DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.04.19

Формування плазмо-електролітних кобальтовмісних покриттів на поршневих сплавах алюмінію

Mykola Sakhnenko, Andrii Horokhivskyi

Анотація


На основі проведеного огляду функціональних покриттів на поршневих сплавах алюмінію зроблено висновок щодо доцільності застосування оксидних покриттів для підвищення показників міцності й зносостійкості деталей поршневої групи двигунів внутрішнього згоряння. Показано, що синтез оксидного шару на сплавах системи Al-Si (силумінах) можна здійснювати плазмо-електролітною обробкою у лужних електролітах з додаванням солей металів-допантів, зокрема кобальту. Це дозволить одержувати покриття, які володіють активністю у процесах каталітичного горіння палива. Запропоновано формування кобальтовмісних оксидних покриттів на поршневих сплавах здійснювати методом плазмо-електролітного оксидування в електроліті складу 0,4 моль/дм3K4P2O7, 0,1 CoSO4 за густини струму 3–5 А/дм2 в режимі «спадаючої потужності». Встановлено, що в зазначених умовах протягом 15 хв оксидування на висококремністих сплавах АЛ30 и АК21 утворюється оксидний шар із вмістом до 4,7 ат.% кобальту. Наявність до 6,4 ат.% фосфору у складі синтезованого покриття сприятиме підвищенню теплостійкості оксидованої поверхні. При цьому вміст кремнію у поверхневих шарах зменшується у 4–5 разів порівняно із вихідним матеріалом. Показано, що морфологія та фазовий склад покриття змінюється з інкорпорацією допувального компоненту до його складу. Включення кобальту відбувається у вигляді термодіинамічно стійкого оксиду Co3O4 (CoOCo2O3), який кристалізується у гратці шпінелі, що поряд із високим ступенем розвинення поверхні є передумовою підвищення функціональних властивостей одержаних оксидних шарів. Розроблений спосіб було застосовано для нанесення кобальтовмісного покриття на поверхню поршня, що виготовлений зі сплаву АЛ30. Встановлено, що для одержання рівномірного оксидного шару слід додержуватись визначених технологічних параметрів. Прогнозовано використання поршня з нанесеним кобальтовмісним оксидним покриттям дозволить знизити кількість токсичних речовин з відпрацьованими газами та годинну витрату палива, що є перспективним для внутрішньоциліндрового каталізу.


Ключові слова


плазмо-електролітне оксидування; поршневий сплав; силумін; АЛ30; АК21; кобальтовмісне оксидне покриття

Повний текст:

PDF

Посилання


Fridlyander I. N., Sister V. G, Grushko O. E., Berstenev V. V., Sheveleva L. M., Ivanova L. A. Aluminum Alloys: Promising Materials in the Automotive Industry. Metal Science and Heat Treatment, 2002, 44, pp. 365–370, doi:10.1023/A:1021901715578.

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.

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), pp. 115–117.

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, pp. 24–28.

Yerokhin A. L., Nie X., Leyland A., Matthews A., Dowey S. J. Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and Coatings Technology, 1999, 122, pp. 73–93.

Gupta P., Tenhundfeld G., Daigle E. O., Ryabkov D. Electrolytic plasma technology: Science and engineering – An overview. Surface and Coatings Technology, 2007, 201(21), pp. 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), pp. 1219–1235, doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.07.060.

Krishtal M. M. Oxide Layer Formation by Micro-Arc Oxidation on Structurally Modified Al-Si Alloys and Applications for Large-Sized Articles Manufacturing. Advanced Materials Research, 2009, 59, pp. 204–208.

Dudareva N., Gallyamova R. The Influence of Chemical Composition of Aluminum Alloys on the Quality of Oxide Layers Formed by Microarc Oxidation. Materials Today: Proceedings, 2019, 11, Part 1, pp. 89–94.

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, p. 012014, doi: 10.1088/1742-6596/1121/1/012014.

Karakurkchi A., Sakhnenko M., Ved M., Horokhivskyi A., Galak A. Study into formation of cobalt containing PEO-coatings on AK12M2MgN from a pyrophosphate electrolyte. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. 6(12(90)), pp. 19-27, doi:10.15587/1729-4061.2017.118028.

Karakurkchi H. V., Sakhnenko M. D., Ved’ M. V., Horokhivskyi A. S., Bogdanova K. B., Stepanova I. I. Morfologiya ta struktura keramikopodibnyh PEO-pokryttiv na splavax Al [Morphology and structure of ceramic-like PEO coatings on Al alloys] Perspektyvni materialy ta procesy v prykladnij elektroximiyi [Promising materials and processes in applied electrochemistry]: monograph / for general. ed. VZ Barsukov. Kiev, KNUTD, 2019, pp. 210–225.

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), pp. 128–132, doi:10.1134/S2070205116010093

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), pp. 145–151.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Fridlyander I. N., Sister V. G., Grushko O. E., Berstenev V. V., Sheveleva L. M., Ivanova L. A. Aluminum Alloys: Promising Materials in the Automotive Industry. Metal Science and Heat Treatment. 2002. Vol. 44. P. 365–370. doi:10.1023/A:1021901715578.
  2. Glazoff M. V., Zolotorevsky V. S., Belov N. A. Casting Aluminum Alloys. Elsiever, Oxford, 2007. 544 p.
  3. Okada A. Innovative materials for automotive industry. New York: Nova Science Publishers, 2010. 147 p.
  4. Степанов В. А. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей микродуговым оксидированием днищ поршней двигателей. Science and world. 2014. № 1 (5). С. 115–117.
  5. Марченко, А. П., Шпаковский В. В. Влияние корундового слоя на рабочих поверхностях поршней на процесс сгорания в ДВС. Двигатели внутреннего сгорания. 2011. № 2. С. 24–28.
  6. Yerokhin A. L. , Nie X., Leyland A., Matthews A., Dowey S. J. Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 122. P. 73–93.
  7. Gupta P., Tenhundfeld G., Daigle E. O., Ryabkov D. Electrolytic plasma technology: Science and engineering – An overview. Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201, Issue 21. P. 8746–8760. doi: 10.1016/j.surfcoat.
    2006.11.023.
  8. 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. Vol. 307, Part C. P. 1219–1235. doi: 10.1016/j.surfcoat.
    2016.07.060.
  9. Krishtal M. M. Oxide Layer Formation by Micro-Arc Oxidation on Structurally Modified Al-Si Alloys and Applications for Large-Sized Articles Manufacturing. Advanced Materials Research. 2009. Vol. 59. Р. 204–208.
  10. Dudareva N., Gallyamova R. The Influence of Chemical Composition of Aluminum Alloys on the Quality of Oxide Layers Formed by Microarc Oxidation. Materials Today: Proceedings.  2019. Vol. 11, Part 1. P. 89–94.
  11. 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. Р. 012014. doi: 10.1088/1742-6596/1121/1/012014.
  12. Karakurkchi A., Sakhnenko M., Ved M., Horokhivskyi A., Galak A. Study into formation of cobalt containing PEO-coatings on AK12M2MgN from a pyrophosphate electrolyte. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 6, No. 12(90). Р. 19-27. doi:10.15587/1729-4061.2017.118028.
  13. Каракуркчі Г. В., Сахненко М. Д., Ведь М. В., Горохівський А. С., Богданова К. Б., Степанова І. І. Морфологія та структура керамікоподібних ПЕО-покривів на сплавах Al. Перспективні матеріали та процеси в прикладній електрохімії: монографія / за заг. ред. В. З. Барсукова. Київ: КНУТД, 2019. C. 210–225.
  14. 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. Vol. 52, Issue 1. P. 128–132. doi:10.1134/S2070205116010093.
  15. 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. Вопросы хими и химической технологии. 2017. Т. 52. № 6. С. 145–151.