Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 .Формирование качества поверхностного слоя деталей машин 9
1.2. Дефекты кристаллической структуры металла, возникающие в поверхностных слоях деталей машин 14
1.3. Неразрушающие методы исследования дефектной структуры материала..24
1.4. Выводы 33
Раздел 2. Акустическая эмиссия микротрещин, развивающаяся в условиях вибрационного нагружения материала детали резьбового соединения 34
2.1. Динамика дислокационных сегментов в поле знакопеременных напряжений 34
2.2. Дислокационный механизм развития микротрещин в условиях вибрационного нагружения материала 41
2.3. Расчёт поля акустической эмиссии микротрещин в металле 45
2.4. Выводы 53
Раздел 3. Экспериментальные исследования процесса развития микротрещин 55
3.1. Обзор экспериментальных методов акустико-эмиссионной диагностики микротрещин 55
3.2. Описание установки, регистрирующей сигналы акустической эмиссии
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований АЭ развивающихся микротрещин и выбор объектов исследования 72
3.4. Результаты экспериментальных исследований 78
3.5. Выводы 89
Раздел 4. Разработка технологии упрочнения поверхностного слоя наружной цилиндрической резьбы . 90
4.1. Теоретические обоснования технологии упрочнения поверхностного слоя деталей с резьбой 90
4.2. Технология дислокационного упрочнения поверхностного слоя цилиндрических деталей с наружной резьбой ...96
4.3. Проведение сравнительных экспериментальных исследований и анализ полученных результатов 109
4.4. Выводы 122
Заключение 123
Список литературы 125
Приложения
- Дефекты кристаллической структуры металла, возникающие в поверхностных слоях деталей машин
- Дислокационный механизм развития микротрещин в условиях вибрационного нагружения материала
- Описание установки, регистрирующей сигналы акустической эмиссии
- Технология дислокационного упрочнения поверхностного слоя цилиндрических деталей с наружной резьбой
Введение к работе
Общая характеристика работы. Анализ эксплуатации деталей машин показывает, что они выходят из строя по причинам, связанным с функционированием и несовершенством их поверхностных слоев [1,2,3]. Это относится и к широкоприменяемым в различных областях техники резьбовым соединениям (PC), ,которые составляют 15-20% от общего количества соединений в конструкциях современных машин [4].
Существующие требования к резьбовым соединениям регламентируют материал, технологию изготовления и нагрузку в статических условиях и не учитывают изменения, происходящие в материале деталей PC при эксплуатации. Вместе с тем, в процессе воздействия интенсивных вибрационных нагрузок, вследствие специфики работы PC, колебания, возбуждаемые в материале деталей PC, сопровождаются знакопеременными напряжениями, которые могут вызвать движение линейных дефектов кристаллической структуры, и скопление их у препятствия в виде комплекса примесей. Это может привести к образованию микротрещин (МТ) в поверхностном слое и в последующем разрушению материала. Процесс разрушения контактирующих поверхностей в большинстве случаев протекает по усталостному механизму, вызванному упругими, упругопластическими и пластическими деформациями, которые сопровождаются процессами генерирования, аннигиляции дефектов, накопления сдвиговой энергии, образования и разрушения адгезионных связей и др. [5].
В процессе формообразования резьбы и при эксплуатационном многоцикловом нагружении происходит непрерывное накопление пластических деформаций, что приводит к исчерпанию запаса пластичности металла в поверхностном слое и возникновению несплошностей в виде трещин.
Усталостное разрушение резьбовых соединений, часто встречающееся на практике, - результат действия многоцикловых переменных нагрузок. Амплитуда переменной нагрузки, приводящей к разрушению, оказывается в 10-20 раз меньшей, чем величина нагрузки при статическом разрушении. В
5 результате исследования разрушенных болтов и шпилек установлена характерная черта усталостной поломки - почти полное отсутствие деформаций в зоне разрушения, даже болтов из высокопластичных (при статическом разрушении) сталей [6]. В начале разрушения трещины обычно настолько малы, что их трудно обнаружить. При достижении трещиной макроскопических размеров наблюдается её интенсивный рост, приводящий к полному разрушению резьбового соединения за малый промежуток времени.
Известно, что процесс образования микротрещин в твёрдом теле сопровождается акустической эмиссией (АЭ) [54]. Значение АЭ весьма велико для фундаментальных исследований, поскольку её спектр может дать ценную информацию о динамике дислокаций и микротрещин, а также кинетике разрушения материалов [8]. В этой связи необходимо разработать новые структурные и информационные критерии, адекватно связанные с физико-механическими свойствами поверхностного слоя материала, учитывающие динамику его дефектной структуры.
Как уже отмечалось, процесс разрушения контактирующих поверхностей резьбовых соединений в большинстве случаев протекает по усталостному механизму, при> котором наблюдается постепенное накопление микроповреждений в поверхностных слоях, что приводит к образованию поверхностных МТ, формированию частиц износа и диспергированию поверхностного слоя. Поэтому важным представляется разработка технологии обеспечения качества поверхностного слоя материала на основе взаимосвязи динамики дефектов кристаллической- структуры металла и процесса образования МТ.
В связи с этим, тема диссертационной работы, направленная на технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей PC является актуальной.
Целью диссертационной работы является обеспечение качества резьбовых деталей путём упрочнения поверхностного слоя мелкодисперсным композиционным составом (МКС) в условиях «скин-эффекта».
В качестве объекта исследования принят поверхностный слой цилиндрических деталей с наружной резьбой.
Методы исследований. Результаты работы получены на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием компьютерных технологий. Теоретические исследования проводились на базе основных положений технологии машиностроения, материаловедения, физики твёрдого тела, теории упругости, математической физики. Экспериментальные исследования выполнялись на оборудовании, предназначенном для исследования PC в условиях АЭ МТ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана физическая модель динамики развития МТ в поверхностном слое детали PC, которая позволяет установить взаимосвязь эффективной длины МТ с параметрами материала PC.
Получена зависимость эффективной длины МТ от величины механического напряжения, динамики дислокационной структуры материала, диффузионных процессов в зоне повышенной концентрации атомов примесей и от параметров материала, что дает возможность определить условия зарождения МТ.
Экспериментально установлена зависимость величины механического напряжения поверхностного слоя материала от числа импульсов АЭ, которая позволяет прогнозировать качество поверхностного слоя материала.
Показано, что на этапе формообразования резьбы процесс диффузии атомов частиц металла, диспергированных в МКС, к стокам сопровождается дислокационным упрочнением поверхностного слоя, что приводит к уменьшению дефекта модуля упругости.
Разработана технология обеспечения качества поверхностного слоя деталей PC с применением МКС в условиях «скин-эффекта».
7 Практическую ценность составляют следующие результаты:
Разработаны основные положения технологического обеспечения упрочнения поверхностного слоя деталей с наружной резьбой.
Разработаны и внедрены в производство технологические мероприятия по обеспечению дислокационного упрочнения поверхностного слоя в процессе нарезания резьбы с применением МКС и высокочастотного нагрева.
Разработана методика и создана экспериментальная установка, позволяющая регистрировать сигналы АЭ, возникающие в образцах малых геометрических форм в режиме одноосной деформации.
На защиту выносятся:
1. Физическая модель динамики развития МТ в поверхностном слое детали
PC.
Физическая модель дислокационного упрочнения поверхностного слоя материала детали в процессе формообразования резьбы с применением МКС, насыщенной частицами металла.
Технологические мероприятия упрочнения поверхностного СЛОЯі детали PC с применением МКС и высокочастотного нагрева.
Методика диагностики и экспериментальная установка, позволяющая регистрировать сигналы АЭ, возникающие в металлических образцах небольших размеров в режиме одноосной деформации.
Результаты проведённых теоретических и> экспериментальных, исследований использовались при выполнении гранта Министерства образования Российской Федерации «Комплексное обеспечение физико-химических свойств контактных поверхностей станочных систем», госбюджетной научно-исследовательской работы по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации «Научные основы построения систем комплексного обеспечения показателей^ качества' изделий машиностроения». Результаты работы внедрены в производство на ОАО завод
8 «Пензмаш» и на ОАО «Пластик» г. Сызрань, что позволило повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции на 15 - 20 %.
Основные положения и результаты работы доклады
вались и обсуждались на: международном юбилейном симпозиуме
«Актуальные проблемы науки и образования. (Пенза, ПТУ 2003 г.), на VIII
международной научно-технической конференции «Проблемы
машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (г. Пенза, 2003 г.), на IX международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов» (г. Пенза 2004 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза 2004 г.), на X международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г. Пенза 2005 г.), на международной НТК «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2006 г.), на V международной НТК «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2007 г.), ежегодных научно-технических конференциях ПГУ (г. Пенза 2000-2007 г.), на постоянно действующем научном семинаре ПГУ «Комплексное обеспечение показателей качества деталей машиностроения».
Автор выражает глубокую благодарность кандидату физико-математических наук, доценту Рудину Александру Васильевичу за помощь, оказанную при создании опытной установки и проведении экспериментальных исследований.
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 118 наименований и приложений, содержит 135 страниц, 22 рисунка и 8 таблиц.
Дефекты кристаллической структуры металла, возникающие в поверхностных слоях деталей машин
Характер и степень нарушения правильности строения кристаллической решетки, в значительной мере, определяют качество поверхностного слоя металла. Эти нарушения.1 называются дефектами кристаллической решетки. Качество поверхностного слоя можно оценивать по числу дислокаций и их способности к перемещению; выходу на поверхность под действием напряжений, что определяет однородность поверхности детали [9].
Дефекты по геометрическим признакам подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные [22].
Точечные (нульмерные) дефекты. Размеры указанных дефектов во всех трех измерениях не превышают одного или нескольких межатомных расстояний. К точечным дефектам относят вакансии (вакантные узлы кристаллической решетки), атомы в междоузлиях, атомы примесей в узлах или междоузлиях, а также сочетания примесь — вакансия, примесь — примесь, двойные и тройные вакансии (ди- и тривакансии и др.). Линейные (одномерные) дефекты характеризуются тем, что нарушения периодичности простираются в одном измерении на расстояния, много большие параметра решетки. Линейными дефектами являются дислокации, микротрещины. Возможно также образование неустойчивых линейных дефектов из цепочек точечных дефектов.
Поверхностные (двухмерные) дефекты в двух измерениях имеют размеры, во много раз превышающие параметр решетки; а в третьем — несколько параметров. Границы зерен и двойников, дефекты упаковки, межфазные границы, стенки доменов; а также поверхность кристалла представляют собой, двухмерные дефекты.
Объемные (трехмерные) дефекты — это микропустоты и включения другой фазы. Они возникают обычно при выращивании кристаллов или в результате некоторых воздействий на кристалл. Так, например, наличие большого количества примесей в расплаве, из которого ведется кристаллизация, может привести к выпадению крупных частиц второйфазьг.
Точечные дефекты могут появиться в твердых телах вследствие нагревания (тепловые дефекты), облучения быстрыми частицами (радиационные дефекты); отклонения состава химических соединений от стехиометрии (стехиометрические дефекты), пластической деформации. Точечные дефекты в. виде совокупности атомов в междоузлиях и вакансий называют дефектами по Френкелю (рисунок 1.1,а). Парные дефекты Френкеля [23] возникают легче в кристаллах, содержащих большие межатомные промежутки, чем в плотно-упакованных. Примером1 кристаллов первого типа, являются- кристаллы со структурой алмаза и каменной соли, а кристаллов»! второго типа — металлы с плотной упаковкой.
Типы точечных дефектов: а) дефект по Френкелю; б) дефект по Шоттки; в) расположение междоузлий в ГЦК-решетке; г) расположение междоузлий в ОЦК-решетке; х - тетраэдрические; о - октаэдрические.
В объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетке имеются междоузлия с тетраэдрической симметрией типа (1/2, 1/4, 0), а также несколько менее просторные междоузлия типа (1/2, 1/2, 0) и эквивалентные им междоузлия типа (1/2, 0, 0) (рисунок 1.1,г).
Кроме парных дефектов, по Френкелю, в кристаллах имеются и одиночные точечные дефекты - вакансии, впервые рассмотренные В. Шоттки (рисунок 1.1,6). Дефекты по Шоттки обычно встречаются в кристаллах с плотной упаковкой атомов, где образование междоузельных атомов затруднено и энергетически не выгодно. Процесс образования дефектов в таком кристалле может происходить следующим образом. Некоторые атомы из приповерхностного слоя в результате теплового движения могут оказаться в состоянии «частичной» диссоциации, т. е. они могут выйти из кристалла на поверхность (рисунок 1.2,в). Образовавшаяся вакансия мигрирует затем в объем кристалла. Образование дефектов по Шоттки уменьшает плотность кристалла из-за увеличения его объема при постоянной массе.
Образование точечных дефектов требует значительных затрат энергии. Эта энергия находится в прямой зависимости прочности химических связей и пропорциональна энергии связи в кристалле. Так, чтобы создать вакансию в кристалле германия или кремния, надо разорвать четыре ковалентные связи. Вычисления показывают [1], что энергия образования вакансии в германии равна примерно 3,2-Ю"19 Дж, а в кремнии - 3,7-10 19 Дж. Однако, несмотря на это, при относительно высоких температурах существование дефектов является энергетически, выгодным. Дело в том, что введение дефектов не только увеличивает внутреннюю энергию кристалла, но и увеличивает его энтропию. Таким образом, для заданной термодинамической температуры- Т свободная энергия F = E-S минимальна при некоторой концентрации дефектов. Последняя определяется- балансом энергетической и энтропийной составляющих F. В общем случае-кристалл содержит и дефекты» по Френкелю и дефекты по Шотки. Однако преобладают тедефекты, для образования которых требуется меньшая энергия.
Представление о линейных дефектах - дислокациях - возникло в начале XX в. в результате работ В.Вольтерры и некоторых других исследователей, изучавших упругое поведение однородной изотропной среды [24]. На рисунке 1.2в изображена дислокация ОО , возникшая в результате сдвига части кристалла на-одно межатомное расстояние и показано расположение атомов в плоскости, перпендикулярной линии дислокации. Видно, что на п атомных плоскостей; расположенных ниже плоскости скольжения, приходится п+1 плоскость выше плоскости скольжения. Дислокация ОО , представляющая собой «край» лишней полуплоскости M/VO O, получила название краевой. Краевая дислокация перпендикулярна вектору сдвига. Можно представить себе, что краевая дислокация образуется, если вставить дополнительную плоскость MNO O между плоскостями идеального кристалла.
Дислокационный механизм развития микротрещин в условиях вибрационного нагружения материала
В данном подразделе теоретически исследуется один из возможных механизмов акустической эмиссии (АЭ) развивающихся микротрещин (МТ) в условиях вибрационного нагружения материала. Теоретический подход основан на принципе Гюйгенса для твердых упругих сред [68] с учетом дислокационной ползучести в зоне абразивного действия.
Как известно [8], процесс образования МТ в твердом теле сопровождается АЭ. Прикладные аспекты АЭ весьма разнообразны [69]. Это прежде всего неразрушающий и экспрессный контроль инженерных конструкций, основу которого составляют "исследования динамики МТ. Следует отметить, что источником АЭ являются дефекты твердого тела, благодаря чему задача обнаружения и локализации этих дефектов значительно упрощается. В частности, для этой цели могут использоваться сейсмологические методы, например метод триангуляции [69]. Значение АЭ весьма велико и для фундаментальных исследований, поскольку спектр АЭ может дать ценную информацию о динамике дислокаций и МТ, а также кинетике разрушения материала [69].
Существующие теоретические исследования по акустике трещин условно можно подразделить на две группы [54]. К первой группе относятся работы модельного характера, в которых МТ произвольного вида описываются с помощью эквивалентных объемных мультипольных источников при различных упрощающих предположениях [71,72]. Ко второй относятся работы, характеризующиеся .строгой постановкой граничной задачи для МТ простой геометрии и последующим ее решением с привлечением весьма трудоемких математических методов, в частности метода Винера-Хопфа [73,74]. В работе [54] предложен общий метод анализа АЭ МТ произвольного вида в ограниченных упругих телах. Метод основан на использовании принципа Гюйгенса и позволяет определить как закон движения берегов МТ под воздействием приложенных внешних напряжений, так и спектральную плотность АЭ. Однако, рассмотренные в [54] режимы развития МТ не содержат конкретных физических механизмов зарождения МТ до момента ее раскрытия. Исследования таких механизмов особенно важно в условиях вибрационного нагружения материала, которое было показано в разделе 2.1. В данном разделе предлагается один из возможных механизмов АЭ развивающихся МТ в условиях вибрационного нагружения материала - механизм «скрытого» подрастания МТ. Физическую основу данного механизма составляет представление о дислокационной ползучести в поле знакопеременных напряжений (модель Стро [66]), в результате чего ряд параллельных дислокаций образует скопление у препятствия в виде примесного выделения. В области такого скопления может возникнуть клиновидная полость, которая является источником зарождения МТ. АЭ имеет место в момент раскрытия полости и, как будет показано, в разделе 2.3, ее спектральная плотность излучения существенно зависит от параметров дислокационной ползучести и вибрационного нагружения материала.
Рассмотрим механизм «скрытого» подрастания МТ в условиях вибрационного воздействия. В этом случае колебания, возбуждаемые в материале, сопровождаются знакопеременными напряжениями. Последние могут вызвать как движения дефектов, например, дислокаций, так и стимулировать процессы диффузии примесей внедрения и замещения. Процесс вибростимулированной диффузии зон Коттрелла в поле дислокационной» деформации рассматривался в работе [67]. Было показано, что расплывание зон Коттрелла может сопровождаться увеличением эффективной длины дислокационного сегмента (10) с последующим освобождением дислокации от примесной атмосферы.
При этом время г, до начала освобождения дислокации определяется формулой (14). Как указывалось в разделе 2.1, в поле знакопеременных механических напряжений дислокационные сегменты со ступеньками периодически проходят через зону Коттрелла, оставляя след из вакансий за каждой ступенькой. Пересыщение материала вакансиями обуславливает прирост коэффициент диффузии закрепляющей примеси в облаке Коттрелла, который дается формулой (15).
Описание установки, регистрирующей сигналы акустической эмиссии
Для достижения цели, поставленной в настоящей работе, была разработана и создана установка, позволяющая регистрировать сигналы АЭ, возникающие в металлических образцах малых геометрических форм в режиме одноосной деформации.
На основании анализа экспериментальных и теоретических работ [87,101,94,98] был разработан наиболее приемлемый метод регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии при деформации металлических образцов цилиндрической и плоской формы.
Разработанная установка, конструктивные особенности которой описаны в работе [102], позволяет с высокой точностью проводить исследования зависимости числа импульсов акустической эмиссии, возникающих в исследуемых металлических образцах в режиме одноосной деформации — продольного растяжения- от величины деформирующей силы.
Блок-схема установки приведена на рисунке 3.1. Основным элементом установки является датчик АЭ (возможны два варианта - ДАЭ-1 или ДАЭ-2), образованный приемником акустических сигналов ПАС и предварительным усилителем электрических колебаний ПУ.
Приемник акустических сигналов ПАС и предварительный усилитель ПУ собраны в одном компактном цилиндрическом металлическом корпусе -акустической ячейке, диаметром 28 мм и длиной 65 мм.
В качестве приемника акустических сигналов используются пьезокерамические преобразователи [103], изготовленные в виде дисков диаметром 20 мм с резонансной частотой / равной 7 МГц. Выход датчика коаксиальным ВЧ-кабелем подключен к входу УШ широкополосного усилителя электрических колебаний с граничной частотой / = 1,5 МГц. Выход усилителя коаксиальным ВЧ-кабелем подключен к электронному осциллографу ОЦ (или к звуковой карте персонального компьютера ПК) и через частотный полосовой фильтр ФЧ к блоку формирователя прямоугольных импульсов ФИ. Осциллограф позволяет визуально наблюдать сигналы акустической эмиссии, появляющиеся в режиме одноосной деформации исследуемого образца и осуществлять настройку и регулировку электронных блоков в процессе измерений. Программное обеспечение ПК позволяет осуществить запись сигналов акустической эмиссии с последующей их обработкой - по частоте спектра и амплитуде.
Блок формирования прямоугольных импульсов ФИ преобразует сигналы акустической эмиссии сложной формы в прямоугольные импульсы соответствующей длительности. Выход формирователя импульсов подключен к входу электронного частотомера Ч, который регистрирует общее число импульсов акустической эмиссии, возникающих при деформации исследуемого образца за текущий интервал времени.
Широкополосный усилитель (УШ) представляет собой усилитель электрических сигналов на полупроводниковых элементах [104] с полосой пропускания частот от 100 Гц до 0,5 МГц и коэффициентом усиления по напряжению к= 105. Полосовой фильтр (ФЧ) собран по типовой LC - схеме. Формирователь импульсов (ФИ) образован детектором, усилителем импульсов с время задающей RC - цепочкой и триггером Шмидта. В качестве частотомера (Ч) используется стандартный электронносчетный частотомер, типа 43-32. В качестве осциллографа (ОЦ) используется стандартный электроннолучевой осциллограф, типа С1-86. ПК - персональный компьютер.
Конструктивная схема датчиков АЭ приведена на рисунке 3.2. ДАЭ-1 образован приемником акустических сигналов (ПАС) и предварительным усилителем электрических колебаний (ПУ), которые собраны в одном цилиндрическом корпусе 4 (рисунок 3.2,а). В. качестве ПАС используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь 1, с резонансной частотой- 7 МГц, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки 6 прижимается к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода 2, снабженного поперечным цилиндрическим отверстием 3. К звукопроводу 2 привинчивается полый цилиндрический корпус 4, внутри которого помещен предварительный электронный усилитель 5. Вход усилителя подключен к пьезопреобразователю 1 с помощью тонкой токопроводящей прижимной пластинки 6, а выход - к ВЧ-разъему 7, типа, СР-50, который ввинчивается в торцевое основание цилиндрического корпуса 4. Предварительный усилитель 5 (ПУ)1 представляет собой электронный усилитель электрических сигналов с большим входным сопротивлением (R = 1,0 Мом) и малым уровнем собственных шумов [104].
Исследуемый образец вставляется» в цилиндрическое отверстие 3 и фиксируется прижимным винтом 8, который одновременно обеспечивает акустический контакт между исследуемым образцом и звукопроводом. Для обеспечения надежного акустического контакта в зазор- между исследуемым образцом и звукопроводом вводится небольшое количество- смазочной жидкости - машинного масла. Данная конструкция датчика, акустической эмиссии обеспечивает надежный акустический контакт пьезопреобразователя с исследуемым образцом и электрическое экранирование преобразователя и предварительного усилителя от внешних электромагнитных полей и механических воздействий, что существенно повышает чувствительность и снижает уровень собственных шумов ДАЭ-1.
Технология дислокационного упрочнения поверхностного слоя цилиндрических деталей с наружной резьбой
Из обзора теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению методов упрочнения поверхностей металлических деталей машин [113, 114, 115, 116], следует, что проблема упрочнения поверхностного слоя металлов до конца не изучена и является одной из.задач технологии обработки металлов.
Известно, что разрушение детали начинается с разрушения её поверхностного слоя. Поэтому возможность продолжительной эксплуатации деталей машин во многих случаях определяется качеством,поверхностного слоя [1,5,9,10, 14,15,16,17].
Напряжения, возникающие в поверхностных слоях из-за воздействия инструмента; фазовых превращений и температурных факторов, влияют на физико-механические свойства-материала, из, которого изготавливается деталь, имеющая резьбовую часть.
Сжимающие напряжения положительно влияют на служебные свойства деталей, поэтому следует отдавать предпочтение методам обработки, способствующим возникновению этих напряжений [ 9].
Упрочнение поверхности методом пластического деформирования способствует возникновению внутренних напряжений" сжатия, которые вызываются перемещениями по плоскостям- скольжения кристаллитов, что-приводит к необратимым изменениям размеров и формы зёрен и- всего, тела [58]. В тоже время поверхностно-пластическое деформирование устраняет концентраторы напряжений в виде следов предшествующей обработки .
К настоящему времени разработаны такие технологические процессы, при которых в поверхностных слоях практически не возникают дополнительные напряжения, например, метод электрохимической и электрофизической обработки [9]. Однако, получение резьбовой поверхности со снятием слоя металла широко применяется, несмотря на возникающие растягивающие напряжения в поверхностном слое. Процесс резания является сложным процессом деформации металла режущим клином, при внедрении которого в металл, возникают все виды деформации - упругая, пластическая и разрушение кристаллической решётки металла [58].
Технологические возможности получения резьбы резанием существенно расширяются при применении различных способов интенсификации процесса обработки. Известно несколько способов интенсификации: нагрев заготовок, наложение ультразвуковых колебаний, подача СОЖ под давлением, химико-термическая обработка и т.д. Их применение позволяет улучшить качество поверхности детали [19]. Химико-термическая обработка отличается от термической обработки тем, что кроме структурных изменений происходит изменение состава поверхностных слоев»вследствие диффузии в них различных элементов, что приводит к существенному изменению свойств поверхности [30].
При поверхностной закалке на заданную глубину необходимо нагреть тонкий поверхностный слой, тогда как сердцевина изделиям остаётся незакалённой. Нагрев должен производиться быстро, чтобы сердцевина, вследствие теплопроводности, не прогрелась до закалочных температур. На практике широко применяют закалку с нагревом токами высокой, частоты (ТВЧ), ввиду высокой производительности и высокого качества закалённого слоя.
Нагрев ТВЧ основан на том, что в детали при помещении её в переменное магнитное поле наводятся вихревые токи, которые и вызывают нагрев детали. Переменный ток, в отличие от постоянного, неравномерно распределяется по сечению детали и оттесняется к периферии. Явление подобного рода в литературе [117] называется «скин-эффект». Чем выше частота переменного тока, тем более тонкий поверхностный слой несёт электрическую нагрузку [30].
При поверхностной закалке повышается сопротивление усталостному разрушению. Это объясняется наличием в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.
Структурные изменения в поверхностном слое материала влекут за собой изменение его механических характеристик. Примером такой модификации может служить легирование поверхности твёрдого тела методами имплантации, диффузии или нанесением тонкоплёночного покрытия из материала, имеющего более высокую внутреннюю энергию.
Для упрочнения поверхностного слоя материала в процессе получения резьбы был использован мелкодисперсный композиционный состав (МКС), насыщенный частицами металла (серпентин), имеющий следующий химический состав: MgO - 43%, Si02 - 44,1%, Н20 - 12,9%. Подобные составы широко рекламируются в качестве противоизносных и антифрикционных присадок — геомодификаторов трения. Положительный эффект от применения высокодисперсных порошков ряда минералов, подобных описываемому, заключается в их способности образовывать, на поверхностях трения тонкие плёнки, ориентированные параллельно поверхности тренияи улучшающие их механические свойства.
На основании теоретического анализа и расчетов в данной работе разработана технология упрочнения поверхностного слоя наружной цилиндрической резьбы с применением МКС в условиях ВЧ-нагрева поверхностного слоя, когда определяющую роль играет «скин-эффект» [117].
Разработанная технология состоит из следующих основных этапов: 1. Подготовительная обработка поверхности заготовки. 2. Нанесение МКС на поверхность заготовки под нарезание резьбы. 3. ВЧ-нагрев поверхности под нарезание резьбы с нанесенным МКС. 4. Предварительное нарезание резьбы на поверхности с нанесённым МКС. 5. Нанесение МКС на резьбовую поверхность стержня. 6. ВЧ-нагрев резьбовой поверхности с нанесенным МКС. 7. Чистовое нарезание резьбы на поверхности с нанесённым МКС. Используемая в данной технологии МКС представляет собой композиционный состав, типа «Triboil LTT», содержащей 40 % серпентина, растворенного в литоле. В состав серпентина входит 40 % SiC 2 и 20 % МпО (разработка ЗАО «Концерн "Наноиндустрия"».
На первом и втором этапах заготовка предварительно обрабатывается до соответствующего размера и на её поверхность тонким слоем наносится МКС. ТолщинаслояМКС не менее 0,1 мм.
На третьем этапе поверхностный слой заготовки подвергается ВЧ — нагреву в течение заданного интервала времени Тд «скин-эффекта» [117]. Принципиальная блок-схема ВЧ-установки приведена на рисунке 4.1. Основным элементом ВЧ-установки является ВЧ-катушка 3, образованная кварцевой трубкой, диаметром 20 мм, на внешнюю поверхность которой медным проводом, диаметром 1,5 мм, намотана однослойная катушка с принудительным шагом 2 мм-.
