Процессы и методология создания поверхностных слоев высокоресурсных изделий путем вибрационного формирования покрытий комбинированным химико-механическим воздействием Иванов Владимир Витальевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и результаты исследований процессов нанесения покрытий 16

1.1. Роль покрытий при создании высокоресурсных изделий 16

1.2. Комбинированные процессы обработки при сочетании механического воздействия с другими видами воздействий 19

1.3. Опыт создания и применения покрытий с химическим воздействием для получения высокоресурсных изделий 22

1.4. Обсуждение имеющихся взглядов по физическим положениям механохимии твердого тела применительно к процессу комбинированногоформирования химико-механических покрытий 24

1.5. Адгезия и её роль в обеспечении прочности поверхности металла, модифицированной путём нанесения вибрационного химико-механического покрытия 31

1.6. Обзор имеющихся интеллектуальных материалов в области создания комбинированных покрытий для высокоресурсных изделий 41

Анализ состояния вопроса, обоснование цели и постановка задач исследований 48

ГЛАВА 2. Разработка механизма проведения исследований по решению поставленных задач идостижению поставленной цели 51

2.1. Экспериментальное оборудование 51

2.2. Выбор рабочих сред для обеспечения механического процесса формирования покрытий 53

2.3. Образцы и материалы 57

2.4. Приборы и методы измерения основных параметров комбинированных покрытий 61

2.5. Обоснование методов измерения параметров процессов и характеристик формируемых химико-механических покрытий з

2.6. Порядок проведения исследований по решению поставленных задач 67

Выводы по главе 2 72

ГЛАВА 3. Физическое и математическое описание процессов создания химико-механических покрытий для высокоресурсных изделий 73

3.1. Обобщенная критериальная модель химико-механической обработки 73

3.2. Систематизация видов покрытий по механизмам их образования 74

3.3. Классификация вибрационных химико-механических покрытий 74

3.4. Механизм формирования высокоресурсных покрытий 3.5. Особенности механизма формирования вибрационного химико-механического цинкового покрытия (ВиХМЦП) 98

3.6. Механизм формирования вибрационного химико-механического твердосмазочного покрытия (ВиХМТП) дисульфида молибдена 103

3.7. Особенности формирования параметров поверхностного слоя на алюминиевых сплавах 113

3.8. Особенности механизма формирования вибрационного химико-механического оксидного покрытия (ВиХМОП) 117

3.9. Механизм химико-механического синтеза на границе «металл-покрытие»

3.10. Энергетические условия модификации поверхностного слоя при формировании вибрационных покрытий 123

3.11. Влияние виброволнового воздействия и химической составляющей процесса на формирование покрытия 125

3.12. Формирование микро/нанопрофиля поверхности при комбинированном ВиХМОП 127

3.13. Механизм потери массы при формировании микро/нанопрофиля поверхности 136

Выводы по главе 3 150

ГЛАВА 4. Проектирование комбинированных химико механических процессов нанесения высокоресурсных покрытий 151

4.1. Методология построения технологических процессов получения высокоресурсных комбинированных покрытий 151

4.2. Проектирование технологических процессов для типовых химико механических высокоресурсных покрытий 157

4.3. Режимы получения высокоресурсных ВиХМП 165

4.4. Обеспечение качества ВиХМТП путем управления амплитудой колебаний рабочей камеры 181

4.5. Контроль толщины покрытий 182

Выводы по главе 4 185

глава 5. Влияние технологических параметров комбинированного процесса на эксплуатационныепоказатели высокоресурсных покрытий 186

5.1. Выбор объектов исследования 186

5.2. Влияние технологических факторов виброволнового воздействия на качество поверхностного слоя покрытий 189

5.3. Влияние качества ВиХМОП на эксплуатационные свойства деталей из алюминиевых сплавов 193

5.4. Эксплуатационные показатели вибрационного химико-механического твердосмазочного покрытия 201

5.5. Влияние технологических воздействий процесса на качество комбинированных химико-механических покрытий 206

5.6. Управление качеством переходной зоны «металл-покрытие» 214

5.7. Оценка ресурса и долговечности вибрационных химико-механических покрытий 227

5.8. Энергетические факторы для обеспечения качества комбинированных химико-механических покрытий 241

5.9. Обеспечение эксплуатационных показателей цинковых ВиХМП 243 5.10. Эксплуатационные свойства высокоресурсных комбинированных оксидных покрытий 265

5.11. Прочность сцепления гидрооксидной пленки с алюминиевым сплавам и адгезия к лакокрасочным покрытиям 272

5.12. Коррозионная стойкость комбинированного вибрационного высокоресурсного химико-механического оксидного покрытия 275

Выводы по главе 5 280

ГЛАВА 6. Реализация результатов исследований в машиностроении 281

6.1. Основные объекты для использования ВиХМП 281

6.2. Рекомендации по обеспечению качества и применению вибрационных технологий для нанесения химико-механических покрытий 282

6.3. Средства технологического оснащения, разработанные с участием соискателя 284

6.4. Обоснование выбора для ВиХМП рабочих сред 293

6.5. Технико-экономический анализ результатов использования комбинированных высокоресурсных химико-механических покрытий на основе дисульфида молибдена 294

6.6. Технологические возможности и перспективы использования вибрационного химико-механического цинкового покрытия 299

6.7. Технологические рекомендации для расширения области использования цинковых покрытий 302

6.8. Анализ достоинств ВиХМП 306

6.9. Технико-экономическое обоснование эффективности применения комбинированных вибрационных химико-механических оксидных покрытий 310

Выводы по главе 6 313

Заключение 314

Общие выводы 315

Список литературы

• Обсуждение имеющихся взглядов по физическим положениям механохимии твердого тела применительно к процессу комбинированногоформирования химико-механических покрытий
• Обоснование методов измерения параметров процессов и характеристик формируемых химико-механических покрытий
• Энергетические условия модификации поверхностного слоя при формировании вибрационных покрытий
• Влияние технологических воздействий процесса на качество комбинированных химико-механических покрытий

Введение к работе

Актуальность проблемы. При создании высокоресурсных изделий современной техники определяющим фактором является качество поверхностного слоя, обеспечивающего повышение эксплуатационных показателей изделий. Известна значимость покрытий при создании летательных аппаратов, в частности вертолетов тяжелого класса, где только разработка и использование покрытий лонжеронов несущего винта позволили достичь заданного ресурса изделий и выпустить самые грузоподъемные машины подобного вида.

Большие успехи в направлении совершенствования покрытий достигнуты научными школами России по вибрационным волновым процессам в сочетании с химическими и другими воздействиями на объект обработки. Здесь наметился новый подход к расширению области использования импульсных механических воздействий на энергетические показатели химических явлений в едином технологическом процессе. Однако состояние таких исследований на период начала работ по проблеме раскрывало только возможности нового метода и требовало глубоких научных изысканий в этом направлении. Многолетний опыт Ростовской научной школы однозначно показал, что виброволновые процессы дают возможность существенно улучшить технологические показатели, получаемые при последовательном использовании химических и механических воздействий, но наиболее полное использование потенциала этих воздействий возможно только при их комбинации в едином способе обработки, который мы назвали химико-механическим. Результаты этих исследований позволили создать механизм технологического повышения ресурса изделий, что востребовано промышленностью и актуально для современного отечественного и зарубежного машиностроения.

В технической литературе известны работы, где наибольшие возможности по управлению комбинированным процессом открываются при использовании вибрационных волновых технологий, по которым в ДГТУ накоплен обширный информационный потенциал, отражающий достижения в этом направлении исследований и признанный научной общественностью в России, США, Англии, Германии, Белоруссии, Украине и в других странах.

В основу работы положены научные исследования и опыт использования комбинированных методов обработки, где одним из воздействий является химический процесс, протекание которого возможно, если преодолен энергетический порог, при котором реакция осуществима, или интенсивность внутренней энергии обеспечивает в определенном временном интервале протекание химических процессов, гарантирующих достижение заданных технологических и эксплуатационных показателей, в частности высокого ресурса. Далее требуется дозированный подвод энергии. Управляемость этого процесса наиболее полно обеспечивает механическое воз-3

действие несвязанных гранул при вибрационном воздействии, которое обладает широким энергетическим потенциалом. Синтез в едином технологическом процессе химического и механического воздействий является базой для формирования и развития нового научного направления по комбинированной обработке с управляемым энергетическим уровнем процесса, востребованным наукоемкими отраслями машиностроения, где основным критерием оценки мероприятий по изготовлению перспективной техники является обеспечение требуемого ресурса эксплуатации изделий.

Исследования выполнены в Донском государственном техническом университете на кафедре «Технология машиностроения», «ЭТСиЛ» ДГТУ, в НИИ «Физика» ЮФУ, научно-образовательном центре фотовольтаики и нанотехнологии «СКФУ», НИИ «Вибротехнология» ДГТУ, межкафедральном центре коллективного пользования нанотехнологий ДГТУ, а также на предприятиях машиностроения и вертолетостроения: в ООО ПК «НЭВЗ», г. Новочеркасск; ОАО «Роствертол», ЗАО «РГА» (г.Ростов-на-Дону); ЗАО «Нанотехнология МДТ» (ЗАО «НТ-МДТ») (г. Зеленоград); ВМЗ (г.Воронеж); ООО «Янтарь 1».

Работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований ЕЗН Минобрнауки РФ по теме 1.17.12 «Вибрационная механохимия в процессах отделочно-упрочняющей обработки и образования покрытий», гранта РФФИ №15-38-50330 «Комплексное исследование наноструктур MoS₂ c целью создания новых твердосмазочных материалов с высокими триболо-гическими свойствами».

Научная проблема, вызвавшая необходимость выполнения исследований, включает отсутствие исчерпывающих данных по установлению механизма и описанию взаимодействия в комбинированном технологическом процессе химического и механического виброволнового воздействия на базе управления энергетическим потенциалом для расширения технологических возможностей создаваемых химико-механических способов обработки высокоресурсных изделий.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является создание научных основ проектирования и обоснование путей реализации созданных способов комбинированного химико-механического процесса с управлением технологическими параметрами механического виброволнового воздействия для обеспечения повышенного ресурса и эксплуатационных показателей современных и перспективных изделий машиностроения.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие задачи:

1. Создание обобщенного критерия для оценки эффективности комбинированного химико-механического процесса при изготовлении деталей с повышенным ресурсом.

1. Разработка принципов построения методологии проектирования технологических процессов формирования высокоресурсных комбинированных покрытий в условиях виброволнового воздействия.

2. Исследование внутренних связей активационного, энергетического влияния химических и механических процессов на формирование и ресурсные показатели, вид и качество химико-механических покрытий для высокоресурсных изделий.

3. Разработка классификации и функциональных моделей формирования покрытий в условиях виброволновой активации, с учётом фазового состояния материала покрытия, химико-механического механизма и приоритетности влияния на его протекание механических и химических процессов.

4. Экспериментальная проверка разработанных моделей и создание базы для проектирования технологических процессов нанесения высокоресурсных комбинированных покрытий при изготовлении типовых деталей.

5. Создание новых процессов и устройств для виброволнового нанесения химико-механических покрытий применительно к высокоресурсным изделиям новых поколений техники.

6. Разработка и реализация в производстве для типовых деталей высокоресурсных изделий типовых технологических процессов комбинированного нанесения покрытий, обеспечивающих заданный ресурс изделий.

8. Обоснование области эффективной реализации химико-
механического процесса в машиностроении и прогнозирование технологи
ческих возможностей при использовании метода в изделиях нового поко
ления техники.

Методика проведения исследований

Методологической основой работы являются фундаментальные положения комбинированных методов обработки, вибрационной техники, энергетики, химических технологий, технологии машиностроения, механики, термодинамики, механохимии, физико-химической механики материалов, общий системный подход к изучению процессов, протекающих в зоне контакта рабочей среды и детали, закономерности формирования высокоресурсных покрытий.

Экспериментальные исследования проводились с использованием специально спроектированных рабочих камер для химико-механической обработки, установленных на вибрационные станки. Оценка характеристик покрытия производилась с использованием оптической, растровой, сканирующей зондовой микроскопии, оптической интерферометрии, спектрального и рентгеноструктурного анализа, применялись также измерительные приборы, профилометры, твердомеры, весы требуемой точности. Достоверность полученных результатов подтверждена моделями рабочих процессов, экспериментальной проверкой их адекватности, а также результатами промышленной апробации и внедрения.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработаны обобщенная энергетическая и типовые физические модели, раскрывающие механизм формирования химико-механических высокоресурсных покрытий, позволивших создать научные основы для управления процессом с учётом внешних и внутренних факторов энергетического равновесия и основы формирования нового научного направления по разработке комбинированного технологического процесса.

2. Впервые раскрыты закономерности совмещенного химического и механического виброволнового активационного влияния одновременного воздействия внешних и внутренних факторов на вид, структуру и ресурсные свойства формируемого на поверхности высокоресурсного покрытия.

3. Раскрыт механизм структурно-фазовых воздействий на ресурс и качество покрытий, что позволило установить закономерности получения качественных слоев на микро/наноуровне, обусловливающие получение ранее недостижимого качества и эксплуатационных свойств химико-механических покрытий.

Практическая ценность работы

4. Впервые создана методология проектирования технологических процессов получения высокоресурсных химико-механических покрытий, учитывающих эксплуатационные условия и возможность прогнозировать качество типовых изделий в условиях эксплуатации с учётом требуемого ресурса изделий и их устойчивости к внешним воздействиям.

5. Разработан метод выбора режимов виброволнового нанесения химико-механических покрытий, отвечающих запросам машиностроительной и авиакосмической отрасли.

6. Разработаны и внедрены новые способы и устройства, часть которых защищена патентами РФ, технологичные химические растворы, адаптированные к вибрационной обработке, с пониженным содержанием крем-нефторида натрия, хромового ангидрида и хлористого цинка позволившие повысить ресурс изделий, улучшить экологическую обстановку на предприятии и снизить себестоимость производства.

Реализация результатов в промышленности

Работа прошла проверку и внедрена с реальным и прогнозируемым эффектом на предприятиях: ЗАО «Ростовгазоаппарат» и ООО ПК «Новочеркасский электровозостроительный завод»; твердосмазочное и оксидное покрытие прошли промышленные испытания на ПАО «Роствертол», «Воронежский механический завод», ООО «Янтарь 1».

За счет ускорения создания новых образцов высокоресурсной техники, снижения себестоимости и повышения ресурса получаемых покрытий получен значительный экономический эффект, до 1,7 раза повышен ресурс изделий по сравнению с традиционными методами. При этом долговечность деталей увеличилась на 20–25%, улучшены условия труда и эколо-гичность производства.

Созданные методики позволили модернизировать аппаратно-программный комплекс и показать перспективность покрытий конструкционных материалов на основе сплавов цветных металлов, интерметалли-дов методами атомно-силовой микроскопии в ЗАО «Нанотехнология МДТ» (ЗАО «НТ-МДТ), г. Зеленоград, в НИИ физики ЮФУ, г. Ростов-на-Дону.

Полученные результаты используются в учебном процессе для подготовки бакалавров и магистров в разделах учебных дисциплин «Технология машиностроения», «Материаловедение», «Технология восстановления деталей», «Методология научных исследований в машиностроении», а также в качестве материала для исследовательских дипломных работ, аспирантских и магистерских диссертаций в ДГТУ, СКФУ и ВГТУ.

Автор защищает следующие основные положения:

7. Принципы и методологию формирования комбинированных высокоресурсных поверхностных слоев на базе энергетического подхода к действию внешних и внутренних химических и механических факторов, что может стать основой для развития нового научного направления в технологии машиностроения.

8. Научно обоснованные технические и технологические решения научной проблемы по повышению ресурса, качества и долговечности современных изделий за счет создания высокоресурсных химико-механических покрытий, отвечающих запросам разработчиков перспективной техники.

3. Структуризацию основных видов комбинированных химико-
механических покрытий с учетом их долговечности и функционального
назначения.

5. Методы расчета, выбор технологического оборудования, средств технического оснащения, растворов для типовых комбинированных химико-механических покрытий, а также методологию создания и методы реализации результатов, направленных на повышение эффективности их нанесения.

6. Результаты экспериментальных исследований, производственных испытаний, внедрения, новые устройства и оборудование, перспективы применения технологических процессов нанесения комбинированных высокоресурсных химико-механических покрытий на предприятиях различных отраслей машиностроения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных, всероссийских и региональных научно-технических, научно-практических симпозиумах, конференциях, семинарах: Международной конференции «Совершенствование и развитие отделочно-зачистной, финишной и поверхностно-пластической обработки деталей», Винница, 1992; Всероссийской научно-технической конференции «Надёжность и ресурс работы оборудования и оснащения», Воронеж, 1993; III Международной научно-технической конференции «Вибрации в технике и

технологиях», Евпатория, 1998; IX Международном научно-технологическом семинаре «Высокие технологии в машиностроении. Современные тенденции развития», Алушта-Харьков, 1999; XXVII научно-технической конференции «Автотракторостроение: Промышленность и высшая школа», секция «Методы обработки, станки и инструменты», Москва,1999; 6^th Intern. сonf. «Precision Surface Finishing and Debarring Technology», Saint - Peterburg, 2000; Международном симпозиуме «ОМА-2003», «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах»: Сочи – Ростов-на-Дону, 2003; V Международной научно-технической конференции «Вибрации в технике и технологиях», Винница, 2004; «71 International Conference on Deburring and Surface Finishing», Universityof California, -Berkley, 2004; V Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза, 2007; Международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки», Ростов-на-Дону, 2008; XI Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе-ТЕХНОЛОГИЯ-2009»,Орел, 2009; Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии» ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2010; IX Международной научно-технической конференции «ИнЭРТ» ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2010; XII Международной практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня», Санкт-Петербург, 2010; научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», Москва, 2010; II Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», Кемерово. «КузГТУ», 2011; VI Международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», Минск, ФТИ НАН Белорусь, 2011; II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Иркутск, 2012; Международной научно-технической конференции «Механика ударно-волновых процессов в технологических системах», Ростов-на-Дону, 2012; XIII Международной научно-практической конференции «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика», г.Ялта-Киев, АТМ Украины, 2012; Международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки», Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2013; III Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)», Иркутск, 2013; научно-технической конференции «Наукоемкие комбинированные и виброволновые технологии обработки материалов», Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2013; научно-технической конференции Донецкого НТУ «Прогресивнітехнологіі систем и машинобудування», Донецк, 2013; V научно-технической конфе-8

ренции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии»; IX промышленном конгрессе юга России, Ростов-на-Дону, 2013; IX Miedzynarod owej konferencji. Wschodniepartnerstwo» Technnicznenauki. Przemysl. NaukaIstudia, 2013; Международной научно-технической конференции «Вибрационные технологии и управляемые машины», Курск, 2014; Международной научной конференции технологов-машиностроителей и механиков «Волновые, виброволновые технологии в машиностроении, металлообработке и других отраслях», Ростов-на-Дону, 2014; VI Международной научно-технической конференции «Инновации в машиностроении – основа технологичного развития России», Барнаул, 2014; Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии, оборудование и инструменты в машиностроении (МТЕТ-2014)», Санкт-Петербург, 2014; Международной научно-технической конференции ПОЛИКОМТРИБ-2015, Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, 2015; XII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы горно-металлурги- ческого комплекса. Наука и производство», Старый Оскол, 2015; VIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии на современном этапе развития машиностроения (ТМ-2016)», Москва, 2016; Международном научном симпозиуме технологов-машиностроителей «Перспективные направления развития финишных методов обработки; виброволновые технологии», Ростов-на-Дону, 2016.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 109 научных работ; из них 30 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 входят в базу SCOPUS, 5 в изданиях, рекомендованных ВАК Украины, 4 монографии, 4 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 226 наименований и приложений. Общий объем диссертации 351 страницы, в том числе 181 рисунок, 26 таблиц.

Обсуждение имеющихся взглядов по физическим положениям механохимии твердого тела применительно к процессу комбинированногоформирования химико-механических покрытий

Физико-химический механизм (ФХМ) обработки, вызывающий те или иные изменения на поверхности или в объеме объекта обработки, инициируется энергией воздействия и может отражать следующие процессы: - электрохимическое растворение материала - процесс удаления металла под действием электрического тока в среде электролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. Под действием тока в электролите материал анода (заготовки) растворяется в виде продуктов обработки и выносится из промежутка потоком электролита. В результате реакции образуются твердые и газообразные продукты, которые удаляются в атмосферу. Инструмент (катод) в процессе обработки не изнашивается; - химическое растворение материала - процесс снятия слоя материала за счёт химических реакций в зоне обработки в растворах щелочей или кислот; - химическое соединение материала - процесс образования на поверхности материала новых соединений за счёт химических реакций материала заготовки и окружающей среды; - ядерное преобразование вещества - процесс изменения физико механических свойств и структуры материала за счет нейтронного, электронного облучения, а также облучения р-частицами.

В комбинированных процессах большое влияние оказывает диффузия в материале. Это процесс проникновения частиц соприкасающегося вещества (газа, жидкости или твёрдого материала) в поверхностные слои металла вследствие теплового движения частиц вещества. В этом случае происходит диффузия атомов металла. Диффузия может проявляться в обмене местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), в перемещении атомов по междоузлиям, прямом обмене местами двух соседних атомов и др.

Комбинированный метод обработки может характеризоваться несколькими физико-химическими механизмами, однако, как правило, один из них является определяющим. Так, например, при химико-термической обработке в порошковых смесях протекают процессы спекания, происходят структурные изменения, однако главным механизмом является химическая диффузия элементов среды в поверхностном слое металла.

Использование комбинированных методов обработки приводит к повышению как производительности обработки, так и качества детали. Кроме того, в ряде случаев освоение комбинированных способов обработки позволяет достигнуть новых технических эффектов, например, значительно увеличить ресурс изделий, прочность, износостойкость и другие эксплуатационные свойства материала.

Принцип построения комбинированных методов обработки определяется закономерностями воздействия физических и химических явлений, кинематическими преобразованиями схем обработки, количественными параметрами [16; 139].

Можно выделить перспективное направление развития комбинированных методов обработки: химико-механическая обработка - вибрационная химико-механическая обработка - вибрационные химико-механические покрытия.

Анализируя процессы, проходящие на поверхности металла в результате воздействия внешних факторов, Р. Шрадер [165] отметил, что в твердых телах под действием внешних сил происходят также внутренние химические изменения. Реакции, вызываемые на поверхности металла механическим воздействием, могут протекать медленно и незаметно, например, окисление сильно нагруженных деталей или крекинг смазочных материалов в процессе их работы в узлах трения машин и механизмов. Чтобы вызвать химическое превращение, иногда достаточно крайне слабого механического воздействия, например, взрыв йодистого азота происходит при легком поглаживании поверхности кристаллического порошка гусиным пером.

Химические реакции, вызываемые или поддерживаемые подводом механической энергии, являются предметом изучения химико-механических покрытий. Вибрационные процессы, создающие механическую энергию и влияющие на течение химических превращений в полной мере отвечают задачам химико-механической обработки [118].

Процесс химико-механического [6; 7; 153; 167 и др.] нанесения покрытий впервые был применен взамен горячего и электролитического цинкования для высокопрочных высокоресурсных крепёжных изделий. Сущность этого метода заключается в том, что для нанесения покрытия предварительно очищенные крепёжные изделия совместно с кварцевым песком и цинковым порошком загружают во вращающийся барабан, который помещают в нагретую печь и выдерживают при 650-680 К в течение 1-5 часов. Кварцевый песок смягчает удары изделий при вращении барабана. Вследствие трения смеси песка и цинковой пыли покрытие получается равномерным. Покрытие содержит до 11-14% железа и обладает высокой коррозионной стойкостью в агрессивных условиях [148]. Однако затраты при нанесении покрытия этим способом велики, поэтому широкого применения в промышленности он не получил [168].

С целью решения проблемы водородной хрупкости оцинкованных высокоресурсных изделий, прежде всего из высокопрочных сталей, повышения коррозионной стойкости, а также улучшения экологической обстановки фирмой «Minneseta mining and manufacturing» (США) разработан механический способ цинкования, который заключается в холодной сварке пластичного металла с металлической основой покрываемого изделия под действием механической энергии [187; 209]. При этом используется способность неокисленных металлов, находящихся в тесном контакте друг с другом, свободно обмениваться электронами, образуя металлическую связь [176; 208].

Обоснование методов измерения параметров процессов и характеристик формируемых химико-механических покрытий

Комбинация различных воздействий в едином технологическом процессе рассматривалась в научных школах России и зарубежья. Были предложены новые способы и устройства для получения покрытий на высокоресурсные изделия

Так в [111] в ВГТУ предложен химико-эрозионный способ по патенту 2405662, позволяющий получить качественное высокоресурсное чугунное покрытие на алюминиевые сплавы, уменьшить трудоемкость обработки, ускорить процесс изготовления оснастки для электрохимической размерной обработки.

Результат достигнут с помощью предложенного способа нанесения чугунного покрытия на алюминиевые сплавы, включающего получение одного слоя покрытия чугунным электродом электроэрозионным методом, перед которым обрабатываемую поверхность детали из алюминиевого сплава сначала покрывают сплошным равномерным слоем флюса, используемым при сварке алюминиевых сплавов, где химически удаляется окисел с детали. Затем деталь с нанесенным на нее флюсом, переносят на установку, после чего наносят чугунное покрытие электроэрозионным методом до получения сплошного чугунного слоя.

Способ осуществляют следующим образом: на поверхности детали из алюминиевого сплава размечают участки для покрытия слоем чугуна, устанавливают деталь в положение, при котором слой флюса будет удерживаться на выбранных участках детали, затем, выбрав марку флюса, рекомендованную для сварки алюминиевых сплавов, наносят тонкий слой флюса на выделенные участки детали. Флюс наносят равномерно до получения сплошного слоя, контролируя толщину визуально. Затем переносят обрабатываемую деталь с флюсом на установку для нанесения электроэрозионного покрытия, а электродом наносят сплошной слой чугуна.

В качестве примера осуществления способа показан случай, когда требуется защитить контейнер из алюминиевого сплава Ал5 от соприкосновения с электролитом - 15% раствором NaCl на участке подвода электролита при электрохимической размерной обработке

Для сварки сплава Ал5 кислородоацитиленовой сваркой рекомендуют применять спиртовой шликер, для приготовления которого используют этиловый спирт и флюс ФС-71 в виде порошка, имеющего следующий состав: кварц молотый Si02 - 57,3%, натрий фтористый NaF - 6,4%, двуокись титана ТЮ3 -13,6%, порошок титановый марки ПТМ - 13,6%, окись хрома - Сг203 - 9,1%, смешиваемые в соотношении: - порошок флюса (ФС-71) - 50% по массе; - этиловый спирт (С2Н5ОН) - 50% по массе. Наносят спиртовой шликер на участки подвода электролита (в нашем случае площадь 320х26 мм), слоем толщиной 0,2-0,3 мм в виде полос шириной 3,2-3,5 мм, покрыв участок обработки равномерным сплошным слоем. Затем обрабатываемую деталь с флюсом устанавливают на стол установки для нанесения электроэрозионного покрытия; выбирают электрод диаметром 3,5 мм из чугуна СЧ22 и устанавливают в электродержатель, включают средний режим (для чистового нанесения покрытий); задают вибрацию электрода - 50 Гц (вибрация вдоль оси электрода), и строчечным методом наносят слой чугуна толщиной 0,25-0,3 мм. Установка позволяет наносить покрытие в автоматизированном режиме (скорость движения электрода 1-2 мм/сек), но допускается устранение непокрытых чугуном участков путем ручного нанесения покрытий чугунным электродом. Время нанесения и калибровки покрытия составило 18,5 минут. Контроль качества покрытия, осуществляемый на микроскопе БМ-2 при увеличении в 100 раз показал полную сплошность слоя.

Получение качественного чугунного покрытия на алюминиевом контейнере позволило снизить массу детали в 2 раза по сравнению с чугунным изделием, уменьшить трудоемкость обработки в 2,8-3 раза, ускорить процесс изготовления оснастки для электрохимической размерной обработки в 1,5-2 раза.

В ВГТУ [112] получен патент 2318637 на нанесение слоя чугуна на чугунные детали с целью устранить износ и восстановить ресурс изделий. При этом устраняется слабая адгезия между слоями нанесенного металла, появление пустот в покрытиях и повышается износостойкость восстановленных деталей, что увеличивает возможности восстановления деталей с большим износом и улудшает свойства поверхностного слоя, определяющего эксплуатационные характеристики деталей.

Для этого наносят несколько слоев покрытия чугунным электродом, где каждый слой имеет толщину, при которой на чугуне не образуется отбеленный слой. Последующие слои покрытия наносят комбинированным способом после удаления окисной пленки с поверхности нанесенного покрытия термическим методом с помощью плазменной струи, энергию которой регулируют изменением разности потенциалов.Процесс ведут до полного удаления окисной пленки с поверхности покрытия.

Энергетические условия модификации поверхностного слоя при формировании вибрационных покрытий

Прочность сцепления покрытия с металлической подложкой Характеризуется адгезией (см. гл. 1), т.е. силами, возникающими при контакте частиц с поверхностью детали. В основном силы сцепления измеряют экспериментально потому, что определение их теоретически связано с большими трудностями.Сила сцепления численно равна и обратна по знаку величине силы отрыва частиц. Таким образом, измерив силу отрыва частиц, мы определим силу сцепления покрытия с поверхностью обрабатываемого материала.

Силу сцепления можно сравнивать как по силе отрыва равного числа частиц, так и по числу адгезии при одной и той же величине силы отрыва .Число адгезии (УР)определяется по формуле и выражается в процентах: VF=- -000, (2.2) где N - число оставшихся частиц после воздействия данной силы; Nc - число частиц, первоначально находившихся на испытуемой поверхности.

Оценка адгезионной способности покрытия по числу адгезии при равных силах отрыва служит относительной характеристикой сил взаимодействия покрытия с поверхностью детали. Величина отрывающей силы не рассчитывалась, а поддерживалась постоянной, что создало идентичные условия отрыва частиц.

Наиболее распространенными методами оценки адгезии малых частиц являются методы, основанные на получении ускорения, необходимого для отрыва частиц под действием инерционных сил - ультразвуковой метод и метод центрифугирования. Нами был использован ультразвуковой метод оценки адгезии покрытия к металлической поверхности. Для этой цели использовался ламповый генератор УВГ 1,6 и магнитострикционный преобразователь мощностью 0,4 кВт. Частота колебаний 26 кГц, амплитуда 5-6 мкм.

После нанесения покрытия и взвешивания образцы подвергались ультразвуковому отряхиванию и снова взвешивались. Определив вес оставшихся частиц после приложения одинаковой силы отрыва в течение постоянного времени встряхивания, рассчитывалось число адгезии.

Прочность сцепления покрытия с основным металлом проверяли также методом нанесения сетки царапин. На поверхность контролируемого покрытия стальным острием наносились 4-6 параллельных и перпендикулярных линий глубиной до основного металла на расстоянии от 2-3 мм друг от друга. На контролируемой поверхности не должно наблюдаться отслаивания покрытия.

Эти измерения выполняли двумя способами: по микрошлифу и на основе полученного изображения покрытой поверхности на аналитическом автоэмиссионном электронном микроскопе Zeiss SUPRA25 и металлографическом микроскопе МИМ - 8М при увеличении 200, 500 и 2000 раз.

Микротвердость и структура обрабатываемого материала Исследовались традиционным и новым методом с применением установки Nanotest 600 platform 2. Исследование микро/нанотвердости вибрационных механохимических покрытий производили на установке Nanotest 600 platform 2.

Принцип работы заключается в том, что индентор внедряется в поверхность покрытия (рис. 2.14, а), отображает растущую нагрузку на экране (рис. 2.14, б) до максимального значения, при достижении максимума нагрузка падает и также отображается на экране. В результате максимальная точка перегиба кривой роста является твердостью исследуемой поверхности. Твердость исследуемой поверхности может проводиться на микроуровне 0,5-20 мкм и наноуровне 10-500 нм. Таким образом, можно определить твердость не только участков с максимальной толщиной покрытия поверхности, но и определить участки, граничные «металл-покрытие», раскрыть механизм формирования комбинированных химико-механичнских покрытий.

Для того чтобы данные замеров микротвердости и изменения структуры до и после нанесения покрытий можно было проследить на плоскости шлифа без механической подготовки, применялась следующая методика.

На микрошлифе фиксировалась зона замера микротвердости радиусом, равным 0,5 мм. В этой зоне замерялась исходная микротвердость. Обработку образцов производили в специальной оправке по одному или нескольким образцам. При закреплении образцы располагались таким образом, что плоскости, в которых производились замеры, изолированы от воздействия частиц рабочей среды. Обработке подвергалась только одна сторона образца - перпендикулярная микрошлифу. После обработки замеры производили в отмеченной зоне.

Определение сквозной и поверхностной пористости химико-механического покрытия Здесь применена методика гидростатического взвешивания, позволяющая производить неразрушающий контроль плотности покрытия без его отделения от подложки. При этом плотность покрытия образца вычислялась с точностью до 10% по зависимости где m -вес образца, не пропитанного парафином; т2 -и-вес подложки образца на воздухе, г; ов-плотность воды, г/см ; 2-вес образца, пропитанного парафином на воздухе, г; да3-вес образца, пропитанного парафином в воде, г; m-п-вес подложки в воде, г; тъ-п = кт где к - коэффициент, зависящий от плотности воды, как правило, принимают равным 0,872.

Специфика исследования эксплуатационных качеств покрытий (толщины, прочности сцепления, блеска, пористости, коррозионной стойкости, маслоемкости) представлена в соответствующих разделах.

Поставленные задачи решались по программе, приведенной в алгоритме на рис. 2.15. Это позволяет ускорить расчеты, использование методологии проектирования химико-механических комбинированных технологических процессов, проведение работ по выбору и модернизации средств технологического оснащения.

Последовательность проведения исследований по алгоритму на рис. 2.15 включает: - анализ известных литературных источников о состоянии исследований в области создания высокоресурсных покрытий при нескольких видах внешних воздействий; - формирование задач, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели. Здесь учитываются возможности известных технологических процессов, требования заказчиков и разработчиков новой техники; - создание обобщенной и частных моделей для описания процессов при проектировании технологических процессов получения химико-механических комбинированных высокоресурсных покрытий для типовых изделий авиакосмической отрасли и других видов машиностроения; - разработка новых способов и устройств, на базе которых возможна разработка технологических процессов, обеспечивающих требуемый ресурс изделий перспективной техники; - оценка достаточности научной и технической базы для решения поставленных в работе задач; - создание методологии проектирования процессов химико-механического покрытия для использования их в высокоресурсных изделиях перспективной техники; -проектирование технологических процессов химико-механического покрытия с учетом запросов разработчиков современной техники; -раскрытие перспектив широкого использования химико-механических покрытий и создания нового научного направления по комбинированным покрытиям для высокоресурсных изделий машиностроения.

Влияние технологических воздействий процесса на качество комбинированных химико-механических покрытий

В процессе трения при приложении нагрузки в результате пластической деформации происходит увеличение физико-химической активности поверхностных слоев.

От степени активности поверхности в значительной мере зависят строение и свойства граничных слоев смазки, физическая и химическая адсорбция и химическое взаимодействие. Об активизации поверхности металаа свидетельствует плотность дислокаций в зоне трения. Выходы дислокации образуют активные центры, на которых в течение 10 8 - 10 5 с происходит трансляция связей между контактирующими слоями. Плотность дислокаций в тонких поверхностных слоях в условиях трения достигает насыщения.

Расчетный условный диаметр активного центра приблизительно составляет 3 мкм. Неравновесное состояние поверхностных слоев металла приводит к повышению адсорбционной активности. При трении в результате пластической деформации происходит увеличение внутренней энергии поверхностных слоев металла, связанное с возрастанием плотности «несовершенств» кристаллического строения. Все это должно оказывать существенное влияние на процессы физической и химической адсорбции, формирования микро/нанорельефа и в конечном счете на смазочные свойства покрытия.

При трении металлов в твердом состоянии наряду с пластической деформацией необходимо рассматривать влияние относительного движения между поверхностями трения. Если сжимать два образца, то для их разделения при отрыве необходимо приложить силу, равную примерно 1/4 от приложенной. В случае приложения силы в тангенциальном направлении для разделения требуется гораздо большее усилие. Это объясняется тем, что в условиях взаимного скольжения происходит разрушение окисных пленок, что приводит к образованию ювенильных поверхностей, а также к повышению адсорбционной активности.

В процессе ВиХМО происходит сближение контактирующих ювенильных поверхностей. Одновременно происходит измельчение частиц дисульфида молибдена, его активация, адсорбция, ориентация базовыми плоскостями параллельно поверхности трения, а также предотвращение агрегации частиц MoS2, наличие которых существенно снижает скорость твердофазных реакций.

3.3.2. Цинковые покрытия Установлено (гл. 1), что процессы осаждения металлов на твердых металлических электродах являются наиболее сложными. Они протекают через несколько стадий, включающих процессы диффузии, адсорбции, химической реакции, разряда и кристаллизации, участвующих в химическом процессе частиц. Соотношение скоростей этих стадий определяет кинетику процесса как катодного осаждения, так и анодного растворения металла. Осаждение металлов из водных растворов также обычно сопровождается протеканием параллельной реакции выделения водорода, участием в реакции других частиц, находящихся в электролите, примесей металлов, органических соединений, вводимых для регулирования качества покрытий. В результате протекания реакции происходит изменение состояния раствора у поверхности электрода и изменение состояния поверхности. Несомненно, что все предшествующие электрокристаллизации металла стадии влияют на нее и, таким образом, определяют структуру, физико-химические и химические свойства осажденного металла.

Виброволновое воздействие обеспечивает активацию поверхности обрабатываемых изделий, и рабочих сред, ускоряет химические реакции, сопровождающие процесс обработки, процессы протекают в условиях диффузии, адсорбции, деформации поверхностных слоев. В процессе виброволнового воздействия повышается энергетический уровень всей системы, что является предпосылкой для получения качественных покрытий.

Анализ физико-химических явлений, происходящих при нанесении металлических покрытий в условиях виброволнового воздействия показал,что при погружении металла, обладающего электронной проводимостью, в раствор электролита, на границе между металлом и электролитом возникает двойной электрический слой, образованный заряженным металлом и расположенными у его поверхности ионами противоположного знака.

Стремление металла переходить из металлического состояния в ионное для разных металлов различно. Основным источником энергии, заставляющим переходить металл в раствор в виде ионов, является химическая энергия гидратации. Когда ионы металла переходят в раствор, в металле остаются освободившиеся электроны, они приобретают отрицательный заряд, что, в свою очередь, вызывает электростатическое притяжение между перешедшими в раствор ионами, имеющими положительный заряд, и поверхностью металла.

Если энергия гидратации недостаточна для разрыва связи между ионами атома и электронами, то поверхность металла может адсорбировать ионы из раствора. Катионы из раствора могут переходить на металл, придавая ему положительный заряд, а около положительно заряженной поверхности образуется слой, состоящий из анионов. На границе металл - раствор электролита возникает двойной электрический слой. Например, в случае погружения цинкового порошка в водный раствор хлора цинка (ZnCl2) полярные молекулы воды, действуя своими отрицательными полюсами на положительные ионы металла, переводят их в раствор. При этом электроны остаются на поверхности металла, заряжая ее отрицательно. Гидратированные ионы металла, перешедшие в раствор, притягиваются заряженной поверхностью цинка и располагаются вблизи нее. В результате образуются два слоя с противоположными зарядами - двойной электрический слой. Этот слой подобен микроконденсатору, у которого роль отрицательной обкладки играет поверхность цинка, а роль положительной - ионы цинка, находящиеся в растворе (рис. 3.3).