оксидных плёнок на алюминиевых сплавах с высоким содержанием кремния является проблематичным, т.к. кремний, взаимодействуя с кислородом, образует диоксид кремния (песок), тем самым ухудшая электроизоляционные свойства и увеличивая пористость. Для решения этой проблемы предлагается наносить многослойное покрытие, состоящее из подслоя, служащего для увеличения прочности сцепления, и пиролитического карбидохромового покрытия (ПКХП) [9,10].

Рис. 1. Схема установки для осаждения ПКХП:

1 - испаритель, 2 - реакционная камера, 3 - азотная ловушка, 4 - насос

Процесс нанесения пиролитического карбидохромового покрытия осуществляется следующим образом: хроморганическая жидкость [11, 12] из ампулы подаётся капельницей через питатель в испаритель, располагаемый в реакционной камере над нагретым изделием. Попадая в испаритель, хроморганическая жидкость переходит в парообразное состояние. Проходя вблизи разогретой до температуры разложения Бархоса поверхности изделия, расположенного на держателе, пары металлоорганического соединения разлагаются на твёрдую фазу карбида хрома и газообразные продукты распада. Карбид хрома осаждается на поверхности изделия, а продукты распада (смесь бензола и этилбензола) удаляются насосом через постоянно включенную азотную ловушку. В ней конденсируются жидкие продукты распада (ароматические углеводороды), которые в дальнейшем попадают в сливную ёмкость; газообразные - уходят в атмосферу. Процесс осаждения пиролитического карбидохромового покрытия проводят при постоянной работе вакуумных насосов.

Металлографические    исследования.

Толщину покрытия оценивали на поперечном шлифе с помощью компьютерного анализа изображения. Микротвёрдость полученного покрытия измеряли вдавливанием алмазной пирамидки под нагрузкой 1,96 Н с последующей оценкой диагоналей отпечатка. Результаты измерения микротвёрдости покрытия приведены в табл. 1. По результатам исследования установлено, что среднее значение микротвёрдости пиролитического карбидохромового покрытия составляет 15,7 ГПа на алюминиевом сплаве АЛ25; 16,6 ГПа на алюминиевом сплаве АЛ26.

Рис. 2. Микрошлиф ПКХП на образце из алюминиевого сплава АЛ25

Рис. 3. Микрошлиф ПХКП на образце из алюминиевого сплава АЛ26

Измерение шероховатости. Шероховатость измеряли до и после нанесения покрытия профилометром Surfest SJ-210. Результаты замеров приведены в табл. 2. Как видно из таблицы, марка алюминиевого сплава не оказывает влияния на шероховатость образца с покрытием. Установлено, что процесс осаждения пиролитического карбидохромового покрытия не изменяет шероховатость на образцах из алюминиевых сплавов АЛ25 и АЛ26, полностью повторяя исходный профиль покрываемой детали, что свидетельствует об отсутствии необходимости проведения операций шлифования и полировки после осаждения покрытия.

Таблица 1. Микротвёрдость ПКХП на образцах из алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния

Таблица 2. Шероховатость поверхности до и после осаждения ПКХП

Оценка химической стойкости. Оценку химической стойкости образцов с ПКХП проводили весовым методом. Образцы с покрытиями взвешивали до и после травления в различных кислотах и щелочах. Выдержка составляла 24 ч. Результаты испытаний приведены в табл. 3. Из табл. 3 видно, что ПКХП не реагирует с растворами щелочей, а также концентрированными и разбавленными кислотами. Согласно ГОСТ 13819, ПКХП принадлежит по отношению к щелочам и неорганическим кислотам к категории 4 (стойкие). Аналог (стандартное гальваническое хромовое покрытие) – относится к категории 4 (стойкие) для NaOH и HNO3; к категории 3 (медленно растворяется) для H2SO4 и к категории 1 (разрушается) для HСl. Таким образом, по химической стойкости в растворе гидрооксида натрия и азотной кислоте ПКХП соответствует аналогу, а в серной и соляной кислотах превосходит стандартное гальваническое хромовое покрытие.

Таблица 3. Изменение массы ПКХП после 24-часовой выдержки в растворах кислот и щелочей, мг

Выводы: на базе Ульяновского научно технологического центра ВИАМ планируется проведение работ по исследованию трибологических характеристик алюминиевых сплавов с пиролитическим карбидохромовым покрытием, потенциостатические исследования коррозионного взаимодействия «деталь-покрытие», а также изучение влияние процесса осаждения ПКХП на прочностные свойства покрываемого материала.