Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современного машиностроения связано с применением новых прогрессивных технологических процессов, позволяющих повысить ресурс, надежность машин и оборудования, обеспечить работоспособность деталей и инструментов в условиях динамических и статических контактных, силовых и тепловых нагрузок. В свою очередь, надежность и ресурс современной техники в значительной степени зависят от работоспособности и срока службы деталей трибосистем, определяемых эксплуатационными свойствами материалов, из которых они изготовлены. Это инициирует как разработку новых, так и совершенствование уже известных технологий упрочнения материалов высокоэнергетической обработкой материалов. К числу современных методов обработки поверхностей металлических деталей концентрированным потоком энергии (КПЭ) относится электроискровое легирование (ЭИЛ), позволяющее получать поверхностные структуры с уникальными физико-механическими и трибологическими свойствами.
Значительные результаты по совершенствованию метода ЭИЛ за счет создания новых электродных материалов и установок достигнуты в Институте материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, Институте прикладной физики АНМ (р. Молдова) и ХНУ (г. Хмельницкий), которые позволили улучшить качество формируемых покрытий. Тем не менее, широкое использование этого способа в производстве (ремонте) сдерживается отсутствием справочного материала по оптимизации режимов обработки, выбору электродного материала и определении области рациональной эксплуатации упрочненных поверхностей трибосистем. Кроме того, полной термодинамической или математической модели данного метода пока не создано. Поэтому для выбора оптимальных режимов ЭИЛ, обеспечивающих максимальную эффективность и получение высоких эксплуатационных свойств обработанных поверхностей требуются обширные теоретические и экспериментальные исследования.
На сегодняшний день, в литературе отсутствуют установившиеся представления о роли газовой среды в электроэрозионном акте, в процессах формирования модифицированных структур, кинетике роста покрытия и изменении эксплуатационных свойств обработанных ЭИЛ поверхностей. Отсутствие единых взглядов на эти процессы связано, прежде всего, с крайней сложностью описания явлений, происходящих на рабочих поверхностях электродов, эрозии электродов, массопереноса продуктов эрозии и их взаимодействия с различными материалами поверхностей и межэлектродной средой.
Анализ существующих представлений о механизме процесса ЭИЛ позволяет заключить, что все составляющие элементы процесса можно представить как сложную неустойчивую открытую термодинамическую систему.
К числу фундаментальных подходов исследования устойчивости сложных систем относят теорию самоорганизации. Развивающимся направлением в теории самоорганизации является концепция диссипативного состояния физических систем в точках потери устойчивости симметрии системы, анализируемой с помощью методов неравновесной термодинамики и фрактальной параметризации. В связи с этим повышение эффективности и управляемости ЭИЛ, прогнозирование эксплуатационных свойств элементов трибосистем и управление ими на основе положений неравновесной термодинамики и оптимизации технологических режимов и условий создания поверхностных структур является актуальной проблемой материаловедения и трибологии. Актуальность работы, которая выполнялась в рамках федеральной программы «Дальний Восток России» по теме «Разработка и внедрение на предприятиях Дальневосточного региона наукоемких технологий обработки материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии и вещества», госбюджетной НИР «Модифицирование поверхностей лазерной обработкой и электроискровым легированием» (гос. регистр. № 01.92 009411) и гранта РФФИ № 06-08-00682 по теме ««Исследование механики и термодинамики процессов синтеза, трения и структурной модификации материалов металлополимерных трибосистем с моделированием их напряженно-деформированного и термодинамического состояния», определяется важной народно-хозяйственной задачей создания прогрессивных, экологически чистых, энергосберегающих технологий.
Цель работы – формирование износостойких поверхностных структур методом электроискрового легирования с использованием межэлектродной газовой среды, твердосплавных электродов и оптимизации технологических режимов обработки. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– на основе фундаментальных положений неравновесной термодинамики разработать термодинамическую модель упрочнения ЭИЛ, включающую электроэрозионный процесс, образование энергетического потока частиц и износостойкой модифицированной поверхности;
– экспериментально исследовать факторы управления процессом ЭИЛ, выявить параметры, повышающие эффективность ЭИЛ и обеспечивающие целенаправленное формирование поверхностей с необходимыми триботехническими свойствами, предложить и апробировать критерии оценки ЭИЛ;
– исследовать влияние газовой межэлектродной среды на эрозионный процесс и формирование эрозионного потока, его энергосодержание, на структуру, физико-механические и трибологические свойства легированных слоев, а также кинетику формирования толщины покрытия в зависимости от удельного времени обработки;
- исследовать зависимости физико-механических и триботехнических свойств модифицированных поверхностей от режимов ЭИЛ, легирующих электродных материалов; установить наиболее эффективные и обоснованные сочетания «обрабатываемый материал – легирующий электрод – состав межэлектродной среды – энергетические режимы»;
- выполнить оптимизацию режимов электроискровой обработки; разработать практические рекомендации по использованию результатов работы.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы фундаментальные положения физики твердого тела, физической химии, материаловедения, теории функционального моделирования процессов, теории вероятностей и математической статистики, теории самоорганизации и нелинейной термодинамики, теории фрактальной параметризации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана феноменологическая модель электроэрозионного процесса и образования частиц электродного массового энергетического потока; установлена взаимосвязь между фрактальной размерностью анодного массового потока и износостойкостью поверхностей;
- разработана термодинамическая модель образования упрочненных модифицированных структур воздействием на материал концентрированного потока энергии и вещества при ЭИЛ;
- разработана физическая модель процессов ЭИЛ с учетом влияния газовой среды на состав, структуру и свойства упрочняемых поверхностей;
- на основе распределения диаметров микролунок и кинетике роста легированного покрытия предложен количественный показатель - «относительный коэффициент фрагментации», позволяющий оценить структурно-энергетическое состояние анодного эрозионного потока и прогнозировать свойства формируемых покрытий;
- установлены зависимости структуры, фазового состава, микротвердости, износостойкости покрытий от энергетических параметров процесса ЭИЛ в сочетании с различным составом газовой межэлектродной среды и электродных материалов;
- установлены оптимальные режимы и условия обработки, обеспечивающие минимизацию адгезионной составляющей силы трения и повышение износостойкости модифицированных поверхностных слоев и сформированных покрытий.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается: использованием известных в машиностроении методов и методик планирования и проведения теоретических и экспериментальных исследований; применением современных методик физических измерений, сертифицированной измерительной аппаратуры, апробированных средств анализа экспериментальных данных, современной вычислительной техники и программных средств; согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями; успешной реализацией разработанных рекомендаций на машиностроительных предприятиях страны, в частности на ОАО «Сургутнефтегаз», ремонтном предприятии войсковой части №22269, а также в учебном процессе Амурского государственного университета и Сибирской государственной автомобильной дорожной академии.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- на основе результатов оптимизационных исследований разработаны рекомендации по выбору режимов обработки поверхностей, электродных материалов и газовой межэлектродной среды, обеспечивающих наибольший эффект повышения триботехнических свойств сталей; разработаны практические рекомендации по повышению коррозионной стойкости прецизионных деталей трибосистем (плунжеров ТНВД, штоков гидроцилиндров), а также стойкости режущего инструмента;
- разработаны номограммы для выбора оптимальных условий обработки при ЭИЛ, а также алгоритм и программа его реализации, учитывающие диффузионную активность легирующего компонента, его значимость в формировании структур с повышенной свободной энергией и роль газовой среды в процессах образования модифицированного слоя;
- предложено комплексное конструкторско-технологическое решение, обеспечивающее повышение характеристик триботехнических свойств и долговечность герметизирующих устройств (ГУ) гидроцилиндров; предложены рекомендации по совместному применению полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ для уплотнительных элементов ГУ и поверхностного легирования металлических элементов конструкции гидроцилиндра, что обеспечивает снижение интенсивности изнашивания уплотнительных элементов до 0,6 10-10.
Реализация работы. Результаты научно-исследовательской работы «Синтез износостойких наноструктур в поверхностном слое материалов трибосистем методом электроискрового легирования» использованы в ОАО «Сургутнефтегаз». Результаты научно-исследовательской работы «Газовая среда – резерв поверхностного упрочнения при электроискровом легировании» были использованы на ремонтном предприятии войсковой части №22269. Разработана и апробирована программа «FERUM». Результаты научных разработок используются в учебном процессе на кафедре «ФМиЛТ» ГОУВПО «АмГУ», кафедре «УКиС» ГОУВПО «СибАДИ» при изучении дисциплин «Технология упрочнения, восстановления и ремонта», «Технология и организация производства».
Личный вклад автора. Теоретические и экспериментальные исследования, обобщенные в представленной работе, выполнены автором как самостоятельно, так и в соавторстве со своими коллегами. При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и задач аналитических и экспериментальных исследований; формулировка функции цели при решении задачи оптимизации режимов ЭИЛ и их апробации; научное руководство и непосредственное участие в экспериментах; весь комплекс экспериментов и теоретических данных, включая обработку результатов и их интерпретацию; написание большинства статей и выводов по ним, тезисов докладов и отчетов.
Часть экспериментов по исследованию коррозионной стойкости проводилась совместно с соискателем полковником В.П. Ледвягиным. Совместными являются результаты, полученные при выполнении бюджетных и договорных НИР, где автор являлся руководителем и ответственным исполнителем. Под непосредственным руководством автора выигран грант «Всероссийской научно-практической конференции «Ползуновские гранты» (г. Барнаул, 2008 г.).
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований ЭИЛ как в производственных, так и в лабораторных условиях, с использованием различных материалов легирующего электрода-анода и детали-катода и состава газовой межэлектродной среды;
- термодинамическая модель образования износостойких модифицированных структур при воздействии концентрированным потоком энергии;
- физическая модель формирования покрытия и модифицирования поверхностного слоя с учетом влияния газовой среды;
- количественный показатель - «относительный коэффициент фрагментации», который позволяют оценивать структурно-энергетическое состояние анодного эрозионного потока и прогнозировать свойства формируемых поверхностных слоев;
- результаты оптимизационных исследований и разработка на их основе рекомендации по выбору режимов легирования, электродных материалов и условий легирования, обеспечивающих наибольшее повышение триботехнических свойств;
- комплексное конструкторско-технологическое решение, обеспечивающее повышение характеристик триботехнических свойств и долговечность герметизирующих устройств (ГУ) гидроцилиндров; результаты стендовых испытаний металлополимерных узлов трения.
Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях, форумах и семинарах: Региональной научно-технической конференции «Машиностроительный и приборостроительный комплексы Дальнего Востока, проблемы конверсии» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.), Международной научно-технической конференции «Концепция развития производства и ремонта транспортных средств» (г. Хабаровск, 1997 г.), Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (г. Хабаровск, 1998 г.), Международной научно-практической конференции «Синергетика, самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.), IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2002 г.), Межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование. Броня – 2002» (г. Омск, 2002 г.), Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (г. Омск, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Качество, инновации, наука, образование» (г. Омск, 2006 г.), Международного симпозиума «Славянтрибо – 7» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г. Москва - Самара, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (г. Гомель, 2009 г.). Работа в целом докладывалась на расширенном заседании кафедры «Физика» СибАДИ.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 37 публикациях, в том числе статьях в центральных рецензируемых журналах, одной монографии, учебном пособии, трудах университетов и институтов, семинаров и конференций. Результаты работы докладывались на 12 международных научно-практических и научно-технических конференциях, а также всероссийских, региональных, краевых и вузовских семинарах и конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, заключения, библиографического списка использованной литературы из 272 наименований и приложений, содержащих документы о внедрении результатов работы. Объем диссертации составляет 300 страниц (включая 3 страницы приложений), 90 рисунков, 38 таблиц.
