Маннапова О.В., Соколов О.Д., Костржицький А.І.

Одеська національна академія харчових технологій, м. Одеса, Україна

Захист ПОВЕРХНІ ПОРШНЕВиХ Кілець

електрофізичним і хімічним оксидуванням

Аналіз останніх досліджень надійності і довговічності поршневих кілець як частини загальної трибологічної системи двигунів внутрішнього згорання показує, що ці показники залежать не тільки від зносостійкості їх зовнішньої циліндричної поверхні, але також і від захисних властивостей і корозійно-електрохімічної поведінки решти поверхонь в середовищах, супутніх процесам виготовлення і експлуатації кілець.[1 - 3]. Сірий чавун і сталь поршневих кілець володіють низькою корозійною стійкістю, що викликає необхідність їх консервації і упаковки відразу після виготовлення. У виробництві це спричиняє незручності, оскільки прийняття рішення про постачання їх на комплектацію або в запасні частини, де вимоги до консервації і упаковки істотно відрізняються, проводиться наприкінці певного терміну.

Цей недолік можна усунути оксидуванням поверхні чавуну [4], проте, проведене нами [5] випробування у виробництві відомих способів оксидування (хімічного, електрохімічного і в середовищі перегрітої водяної пари) не привело до позитивних результатів із-за збільшення розмірів поршневих кілець. Питання оксидування сталі також достатньо вивчені і, на відміну від чавуну, дають можливість забезпечити корозійний захист сталевих поршневих кілець, але екологічні вимоги до виробництва і невисока жорсткість складських умов зберігання дозволили нам запропонувати електрофізичний метод оксидування [6, 7].

Метою даної роботи є виклад результатів наших досліджень безпосередньо на поршневих кільцях по підвищенню захисних властивостей нехромованої поверхні кілець із сірого чавуну оксидуванням в хромовій кислоті і оксидуванням в тліючому розряді для сталевих кілець.

Проведені нами попередні дослідження дозволили розробити технологічний процес кислого оксидування, що забезпечує допустимий рівень приросту висоти чавунного кільця. Склад розчину (г/л): CrO₃ (100 - 250); H₂SO₄ (80 - 200); 3NaF^.AlF₃ (10 - 50). Температура процесу - 65 - 75 ^оС. Процес не призводить до неприпустимої зміни розмірів поршневого кільця і забезпечує формування однорідного рівномірного покриття чорного кольору товщиною 4 - 5 мкм при втраті ваги не більше 0,0045 г/см².

Аналіз складу покриття проводився наступними методами: металографічним; газооб'ємним; хімічним фотоколориметричним (ФЕК-56); спектральним емісійним в каналі вугільного електроду (ІСП-30); кулонометричним; методом вакуумного плавлення із газохроматографічним закінченням і рентгеноструктурним методом (УРС-0,02, камера РКД, кобальтове випромінювання, трубка із гострофокусним анодом). Покриття містить оксиди заліза, гідрооксид заліза, оксиди хрому і кремнію і карбіди заліза.

Дослідження корозійної стійкості поверхні оксидованих кілець проводилися в агресивних середовищах, що містять активні іони Cl і SO₂. Згідно стандарту кільця занурювалися в 3 % розчин NaCl у фарфорових чашках при кімнатній температурі. Кількісно корозійна стійкість визначалася по накопиченню продуктів корозії (іонів заліза в розчині), виміряному фотоколориметром ФЕК-56. Результати представлені на рис. 1, звідки витікає, що оксидування перевищує корозійну стійкість кілець в 2 рази.

При випробуваннях в парах NaCl і SO₂ згідно із стандартом кільця підвішувалися на скляній підвісці в ексикаторах над розчином 3 % NaCl і 1% (Na₂S₂O₃ + 0,05M H₂SO₄). Ексикатори витримувалися в сушильній шафі 6 годин при температурі 50 ^оС, 1 годину при температурі 20 ^оС із закритою кришкою і 17 годин при температурі 20 ^оС із відкритою кришкою. Випробування проводилися 1 і 2 доби. Результати випробувань, оброблені по системі балів, що пропонується стандартом, представлені на рис. 2 і показують значне підвищення корозійної стійкості.

Рис.1. Залежність накопичення заліза в 3 % розчині NaCl від часу витримки дослідних поршневих кілець: 1 - неоксидовані кільця; 2 - неоксидовані, промаслені у консерваційному мастилі К-17; 3 - оксидовані; 4 - оксидовані, промаслені в К-17. Фотоколориметр ФЕК-56.

Рис. 2. Результати прискорених корозійних випробувань поршневих кілець в агресивних середовищах: 1 - неоксидовані кільця; 2 - неоксидовані, промаслені в К-17; 3 - оксидовані; 4 - оксидовані, промаслені в К-17; 5 - пари NaCl; 6 - пари SO₂. Тривалість 2 доби.

Для натурних випробувань поршневі кільця були виставлені на спеціальних стендах на території заводу в місцях із атмосферою різного типа агресивності. У ливарному цеху перші осередки корозії на необроблених кільцях з'явилися через 3 дні, а через 14 днів на цих кільцях прокородувала вся поверхня. На складі готової продукції через 30 днів прокородувало 20 % поверхні необроблених кілець. Оцінка корозії приведена на рис. 3 і 4. Приведені дані говорять про те, що пропоноване оксидування поршневих кілець дозволяє забезпечити місячний період їх знаходження на складі готової продукції без консервації.

У роботах [8 - 10] доведено, що іонне бомбардування робить певний вплив на електрохімічну і корозійну поведінку матеріалів в різних агресивних середовищах, проте, незважаючи на перспективність використання іонного бомбардування для пасивації поверхні [11], механізм підвищення корозійної стійкості до кінця не з'ясований.

Рис.3. Результати натурних корозійних випробувань поршневих кілець: 1 - неоксидовані кільця; 2 - склад готової продукції, 30 діб; 3 - оксидовані; 4 - оксидовані, промаслені в К-17; 5 - ливарний цех, 14 діб.

Рис. 4. Кінетика корозійного ураження поверхні поршневих кілець в промисловій атмосфері механічного цеху: 1 - неоксидовані кільця; 2 - неоксидовані, промаслені в К-17; 3 - оксидовані; 4 - оксидовані, промаслені в К-17.

У наших дослідженнях був застосований тліючий розряд постійного струму в залишковій атмосфері повітря. Сталеве поршневе кільце і сталеві зразки розташовувалися на катоді розряду при тиску у вакуумній камері 0,2 - 0,4 Па. Для визначення оптимального режиму обробки прискорююча напруга варіювалася в межах від 600 до 1500 В, щільність струму тліючого розряду від 1,7 до 6,2 мА/см², час обробки від 5 до 20 хвилин відповідно до матриці планування експерименту. Товщина оксидної плівки, що утворюється, визначалася на гоніометрі оптичним поляризаційним методом із подальшим машинним розрахунком параметрів еліптичної поляризації світла, відбитого від поверхні металу, покритого оксидною плівкою (табл. 1). Фазовий склад оксиду, виявлений як γ-Fe₂O₃, визначили методом електронної дифракції на відбиття при прискорюючій напрузі електронографа 100 кВ.

Табл. 1. Вплив режимів обробки на товщину оксидної плівки γ-Fe₂O₃

№	Напруга, U, В	Струм, j, мА/см^2	Час, τ, хвил	Товщина оксида, δ, нм	Потенціал, Епоч, мВ	Потенціал, Е96 год, мВ	Процент ураження
1	600	1,7	10	11,0	-70	-200	6 - 8
2	600	1,7	20	13,0	+50	-245	3 - 7
3	600	2,5	10	12,0	-115	-210	2 - 4
4	600	2,5	20	22,5	+30	-270	0,5 - 1,0
5	1000	1,7	10	16,6	+85	+120	0,2 - 0,3
6	1000	1,7	20	16,8	+30	-280	10 - 11
7	1000	2,5	10	20,0	+180	-130	12 - 15
8	1000	2,5	20	120,0	+130	-270	18 - 20

Для оптимізації режиму обробки по максимальній корозійній стійкості поверхні оброблених сталевих кілець були вивчені: зміна електродних потенціалів у часі, характер електродних процесів при зовнішній поляризації і захисні властивості поверхневих плівок в нежорстких умовах експлуатації. Вже перші усереднені дані про зміну в часі електродних потенціалів Е (табл. 1, хлор-срібний електрод порівняння) при зануренні зразків у дистильовану воду дозволяють виявити найбільш оптимальну область режимів обробки, в якій помічається зсув потенціалу в область позитивних значень.

Потенціодинамічні дослідження, проведені при швидкості накладення зовнішнього потенціалу 0,04 В/хвил, показали, що при оптимальних режимах обробки на анодних поляризаційних кривих виявляється область пасивності (рис. 5), а при режимах, що сполучають високі значення прискорюючої напруги розряду і часу, швидкість корозії навіть зростає в порівнянні з необробленою поверхнею, незважаючи на формування більш товстої оксидної плівки. Це можна пояснити лише пористістю товстих плівок, які стають ефективним катодом по відношенню до сталі, і високими значеннями внутрішніх напруг у них, що інтенсифікують корозійні процеси.

Рис. 5. Потенціодинамічні анодні поляризаційні криві сталі в дистильованій воді: 1 - 8 - режими обробки відповідно до табл. 1; 9 - сталь необроблена.

Рис. 6. Потенціодинамічні катодні поляризаційні криві сталі в дистильованій воді: 1 - 8 - режими обробки відповідно до табл. 1.

Аналіз катодних поляризаційних кривих (рис. 6) свідчить про ідентичність фазового складу оксидної плівки, що формується при всіх режимах обробки, корелюючи з електронографічним аналізом, і показує, що корозійний процес йде під катодним контролем.

Лабораторні корозійні випробування у вологій атмосфері протягом 4-х місяців показали, що на поршневих кільцях, оброблених в оптимальному режимі, перші осередки корозії з'являються лише через 25 - 30 діб випробувань. При цьому площа поверхні сталевого поршневого кільця, обробленого в оптимальному режимі, наприкінці терміну випробувань мала 0,2 - 0,3 % уражень , а необробленого кільця 10 - 11 % (табл. 1).

Таким чином, оптимальним режимом обробки сталевих поршневих кілець в тліючому розряді для підвищення їх корозійної стійкості в нежорстких умовах експлуатації (в умовах тривалого зберігання на складі) є режим, при якому напруга складає 800 - 1000 В, щільність струму 1,8 - 2,0 мА/см², час 10 - 12 хвилин. Захисний ефект зумовлює плівка оксиду γ-Fe₂O₃, що формується в розряді.

Література:

1. Holmberg K. Tribology in Reliability Engineering // Scientific Achievements. Industrial Applications / 2^th World Tribologie Congress: Vienna, Austria, 2001, с. 13 - 19.

2. Соколов О. Д. Оцінка зносостійкості та надійності хромових покриттів для розробки технології їх нанесення на деталі вузла тертя // Проблеми трибології (Problems of Tribology).- 2003.- №2.- с. 130 – 135.

3. Чернета О. Г. Підвищення ресурсу роботи поршневих кілець двигунів внутрішнього згорання за рахунок використання нових покриттів: Автореф. дис…канд. техн. наук: 05.02.01. Запоріз. нац. техн. ун-т.- Запоріжжя, 2002.-18 с.

4. Грилихес С. Я. Оксидные и фосфатные покрытия металлов.- М.: Машиностроение, 1978.- 104 с.

5. Соколов А. Д., Мишурис Л. Г., Бейзерман Я. М., Азриленко А. М., Ольшанская Л. И., Зотова В. И. Повышение коррозионной стойкости поршневых колец химическим оксидированием // Технология и организация производства, 1984, № 2, с. 43 – 45.

6. Соколов А. Д., Костржицкий А. И., Соколова Е. А. Защита от коррозии материалов методом ионной бомбардировки в тлеющем разряде / В сб.: Машины для ферм // К.: НПО НИИФерммаш, 1995, вып. 9, с. 40 – 44.

7. Костржицкий А. И., Калинков А. Ю., Соколов А. Д. О защитных свойствах оксидных слоев на поверхности железа. / В сб.: Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: Материалы Третьей Промышленной конференции с международным участием и выставки. 24 – 28.02.2003, п. Славское, Львовской обл. // К.: УИЦ “Наука, техника, технология”, 2003, с. 71 – 71.

8. Asworth V., Procter R. P. M., Grant W. A. The application of the ion implantation to aqueous corrosion // Treat. Mater. Sci. And Techn., 1980, v. 18, p. 257 - 320.

9. Dearnaley G. Thermal oxidation // Treat. Mater. Sci. And Techn., 1980, v. 18, p. 175 - 256.

10. Mock J. A ion implantation fights wear, corrosion // Mater. Eng., 1980, v. 92, n. 4, p. 44 - 48.

11. Худяков А. В., Широбакин С. Е., Зубец В. В. Интерпретация эффекта пассивации поверхности гелием // Журнал технической физики, 1981, т. 51, № 1, с. 182 - 188.