Структура и свойства поверхностных слоев и покрытий при модифицирующей ультразвуковой обработке Ковалевская Жанна Геннадьевна

Введение к работе

Актуальность темы. Комбинированные технологии обработки

поверхности, включающие предварительное или одновременное

модифицирование структуры поверхностного слоя, являются современными и
передовыми методами создания на поверхности деталей из конструкционных
сталей слоев и покрытий с заданными свойствами. Достичь эффективного
модифицирования структуры позволяет поверхностная пластическая

деформация с использованием акустической энергии ультразвуковых колебаний. Самым выигрышным является метод обработки поверхности инструментом с наложением на статическую нагрузку ультразвуковых колебаний частотой 22 кГц. При использовании ультразвукового воздействия на инструмент обеспечивается существенное уменьшение трения в контакте «инструмент-поверхность», и интенсифицируется процесс пластической деформации поверхностного слоя детали, что обуславливает сглаживание исходной шероховатости, упрочнение поверхностного слоя, создание благоприятных сжимающих напряжений.

Механизм модифицирования стали ультразвуковой финишной обработкой
(УФО) заключается в сложных структурных и фазовых превращениях,
обуславливающих увеличение дефектов кристаллического строения в

поверхностном слое, в том числе плотности дислокаций и неравновесных вакансий, формирование субструктуры и мелкодисперсных выделений вторых фаз. Это дает основание рассматривать УФО не только как самостоятельную операцию упрочнения поверхности конструкционных сталей, но и как одну из операций комбинированной обработки поверхности, включающей химико-термическую обработку (ХТО) или нанесение газотермических покрытий (ГТП). Во всех случаях интенсификация процесса формирования упрочняющих слоев и покрытий связана с одними и теми же явлениями, происходящими в структуре поверхностных слоев материала при УФО.

Степень разработанности темы. Научные разработки по

модифицированию поверхностных слоев конструкционных сталей с помощью ультразвуковой обработки находят все новые и новые сферы применения. Исследованиям в данной области посвящены работы В.П. Северденко, А.И. Маркова, И.И. Муханова, S.S. Pande, В.Е. Панина, В.А. Клименова, А.В. Панина, Ю.В. Холопова, В.П. Алехина, D.E. Brehl, M. Malaki, K. Lu и др.

За рубежом особый интерес у исследователей вызывает практическое приложение УФО – работы J. Huuki, A.T. Bozdana, G. Gmez-Gras, A. Amanov и разработка комбинированных технологий азотирования наноструктурированных поверхностей деталей– работы W.P. Tong, Y. Li, B. Wu.

При использовании УФО как метода поверхностного упрочнения деталей машин ранее исследователями не учитывался фактор возможного наследования неоднородности строения поверхностного слоя от предыдущих операций резания, не оценивались условия воздействия на данный структурный фактор последующей УФО. Согласно А.Г. Суслову, была принята следующая классификация режимов УФО: ОУО – отделочно-упрочняющая обработка с частичным сглаживанием неровностей поверхности; УО – упрочняющая обработка с формированием нового

регулярного профиля. При каких условиях УФО стали осуществляется в режиме
ОУО и УО, как при этом связаны между собой режимы резания и режимы УФО –
эти вопросы на данный момент недостаточно изучены. Актуальным остается
определение условий использования УФО на деталях с нормативно
установленными показателями состояния поверхности. Требуется понимание
характера формирования микроструктуры и механизмов выделения

упрочняющих фаз в поверхностных слоях стали, полученных с помощью УФО и интенсивных низкотемпературных методов азотирования.

УФО значительно выигрывает на фоне других методов, используемых для активации поверхности основного материала перед нанесением газотермических покрытий. Исследование влияния параметров напыления на характер образования физико-химических связей на границе «покрытие – основа с УФО» является актуальной задачей.

О том, что ультразвуковое воздействие на материал можно использовать в процессе нанесения ГТП, было впервые показано в работах сотрудниками ИФПМ СО РАН. Разработка метода плазменного напыления с одновременной ультразвуковой обработкой требует расширения знаний о строении формирующихся покрытий на всех масштабных уровнях.

Цель работы – установление закономерностей и особенностей формирования упрочненных поверхностных слоев и покрытий, полученных самостоятельным и комбинированными методами с предварительной или одновременной ультразвуковой обработкой на изделиях из конструкционных сталей.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Установить особенности формирования топографии поверхности углеродистых сталей в процессе отделочно-упрочняющей и упрочняющей ультразвуковой обработки. Исследовать структурные превращения в поверхностном слое сталей, обусловленные точением и ультразвуковой обработкой.

2. Определить условия применения ультразвуковой обработки для деталей из углеродистых сталей с нормативно установленными показателями состояния поверхности.

3. Изучить структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях хромистых сталей, подвергнутых низкотемпературному интенсивному азотированию, в том числе, с учетом предварительной модификации поверхности ультразвуковой обработкой.

4. Исследовать взаимодействие стальной основы, модифицированной ультразвуковой обработкой, и напыляемого материала. Разработать рекомендации по подготовке поверхности основы для газотермического напыления.

5. Оценить влияние одновременной ультразвуковой обработки на строение и свойства плазменных покрытий с учетом классификации напыленных частиц, полученных в разных скоростных режимах охлаждения.

Научная новизна работы

1. Впервые описана неоднородность структуры впадин и оснований

выступов поверхности точения углеродистой стали. Показано, что основания

выступов деформируются в меньшей степени чем впадины, что проявляется в особенностях формирования субструктуры – меньшей плотности дислокаций, большем размере образующихся фрагментов и их анизотропии.

2. Впервые описаны структурно-фазовые превращения, происходящие в поверхностном слое хромистых сталей при комбинированной обработке, включающей ультразвуковую обработку и низкотемпературное азотирование из плазмы дугового разряда низкого давления или высокоинтенсивную низкоэнергетическую ионно-лучевую имплантацию.

3. Обоснована методика подготовки поверхности стальной основы ультразвуковой обработкой перед нанесением газотермических покрытий.

4. Определена роль условий охлаждения и ультразвуковой модификации в процессе формирования структуры и свойств плазменного покрытия.

Теоретическая значимость работы

Представленная в работе совокупность полученных данных о строении поверхностного слоя углеродистых сталей на уровне топографии и на уровне микроструктуры, после резания и последующей УФО, позволила выработать научно-обоснованные критерии формирования упрочненных слоев деталей машин в режиме отделочной и отделочно-упрочняющей обработок.

Установленные закономерности модифицирующего воздействия УФО на структуру и свойства азотированных слоев и газотермических покрытий вносят существенный вклад в развитие физических представлений о процессах диффузии в сталях с разным субструктурным состоянием, характере образования физико-химических связей на границе «покрытие – основа» и структурных превращениях в газотермических покрытиях на всех масштабных уровнях, позволяя прогнозировать улучшение физико-механических свойств получаемых слоев и покрытий.

Результаты исследований представляют существенный научный интерес как для материаловедения, так и смежных научных специальностей – 05.16.06 Порошковая металлургия и композиционные материалы; 05.02.10 Сварка, родственные процессы и технологии; 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов.

Ценность научных работ соискателя подтверждается многочисленными публикациями результатов исследований в рецензируемых российских и зарубежных изданиях, участием в российских и международных конференциях с устными докладами.

Практическая значимость работы

Предложенные в рамках «Программы переоснащения базовых

организаций локомотивного хозяйства до уровня технологического

регламента» ОАО «Российские железные дороги» оптимальные по производительности в процессе ремонта режимы УФО и внедренные в локомотивных депо комплексы для УФО бандажей локомотивных колес (договоров № 544 от 20.10.2001 г., № 73/02 от 28.11.2002 г.) улучшают качество поверхности катания и снижают износ бандажа железнодорожного колеса.

Научно-аналитическая документация, содержащая практические решения выбора параметров ультразвуковой обработки конструкционных сплавов, и

поставленный Генеральному Исследовательскому Институту Цветных Металлов, КНР, комплект для ультразвуковой финишной обработки (контракт №NO GRINM071111A от 24.04.2007 г.) развивают технологию поверхностного упрочнения деталей машин широкой номенклатуры, работающих в условиях переменных нагрузок.

Разработанный метод подготовки поверхности основного материала перед нанесением газотермических покрытий, включающий ультразвуковую обработку с изменяемыми режимами, используется в технологических процессах, применяемых ООО «Промышленная механика», г. Томск, РФ, обеспечивает формирование топографии поверхности с разной морфологией для того или иного метода нанесения покрытия (патент РФ № 2442841 от 20.02.2012) и совершенствует технологию формирования защитных и функциональных покрытий на деталях из конструкционных сталей.

Результаты исследований включены в учебный процесс при преподавании дисциплины «Материаловедение и технологии конструкционных материалов» в НИ ТПУ, а также при руководстве научной работой бакалавров и магистрантов.

Методология и методы исследования

В работе использовались современные экспериментальные методы исследования строения и физико-механических свойств материалов со статистической обработкой полученных экспериментальных результатов, расчетный метод конечных элементов. Оценка топографии проводилась на профилометрах 296, Micro Measure 3D Station и сканирующем туннельном микроскопе Nanometr-1 (СТМ). Рентгеноструктурный анализ (РСА) осуществлялся на дифрактометрах ДРОН-1,5 и ДРОН-3,0 в CоK_а-излучении, Shimadzu XRD 6000 в C uK_а-излучении. Микроструктурный анализ выполнялся на оптических микроскопах “Neofot-32”, Carl Zeiss Axio Observer, растровом электронном микроскопе SEM 515 «Philips» и просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-125. На поверхности и в поперечном сечении образцов определялась твердость и микротвердость материала на приборах Виккерса, ПМТ-3, “Nano Hardness Tester” NHT-S-AX-000Х. Триботехнические исследования азотированных слоев проводились на комплексе PC-Controlled High Temperature Tribometer TH-S-HX000, оценка фреттинг-коррозии плазменных покрытий - на установке, разработанной на базе машины трения МФК-I.

На защиту выносятся следующие положения

1. Строение поверхностного слоя углеродистых сталей, полученного в процессе ультразвуковой финишной обработки, определяется исходной неоднородностью, задаваемой резанием на уровне топографии и на уровне микроструктуры, и классифицирует обработку как отделочно-упрочняющую или упрочняющую.

2. Неоднородность микроструктуры впадин и оснований выступов поверхности точения, которая проявляется в образовании субструктуры разной морфологии, устраняется упрочняющей ультразвуковой обработкой за счет формирования однородного модифицированного слоя с градиентным по глубине строением и двухуровневой топографией поверхности, состоящей из

микрорельефа и субмикрорельефа.

3. Предварительная ультразвуковая модификация структуры поверхностного слоя хромистых сталей интенсифицирует процесс низкотемпературного азотирования, увеличивая глубину упрочненного слоя и долю нитридов в результате ускоренной диффузии ионов азота по дополнительным дефектам кристаллического строения, совмещенной с процессом возврата и полигонизации в дислокационной структуре.

4. При нанесении газотермического покрытия предварительная ультразвуковая обработка основного материала способствует образованию надежной адгезионной связи в результате формирования благоприятной топографии поверхности контакта и ее активации за счет образования большого количества дефектов микроструктуры.

5. Совмещение процесса газотермического напыления покрытия из сплава на основе железа с ультразвуковой обработкой воздействует на покрытие на всех структурных уровнях: снижает пористость, способствует образованию однородных по форме частиц и смещает размер элементов микроструктуры в нано- и субмикронную область, повышая твердость и износостойкость покрытия в условиях фреттинг-коррозии.

Достоверность полученных экспериментальных результатов,

обоснованность выносимых на защиту положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, обеспечены использованием современных методов исследования структуры, механических свойств и эксплуатационных характеристик, воспроизводимостью и согласованием результатов с данными других исследований.

Личный вклад автора в работу. Все изложенные в диссертации результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Автору принадлежат идеи в определении цели, анализа и интерпретации результатов, формулировке основных положений и выводов. Большинство экспериментальных исследований выполнено лично автором, под его руководством и при непосредственном участии.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на следующих всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях и симпозиумах: Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (г. Томск, 2015, 2016, 2018 гг.); 9^th, 10^th, 12^th International Conferences on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (г. Томск, 2008, 2010, 2014 гг.); Межрегиональной конференции «Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры» (г. Красноярск, 1996, 1999, 2003 гг.); Международном Российско-Китайском симпозиуме «Передовые материалы и процессы» (Россия-Китай, 1995, 2001, 2003 гг.); XVI, XIX, XXI Уральских школах металловедов-термистов (2002, 2008, 2012 гг.), XVII, XVIII, XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (С.-Петербург, 2007, 2008, 2010 гг.); I, II, III, IV Международных конференциях «Современные проблемы машиностроения (г. Томск, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.); V, VI, VII

Международных научно-практических конференциях «Инновационные

технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2014, 2015, 2016 гг.); III
и VII Международных семинарах «Структурно-морфологические основы
модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (г. Обнинск,
1995, 2003 гг.); 16^th International Metallurgical and Materials Conference «Metal
2007» (Czech Republic, Ostrava, 2007 г.); Международной практической
конференции-выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и
обновления машин, механизмов, оборудование и металлоконструкций» (С.
Петербург, 2003, 2006 гг.); VIII Международной конференции «Трибология и
надежность» (С.-Петербург, 2008 г.); Международной конференции

«Физическая мезомеханика многоуровневых систем - 2014. Моделирование, эксперимент, приложения» (г. Томск, 2014 г.); Международной научной конференции «Ультразвук: проблемы, разработки, перспективы» (Уфа, 2017 г.); Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (г. Томск, 2015, 2017 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них 19 статей в журналах из перечня ВАК, 12 статей в зарубежных изданиях, цитируемых в Scopus, зарегистрировано 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка сокращений, списка цитируемой литературы, включающей 390 наименований, двух приложений, содержит 334 страницы в том числе 114 рисунков и 18 таблиц.