Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Повышение износо и коррозионной стойкости инструментальных и конструкционных материалов, и основные аспекты проблемы экологии в машиностроении 9
1.1. Современное состояние экологической безопасности 9
1.2. Проблемы и обеспечение экологической безопасности 13
1.3. Насыщение металлов и сплавов соединениями бора 22
1.3.1. Борирование 23
1.3.2. Борохромирование 28
1.3.3. Лантаноборирование 29
1.3.4. Частные выводы по разделу 1.3 30
1.4. Состояние метода электроискрового легирования. Его сущность 31
Глава 2. Материалы, установки, технологии и методы исследований 37
2.1. Материалы 37
2.2. Локальное электроискровое нанесение покрытий; технологии электролизного борирования лантаноборирования, гальванического борирования 38
2.2.1. Локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭНП) 38
2.2.2. Влияние технологических параметров ЭИЛ на качественные показатели поверхностного слоя 43
2.2.3. Электролизное борирование и лантаноборирование 45
2.3. Методика гальванического борирования 46
2.4. Методики исследования 46
2.4.1. Оптическая, электронная и растровая микроскопия 48
2.4.2. Рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы 49
2.4.3. Методика потенциодинамических коррозионных испытаний 49
2.4.4. К оценке качества электроискровых покрытий после выглаживания 51
Глава 3. Некоторые аспекты теории и практики реакционной диффузии борсодсржащих покрытий, при их формировании. Гальванические боридные покрытия на железе 55
3.1. Теоретическое обоснование кинетики формирования диффузионных боридных покрытий на железе 55
3.2. Моделирование процессов встречной диффузии при электролизном борировании 57
3.3. О кинетике формирования борохромированных покрытий..60
3.4. Формирование диффузионных покрытий при лантаноборировании железа и борировании стали 40 61
3.5. Гальванические покрытия на основе сплавов железо-бор...66
Глава 4. Повышение эксплуатационных характеристик порошковых деталей из титановых сплавов 71
4.1. Исследование структуры и свойств порошкового титанового сплава с электроискровыми покрытиями 71
4.2. Исследование электроискровых покрытий на подложке из порошкового титанового сплава после выглаживания 83
Глава 5. Научные основы и методы управления, механизмы принятия решений в проблеме экологической безопасности 98
5.1. Экологическая безопасность производств 98
5.2. Интеллектуализация принятия решений в экологии 99
5.3. Управление экологической безопасностью в процессе производства 100
5.4. Современные тенденции в обеспечении экологически безопасных технологий в гальванотехнике 103
5.5. Модель процесса принятия решения при управлении экологической безопасностью производств 104
5.6. Технология построения моделей управления экологическими
параметрами технологических процессов 107
5.7. Исследование систем управления экологической безопасностью производственных процессов методом математического моделирования 109
5.8 Экологическая безопасность и экономика электрофизических и химико-термических способов модификации поверхности 112
Основные результаты и выводы 115
Библиографический список 117
- Проблемы и обеспечение экологической безопасности
- Локальное электроискровое нанесение покрытий; технологии электролизного борирования лантаноборирования, гальванического борирования
- Моделирование процессов встречной диффузии при электролизном борировании
- Исследование электроискровых покрытий на подложке из порошкового титанового сплава после выглаживания
Введение к работе
В программных документах правительства РФ констатируется, что в центре его экономической политики всегда будет находиться всемерное повышение технического уровня и качества продукции. При этом ключевая роль в осуществлении научно-технического прогресса в материализации новейших достижений науки и техники отводится таким отраслям машиностроения, как самолетостроение, энергомашиностроение, ракетостроение и др.
Проблема улучшения качества и функциональных характеристик машин и приборов может успешно решаться, прежде всего, путем обеспечения высокого качества и улучшения эксплуатационных свойств деталей, узлов и их соединений.
К изделиям машиностроения предъявляется целая гамма требований, в том числе увеличенный ресурс безотказной работы, надежность, постоянность функциональных показателей, готовность к работе в заданных условиях и другие требования. В тоже время металлы и сплавы, из которых выполнены детали, узлы и сами изделия должны обладать необходимым уровнем физико-механических свойств для обеспечения вышеперечисленных и других эксплуатационных характеристик.
Для реализации определенного уровня эксплуатационных свойств конструкционных титановых сплавов относятся такие современные технологии, как порошковая металлургия и нанесение покрытий. В результате имеется необходимость изучения, исследования и разработки методов и способов их улучшения, обеспечивающих качество и эксплуатационные свойства металлических материалов для деталей и узлов специальных изделий.
В настоящее время существует ряд путей достижения качества и свойств. Это технологическое управление микрогеометрией, точностью и
состоянием металла путем применения прогрессивных способов резания, поверхностного и объемного пластического деформирования, нанесения покрытий, термического и химико-термического воздействия на металл, совмещенных и комбинированных процессов упрочняющей, отделочно-упрочняющей и отделочной обработки.
Для реализации различных способов обработки требуется комплексный подход в решении задач качества и свойств деталей, требующий совершенствование и разработку новых имеющихся технологий.
Однако, разработанные в отдельности направления получения порошковых титановых сплавов путем легирования, оптимизации процессов прессования и термообработки, не обеспечивают необходимый уровень качества поверхности (шероховатость, пористость) и физико-механических свойств материалов, получаемых методом порошковой металлургии.
Решение этих проблем видится в области создания многослойных покрытий, в которых объединяются возможности различных технологий. Все выше сказанное является резервом на пути создания научно обоснованных технологий по созданию новых конструкционных материалов и покрытий. Учитывая, что нанесенным покрытием можно значительно увеличить срок службы изделий и обеспечить им ряд других дополнительных полезных характеристик, эта технология может явиться одним из главных направлений получения композиционных материалов.
Технология нанесения многофункциональных покрытий,
рассматриваемых, в настоящей работе представлена двумя методами. Термохимическому диффузионному упрочнению - это борирование, борохромирование и лантаноборирование; и электрофизическому -электроискровое легирование (ЭИЛ), и его разновидности локальному электроискровому нанесению покрытий.
Общеизвестно, положительное влияние комбинированной обработки, сочетающей нанесение покрытий с последующей финишной обработкой,
приводящее к повышению качества поверхностных слоев и повышению их физикомеханических свойств.
В то же время используемые технологии, способствующие
существенному повышению стойкости многопрофильных деталей,
увеличению производительности и качеству обработки, а также продукты их
утилизации являются часто одним из главных источников загрязнения
окружающей среды предприятиями машиностроительного комплекса.
Современное состояние машиностроительной промышленности России
делает проблему ресурсосберегающего экологизированного
технологического обеспечения машиностроительных производств термо и электрофизических методов обработки металлических материалов все более актуальной, что обусловлено рядом причин: необходимостью существенного повышения производительности механической обработки и стабилизации качества выпускаемых изделий; возрастанием стоимости материалов, являющихся основой для данных технологий; ухудшением экологической ситуации и ужесточением требований к охране окружающей среды; к экологической чистоте и безопасности производственных технологий; все более увеличивающейся долей себестоимости годовой продукции затрат, в частности, при борировании, лантаноборировании и изготовлении электродных материалов для ЭИЛ и ЛЭНП.
Многообразие разработанных и разрабатываемых методов нанесения покрытий обеспечивают решение самых сложных задач выдвигаемых развивающейся техникой.
Выбор композиционных покрытий различных составов и способов их формироваЕшя обеспечивает надежность деталей и инструментов и увеличивает время их эксплуатации.
Востребование таких покрытий в условиях рыночной экономики важно также для восстановления изношенных деталей и увеличивает время их эксплуатации.
Одним из недостатков данных покрытий является недостаточная адгезия к подложке, значительная пористость и шероховатость, большие внутренние напряжения, что сужает применение данной технологии. Решение этого вопроса видится в применении последующей финишной обработке, а именно в выглаживание.
В то же время использование вышеуказанных технологий сдерживает из-за недостаточной их экологической безопасности, что требует решения задач управления экологическими параметрам, в процессе производства, разработки критериев алгоритмов, моделей описания и оценок эффективности решения этих задач, прогнозирования оценок эффективности, надежности систем экологической безопасности.
Таким образом, сформулированная в названии диссертации тема исследований является актуальной как в научном, так и в прикладном аспекте. Тема входит в координационный план НИР по «Реализации региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района России», а также при финансировании гранта Президента РФ молодым российским ученым МК 1051.2004.8.
Проблемы и обеспечение экологической безопасности
Своевременное решение в России проблем, связанных с экологической безопасностью ее граждан, позволит эффективно содействовать предотвращению надвигающейся глобальной катастрофы.
Сокращение негативного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду, обусловленное спадом производства, недостаточно для улучшения экологической ситуации в наиболее развитых в промышленном отношении регионах страны в настоящем и тем более не гарантирует его в будущем. Но даже в этих условиях сократившийся поток загрязнений все еще превышает ассимиляционный потенциал соответствующих региональных экосистем. Инвестиционный голод, который испытывает большинство российских промышленных предприятий, тормозит обновление производства и является главным препятствием к переходу к экологобезопасным технологиям даже в тех отраслях, где развитые в промышленном отношении страны осуществляли его в 1960-1970-е годы. Обеспечение экономического роста на прежней технологической основе приведет к катастрофе и не принесет в конечном счете даже кратковременных позитивных результатов. Обострение международной обстановки, угроза терроризма как изнутри, так и извне, также не создают благоприятной среды для улучшения экологической обстановки, так как в результате увеличивается доля оборонных расходов за счет сокращения бюджетных ассигнований по другим статьям, в том числе природоохранной.
В настоящее время экологическая обстановка в России оценивается как относительно стабильная, однако экономические, социальные и политические условия для решения острых природоохранных проблем ухудшились абсолютно по всем параметрам.
Естественно, природоохранную работу ведут не только Госкомэкология России, другие ведомства так называемого эколого-ресурсного блока и общественные экологические организации. В ряде случаев, но далеко не всегда, понимание экологической проблемы и желание всерьез заниматься ею проявляют администрации исполнительной власти субъектов Федерации, предприятия различных отраслей промышленности, общественные организации неэкологического профиля. К сожалению, такие случаи, скорее, исключение, чем правило. Нет сомнений в том, что охрана природы не стала всенародным делом; понимание важности экологических задач и готовность их решать - удел относительно немногих политиков, администраторов и хозяйственников.
Однако иллюзия, будто для решения экологических проблем достаточно создать сильную природоохранную систему, обеспечить правовую основу ее деятельности и приличное финансирование, к счастью, изжита. Очевидно, достижение экологических целей возможно только в результате глубоких социально-экономических преобразований, затрагивающих все стороны жизни общества. Эти преобразования должны обеспечить переход общества к устойчивому развитию, когда антропогенное воздействие на окружающую среду не нарушает природного экологического равновесия, соответствует хозяйственной емкости биосферы. Устойчивое развитие возможно только в планетарном масштабе, для перехода к нему необходимы усилия всех стран. Разрабатываемая «Хартия Земли» должна определить начало нового этапа в становлении экологического мировоззрения на планете. Переход к устойчивому развитию предполагает целенаправленные усилия в четырех направлениях.- Сохранение уцелевших естественных экосистем, восстановление части деградировавших экосистем, с тем чтобы в конечном счете биота Земли не утратила способность поддерживать экологическое равновесие планете.- Экологизация производства, переход к экологическим безопасным технологиям, минимизирующим экологический риск и негативное воздействие на окружающую среду.
Нормализация потребления, предполагающая постепенное сокращение и, со временем, - прекращение бессмысленного потребления, навязанного человеку стихийными социально-экономическими силами.
Нормализация демографических процессов на основе гуманистических принципов: каждый родившийся имеет право на достойную жизнь, каждый человек имеет место в семье народов.
Эти направления деятельности, необходимые для планетарного перехода к устойчивому развитию, по-разному видятся в каждой конкретной стране в зависимости от специфичных экологических и социально-экономических условий. Важнейшая задача социально-экономической политики в нашей стране состоит в том, чтобы поднять уровень жизни, вывести россиян из состояния бедности.
Огромное значение для России имеет экологизация производства. Ни один ответственный эколог неназовет технологии, применяемые сейчас в наиболее развитых странах мира, экологически безупречными. В нашей стране еще господствуют технологии той эпохи, которую без преувеличения следует назвать эрой экологического варварства. Они не только безнадежно морально устарели, но и не менее чем в половине случаев выработали свой ресурс, поэтому они неудовлетворительны не только экологически, но и экономически.
К сожалению, у некоторых хозяйственников и представителей как малого, так и большого бизнеса еще сохраняется иллюзия, что на основе мобилизации имеющихся производственных фондов можно обеспечить подъем экономики. Если бы эта идея была осуществимой, ее реализация повлекла бы экологическую катастрофу в нашей стране. И попытки ее продвигать могут иметь единственный результат - дальнейшую стагнацию производства. Только на принципиально обновленной технологической базе, в том числе по экологическим параметрам, возможен устойчивый экономический рост в нашей стране.
В стране существует понимание проблем экологической безопасности и готовность реально заниматься их решением. Это относится как к широким слоям населения, так и ко всем ветвям и уровням власти. Но пока конкретные природоохранные решения принимаются в лучшем случае на локальном уровне. На национальном уровне эта жизненно необходимая задача решается лишь в плане привлечения общественного внимания, стимулирования научно-методических проработок, т.е. имеет место воздействие лишь на общественное сознание, а не на конкретное решение экологических проблем. Безразличной или пассивное отношение подавляющего большинства россиян даже в экологически неблагоприятных районах объясняется тем, что их заботят совсем иные проблемы, представляющиеся им гораздо более важными и актуальными. Однако, на наш взгляд, существуют и другие факторы, препятствующие серьезному пониманию экологических проблем:во первых, очень слабый рост продуктивной активности общественных экологических организаций. Большое количество малочисленных локальных групп остаются разобщенными, им не удается привлечь в свои ряды компетентных людей, в итоге вместо достижения
Локальное электроискровое нанесение покрытий; технологии электролизного борирования лантаноборирования, гальванического борирования
ЛЭНП осуществлялось на болгарской установке «ЭЛФА-541» (рис.2.1.) электродами из твердых сплавов и других материалов, изготовленных методами порошковой металлургии, литья и т.д.
Электрод имеет цилиндрическую форму диаметром 1,0-1,55 мм длиной 40-50 мм, зажимающийся в цангу наносящей головки.
Установка «ЭЛФА-541» состоит из следующих основных узлов: стойка с наносящей головкой и исполнительным механизмом следящей системы; генератор независимых импульсов «ГТ-1Б» и двух координатный рабочий стол с электроприводом. Для закрепления на рабочем столе установки инструмента и деталей используется магнитная плита «ПМ-21» и специальные приспособления.
Принцип работы установки по методу «ЭИЛ» типа «ЭЛИТРОН» следующей (см. рис. 2.1.б.). От источника постоянного тока через токоограничивающий резистор (R) заряжается накопительный конденсатор (С). Конденсатор накапливает электрическую энергию, которая мгновенно освобождается в момент пробоя межэлектродного промежутка. Коммутация электрической цепи осуществляется вибрирующим электродом (анодом). При этом анод совершает колебательные движения с частотой 40-400 Гц, периодически контактируют с поверхностью катода.
Главное отличие метода локального электроискрового нанесения покрытий (ЛЭЫП) от ЭИЛ заключается в том, что процесс легирования на установке «ЭЛФА-541» протекает без контакта электродов. Для коммутации искровых разрядов используется независимый генератор импульсов (ГИ) рис. 2.1.в. Необходимое расстояние между стержневым вращающимся электродом - анодом (ЭА) и обрабатываемой поверхностью поддерживается автоматическими следящими системами. Следящая система поддерживает межэлектродный зазор в пределах 5...30 мкм в зависимости от материала электрода. Для улучшения качества поверхностного слоя электрод совершает, кроме вращательного планетарное движение. При радиусе планетарного движения, равным радиусу электрода (обычно не более 1,0...1,55 мм), на катоде образуется упрочненная поверхность площадью равной двум площадям поперечного сечения электрода.
Основные характеристики: скорость вращения электрода от 600 до 4000 мин 1; емкость конденсаторного блока от 0,1 до 1,0 мкФ; эффективная толщина нанесенного покрытия (8) и класс шероховатости (Ra) от 2 до 10 мкм и 0,5-1,7 мкм соответственно; производительность от 0,35 до 1,3 мм /сек.
Электроискровое легирование - это микросварочный процесс, использующий кратковременные электрические импульсы большой силы тока для осаждения материала электрода на подложку из любого электропроводного металлического материала. Способ ЛЭН основан на явлении эрозии металлов и сплавов под действием электрического тока.
Для локального упрочнения рабочих поверхностей инструментов и деталей применяются электроды малого диаметра от 0,5 до 2 мм и длиной 25-45 мм, который вращается вокруг своей оси. Электронная следящая система, поддерживающая определенное расстояние между электродом и обрабатываемой поверхностью, обеспечивает получение равномерных плотных с минимальной шероховатостью покрытий, точно копирующих рельеф обрабатываемой поверхности. При этом упрочняемая деталь должна иметь достаточную проводимость, обеспечивающую наименьшие потери энергии между источником тока и искровым зазором.
Энергия электроискровой обработки при нанесении покрытий на установке «ЭЛФА-541» (способ ЛЭН) определяется ее технологическими параметрами: J - ток при коротком замыкании (А); Ті - длительность импульса (мсек) или f - частота (кГц), т - коэффициент заполнения. Варьируя вышеуказанными параметрами, выбирают электрический режим ЛЭН, обеспечивающий необходимые качественные характеристики (толщину, шероховатость и плотность) покрытия при оптимальной эрозии электрода. В дальнейшем проводят коррекцию режима с учетом эксплуатационных характеристик покрытия.
Качество формируемых покрытий оценивается комплексно по: 8 -толщине (мкм), определяемой с помощью индикатора часового типа или по перечному шлифу Ra - шероховатости (мкм), оценка производится по профиллограмме; и плотности, определяемой по наличию непокрытых участков в следе обрабатывающего электрода - оценка визуально любым прибором с увеличением до 100 крат.
Установка «ЭЛФА-541», предназначена для локального электроискрового нанесения покрытий из твердых сплавов на металлорежущий инструмент: сверла, зенкера, фрезы, зуборезные долбяки и др., но может также эффективно использоваться для нанесения покрытий на рабочие поверхности среднегабаритных штампов.
Для закрепления штампов на рабочем столе установки используются следующие приспособления:-магнитная плита типа ПМ-21 для упрочнения штампов небольших размеров;-стол поворотный для упрочнения штампов небольших размеров с режущей кромкой по окружности.
Проверку работоспособности, настройку и порядок работы на установках типа «ЭЛФА» необходимо производить в соответствии с руководством по эксплуатации.
На рабочий стол установки устанавливается и закрепляется приспособление, в котором находятся упрочняемые формообразующие детали штампов таким образом, чтобы обеспечивался надежный электрический контакт между столом и штампом.
Далее необходимо установить рабочие режимы упрочнения в зависимости от обрабатываемого материала, шероховатости поверхности изделия и толщины легированного слоя. Рекомендуемые режимы упрочнения штампов могут уточняться после соответствующих испытаний.Затем устанавливается штамп и приспособление в соответствии с выполняемой операцией. Электрод закрепляется в цанге наносящей головки, выставляется наносящая головка так, чтобы электрод был перпендикулярен обрабатываемой поверхности.
Моделирование процессов встречной диффузии при электролизном борировании
Физическая картина моделируемого процесса состоит в том, что при проникновении атомов бора через границу (х=0) в глубь насыщаемой матрицы, возникает встречный поток атомов железа.
В соответствии с такой физической картиной возникают две основные проблемы математического плана: первая - это определение поля концентрации железа в боре; вторая - это определение нестационарно убывающего потока железа через границу х=0.
Опуская очевидные промежуточные выкладки, основанные на балансовых соотношениях для элементарного объема, уравнение переноса может быть записано в виде:где п (х, т) - текущая численная концентрация атомов железа в слоебора, м 3; D- коэффициент молекулярной диффузии атомов железа в слоебора, м /с; к- кинетический коэффициент скорости кристаллохимическойреакции, м/с; ns - предельная численная концентрация атомов железа вединице объема бора, м"3; у=4яг2пв; г- радиус атома В; пв - численнаяконцентрация атомов В в слое, м 3; ч, г - текущие координата и время, м, с.
Начальное условие: п(х, 0)=О; (3.12)граничные условия: -Ddn(e,T)/dx = j(T);dn(oo,i)/dx = 0; (3.13)где j(x) - плотность потока атомов железа.
Приведя задачу (3.11-3.13) к безразмерному виду с помощью относительных параметров, получим:Подставляя полученное выражение для 5(9) в (3.20), получим тем самым искомое решение нашей задачи. Причем 5(9) имеет смысл безразмерной глубины проникновения атомов железа в бор.
В отличие от диаграмм фазовых равновесий системы Fe-Cr-B (рис.3.2) в таблице бориды расположены не по стандартному ряду от Сг2В до CrB6, а по величине рассчитанных значений энергий Гиббса боридов хрома и констант равновесия реакций их образования (ACf - уменьшается сверху вниз, Кт- соответственно увеличивается).
Микрорентгеноспектральные исследования показали, что хром достаточно глубоко проникает в высокобористую фазу FeB с образованием боридов Сг5В3, Сг3В4, Сг2В6, а также возможным образованием в этой зоне тройных боридов типа (Fe, Cr)B, (Fe, Сг)2В.классического ряда известных диаграмм состояния:
Так при 1173 К и Дк=2000 А/м2 в буре с 5% Сг203 за 5-Ю минут первыми образуются бориды Fe2B и Сг5Вз, затем СГ3В4 и только после 30 минут борид Сг2В. Соответственно следы борида СгВ обнаружены на поверхности только после 120 минут насыщения. Боридов СгВ4 и СгВб в диффузионном слое нами обнаружено не было.
Формирование слоя происходит не последовательно, по мере роста концентраций Сг и В, а прерывисто и начинается с образования боридов хрома среднего состава (Сг5В3, Сг3В4) с последующим формированием низшего борида Сг2В и высших боридов. Таким образом, становится очевидным тот факт, что при электролизном борохромировании структура диффузионного слоя неравновесна.
Лантаноборирование проводили методом электролиза расплавленных солей. В качестве насыщающей среды была выбрана бура с добавками трихлорида лантана.
Проведенные термодинамические расчеты, анализ диаграмм фазовых равновесий Fe-La-B, двойных диаграмм состояния Fe-B, La-B, а также рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы позволили построить схему формирования боридных слоев, распределение диффузионных потоков бора и лантана при электролизном лантаноборировании.
Установив, что процесс комплексного насыщения бором и лантаном значительно отличается от процесса насыщения бором.
Так, при лантаноборировании между адсорбционным слоем и высокобористой фазой FeB формируется небольшой по глубине слой, состоящий в основном из боридов LaB6 и FeB с возможным присутствием сложных тройных боридов La2Fe4B, La2Fe3B, LaFe2B2.
Величина этого слоя во всех экспериментах до 3-5% совпадала с приращением размеров образцов при диффузионном насыщении, так как формирование боридов лантана происходит только на насыщаемой поверхности. Эти выводы находятся в хорошем соответствии с проведенными термодинамическими расчетами. При лантаноборировании образуется термодинамически очень устойчивый гексаборид лантана LaB6 с высокой константой равновесия его образования. Эта константа настолько велика, что практически весь выделяющийся из электролита лантан связывается в борид по поверхности насыщаемой матрицы.
Установлено, что лантан, участвуя в формировании покрытия, располагается в поверхностной зоне. При общей глубине сплошного слоя боридов 100-150 мкм. Лантан обнаружен только в верхних слоях диффузионного слоя, максимальное его количество доходит до 50%. Плотность тока на катоде оказывает решающее влияние на выделение и диффузионную подвижность лантана. Так, при насыщении электролитом из буры +20% LaCn изменение плотности на катоде с 2000 до 1000 А/м приводит к уменьшению количества лантана в покрытии с 50 до 20%. Увеличение плотности тока на катоде выше 2000 А/м2 приводит к уменьшению глубины диффузионного слоя. Это объясняется наступлением предельного состояния диффузии насыщающих элементов и образованием плотного осадка на катоде, препятствующего диффузии активных элементов к насыщаемой поверхности.
Глубина диффузионного слоя значительно снижается при повышении концентрации LaCh в электролите. Объяснение этому факту можно найти, исследуя электропроводность рассмотренных электролитов, фазовый состав и распределение элементов в слое.
Электропроводность дает возможность оценить подвижность ионов в расплавах и в сочетании с другими методами исследования установить их строение. Нами исследована электропроводность буры, а также буры с добавками 1,5,10,15 и 30% LaCb- Полученные результаты показали, что все рассмотренные электролиты обладают высокой электропроводностью (рис. 3.3)
Исследование электроискровых покрытий на подложке из порошкового титанового сплава после выглаживания
В последнее время находят широкое распространение комбинированные упрочняющие технологии /138/, являющиеся сочетанием различных технологических способов, таких как нанесение покрытий локальным электроискровым легированием с последующей их обработкой методом поверхностного пластического деформирования (ППД)/25,27,31,139-142/.
Метод поверхностного пластического деформирования (ППД) является простым и вместе с тем эффективным способом повышения несущей способности и долговечности деталей машин за счет поверхностного наклепа наиболее нагруженного слоя детали и создания в нем сжимающих остаточных, напряжений. К методам ППД (ГОСТІ8296) относятся, в частности, обкатывание (роликами, шариками), обработка дробью и выглаживание /25/, в частности алмазное /27,142/.
Во многих случаях ППД повышает запас прочности деталей, работающих при переменных нагрузках в 1,5...2 раза и увеличивает срок службы деталей до 10 раз. Особенно эффективно применение ППД при наличии концентратов напряжений (гантелей, прессовых посадок, поперечных отверстей, выемок и т.п.).
ППД позволяет также резко снизить высоту микронеровностей поверхности, иногда заменяя трудоемкие методы отделки поверхности абразивным инструментом.
ППД может успешно применяться в сочетании с другими методами упрочнения, повышая их эффективность. Кроме того, ППД может нейтрализовать отрицательное влияние предыдущих или окончательных методов обработки, например снизить или исключить влияние остаточных растягивающих напряжений на поверхности после нанесения электроискровых покрытий, сокращающих долговечность детали под нагрузкой.
Одним и технологических способов отделочно-упрочняющей обработки является алмазное выглаживание /27,142/. В последнее время для выглаживания стала применяться минералокерамика ВОК60, ВОК70 и др. Сущность выглаживания заключается в упругопластическом деформировании поверхностного слоя детали инструментом с цилиндрической рабочей частью (гладилкой) при взаимном перемещении детали и инструмента. Способ основан на использовании принципа трения скольжения.
ППД повышает усталостную прочность, контактную выносливость и износостойкость металлопокрытий. В результате поверхностного деформирования изменяются микроструктура и физико-механические свойства наружного слоя металла: повышается его твердость и прочность, создаются благоприятные остаточные напряжения, шероховатость поверхности становится ниже. Возникновение остаточных сжимающих напряжений при выглаживании снижает проявление масштабного эффекта, т.е. величины зерна поверхностного слоя на масштабный эффект. В зернах металлопокрытия при выглаживании возникает высокая концентрация дислокаций, а между зернами - тончайший слой метастабильной аморфной фазы (аналогичная картина имеет место и на поверхности покрытия), существенно повышающие эксплуатационные характеристики композита.
Как показал анализ литературы и собственные предварительные исследования (рис. 4.7.) возможности электроискрового легирования (ЭИЛ) в плане обеспечения требуемой условиями эксплуатации шероховатости (Ra=0,4...0,6 мкм) ограничен - (Ra=1...3 мкм) после электроискрового легирования.
Выглаживание выполнялось пружинными державками различной жесткости (гладилками). Инструментом для него служили наконечники (выглаживатели) и природных и синтетических алмазов (АСПК-3, АСПК-5) с радиусом рабочей части RC(,=3,0...3,5 и минералокерамики ВОК60 с 11 ,=2,0...3,0 (мм) соответственно.
Основным технологическим фактором, определяющим качественные показатели процесса выглаживания - шероховатость, степень и глубину наклепа является сила выглаживания.
На рис. 4.9 и 4.10 представлены зависимости шероховатости и микротвердости покрытий, полученных ЛЭН на спеченный титановый сплав ТЮ7М2Ф2ІД2 от силы выглаживания, которая осуществлялась инструментом и синтетического алмаза АСПК-3 и минералокерамики ВОК60. минералокерамикой. Началыюе увеличение силы выглаживания (Р, Н) вызывает уменьшение высоты микровыступов поверхности за счет их сглаживания. По мере заполнения микропрофиля, увеличения поверхности контакта рабочей части гладилки с обрабатываемой поверхностью и упрочнения поверхностных слоев покрытия, сопротивление деформации растет и уменьшение шероховатости замедляется. Когда происходит полное заполнение неровностей микропрофиля, шероховатость практически не изменяется, что соответствует оптимальной силе выглаживания. При недостаточной силе выглаживания микровыступы будут сглажены не полностыо, и шероховатость обработанной поверхности покрытия почти не изменяется.
Зависимость микротвердости поверхности покрытия от силы выглаживания выглядит, как монотонное возрастание, вследствие пластической деформации, приводящей к упрочнению (рис.4.10). вызвать перенаклеп поверхностного слоя, что может привести к понижению микротвердости.
При оптимальной силе выглаживания площадь контакта инструмент-покрытие зависит от радиуса инструмента (Rc,i,), который влияет на характер процесса выглаживания. При большем радиусе рабочей части инструмента уменьшается, как удельная сила в зоне контакта инструмент-покрытие, вследствие увеличения площади контакта, так и деформации исходных микронеровностей, что обусловлено уменьшением глубины внедрения «инструмента-гладилки» в покрытие. Таким образом, при оптимальной силе выглаживания, «разумное» уменьшение радиуса выглаживателя повышает микротвердость и уменьшает шероховатость покрытия.
Как показали предварительные исследования оптимальный радиус алмазного и минералокерамического выглаживателя является Ra\,= (2...3)±0,05 мм. Также установлено, что изменение подачи (S) в пределах (0,02...0,08)±0,01 мм/об не вызывает заметного увеличения высоты микронеровностей выглаженной поверхности. Следует использовать подачи, при которых след от предшествующего прохода выглаживателя перекрывался, при этом сохраняется большая производительность процесса выглаживания. Следует также учитывать, что при больших подачах S 0,12 мм/об происходит неполное сглаживание исходных микронеровностей.
При уменьшении подачи микротвердость выглаженной поверхности повышается. При подаче меньше оптимальной микротвердость поверхностного слоя понижается из-за перенаклепа поверхности. При увеличении подачи кратность приложения нагрузки уменьшается, поэтому микротвердость выглаженной поверхности понижается.
Скорость выглаживания (V м/с) практически не влияет на шероховатость покрытия после выглаживания, так как скорость упруго-пластических деформаций поверхностного слоя не влияет на величину остаточных напряжений.
