DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2019.05.15

Технології інженерії поверхонь деталей силових установок автомобільної та бронетанкової техніки

Ann Karakurkchi, Mykola Sakhnenko, Maryna Ved’, Ruslan Kaidalov, Oleksandr Shapoval

Анотація


Проведено огляд існуючих підходів використання методів інженерії поверхні деталей поршневої групи двигунів внутрішнього згоряння. Показано, що застосування процесів спрямованого модифікування поверхні дозволяє розширити функціональні властивості оброблюваного матеріалу, зокрема підвищити показники міцності, зносостійкості, корозійної тривкості. Як ефективний метод інженерії поверхні запропоновано використання плазмово-електролітичного оксидування в лужних електролітах. Особливості обробки матеріалу у високоенергетичних режимах під дією короткоживучих електричних розрядів полягають у формуванні наноструктурованих оксидних композиційних покривів під час електрохімічних та термохімічних реакцій. Завдяки особливостям перебігу плазмово-електролітична обробка може розглядатися як комбінований метод інженерії поверхні за рахунок поєднання в одному процесі модифікування поверхневого шару оброблюваного матеріалу та формування покриву з інкорпорацією компонентів електроліту та продуктів термохімічного перетворення. Запропоновано спосіб поверхневої обробки поршневого силуміну АК12М2МгН у лужних електролітах методом плазмово-електролітичного оксидування. Показано, що в гальваностатичному режимі із лужних розчинів електролітів, що містять солі мангану та кобальту, можливо одержувати рівномірні щільні міцноадгезовані з основним металом керамікоподібні покриви, доповані каталітичними компонентами, вміст яких варіюється в межах 25–35 ат.%. Показано, що морфологія та фазова структура поверхневих шарів змінюється із інкорпорацією металів-допантів. Сформовані покриви мають високий ступінь розвинення поверхні, що є передумовою високих функціональних властивостей сформованих керамікоподібних покривів. Запропонований підхід використано для модифікування поверхні поршня КамАЗ-740. Встановлено, що використання керамікоподібних покривів поршня двигуна приводить до зниження годинної витрати палива та кількості токсичних речовин з відпрацьованими газами, що робить їх перспективними для використання у внутрішньоциліндровому каталізі.


Ключові слова


інженерія поверхні; поверхнева обробка; плазмово-електролітичне оксидування; поршневий сплав; силумін

Повний текст:

PDF

Посилання


Suslov, A. G., Bezjazychnyj, V. F., Panfilov, Ju. V. Bishutin, S. G. Inzhenerija poverhnosti detalej: Monografija [Surface engineering of details: Monograph]. M.: Mashinostroenie, 2008, 320 p.

Plazmenno-elektroliticheskoe modifitsirovanie poverkhnosti metallov i splavov: v 2 t. I. V. Suminov (ed.) [Plasma-electrolytic modification of metals and alloys surface: in 2 vol.]. Moscow, Tehnosfera Publ., 2011, T. 2, 512 p.

Gupta, P., Tenhundfeld, G., Daigle, E. O., D. Ryabkov Electrolytic plasma technology: Science and engineering – An overview. Surface and Coatings Technology, 2007, 201(21), 8746–8760, doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.11.023.

Rudnev, V. S. Lukiyanchuk, I. V., Vasilyeva, M. S., Medkov, M. A., Adigamova, M. V., Sergienko, V. I. Aluminum- and titanium-supported plasma electrolytic multicomponent coatings with magnetic, catalytic, biocide or biocompatible properties. Surface and Coatings Technology, 2016, 307(Part C), 1219–1235, doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.07.060.

Glazoff, M. V., Zolotorevsky, V. S., Belov, N. A. Casting Aluminum Alloys. Elsiever, Oxford, 2007, 544 p.

Okada, A. Innovative materials for automotive industry. New York: Nova Science Publishers, 2010, 147 p.

Karakurkchi, H. V., Sakhnenko, M. D., Ved’, M. V., Horokhivskyy, A. S., Shchokin V. M. Pidkhody shchodo pidvyshchennya palyvnoyi ekonomichnosti dvyhuniv vnutrishn'oho z·horyannya bronetankovoho ozbroyennya ta avtomobil'noyi tekhniky [Approaches to improve the fuel efficiency of internal combustion engines of armored and automotive machines]. Systemy ozbroyennya i viyskova tekhnika [Weapons systems and military equipment]. 2016, 2, 26–31.

Krishtal, M.M., Yasnikov, I.S., Ivashin, P.V., Polunin, A.V. O primenenii tehnologii mikrodugovogo oksidirovaniya dlya remonta i vosstanovleniya izdeliy iz siluminov [On the application of microarc oxidation technology for the repair and restoration of products from silumins]. Aviatsionnaya i raketno-kosmicheskaya tehnika [Aviation and rocket and space technology]. 2012, 3(34), 225–228.

Krishtal, M.M., Ivashin, P.V., Kolomiets, P.V. Ispolzovanie tehnologii mikrodugovogo oksidirovaniya pri razrabotke DVS s blokom tsilindrov iz alyuminievogo splava [The use of microarc oxidation technology in the development of internal combustion engines with an aluminum alloy cylinder block]. Известия Самарского научного центра Российской академии наук [News of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2012, 12(4), 242–246.

Butusov, I. A., Dudareva, N. Yu. Issledovanie vliyaniya mikrodugovogo oksidirovaniya na iznosostoykost porshnya DVS [Investigation of the effect of microarc oxidation on the wear resistance of an internal combustion engine piston] Nauka i obrazovanie [Science and education]. 2013, 9, 127–144.

Marchenko, A. P., Shpakovskiy, V. V. Vliyanie korundovogo sloya na rabochih poverhnostyah porshney na protsess sgoraniya v DVS [The effect of corundum on the working surfaces of the pistons on the combustion process in internal combustion engines] Dvigateli vnutrennego sgoraniya [Internal combustion engines]. 2011, 2, 24–28.

Marchenko, A. P., Shpakovs'kyy, V. V., Pyl'ov, V. V. Pidvyshchennya ekonomichnosti benzynovoho dvyhuna na riznykh rezhymakh roboty pry zastosuvanni chastkovo-dynamichnoyi teploizolyatsiyi porshniv [Increasing the efficiency of the gasoline engine at different operating modes when applying partially dynamic thermal insulation of pistons]. Visnyk NTU «KhPI» [Bulletin of NTU "KhPI"]. 2013, 32(1005), 106–110.

Stepanov, V.A. Uluchshenie ekspluatatsionnyih pokazateley avtomobiley mikrodugovyim oksidirovaniem dnisch porshney dvigateley [Improvement of vehicle performance by microarc oxidation of engine piston bottoms]. Science and world, 2014, 1(5), 115–117.

Dudareva, N. Yu., Abramova, M. M. The Structure of Plasma-Electrolytic Coating Formed on Al–Si alloys by the Micro-Arc Oxidation Method. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2016, 52(1), 128–132, doi:10.1134/S2070205116010093.

Ivashin, P. V., Polunin, А. V., Tverdokhlebov, А. Y., Borgardt, E. D., Krishtal, М. М. The influence of SiO2 nanoparticles addition into electrolyte on the thermal conductivity of oxide layer formed on eutectic aluminum-silicon alloy by PEO. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1121, 2018, 012014, doi: 10.1088/1742-6596/1121/1/012014.

Rogov, A. B. Plasma electrolytic oxidation of A1050 aluminium alloy in homogeneous silicate-alkaline electrolytes with edta4-complexes of Fe, Co, Ni, Cu, La and Ba under alternating polarization conditions. Materials Chemistry and Physics, 2015, 167, 136–144, doi: 10.1016/j.matchemphys.2015.10.020.

Malyshev, V. N., Zorin, K. M. Features of Microarc Oxidation Coatings Formation Technology in Slurry Electrolytes. Applied Surface Science, 2007, 254(5), 1511–1516, doi: 10.1016/j.apsusc.2007.07.079.

Borisov, A. M., Krit, B. L., Lyudin, V. B., Morozova, N. V., Suminov, I. V., Apelfeld, A. V. Microarc oxidation in slurry electrolytes: A review. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2016, 52(1), 50–78, doi:10.3103/S106837551601004X.

Rudnev, V. S., Morozova, V. P., Kaidalova, T. A., Nedozorov, P. M. Iron– and Nickel–Containing Oxide–Phosphate Layers on Aluminum and Titanium. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2007, 52(9), 1350–1354, doi: 10.1134/S0036023607090069.

Lukiyanchuk, I. V., Rudnev, V. S., Tyrina, L. M. Plasma electrolytic oxide layers as promising systems for catalysis. Surface and Coatings Technology, 2016, 307(C), 1183–1193, doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.06.076.

Ved’, M. V., Sakhnenko, N. D., Karakurkchi, A. V., Myrna, T. Yu. Functional mixed cobalt and aluminum oxide coatings for environmental safety. Functional Materials, 2017, 24(2), 303–310, doi: 10.15407/fm24.02.303.

Karakurkchi, A., Sakhnenko, M., Ved, M., Galak, A., Petrukhin, S. Application of oxide-metallic catalysts on valve metals for ecological catalysis. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2017, 5/10(89), 12–18, doi:10.15587/1729-4061.2017.109885.

Parsadanov, I. V., Sakhnenko, N. D., Ved’, M. V., Rykova, I. V., Khyzhniak, V. O., Karakurkchi, A. V., Gorohivskiy, A. S. Increasing the efficiency of intra-cylinder catalysis in diesel engines. Voprosy himii i himicheskoj tehnologii [Issues of Chemistry and Chemical Technology], 2017, 52(6), 145–151.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Суслов, А. Г. Инженерия поверхности деталей: Монография / А. Г. Суслов, В. Ф. Безъязычный, Ю. В. Панфилов, С. Г. Бишутин. – М.: Машиностроение, 2008. – 320 с.
  2. Плазменно-электролитическое модифицирование поверх-ности металлов и сплавов: в 2 т. / под общ. ред. И. В. Суминова. – М.: Техносфера, 2011. – Т. 2. – 512 с.
  3. Gupta, P. Electrolytic plasma technology: Science and engineering – An overview / P. Gupta, G. Tenhundfeld, E. O. Daigle, D. Ryabkov // Surface and Coatings Technology. – 2007.− Vol. 201, Issue 21. – P. 8746–8760. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.11.023.
  4. Rudnev, V. S. Aluminum- and titanium-supported plasma electrolytic multicomponent coatings with magnetic, catalytic, biocide or biocompatible properties / V. S. Rudnev, I. V. Lukiyanchuk, M. S. Vasilyeva, M. A. Medkov, M. V. Adigamova, V. I. Sergienko // Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 307, Part C. – P. 1219–1235. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.07.060.
  5. Glazoff, M. V. Casting Aluminum Alloys / M. V. Glazoff, V. S. Zolotorevsky, N. A. Belov. – Elsiever, Oxford, 2007. – 544 p.
  6. Okada, A. Innovative materials for automotive industry / A. Okada. – New York: Nova Science Publishers, 2010. – 147 p.
  7. Каракуркчі, Г. В. Підходи щодо підвищення паливної економічності двигунів внутрішнього згоряння бронетанкового озброєння та автомобільної техніки / Г. В. Каракуркчі, М. Д. Сахненко, М. В. Ведь, А. С. Горохівський, В. М. Щокін // Системи озброєння і військова техніка. – 2016. – № 2(46). – С. 26-31.
  8. Криштал, М. М. О применении технологии микродугового оксидирования для ремонта и восстановления изделий из силуминов / М. М. Криштал, И. С. Ясников, П. В. Ивашин, А. В. Полунин // Авиационная и ракетно-космическая техника. – 2012. – № 3 (34). ‒ С. 225–228.
  9. Криштал, М. М. Использованиe технологии микродугового оксидирования при разработке ДВС с блоком цилиндров из алюминиевого сплава / М. М. Криштал, П. В. Ивашин, П. В. Коломиец // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – Т. 12, № 4. ‒ С. 242 –246.
  10. Бутусов, И. А. Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость поршня ДВС / И. А. Бутусов, Н. Ю. Дударева // Наука и образование. – 2013. – № 9. ‒ С. 127 – 144.
  11. Марченко, А. П. Влияние корундового слоя на рабочих поверхностях поршней на процесс сгорания в ДВС / А. П. Марченко, В. В. Шпаковский // Двигатели внутреннего сгорания. – 2011. – № 2. – С. 24 – 28.
  12. Марченко, А. П. Підвищення економічності бензинового двигуна на різних режимах роботи при застосуванні частково-динамічної теплоізоляції поршнів / А. П. Марченко, В. В. Шпаковський, В. В. Пильов // Вісник НТУ «ХПІ». – 2013. – № 32 (1005). – С. 106 – 110.
  13. Степанов, В. А. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей микродуговым оксидированием днищ поршней двигателей / В. А. Степанов // Science and world. – 2014. – № 1 (5). ‒ С. 115 – 117.
  14. Dudareva, N. Yu. The Structure of Plasma-Electrolytic Coating Formed on Al–Si alloys by the Micro-Arc Oxidation Method / N. Yu. Dudareva, M. M. Abramova // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2016. – Vol. 52, Issue 1. – P. 128–132. – doi:10.1134/S2070205116010093.
  15.  Ivashin, P. V. The influence of SiO2 nanoparticles addition into electrolyte on the thermal conductivity of oxide layer formed on eutectic aluminum-silicon alloy by PEO / P. V. Ivashin, А. V. Polunin, А. Y. Tverdokhlebov, E. D. Borgardt, М. М. Krishtal // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1121. – 2018. – Р. 012014. – doi: 10.1088/1742-6596/1121/1/012014.
  16. Rogov, A. B. Plasma electrolytic oxidation of A1050 aluminium alloy in homogeneous silicate-alkaline electrolytes with edta4-complexes of Fe, Co, Ni, Cu, La and Ba under alternating polarization conditions / A. B. Rogov // Materials Chemistry and Physics. – 2015. – Vol. 167. – P. 136–144. – doi: 10.1016/j.matchemphys.2015.10.020.
  17. Malyshev, V. N. Features of Microarc Oxidation Coatings Formation Technology in Slurry Electrolytes / V. N. Malyshev, K. M. Zorin // Applied Surface Science. – 2007. – Vol. 254, Issue 5. – P. 1511–1516. – doi: 10.1016/j.apsusc.2007.07.079.
  18. Borisov, A. M. Microarc oxidation in slurry electrolytes: A review / A. M. Borisov, B. L. Krit, V. B. Lyudin, N. V. Morozova, I. V. Suminov, A. V. Apelfeld // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2016. – Vol. 52, Issue 1. – P. 50–78. – doi:10.3103/S106837551601004X.
  19. Rudnev, V. S. Iron– and Nickel–Containing Oxide–Phosphate Layers on Aluminum and Titanium / V. S. Rudnev, V. P. Morozova, T. A. Kaidalova, P. M. Nedozorov // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 2007. – Vol. 52. – №9. – P. 1350–1354. – doi: 10.1134/S0036023607090069.
  20. Lukiyanchuk, I. V. Plasma electrolytic oxide layers as promising systems for catalysis / I. V. Lukiyanchuk, V. S. Rudnev, L. M. Tyrina // Surface and Coatings Technology. – 2016. –Vol. 307, Part C. – P. 1183–1193. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.06.076.
  21. Ved’, M. V. Functional mixed cobalt and aluminum oxide coatings for environmental safety / M. V. Ved’, N. D. Sakhnenko, A. V. Karakurkchi, T. Yu. Myrna // Functional Materials. – 2017. – Vol. 24, No. 2. – P. 303–310. – doi: 10.15407/fm24.02.303.
  22. Karakurkchi, A. Application of oxide-metallic catalysts on valve metals for ecological catalysis / A. Karakurkchi, M. Sakhnenko, M. Ved, A. Galak, S. Petrukhin // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2017. – Vol. 5/10 (89). – P. 12 – 18. – doi: 10.15587/1729-4061.2017.109885.
  23. Parsadanov, I. V. Increasing the efficiency of intra-cylinder catalysis in diesel engines / I. V. Parsadanov, N. D. Sakhnenko, M. V. Ved’, I. V. Rykova, V. O. Khyzhniak, A. V. Karakurkchi, A. S. Gorohivskiy // Вопросы химии и химической технологии. − 2017. − Vol. 52, No 6. – P. 145–151.