Введение к работе
Актуальность темы. Газотермические технологии широко применяются в высокотехнологичных отраслях промышленности, так как являются эффективным методом повышения эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей деталей машин путем нанесения покрытий, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики.
Развитие газотермических методов напыления, нацеленных на формирование более прочных и плотных покрытий на высоконагруженных и ответственных деталях, связано в первую очередь с применением при напылении частиц, разогнанных до высоких скоростей перед осаждением на основу. Это позволило создать оборудование и технологии напыления, которые в настоящее время являются не только единственным путем упрочнения и восстановления изношенных валов, роторов и штоков высоконагруженного оборудования, но и часто выступают наилучшей альтернативой гальваническому хромированию.
На качество формируемых покрытий первостепенное влияние оказывает метод подготовки поверхности основы. В настоящее время в промышленности распространены следующие методы: термические, механические, прочие методы. Не смотря на их известные преимущества им свойственны такие недостатки, как: снижение усталостной и циклической прочности изделий с покрытиями, шаржирование абразивных частиц, низкая производительность, невозможность применения при нанесении тонких покрытий. Разработка новых методов подготовки способных устранить перечисленные выше недостатки и обеспечить экономическую эффективность технологии является важной научно-технической проблемой.
В этом отношении особенно перспективным является исследование способов подготовки поверхности посредством ультразвуковой обработки, поскольку последняя не только устраняет указанные выше недостатки, но и положительно влияет на процессы формирования покрытий. На основании вышеизложенного была сформулирована цель работы.
Цель работы: совершенствование технологии процесса ультразвуковой обработки поверхностей стальных деталей перед нанесением газотермических покрытий.
Для достижения цели в диссертационном исследовании поставлены следующие задачи:
-
Исследовать влияние предварительного микрорельефа поверхности, полученного после точения, и основных технологических параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и микротвердости обрабатываемых сталей.
-
Исследовать свойства композиции «покрытие-основа» и прочность соединения покрытий, полученных газотермическим напылением после ультразвуковой обработки поверхности основы.
3. Разработать модель расчета влияния микрорельефа поверхности,
создаваемого ультразвуковой обработкой, на процесс кристаллизации и
охлаждения напылённого материала при газотермическом напылении.
4. Разработать технологические рекомендации по применению
ультразвуковой обработки основы при газотермическом напылении покрытий,
обеспечивающей повышение работоспособности высоконагруженных деталей.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены на основе анализа методов пластического деформирования поверхностей деталей, особенностей ультразвуковой обработки металлов, технологий газотермического напыления покрытий и установления влияния подготовки поверхности на технические характеристики упрочняющих газотермических технологий. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях и включали изучение влияние технологических режимов ультразвуковой обработки на свойства конструкционных сталей и параметры микрорельефа поверхности, установление закономерностей взаимодействия напыляемого материала и основы после ультразвуковой обработки в сравнении с другими способами подготовки
поверхности для случаев применения высокоскоростного и детонационного напыления. Исследования проведены на основе использования методов оптической металлографии («МЕТАМ РВ-21», «Olympus GX-71»), растровой электронной микроскопии («Philips SEM 515»), профилометрического анализа («MICRO MEASURE 3D station») и оценки микротвердости («Nano Hardness Tester», «ПМТ-3»). Для количественного описания процесса кристаллизации и охлаждения напыляемого материала на основе использовался пакет программ ANSYS на основе метода конечных элементов. Достоверность результатов исследований подтверждается их воспроизводимостью, соответствием с результатами других авторов и внедрением результатов в производство. Автор защищает:
1. Результаты экспериментальных исследований по влиянию
предварительного микрорельефа поверхности и основных технологических
параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и
микротвердости обрабатываемого материала.
2. Результаты экспериментальных исследований по влиянию ультразвуковой
обработки поверхности на свойства композиции «покрытие-основа» и прочность
соединения покрытий, полученных газотермическим напылением.
3. Результаты математического моделирования влияния параметров
микрорельефа поверхности на процесс кристаллизации и охлаждения напылённого
материала при газотермическом напылении.
4. Способ обработки поверхности деталей с использованием ультразвуковых
колебаний для подготовки к нанесению покрытий газотермическим напылением.
5. Практические рекомендации по использованию ультразвуковой
обработки перед нанесением покрытий в технологических процессах
изготовления высоконагруженных деталей.
Научная новизна:
1. Разработана методика подготовки поверхности стальных изделий, основанная на создании посредством обработки резанием определенного
микрорельефа поверхности, дельнейшей ее ультразвуковой обработке, обеспечивающей активацию основы с целью совершенствование технологии процесса ультразвуковой обработки перед нанесением покрытий.
-
Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние параметров микрорельефа поверхности основы на процесс кристаллизации слоя материала покрытия, нанесенного газотермическим напылением.
-
Установлено, что микротвердость сталей 20 и 40Х после ультразвуковой обработки зависит как от размеров исходной шероховатости поверхности, так и геометрии микрорельефа. При этом значения микротвердости на поверхности могут превышать значения исходной микротвердости для вышеуказанных сталей соответственно в 2,2 и 1,8 раза, а характер распределения значений микротвердости по глубине носит градиентный характер.
4. Установлено, что подготовка поверхностей стальных изделий
ультразвуковой обработкой, позволяет снизить скачок значений
микротвердости на границе между покрытием и основой в сравнении со
струйно-абразивной обработкой.
Практическая ценность:
-
Разработан и запатентован способ упрочнения деталей из конструкционных материалов (патент РФ на изобретение №2354715 «Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов»).
-
Определены режимы ультразвуковой обработки и необходимый предварительный микрорельеф на поверхностях обрабатываемых деталей при газотермическом нанесении покрытий.
3. Разработан способ обработки поверхности деталей с использованием
ультразвуковых колебаний перед нанесением покрытий газотермическим
напылением (положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на
изобретение по заявке №2010121657 «Способ подготовки поверхности детали с
использованием ультразвуковых колебаний»).
4. В производственных условиях реализованы процессы ультразвуковой обработки поверхности деталей перед нанесением покрытий высокоскоростным газопламенным и детонационным методами.
Реализация полученных результатов. На разработанный способ получен один патент на изобретение РФ (№2354715) и одно положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010121657. Результаты выполненной работы внедрены на ООО «Юргинский машиностроительный завод» (г. Юрга), ООО «Сибирские Технологии Защитных Покрытий» (г. Новосибирск).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двух Международных конференциях «Современные техника и технологии» - г. Томск (2007, 2008гг.); на двух Международных конференциях «International Conference on Metallurgy and Materials» - r. Ostrava, Czech Republic (2007, 2009гг.); на Международной практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» - г. Санкт-Петербург (2006г.); на Международной школе-семинаре «Новые технологии, материалы и инновации в производстве» - г. Усть-Каменогорск, Казахстан (2009г.); на шести научных конференциях ЮТИ ТПУ в г. Юрга (2006-2011гг.).
Исследования проводились при поддержке гранта РФФИ №06-08-01220-а (2006-2008гг.); программы «УМНИК», проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2009-2011гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, включая 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 149 страниц печатного текста, 46 рисунков, 20 таблиц и список использованных источников из 124 наименований.
