Введение к работе
Актуальность темы. Большие возможности в решении проблемы повышения надежности и долговечности инструмента, деталей машин и механизмов приобретает применение многофункциональных электрофизических покрытий. Растущие требования к повышению долговечности и надежности деталей машин и инструмента диктует необходимость совершенствования технологии их поверхностного упрочнения. Во многих отраслях промышленности для повышения ресурса и надежности инструмента, различных деталей и узлов используются методы электрофизической обработки поверхности или комбинированные способы упрочнения для повышения физико-механических свойств и качества поверхности. Одним из основных способов электрофизической обработки является электроискровое легирование (ЭИЛ), а также его разновидности локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭНП) и электроакустическое нанесение покрытий (ЭЛАНП). Исследования в области разработки эффективных способов повышения эксплуатационных характеристик конструкционных и инструментальных материалов, позволяющих получать повышение надежности и долговечности деталей и инструмента нанесением многофункциональных электрофизических покрытий, определяют актуальность изучаемой проблемы. Успех решения проблемы – создание и усовершенствование многофункциональных покрытий с программируемыми свойствами во многом определяется глубиной раскрытия характера структуры и физической сущности процессов, управляющих ее формированием.
Для большинства электрофизических покрытий существует проблема их качества (недостаточная сплошность, шероховатость, адгезия к подложке и значительные внутренние напряжения), что сужает область применения данных композитов.
Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик и качества электрофизических покрытий является применение финишной технологии (обработкой их поверхности выглаживанием и лазерным излучением), приводящих к улучшению структуры и качества поверхностных слоев. Эти процессы отвечают требованиям гибкой, интенсивной и энергосберегающей технологии и являются приоритетными способами упрочнения инструментальных и конструкционных материалов. Таким образом, тема работы является актуальной.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ по "Реализации региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района России" и при финансировании Гранта Президента РФ молодым российским ученым № МК – 4793.2006.8.
Целью работы является повышение надежности и долговечности инструмента и деталей из инструментальных сталей и жаропрочных сложнолегированных сплавов на никельхромовой основе посредством разработки многофункциональных электрофизических покрытий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
-
Систематизировать, обобщить и проанализировать литературные данные по использованию электрофизического метода в науке и промышленности.
-
Разработать составы электродных материалов для ЭЛАНП и ЛЭНП.
-
Оптимизировать технологические режимы нанесения электрофизических покрытий.
-
Провести комплексное металлофизическое исследование полученных композитов.
-
Установить взаимосвязь и закономерности между составом электродных материалов, технологическими режимами напыления, структурой нанесенных покрытий, позволяющие прогнозировать физико-механические и эксплуатационные свойства электроакустических и электроискровых покрытий и в целом композита.
-
Разработать комбинированную обработку (ЛЭНП; ЭЛАНП плюс выглаживание или лазерная обработка) для повышения качества покрытий, надежности и долговечности инструмента и деталей с многофункциональными покрытиями.
Объектом исследования являются жаропрочные сложнолегированные сплавы и инструментальные стали на никельхромовой основе посредством разработки многофункциональных электрофизических покрытий.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовался современный комплекс металлофизических методов исследований: оптическая, растровая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы, внутреннего трения. Механические испытания проводились по стандартным методикам. Адгезионная прочность определялась склерометрическим методом. Обработка результатов исследований проводилась с использованием статистических методов.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
разработаны научные основы технологии нанесения электроакустических и электроискровых покрытий с заранее заданными свойствами, представленные технологическими схемами получения многофункциональных электрофизических покрытий. Оптимизация процесса нанесения покрытий заданного состава.
развиты научно-обоснованные принципы выбора химического состава электродных материалов – закономерности влияния малых добавок Hf, Dy и Re и тугоплавких добавок WC на физико-механические, жаростойкие и трибологические свойства электроакустических и электроискровых покрытий на инструментальных быстрорежущих сталях и конструкционных литых материалов из сложнолегированных сплавов с никельхромовой матрицей.
установлены взаимосвязи и технологические закономерности электрофизической обработки при максимальной эрозии электродного материала и достаточном качестве покрытии с основными энергетическими параметрами процесса.
получены результаты комплексных металлофизических исследований поверхностных слоев инструментальных сталей и конструкционных жаропрочных сплавов на никелевой основе с электрофизическими покрытиями.
усовершенствованны методики: оценка адгезионной прочности покрытий склерометрическим методом; оценка повреждаемости металлов и сплавов с покрытиями методом внутреннего трения; повышение точности при оценке шероховатости поверхности покрытий.
Практическая значимость. Предложенный метод регулирования химического состава микролегирующими добавками Hf, Dy и Re в электрофизических покрытиях на основе никеля и технология их нанесения позволяет получать композиционные слои с метастабильными мелкокристаллическими и аморфными фазами, при максимальной эрозии электродного материала.
Применение комбинированной обработки позволяет получать качественные поверхностные слои с заданным по толщине распределением остаточных напряжений. В частности, возможно получение тонкого приработочного слоя самозалечивающимися порами после выглаживания на поверхности основного электрофизического покрытия, что дает возможность варьировать эксплуатационными свойствами в сторону повышения надежности и долговечности этих материалов.
Исследования в области разработки эффективных способов повышения эксплуатационных характеристик инструментальных и конструкционных материалов, позволяющих получать повышение надежности и долговечности изделий и инструмента нанесением многофункциональных электрофизических покрытий определяют актуальность изучаемой проблемы и ее практическую важность.
Результаты работы внедряются в учебный процесс и на предприятиях гг. Воронежа и Курска (ВАСО и ОАО «Агромаш»).
Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов диссертационной работы обеспечена корректностью постановки задач, согласованностью с результатами других исследований, работающих в данной области и с общепринятыми представлениями теории и практики нанесения электроискровых и электроакустических покрытий. Достоверность полученных экспериментальных данных также основывается на том, что они получены на аттестованных приборах и оборудовании, сравнением опытных данных с расчетными, применением комплексного металлофизического подхода для установления закономерностей формирования структуры изучаемых покрытий.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на : IV, VI межд. научн. – техн. конференциях «Медико – экологические информационные технологии – 2001, 2003» (Курск, КГТУ); X юбилейной, XI, XII и XIII Росс. научн. – техн. конференциях «Материалы и упрочняющие технологии – 2003, 2004, 2005 и 2006» (Курск, КГТУ); XXXI, XXXII и XXXIII вузовских научн. – техн. конференциях студентов и аспирантов в области научн. исследований «Молодежь и ХХI век» (Курск, КГТУ. 2003, 2004 и 2005 г.г.); VI межд. конференции ДЭМП – 6 «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, ВГТУ. 2005 г.); VII межд. научн. – техн. конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, КГТУ. 2005 г.); XVI межд. научн. – техн. конференции «Лазеры в науке, технике и медицине» (Москва, Адлер. 2005 г. ); IV межд. научн. – техн. конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, КГТУ. 2006 г.); 6-й межд. научн. - техн. интернет - конф. «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, БГИТА, 2006 г.); 8-й межд. практич. конференции - выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, Изд-во политехн. университета, 2006 г.); научн. - техн. семинаре «Сварка и родственные процессы в промышленности» (Киев, изд-во «Экотехнология». 2006 г.); диссертационная работа рассматривалась на научн. - техн. семинаре кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Курского гос. техн. унив-та в 2006 году.
Публикации. Всего опубликовано по теме диссертации 19 работ. Из них самостоятельно одна, остальные в соавторстве, одна в журнале, рекомендуемом перечнем ВАК. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора: исследованы структуры, фазового состава и физико-механических свойств, электрофизических защитных покрытий из жаропрочных никелевых сплавов с добавками диспрозия, гафния и рения нанесенных на промышленные литые сплавы с никельхромовой матрицей для повышения эксплуатационных свойств конструкционных деталей; усовершенствованы методики исследований; изучены внутреннее трение композитов; математическое планирование эксперимента и оптимизация технологических процессов, совершенствование электроискровой обработки инструментальных материалов; для повышения эффективности электроискровой обработки применено лазерное излучение. Вклад автора в проведении исследований и получении результатов является определяющим.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 125 стр. машинописного текста, иллюстрации 30, таблиц 19, литературных ссылок 117.
