Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы создания антифрикционных покрытий на деталях высоконагруженных соединений, работающих в условиях трения скольжения 10
1.1. Характеристика и условия эксплуатации высоконагруженных шарнирных соединений в конструкциях летательных аппаратов 10
1.2. Материалы, применяемые для изготовления высоконагруженных соединений летательных аппаратов 13
1.3. Антифрикционные металлические покрытия 14
1.4. Современные методы нанесения антифрикционных покрытий.. 23
1.5. Цель и задачи исследований 38
Глава 2. Материалы и методы исследований 39
2.1. Исследуемые материалы и образцы 39
2.2. Методы и оборудование для нанесения покрытий
2.2.1. Электроискровое легирование 42
2.2.2. Ионная имплантация 46
2.3. Методы и образцы для проведения механических испытаний ... 53
2.3.1. Испытания образцов на растяжение 53
2.3.2. Испытания образцов на усталость при изгибе 54
2.4. Методы исследования структуры стали после электроискрового
легирования и ионной имплантации 55
2.4.1. Металлографический анализ 55
2.4.2. Электронная микроскопия 56
2.4.3. Ионный микроскоп 62
2.4.4. Методика исследования профиля распределения имплантированных элементов методом вторичной масс з спектрометрии 64
2.4.5. Рентгеноструктурный анализ методом скользящего пучка 68
2.5. Методы определения трибологических характеристик образцов 71
2.5.1. Коэффициент трения 71
2.5.2. Испытания на износ 73
Глава 3. Исследование процесса электроискрового легирования стали 30ХГСН2А бронзами 77
3.1. Влияние параметров процесса электроискрового легирования на толщину, сплошность и структуру покрытий 77
3.2. Влияние среды в зоне нанесения бронзы электроискровым легированием на химический состав и структуру покрытия 85
3.3. Влияние газовой среды в зоне электроискрового разряда на массоперенос при ЗИЛ 89
3.4. Исследование влияния электроискрового легирования бронзой на механические свойства стали 30ХГСН2А 93
3.5. Исследование влияния покрытия из бронзы на склонность к коррозионному растрескиванию стали 30ХГСН2А 94
3.6. Исследование влияния бронзовых покрытий на усталостные характеристики стали 30ХГСН2А 97
3.7. Определение коэффициента трения образцов стали 30ХГСН2А с покрытием из бронз, полученных электроискровым легированием... 102
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 108
Глава 4. Исследование свойств поверхности стали з 0хгсн2а после имплантации ионами меди 109
4.1. Механические свойства образцов после ионной имплантации 109
4.2. Испытания на износостойкость. Коэффициент трения
скольжения 110
4.3. Морфология поверхности образцов после испытаний на износ... 113
4.4. Микроструктура имплантированного медью слоя стали 30ХГСН2А 117
4.5. Результаты рентгенографических исследований 119
4.6. Профиль имплантируемых ионов в стали 30ХГСН2А 121
Выводы к главе 4 130
Глава 5. Электроискровое легирование и ионная имплантация деталей летательных аппаратов 132
5.1. Промышленное опробование изделий, обработанных 132
электроискровым легированием и ионной имплантацией LJjL
5.2. Анализ результатов испытаний - о
5.3. Модернизация оборудования для электроискрового легирования
5.4. Модернизация оборудования для ионной имплантации 40
Выводы к главе 5 146
Общие выводы и результаты работы 148
Список литературы
- Материалы, применяемые для изготовления высоконагруженных соединений летательных аппаратов
- Методы и образцы для проведения механических испытаний
- Влияние среды в зоне нанесения бронзы электроискровым легированием на химический состав и структуру покрытия
- Модернизация оборудования для электроискрового легирования
Введение к работе
з 1.
Актуальность темы. В конструкциях летательных аппаратов достаточно широко применяются высоконагруженные шарнирные соединения, работающие в условиях трения скольжения. К ним относятся тормозные гаки самолетов корабельного базирования, шарнирные узлы крепления закрылков, элеронов и горизонтальных рулей поворота; узлы крепления посадочных тормозных щитков.
Эффективность управления и маневренности самолетов в значительной степени зависит от надежности и работоспособности указанных высоконагруженных шарнирных соединений. При ограниченных размерах шарнир должен выдерживать значительные сосредоточенные нагрузки, обеспечивать минимальные люфты между его элементами, обладать малым коэффициентом трения в условиях высоких контактных напряжений и хорошей износостойкостью в течение всего ресурса самолета.
Сочетание комплекса требуемых свойств деталей шарнира может быть получено при нанесении на поверхность высокопрочного металла слоя материала определенной толщины с хорошими антифрикционными свойствами. При изготовлении шарнирных соединений для крепления массивных деталей материал с антифрикционными свойствами наносится на внутреннюю и торцевую поверхности втулки, которая сама фиксируется в гнездах фюзеляжа самолета. В случае выполнения шарнирных соединений крепления элеронов и других элементов крыла, антифрикционный материал наносится на рабочую поверхность фиксирующих болтов.
В связи с этим для обработки деталей возможно применение двух методов легирования поверхностного слоя деталей из стали 30ХГСН2А -электроискровое легирование (для обработки внутренних поверхностей втулок) и ионной имплантации (для обработки рабочей поверхности фиксирующих болтов).
Учитывая необходимость создания шарнирных соединений с высоким ресурсом работы в конструкции летательных аппаратов, развитие
4 современных методов обработки материалов и создание новых технологических процессов в этой области представляется весьма актуальным.
Цель работы. Исследование влияния сплавов на основе меди на структуру и свойства поверхностного слоя стали 30ХГСН2А, получаемого при электроискровом легировании и ионной имплантации, и на этой основе оптимизация режимов обработки, обеспечивающих повышение износостойкости.
В работе были поставлены и решены задачи:
1. Оптимизация режимов электроискрового легирования при
использовании в качестве катода различных марок бронз.
Исследование структуры и физико-механических свойств стали 30ХГСН2А, подвергнутой электроискровому легированию в зависимости от режима обработки.
Исследование закономерностей влияния ионной имплантации на структуру и фазовый состав стали 30ХГСН2А.
Оптимизация режимов ионной имплантации по параметрам энергия и доза имплантируемых ионов.
Исследование структуры, состава и свойств имплантированного слоя на стали 30ХГСН2А.
6. Использование установленных закономерностей для разработки
рекомендаций по повышению износостойкости изделий в промышленных
условиях.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Впервые показана возможность повышения трибологических
свойств изделий, изготовленных из стали 30ХГСН2А, при имплантации в их
рабочие поверхности ионов меди
2. Установлено положительное влияние предварительной имплантации
ионов железа в образцы из стали 30ХГСН2А на их механические и
трибологические свойства.
3. Выявлена слоистая структура модифицированных в процессе
имплантации ионами меди поверхностей образцов из стали 30ХГСН2А,
состоящая из меди и предположительно химического соединения Cu3Fei7,
обеспечивающая их высокие трибологические свойства.
4. Показано положительное влияние электроискрового легирования в
инертной атмосфере образцов из стали 30ХГСН2А бронзой, содержащей
фосфор, путём уменьшения ширины зоны взаимного сплавления покрытия с
подложкой за счёт ограничения числа рабочих импульсов.
Методы исследования. В работе использованы: металлографический
(оптическая, ионная, электронная микроскопия),
микрорентгеноспектральный, рентгеноструктурный и Оже-
спектроскопический методы анализа, а также метод вторичной ионной масс-спектрометрии. Проведены измерения микротвердости и испытания на малоцикловую усталость и усталость в условиях знакопеременного изгиба. Определен коэффициент трения обработанных образцов стали 30ХГСН2А и их износ в зависимости от параметров режима обработки.
Практическая ценность.
Определены оптимальные режимы электроискрового легирования, обеспечивающие наименьшие значения коэффициента трения и износа стали 30ХГСН2А
Определены оптимальные параметры процесса ионной имплантации медью образцов из стали 30ХГСН2А, обеспечивающие их высокие эксплуатационные свойства
3. Разработано устройство для механизированной электроискровой
обработки деталей в виде тел вращения (патент РФ на полезную модель №
64121).
4. На основании комплекса проведенных исследований и
установленных закономерностей разработаны промышленные технологии
электроискрового легирования и ионной имплантации изделий из стали
6 30ХГСН2А, работающих в условиях высоких нагрузок, трения скольжения и износа.
5. Результаты работы опробованы и используются на ОАО «Российская самолетостроительная корпорация «МиГ» для повышения эксплуатационной стойкости высоконагруженных шарнирных соединений деталей самолетов в условиях трения скольжения.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» МГИУ; XXX Гагаринские чтения «Международная молодежная научная конференция», МАТИ, г. Москва, 2004 г.; Седьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», г. Москва, 2005 г.; III Международной научно-практической конференции, г. Пенза. 2005 г.; Международная конференция «Молодые ученые - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения», г. Москва, МГИУ, 2007 г.; XI Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», г. Санкт-Петербург, 2009 г..
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, изложенных на 186 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы, 55 рисунков. Список литературы включает 138 источников.
Материалы, применяемые для изготовления высоконагруженных соединений летательных аппаратов
Поэтому свинцовые покрытия используют в узлах трения, работающих в условиях атмосферы, вакуума и ряда агрессивных сред. Хотя свинец растворяется в минеральных маслах, его покрытия применяют в двигателях, работающих на жидкой смазке, для приработки и смазки узлов трения при пуске и останове двигателя.
Твердость свинцовых покрытий очень мала и составляет около 9. Испытания подшипников в атмосфере в условиях трения без смазочного материала показали, что свинцовые покрытия из всех испытанных (включая свинцово-оловянистые и медно-оловянистые сплавы, серебро и его сплавы, никель, композиционные электрохимические покрытия на основе меди с включениями антифрикционных частиц) имели наименьший износ (в среднем 0,001 г за 10 ч испытаний), причем наблюдался перенос покрытия и продуктов его износа с сепаратора на шарики и кольца [2].
Покрытия свинцом можно применять в условиях повышенных температур, но не выше 280 С, так как при более высоких температурах имеется опасность местных перегревав в зоне трения и оплавления покрытия.
Для повышения стойкости свинцовых покрытий в минеральных маслах их легируют оловом, индием, а также медью и сурьмой. Антифрикционные сплавы свинца с оловом обычно содержат от 5 до 17% олова. С повышением содержания олова в сплаве его стойкость в маслах увеличивается, но снижается верхний температурный предел использования покрытия из-за понижения температуры плавления сплава.
Испытания подшипников со свинцово-оловянистыми покрытиями в условиях сухого трения показали высокую износостойкость покрытий. При этом покрытие также переносилось на сопряженные детали. Средний износ составлял 0,0014 г за 10 ч испытаний.
Введение в свинцово - оловянистые покрытия третьего компонента — меди или сурьмы — в количестве 2...3% повышает износостойкость покрытий и их стойкость в минеральных маслах. Значительно повышают стойкость свинца в минеральных маслах присадки индия. Свинцово-индиевые сплавы обладают низким коэффициентом трения (при сухом трении по стали, он не превышает 0,05... 0,06), хорошей прирабатываемостью и износостойкостью. Недостатком таких сплавов является пониженная температура плавления, которая ограничивает верхний температурный предел их применения. Для антифрикционных покрытий на основе свинца при повышенных температурах используют его сплавы с марганцем.
Медно-оловянистые покрытия. Хорошими антифрикционными свойствами обладают медно-оловянистые сплавы - бронзы, причем как антифрикционный материал используют и низкооловянистые и высокооловянистые бронзы.
Медно-оловянистые сплавы имеют сравнительно низкий коэффициент трения при работе в паре со сталью без смазки. Для низкооловянистой бронзы (15...20% олова) он равен 0,08...0,11, для высокооловянистой (60...65% олова) 0,12...0,15. Твердость низкооловянистой бронзы 170, а высокооловянистой 250.. .280.
Износ медно-оловянистых покрытий при сухом трении в атмосфере значителен. За 10 ч испытаний для низкооловянистой бронзы он равен 0,23 г, для высокооловянистой — 0,44 г. В обоих случаях наблюдался перенос материала покрытия на сопряженные детали подшипников.
Испытания высокоскоростных подшипников с самосмазывающимися сепараторами в вакууме при температуре 120 С показали, что покрытие колец высокооловянистой бронзой увеличивает работоспособность в среднем в 2 раза. Причем работоспособность этих подшипников превышает работоспособность подшипников с кольцами, покрытыми серебром, никелем, галлием.
Покрытия медно-оловянистыми сплавами значительно повышают контактную выносливость сталей. При нанесении высокооловянистой бронзы на хромистую сталь без подслоя долговечность ее возрастает почти в 1,5 раза; при нанесении медно - оловянистого покрытия на сталь с подслоем никеля и меди долговечность деталей увеличивается более чем в 3 раза, что превышает долговечность сталей, покрытых дисульфидом молибдена, а также серебром и его сплавами.
Покрытия на основе серебра. Серебряные покрытия хорошо зарекомендовали себя в качестве твердой смазки узлов трения, работающих в условиях вакуума, открытой атмосферы, в инертных газах, различных агрессивных средах. Серебряные покрытия наносят на трущиеся поверхности даже в тех случаях, когда они работают со смазкой.
Однако при работе в маслах, содержащих значительные количества серы, применение серебряных покрытий нецелесообразно, так как образующиеся сульфиды серебра, являясь хрупкими, послойно отслаиваются и загрязняют масла. Кроме того, расход дефицитного серебра в этих случаях неоправдан.
Серебряные покрытия хорошо отводят тепло при повышенных температурах, и поэтому, их применяют в широком интервале температур. Твердость свежеосажденных серебряных покрытий колеблется в пределах 90... 100. Со временем твердость покрытий снижается до 70.
Коэффициент трения серебряных покрытий по стали при 20 С изменяется со временем от 0,14 до 0,19 (коэффициент сухого трения стали по стали изменяется от 0,20 до 0,40).
При сухом трении в атмосфере серебро окисляется и характеризуется значительным износом (около 0,33 г за 10 ч испытаний); образующиеся при этом продукты износа в виде оксидов и сульфидов серебра осыпаются, т.е. уходят из сферы взаимодействия пары трения.
Стендовые испытания подшипников качения с кольцами, покрытыми серебром, золотом, никелем и кобальтом, и сепараторами, покрытыми дисульфидом молибдена, при 120 С и п =25 об/с показали, что наибольшей работоспособностью отличаются подшипники с кольцами, покрытыми серебром.
Методы и образцы для проведения механических испытаний
Установка ионной имплантации МГИУ является бессепарационной - у нее отсутствует масс-сепаратор. Его использование в сильноточных источниках ионов, применяемых для обработки металлов, значительно увеличило бы стоимость и габариты установки. Источники ионов выходят непосредственно в камеру, формирование и ускорение пучка ионов металлов и газов происходит ионнооптическои системой каждого источника, а не отдельной системой ускорения ионов, которые применяются на других типах установок. Все это позволило существенно уменьшить габариты установки. Оси источников расположены в одной плоскости и расположены под прямым углом друг к другу, благодаря чему образец можно обрабатывать двумя пучками ионов одновременно.
Источник газов представляет собой дуоплазматрон, генерирующий сфокусированный пучок ионов газов, отличающийся большой плотностью ионов тока, высокой газовой экономичностью и малым разбросом ионов по энергии. Применение двух принципиально разных по принципу работы ионных источников обеспечивает возможности имплантации практически всех элементов Периодической системы. Не менее важным является возможность обработки металлов одновременно двумя пучками ионов разных элементов.
Источник ионов металлов относится к типу источников, в котором в качестве плазменной среды, из которой извлекаются ионы, используется вакуумная дуга в парах металла. Источник работает в импульсном режиме и генерирует импульсные пучки ионов металлов. Отличительной особенностью вакуумно-дугогвых источников ионов является то, что они формируют полиэнергетический пучок ионов (состав пучка включает многозарядные ионы).
Ионная имплантация деталей, помещённых в рабочую камеру 1 установки, осуществляется импульсным пучком положительных ионов металлов, создаваемых источником ионов металлов 4.
Сначала в рабочей камере 1 при помощи форвакуумного насоса 5 создаётся предварительный вакуум, а затем с помощью высоковакуумного насоса 3 создаётся высокий вакуум, при котором осуществляется ионная имплантация. Высокий вакуум (его величина составляет 5x10 мм. рт. ст.) необходим для работы источника (при этих условиях длина свободного пробега молекул газа составляет порядка 2 м). Ускоряющее напряжение, необходимое для ускорения ионов и придания им необходимой энергии, создаётся при помощи источника ускоряющего напряжения 6.
Принцип работы источника ионов металлов, а так же системы измерения дозы при имплантации ионов металлов и системы регистрации ионного тока заключается в следующем. Импульс выходного сигнала от генератора импульсов ГИ, поступает на блок формирования импульсов БФИ, который формирует последовательность импульсов (из блока выходят 2 импульса длительностью около 100 и 300 мкс), один из которых поступает соответственно на схему генератора импульсов поджига ГИП а другой на схему генератора тока дуги ГТД. Генератор импульсов ГИ может работать на одной из фиксированных частот. Потенциальная развязка цепей генератора импульсов поджига и электродов ионного источника, находящихся под положительным потенциалом ускоряющего напряжения /усю обеспечивается с помощью импульсных трансформаторов с межобмоточной изоляцией, выдерживающей напряжение не менее 100 кВ.
Первоначально ГИП создает между поджигающим электродом, и катодом импульс напряжения, в результате чего происходит пробой по внутренней поверхности керамического кольцевого изолятора. Во время пробоя изолятора генератор тока дуги ГТД создает напряжение между катодом и анодом, в результате чего под воздействием этого напряжения между ними возникает электрическая дуга.
При горении дуги в ней образуются положительно заряженные ионы (как однозарядные, так и многозарядные) сменного материала катода, а так же образуется плазма, содержащая эти ионы. Область плазмы ограничена с одной стороны внутренней сеткой, а с другой стороны обечайкой. При горении дуги анодная стержневая вставка позволяет более чем в 3 раза увеличить ток извлекаемых ионов за счет изменения индикатрисы выхода ионов из катода.
При подаче ускоряющего напряжения С/уск от источника ускоряющего напряжения между анодом и корпусом установки (между внутренней и наружной сетками ионно-оптической системы) образуется электростатическое поле, под действием которого ионы, находящиеся в плазме, вытягиваются из нее и ускоряются этим полем в промежутке между сетками до заданной энергии (энергия ионов задается величиной ускоряющего напряжения). Затем ускоренные ионы с необходимой энергией летят в сторону обрабатываемой детали, где при взаимодействии с поверхностью проникают в приповерхностные слои.
Дуга горит не постоянно, а импульсами. Частота горения дуги определяется числом импульсов, выработанных генератором импульсов ГИ (как указывалось выше, генератор может работать на одной из фиксированных частот). Дуга горит в течение времени длительности импульса дуги, т.е. времени, в течение которого от ГТД подается напряжение между анодом и катодом. Величина тока дуги составляет около 300 А. Длительности импульсов поджига и дуги составляют около 100 и 300 мкс соответственно.
Система измерения дозы при имплантации состоит из цилиндра Фарадея, расположенного под защитным кожухом, прикрученным к дверце рабочей камеры, интегратора ионного тока ИТ и пересчетного устройства ПСО. В цилиндре Фарадея имеется калиброванное отверстие определенного диаметра, через которое в него за единицу времени попадает определенное количество частиц, несущее в себе заряд определенной величины.
Во время имплантации ионы металла, проходя через калиброванное цилиндра Фарадея, попадают на дно (коллектор). Коллектор ЦФ электрически соединён с интегратором тока ИТ через электрический провод, электрически изолированный от корпуса установки.
При попадании ионов металлов в коллектор цилиндра Фарадея, в цепи между коллектором и интегратором возникает электрический ток. Величина заряда, поступающего на интегратор, пропорциональна количеству ионов, попавших на дно цилиндра Фарадея и заряду ионов. Интегратор преобразует прошедший через него заряд в электрические импульсы, которые поступают в пересчетное устройство ПСО и там суммируются за все время имплантации.
Интегратор ионного тока представляет собой цифро-аналоговый преобразователь ток-частота, выходные импульсы которого суммируются пересчетным устройством ПСО в течении всего времени облучения.
Влияние среды в зоне нанесения бронзы электроискровым легированием на химический состав и структуру покрытия
Рентгеноструктурный анализ основан на получении и анализе дифракционной картины, возникающей в результате интерференции рентгеновских лучей, рассеянных электронами атомов облучаемого объекта. Эта картина определяется помимо атомной и электронной структуры изучаемого объекта ещё двумя факторами: характеристикой рентгеновского излучения и способом регистрации дифракционной картины.
Методами рентгеноструктурного анализа по дифракционным картинам, возникающим при рассеянии рентгеновских лучей кристаллическими веществами, можно изучать расположение атомов в веществах, процессы, связанные с перестройкой атомов в кристаллах. В последние годы внимание исследователей привлекают структурные несовершенства в кристаллах, присутствие которых определяет многие их свойства. Рентгеновская дифракционная микроскопия позволяет изучать мозаичную структуру кристаллов, выявлять дислокации, определять размеры субструктурных составляющих и их разориентировку, тип субзёренных границ. В последнее время интенсифицируется развитие рентгенографического метода в теоретическом и прикладном аспектах, поиск новых методов на базе использования особенностей и свойств рентгеновского излучения. Большие успехи достигнуты в области дифракционной микрорентгенографии — совокупности методов исследования несовершенств кристаллической, решетки.
Характерная особенность ионной имплантации в твердые тела — локализация деформации в тонком поверхностном слое, толщина которого может быть меньше 1 мкм.
Используя рентгеновские лучи разной длины волны (от 0,2 до 0,05 нм) и, следовательно, разной проникающей способности, можно анализировать состав и структуру материала на разном расстоянии от поверхности. В зависимости от исследуемого вещества и применяемого излучения предел этого расстояния 10 6 ...10"4 м. Известно, что при данном излучении при съемке от плоской поверхности образца глубина проникновения рентгеновского луча в материал определяется углом наклона падающих на образец рентгеновских лучей. Однако, несмотря на огромные возможности и преимущества по сравнению с методами, использующими промежуточные операции по обработке поверхности, метод скользящего пучка рентгеновских лучей длительное время не находил применения. В последнее время подробно разработана методика скользящего пучка рентгеновских лучей для исследования металлов, деформированных трением. Метод представляет собой некоторое видоизменение рентгеносъемки поликристаллических веществ, проводимой от шлифа. Изменение состоит в том, что устройство камеры допускает возможность рентгеносъемки скользящим лучом, т.е. под малым углом между плоскостью исследуемого шлифа и направлением луча в камере.
Оригинальность методики исследования заключается в том, что первичный рентгеновский пучок падает на исследуемую поверхность образца под очень малым углом, что позволяет по изменению полуширины рентгеновской интерференционной линии исследовать именно тонкие приповерхностные слои кристалла в диапазоне от долей микрона до нескольких микрон. Причём, изменяя угол падения первичного рентгеновского пучка на исследуемую поверхность, можно варьировать глубину слоя, с которого снимается соответствующая структурная информация. .
В методике скользящего пучка рентгеновских лучей кроме монтажа основных узлов камеры, обеспечивающих съемку при малом угле наклона первичного пучка лучей к исследуемой поверхности, весьма важны вопросы оценки глубины эффективно рассеивающих слоев, определения геометрической ширины интерференционных линий на рентгенограмме при наклонных съемках, учета микрогеометрических характеристик поверхности исследуемых образцов при анализе дифракционной картины.
Толщина материала, участвующего в отражении рентгеновских лучей, зависит от природы вещества, длины волны излучения, геометрии съемки. Существуют различные способы оценки толщины эффективно рассеивающих слоев и границы их возможного применения.
При наклонных съемках первичный пучок лучей проходит в исследуемом материале расстояние /. , отраженный - Ч/. ПЙ- V Полный путь рентгеновского луча в материале определяется по формуле .. . t. t sin а + sin(2# - а) Х= + —- = / ь —L /2#iy sina sin(2#-a) sin a sin(2 9 - a) Рентгеновский пучок лучей, при методе скользящего пучка после коллимационного устройства, становится практически параллельным, и под строго фиксированным углом попадает на исследуемую поверхность образца, (рис. 2.12). Исследование методом скользящего рентгеновского пучка проводились на , дифрактометр D8 Discover (Bruker-AXS, Германия) в геометрии параллельного пучка. Источником рентгеновского излучения являлась рентгеновская трубка с медным анодом (излучение СиКа).
Модернизация оборудования для электроискрового легирования
Испытания на усталость стали 30ХГСН2А без покрытий и с покрытием были проведены на круглых образцах с диаметром рабочей части 7,5 мм. при чистом изгибе с частотой 50 Гц на базе 10 циклов, в соответствии с ГОСТ 52250-79. Результаты испытаний представлены в табл. 3.10.
Известно, что долговечность и величина предела выносливости материалов зависят от качества и состояния поверхностного слоя. Это видно по результатам испытаний образцов стали 30ХГСН2А. Образцы после механической обработки (точение) имели на рабочей поверхности глубокие кольцевые риски. В результате предел выносливости, полученный на этих образцах, на 100 МПа ниже предела выносливости, присущего стали 30ХГСН2А (табл. 3.10).
Известно также, что электроискровая обработка стальных деталей вызывает повреждение поверхностного слоя металла, при котором увеличивается шероховатость поверхности и в микроповерхностном слое возникают растягивающие напряжения. Исходя из этого, предполагалось некоторое ( 30...40%) снижение сопротивления усталости стали в результате их электроискрового легированием бронзой [107,110].
Однако проведенные эксперименты показали, что нанесение бронзы ВБр5М электроискровым методом резко снижает сопротивление усталости стали 30ХГСН2А. Так, образцы (точеные) из стали 30ХГСН2А проработали без разрушения 10 циклов при оА = 500 МПа. Образцы же с электроискровым бронзированием и с бронзированием + ВАП-3 при этом же напряжении имели долговечность менее 106 циклов.
Предел выносливости стали 30ХГСН2А определен не был. На основании проведенных испытаний можно лишь сказать, что нанесение покрытия на сталь 30ХГСН2А снижало предел выносливости.
Таким образом, проведенные испытания показали, что электроискровое легирование бронзой по механически обработанной поверхности применительно к деталям из стали 30ХГСН2А не может обеспечить достаточный уровень надежности при эксплуатации в условиях высоких циклических нагрузок.
Основным технологическим приемом, повышающим эксплуатационную надежность сталей с различного вида покрытиями является, поверхностное пластическое деформирование (ППД). В то же время данные о влиянии предварительного поверхностного упрочнения на усталостные характеристики стали 30ХГСН2А с электроискровой обработкой, при которой локально и кратковременно возникают температуры выше 5000 С и растягивающие напряжения отсутствуют. Поэтому было проведено исследование возможности повышения, долговечности стали 30ХГСН2А с электроискровым покрытием с помощью ППД. Для этого перед электроискровым легированием бронзой образцы из стали 30ХГСН2А были подвергнуты виброупрочнению на установке ВУД - 500 по режиму: шарики - сталь ШХ15, диаметром 4...6мм; амплитуда колебаний 4,5.. .5 мм; время обработки - 40 минут.
Кроме того, были упрочнены образцы из стали 30ХГСН2А после нанесения на них слоя бронзы ВБр5М электроискровым методом. Для сравнения испытывались образцы в исходном состоянии (шлифованные), образцы, шлифованные и бронзированные, а так же образцы, поверхностно упрочненные без покрытия.
Результаты испытаний показали, что применение ППД позволило повысить предел выносливости образцов с покрытием из бронзы ВБР5М по сравнению с исходным (шлифованным) состоянием более чем на 120 МПа. При этом повышение усталостной прочности было получено как на образцах виброупрочненных перед бронзированием, так и на образцах, упрочненных после нанесения бронзового слоя.
На основании результатов проведенных рюследований можно заключить, что электроискровое легирование бронзой механически обработанных поверхностей (точенных, шлифованных) снижает сопротивление усталости стали 30ХГСН2А, ограниченная долговечность снижается в 100 раз.
Испытания на малоцикловую усталость осуществляли согласно ГОСТ 23026-76 на машине TIRATE ST - 2300 с частотой нагружения 8 циклов в минуту. Часть образцов перед бронзированием была подвергнута алмазному 100 выглаживанию. Данные испытаний на повторную статику представлены в табл. 3.11.
Из приведенных результатов видно, что образцы, покрытые бронзой БрАЖМцЮ-3,5-1,5, выдержали большее количество циклов до разрушения, чем образцы с покрытием ВБр5М (испытания проводили на образцах из стали 30ХГСН2А). Это явление можно объяснить только лишь разницей в скорости зарождения трещин (СЗТ), так как испытанию подвергались образцы с одинаковым структурным состоянием материала. Разница в скорости зарождения трещины вызвана, по-видимому, неодинаковой степенью термоциклического воздействия электроискрового легирования БрАЖМц-10-3,5-1,5 и ВБр5М на структуру поверхностного слоя материала образцов и локального уровня напряжений. Из табл. 3.11 так же видно, что алмазное выглаживание поверхности образцов перед нанесением покрытия не дало существенного увеличения усталостной прочности.
Исследования микроструктуры поверхностного слоя образцов с покрытием из ВБр5М выявило наличие сетки микротрещин в слое подложки, непосредственно контактирующим с покрытием (рис. 3.11).
