Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследования 8
1.1. Обзор работ в области совмещенных процессов обработки и покрытий 8
1.2. Методы оксидирования алюминиевых сплавов.. 16
1.3. Совмещенные процессы вибрационной обработки и покрытий 27
1.4. Цель и задачи исследований 34
Глава II. Теоретические предпосылки и обоснование возможности осуществления оксидирования в процессе вибрационной обработки деталей из алкминиевых сплавов 36
2.1. Физико-химические явления в процессе оксидирования 36
2.2. Механохимия в процессах вибрационной обработки 47
2.3. Обоснование возможности оксидирования в процессе вибрационной обработки. 53
2.4. Схема модели формирования оксидного покрытия в процессе вибрационной обработки 63
Глава III. Методика экспериментальных исследований 68
3.1. Опытное оборудование, оснастка, рабочие среды п технологические жидкости 68
3.2. Методы измерения параметров процесса и качества поверхностного слоя 73
IV. Теоретию-эксперементальном исследовании процесса и качества поверхностного слоя 75
4.1.Исследование возможности оксидирования алюминия и его сплавов в процессе вибрационной обработки 75
4.1,1.Определение основных параметров процесса с учетом оксидирующего раствора в зоне контакта рабочей среды с обрабатываемой деталью 75
4.1.2.Температура рабочей зоны в процессе обработки 79
4.1.3.Механизм формирования оксидной пленки... 81
4.2. Исследование влияния компонентов раствора на рост оксидной пленки в условиях ВиО 91
4.3.Влияние основных технологических параметров процесса ВиО на качество оксидной пленки.,.. 93
4.3.1.Влияние вибрационной обработки на плотность оксидного покрытия и объем пор 103
4.3.2.Маслоемкость оксидного покрытия 105
4.3.3.Влияние ВиО на интенсификацию процесса оксидирования 106
4.4.Влияние процесса обработки на качество по верхностного слоя 107
4.4.1.Шероховатость поверхности 108
4.4.2.Микротвердость поверхностного слоя 115
4.4.3.Микроструктура поверхностного слоя 116
4.4.4.Отражательная способность 116
4.5.Исследование физико-химических свойств оксидных покрытий 118
4.5.1.Внешний вид 119
4.5.2. Толщина покрытия 121
4.5.3. Прочность сцепления оксидной пленки с металлом и адгезия к лакокрасочным покрытиям 123
4.5.4. Коррозионные испытания . 126
4.6. Технологические возможности совмещенного процесса 133
Глава V. Практическое применение результатов исследований 141
5.1. Примеры образования покрытий на некоторых типах деталей . 142
5.2. Технологические рекомендации 145
Литература 151
Приложение.. 164
- Совмещенные процессы вибрационной обработки и покрытий
- Схема модели формирования оксидного покрытия в процессе вибрационной обработки
- Методы измерения параметров процесса и качества поверхностного слоя
- Исследование влияния компонентов раствора на рост оксидной пленки в условиях ВиО
Введение к работе
Развитие современной техники, создание машин и агрегатов требует разработки новых технологических процессов, обеспечивающих качество, высокие эксплуатационные свойства и товарный вид выпускаемой продукции, способной конкурировать с продукцией аналогичного назначения.
Важным условием решения этих задач является совершенствование и развитие финишной обработки, в частности отделки и нанесения покрытий Одним из эффективных методов обработки, позволявших совмещать процессы механической обработки с одновременным нанесением покрытий, является вибрационная обработка деталей в различных технологических средах с использованием колебаний различного спектра При этом используется эффект совместного воздействия механических усилий и химических процессов в различном их сочетании»
Вибрационная обработка обеспечивает изменение физико-химических свойств поверхностных слоев обрабатываемых деталей и характеризуется высокой производительностью Она позволяет также осуществлять отделочные операции при одновременном нанесении покрытий на детали из различных конструкционных материалов при значительной экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов.
Анализ отечественной и зарубежной практики в области совмещения процессов обработки и нанесения покрытий показал, что большинство разработок направлено на осаадение металлических покрытий на стальные изделия и относительно мало работ по оксидированию алшиния и его сплавов Имеющиеся в настоящее время работы, не раскрывают сущность процесса и пути его реализации.
В тоже время трудно найти область современной техники где бы не применялся алюминий и его сплавы» Алюминий, как конструкционный материал нашел широкое применение благодаря малому удельному весу, низкому электрическому сопротивлению и достаточно высокой механической прочности.
Успешное осуществление многих современных технологических процессов часто стоит в прямой зависимости от коррозионной стойкости изделий. Сохранение изделий и снижение огромного ущерба от коррозии представляет важную техническую проблему.
Процессы нанесения покрытий в гальванопроизводстве включают в себя большое число операций, связанных с перемещением обрабатываемых деталей с позиции на позицию. Кроме того, токсичность компонентов, газовыделение, высокий уровень напряжения в электроцепи делают эти процессы трудоемкими и экологически опасными. Поэтому разработка технологических процессов, при которых указанные факторы отсутствуют или обладают меньшей интенсивностью, при одновременном улучшении качества поверхности и эксплуатационных свойств детали, обеспечивающих высокую производительность является актуальной задачей развития технологии машиностроения.
В литературных источниках отсутствуют сведения, указывающие на характер взаимодействия полимерного тела с поверхностью детали в условиях оксидирования при вибрационном воздействии. Важное значение приобретает изучение взаимосвязи механического деформирования и химического разрушения поверхностного слоя и их влияние на качество и толщину оксидного покрытия. Сложность механизма формирования оксидного покрытия и процессов, сопровождающих формирование поверхностного слоя при ВиО, без глубокого изучения физической сущности происходящих явлений и основных за . кономерностей, определяющих протекание совмещенного процесса невозможно создание модели и научно-обоснованного расчета основных технологических параметров процесса,
В данной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, посвященных решению некоторых из перечисленных вопросов.
Проведенный анализ позволил установить основные закономерности, определяющие течение совмещенного процесса ж характер влияния технологических параметров на качество поверхностного слоя. Определен объем деформированного гидроксида за один удар шара и глубина его внедрения, показана зависимость этих величин от силы соударения шара с поверхностью детали.
Установлено влияние ВиО на интенсификацию процесса оксидирования на 25-27$ за счет повышения энергетического уровня системы. Рассчитана энергия активации образования гидроксида.
Комплексное механическое и химическое воздействие на процесс обработки позволяет улучшить качество поверхностного слоя. За счет снижения шероховатости, повышения отражательной способности, коррозионной стойкости.
Основываясь на результатах анализа механизма формирования оксидной пленки и особенностей процесса ВиО разработана модель--схема совмещенного процесса вибрационной обработки и оксидирования.
На основе экспериментальных исследований и сравнительных испытаний с промышленными образцами разработан технологический процесс и рекомендации по его внедрению в производство.
Совмещенные процессы вибрационной обработки и покрытий
Одним из перспективных технологических методов, позволяющих совмещать процессы обработки поверхности и нанесения покрытий, является вибрационная обработка.
Эффективность процесса вибрационной обработки определяется, в основном, следующими факторами: амплитудой и частотой колебаний, типом и формой рабочей среды, воздействием химических растворов, направленной вибрацией и перемешиванием рабочей среды и деталей.
В зависимости от вида обработки эти факторы могут изменяться в очень широких пределах, изменяя, тем самым, характер обработки.
Совмещенный процесс вибрационной обработки и покрытий представляет собой химико-механическрій процесс, при котором частицы рабочей среды, совершая вращательно-колебательные .движения при их взаимном скольжении и соударении вызывают пластическую деформацию поверхностных слоев металла, при этом, в зависимости от применяемых усилий, наблюдается съем окислов металла, сглаживание микронеровностей, улучшение физико-механических свойств поверхностных слоев (микротвердость, остаточные напряжения, структура).
В процессе обработки детали занимают различное положение в рабочей среде, что обеспечивает равномерную обработку всех поверхностей.
В качестве рабочих сред, в зависимости от назначения операций, используются абразивные, металлические, стеклянные, органические и другие материалы, которые вращаясь вместе с деталями удерживают их во взвешенном состоянии, предотвращая забоины, а своим давлением и скольжением выравнивают и сглаживают поверхность.
При необходимости в рабочую камеру могут подаваться непрерывно или периодически жидкие растворы, суспензии, электролиты или порошковые материалы. При этом воздействие вибраций на обрабатываемые поверхности и растворы существенно интенсифицирует физико-химические процессы. Создаются условия как для протекания процессов механической обработки в виде пластического деформирования, так и физико-химических процессов - химических реакций, адсорбции, .диффузии, адгезии. Вибрационная обработка протекает в условиях высокой активности обрабатываемой поверх ности и применяемых растворов за счет их непрерывного и интенсивного перемешивания. Это дает основание для совмещения процессов вибрационной обработки и покрытий.
Изменение динамической силы в зоне контакта влечет за собой изменение параметров пластической деформации от деформации микронеровностей до деформации основания микропрофиля, что значительно расширяет возможности совмещения процессов вибрационной обработки и покрытий /13, 65 /.
Разработан ряд технологических процессов, позволяющих совмещать вибрационную обработку и нанесение антифрикционных и антикоррозионных покрытий / 14, 43, 84, 96 /. Проводятся работы по нанесению тугоплавких и тяжелых металлов и интенсификации процесса. / 3 /.
В работе Соловьянюка Л.А., Бабичева А.П. / 95 / приводятся результаты нанесения металлических покрытий из порошковых материалов в условиях вибрационной механико-термической обработки. Для получения медного покрытия в термокамеру, обеспечивающую температуру 180 - 200С,загружается рабочая среда - закаленные шары из стали ІПХ-І5, обрабатываемые детали и медный порошок. Дебалансная система создает условия вибрации, заставляющие всю массу перемещаться в камере по траектории.
Детали воспринимают множество микроударов. Находящийся в камере порошок, попадая в зону удара, внедряется в поверхность деталей. Этот метод позволяет получать равномерное покрытие на деталях различной конфигурации, а механическое воздействие частиц рабочей среды создает наклепанный приповерхностный слой, что в свою очередь повышает выносливость деталей / 39 /.
Отмечается повышенная прочность сцепления покрытия с матрицей за счет увеличения действия межмолекулярных металлических сил разнородных металлов.
Медное покрытие, полученное вибрационным способом, визуально не отличается от гальванического.
Аналогичным образом термовибрационным методом получено алюминиевое покрытие на стальной подложке /95 /.В термокамеру загружается алюминиевый порошок и стальные шары, выполняющие роль ударных тел и поставщиков материала покрытия. Нормальное течение процесса обеспечивается нагревом камеры до температуры 120-150С. Дальнейшее увеличение температуры приводит к уменьшению толщины покрытия, адгезии и увеличению пористости, что объясняется усиленным образованием интерметалли-дов, повышающих хрупкость переходной зоны, разрушением и отслаиванием покрытия. На толщину покрытия также влияет твердость и шероховатость покрываемой поверхности.
Схема модели формирования оксидного покрытия в процессе вибрационной обработки
Анализ механизма образования оксидной пленки и особенностей процесса ВиО в среде полимерных тел, позволяет представить модель формирования оксидной пленки в процессе ВиО следующим образом (рис. 2): 1. Механический контакт деталей с рабочей средой (пласт массовые шары, раствор). В момент приложения нагрузки, вследствие соударения шаров с поверхностью обрабатываемого материала, происходит пластическая деформация в зоне контакта. На поверхности металла адсорбируется оксидирующий раствор (ионы, молекулы). 2. Активация и очистка поверхностного слоя металла. Активация поверхности осуществляется в результате пластического деформирования, увеличения плотности дислокации и образования активных центров, разрушения естественной окисной пленки и образования ювенильных участков поверхности. Одновременно осуществляется активация ионов раствора ( А4+ ,S F6 ,H t QjJ ОіОч ) их адсорбция на поверхности металла и взаимодействие с жировыми загрязнениями и окислами. В результате динамического воздействия и перемещения .рабочей среды происходит подача свежего оксидирующего раствора к поверхности металла и отвод отработавшего, ослабленного после реакции.
Вместе с отработавшим раствором с поверхности металла удаляются окислы, жировые загрязнения и продукты реакции. Таким образом, осуществляется совмещение процессов очистки от загрязнений и окислов и подготовки поверхности под оксидирование, с улучшением качества поверхностного слоя. 3. Образование оксидной пленки Участки поверхности обрабатываемого металла с высокой активностью адсорбируют гидроксил-ион ОН" , взаимодействуют с ним с образованием гидроксида алюминия по реакции Эта реакция протекает с выделением водорода, удалению ко торого способствует вибрирующая среда. Одновременно с образо ванием гидроксида алюминия в растворе могут протекать побочные реакции. В результате взаимодействия анионовS,Fto , ОН" и С 0Ч с растворяющимся алюминием могут образовываться нерастворимые соединения типа и бо лее сложные с присутствующим в кислой среде гексаакваалюминий ионом 4. Рост оксидной пленки Под влиянием виброусилий и активации всех составляющих процесса оксидирования происходит формирование и рост оксидной пленки. Образовавшаяся на поверхности металла оксидная пленка увеличивается за счет самого металла. Постоянный приток свежего раствора к поверхности металла через поры в оксидной пленке обеспечивает взаимодействие металла с раствором и рост пленки. Разрыхление ее обеспечивается вибрацией и притоком оксидирующего раствора к обрабатываемой поверхности. .5. Формирование поверхностного слоя покрытия Под влиянием виброобработки наружная часть пленки подвергается деформированию, сминаются и разрушаются гребешки выступов, удаляются мелкие неровности, в результате снижается шероховатость поверхности и увеличивается блеск обрабатываемой поверхности. Блеск усиливается под влиянием полирующего действия пластмассовых шаров.
В результате проведенных исследований выявлена картина комплексного механического и химического воздействия на поверхность обрабатываемой детали. Определены скорость и сила соударения полиэтиленового шара с поверхностью детали, максимальные контактные давления, глубина внедрения шара при совмещении процессов ВиО и оксидирования. Проведенный теоретический анализ позволил определить объем деформированного гидроксида за счет механической составляющей процесса ВиО за один удар шара. Рассмотрены особенности вибрационной обработки в среде полиэтиленовых шаров, позволяющие совместить этот процесс с процессом образования оксидных покрытий. Особенности процесса состоят в том, что благодаря динамическому контакту частиц рабочей среды обеспечивается активация поверхностного слоя в результате пластического деформирования на микроуровне. Основываясь на теории активации показано влияние ВиО на интенсификацию процесса обработки, за счет увеличения числа активных молекул и эффективных столкновений. Рассчитана энергия активации образования гидроксида. Определен характер влияния химических составляющих на формирование пленки.
Методы измерения параметров процесса и качества поверхностного слоя
Для контроля параметров процесса, качества покрытия и поверхностного слоя обрабатываемой детали использовали следующие приборы: - для замеров амплитуды колебаний стенок рабочей камеры использовался виброграф BP-I; - частота колебаний регистрировалась по количеству оборотов дебалансного вала тахометром типа ИО-30; - шероховатость поверхности образцов измерялась на профи-лометре - профилографе блочной конструкции мод.201 завода "Калибр" ; - металлографические исследования проводились на электронном микроскопе типа УЭМВ-ЮО; металлографическом микроскопе МйМ-8м, микротвердомере ПМТ-3; - замер диаметров отпечатков шаров, полученных в процессе обработки, осуществлялся на инструментальном микроскопе УИМ-2І; - внешний вид покрытия определялся на соответствие ГОСТ 9.301-86.
С целью более полного исследования качества поверхностного слоя и оксидного покрытия были изучены толщина, прочность сцепления, блеск, пористость, коррозионная стойкость оксидной пленки. Толщина покрытия определялась тремя методами: капельным, пробивного напряжения и гравиметрическим. Блеск покрытия определялся на фотоэлектрическом блескоме-ре ФБ-2. Пористость - электрическим методом по ГОСТ 9.302-88; одновременно проверялась маслоемкость покрытия, путем определения количества масла, адсорбированного покрытием. Прочность сцепления покрытия проверялась двумя методами: прочностью пленки при ударе и методом решетчатых надрезов. Коррозионная стойкость оксидных покрытий изучалась методом периодического погружения в электролит. Более подробные сведения о методах определения качества оксидного покрытия (толщины, прочности сцепления, блеска, пористости, коррозионной стойкости, маслоемкости) представлены в соответствующих разделах.
Исследование влияния компонентов раствора на рост оксидной пленки в условиях ВиО
Условия образования оксидной пленки при ВиО отличаются от стандартных, необходимо определить оптимальную концентрацию реагирующих веществ в новых условиях, так как состав раствора влияет на свойства покрытия / III /. Роль активатора в оксидирующем растворе выполняет кремнефторид натрия, роль пассиватора - хромовый ангидрид. Под влиянием ВиО активация ионов и молекул увеличивается. Максимальная толщина оксидной пленки может быть получена только при оптимальном содержании компонентов. Оптимальное содержание кремнефторида натрия и хромового ангидрида в растворе при ВиО определялось гравиметрическим методом. Результаты эксперимента представлена на рис.15, 16 и в таблице 4. Анализ проведенных исследований показал, что для получения покрытия при ВиО максимальной толщины необходимо уменьшить содержание кремнефторида натрия - коїлпонента растворяющего пленку до 2,5 - 3,5 г/л. Хромовый ангидрид не оказывает непосредственного влияния на растворение покрытия, но недостаточная перепассивация может служить причиной ускоренного растворения пленки.
Кроме того, небольшое увеличение концентрации хромового ангидрида благоприятно сказывается на интенсивности окраски пленки. К основным факторам, оказывающим влияние на качество образующейся оксидной пленки, относятся: амплитуда и частота колебаний рабочей камеры - А мм; время обработки деталей - с мин, твердость обрабатываемого материала НЗ; шероховатость поверхности обрабатываемой детали - Яа , мкм; объем рабочей среды в рабочей камере - V , г; размер шаров рабочей соеды - диамето , мм; количество оксидирующего раство Исследование влияния амплитуды колебаний рабочей камеры на толщину оксидной пленки проводилось на образцах из алзши ния марки АДО (НВ 28) и сплава АЛ"9 (НВ 50), частота колебаний рабочей камеры т =33,3 Гц; продолжительность обработки U = 30 мин. -- ....... Рабочая среда - полиэтиленовые шары $ 3-4 мм и оксидирующий раствор. Амплитуда колебаний изменялась в диапазоне наиболее часто используемом на практике от I до 5 мм. Определение толщины оксидной пленки проводилось капельным методом (см.раздел 4.5.2). Полученные результаты представлены на рис. 17 и в таблице 5. Влияние амплитуды колебаний на толщину покрытия (мкм) Количество оксидирующего раствора принималось из расчета ЗОр от насыпного объема контейнера, при условии его заполнения рабочей средой и деталями не более 0,8 объема. Увеличение амплитуды колебаний до значений А = 2,5 мм не влияет на рост оксидной пленки. При амплитуде колебаний, равной 3 мм наблюдается некоторое снижение толщины оксидной плен ки. Дальнейшее увеличение амплитуды ведет к плавному снижению толщины покрытия.
Характер изменения толщины покрытия в зависимости от амплитуды колебаний одинаков для алюминия и алюминиевого сплава. С увеличением амплитуды колебаний повышается скорость движения частиц рабочей среды и, следовательно, увеличиваются усилия микроударов о поверхность обрабатываемой детали. Увеличение амплитуды колебаний выше оптимального значения 2,5 мм, вероятно, приводит к повышению скорости движения и сил микроударов частиц рабочей среды, при которых наблюдается разрушение поверхностного слоя, образовавшегося покрытия, т.е. скорость разрушения оксидной пленки преобладает над скоростью ее роста, и как результат - падает толщина покрытия. Этот вывод согласуется с теорией механизма образования оксидной пленки, где отмечается, что рост оксидной пленки возможен тогда, когда скорость роста пленки опережает скорость ее растворения. На рис. 18 изображен вид покрытия, полученного при A s 5 мм. На фотографии видно не сильно разрыхленное покрытие с отдельными участками, где покрытие отсутствует.
