Введение к работе
Актуальность темы. Создание конкурентоспособной продукции машиностроительного профиля связано с использованием новых материалов и прогрессивных технологических процессов. Стремление повысить работоспособность и качество поверхности дорогостоящего металлорежущего инструмента, деталей и узлов различных механизмов, работающих в условиях интенсивного износа, обусловлено необходимостью не только физико-химических и эксплуатационных свойств инструментальных и конструкционных материалов, а также экономической целесообразностью применения ресурсосберегающих материалов и технологий.
В настоящее время для реализации вышесказанного существует ряд методов. Это термическое и химико-термическое воздействия на металл, нанесение электрофизических многофункциональных покрытий (электроискровое легирование (ЭИЛ), локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭНП), электроакустическое нанесение покрытий (ЭЛАНП), вакуумно-дуговая КИБ (конденсация при ионной бомбардировке), электроосаждение, лазерная обработка-напыление), поверхностное и объемное пластическое деформирование, совмещение и комбинирование этих процессов, позволяющих повысить качество поверхностных слоев и улучшить их физико-механические свойства. Такие технологии являются одним из приоритетных направлений увеличения эксплуатационных свойств инструментальных и конструкционных материалов.
Успехи в решении практического применения вышеуказанных технологий базируются, прежде всего, на глубоких теоретических и экспериментальных исследованиях. Известно, что сдерживающим фактором широкого применения электрофизических и комбинированных покрытий являются: сложность протекания физико-химических процессов при образовании композита; недостаток сведений о закономерностях формирования их структуры, фазовом составе, а также отсутствие научно обоснованных данных о взаимосвязи структуры со свойствами композита при различных технологических режимах его формирования. Природа этих явлений и связанных с ними механизмов упрочнения для создания реальных технологий требует детального изучения. В связи с этим разработка и исследование технологий электрофизической и комбинированной обработок сегодня является наиболее актуальной.
Работа в этом направлении позволит внести несомненный вклад в решение важной народнохозяйственной задачи – повышение работоспособности и качества изделий современной техники.
Данная работа выполнялась в соответствии НИР по реализации «Региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района Рос-сии» и в рамках гранта президента РФ молодым российским ученым №МК-2425.2005.8.
Целью работы являются: повышение работоспособности и качества поверхности изделий из инструментальных и конструкционных материалов путем разработки многофункциональных электрофизических
покрытий; установление влияния основных структурных параметров покрытий на эксплуатационные характеристики; улучшение структуры и свойств покрытий выглаживанием и лазерной обработкой.
В соответствии с целью работы решались следующие задачи:
1. Анализ, обобщение и систематизирование научно-технической литературы по данной проблеме; формулировка цели работы и задач исследования.
2. Разработка, обоснование и исследование наносимых материалов для ЛЭН, ЭЛАН, КИБ и электроосажденных покрытий, обеспечивающих получение качественных легированных слоев (ЛС) с повышенным уровнем физико-механических, химических и эксплуатационных свойств; оптимизация технологических режимов электрофизических покрытий.
3. Проведение комплексных металлофизических исследований электрофизических покрытий и в целом композитов для выявления закономерностей формирования их структуры от технологических режимов нанесения покрытий. Выявление главных структурных факторов, их взаимосвязи с физико-механическими свойствами, определяющими повышение работоспособности и качества поверхности изучаемых покрытий.
4. Исследование влияния лазерной обработки и выглаживания на эксплуатационные характеристики (износо-, коррозионную стойкость, адгезионную прочность, уровень внутренних напряжений и качество поверхности покрытий).
5. Изучение и выявление закономерностей формирования электроосажденных бинарных покрытий на основе железа.
Объектами исследования являлись композиты с подложкой из инструментальных и конструкционных материалов с нанесенными электрофизикохимическими покрытиями, а также покрытиями до и после финишной обработки.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации были использованы следующие методы исследования: оптическая, электронная и растровая микроскопии, неразрушающий метод контроля структуры металла, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы, метод внутреннего трения, потенциодинамические исследования и оценка адгезионной прочности сцепления покрытия с подложкой склерометрическим способом. Применены методическое обеспечение и измерительная аппаратура экологического мониторинга к контролируемым объектам, математические методы исследования. Механические испытания проводились согласно существующим ГОСТам, абразивный износ определялся по стандартной методике.
Научная новизна:
- на основе комплексных металлофизических исследований обобщены и развиты фундаментальные представления о формировании и строении электрофизических покрытий;
- выявлены закономерности влияния структуры электроискровых, электроакустических и электроосажденных бинарных (железо-форфор) покрытий на их физические и механические свойства, а также принципы изменения износо-, коррозионной стойкости и качества поверхности покрытий в зависимости от их структуры;
- научно-обоснованы выбор оптимального химического состава наносимых материалов и технологические режимы для электрофизических методов;
- разработан технологический процесс комбинированной обработки, заключающийся в нанесении покрытия с последующей обработкой поверхности лазерным облучением или поверхностно-пластическим деформированием (ППД), в частности, выглаживанием, для получения структуры поверхностных слоев композита, отвечающего повышенным эксплуатационным характеристикам и высоким показателям качества поверхности конструкционных и инструментальных материалов;
- предложен способ электроосаждения на асимметричном переменном токе с последующей термообработкой железо-фосфорных сплавов и композиционных покрытий железо-фосфор-карбид вольфрама.
Практическая значимость исследования cостоит в следующем: разработаны эффективные технологии и предложены практические рекомендации получения инструментальных и конструкционных материалов с электрофизическими покрытиями с повышенным уровнем износо-, жаро- и коррозионной стойкости; намечены пути дальнейшего совершенствования электроискровой обработки (ЛЭНП и ЭЛАНП) путем обработки поверхностных слоев покрытий лазерным излучением и выглаживанием минералокерамикой. Основные выводы диссертации подтверждаются полупромышленными испытаниями. Результаты работы внедрены на предприятии «ОАО Геомаш» и в учебный процесс подготовки студентов кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование». Акты внедрения представлены в приложениях диссертации.
Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов определяется корректностью постановки задач, согласованностью с результатами других ученых, работающих в данной области, и с общепринятыми представлениями, признанием полученных результатов на различных международных и отечественных семинарах и конференциях; подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, проведением экспериментов с использованием стандартных и аттестованных металлофизических методик, применением независимых дублирующих экспериментальных методов, а также сравнением опытных данных с расчетами и апробацией в условиях производства.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: III Межд. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2007 г.); XVIII Межд. науч.-техн. конф. «Лазеры-2007» (Адлер, 2007 г.); XV юбилейной Межд. конф. «Современные
методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2007 г.); XIII, XIV, XV Росс. научн.-техн. конф. с Межд. участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2006, 2007, 2008 гг.); VIII Межд. науч.-практ. конф. «Новые химические технологии: производство и применение» (Пенза, 2007 г.); IV всеросс. научн.-техн. конф. «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2007 г.); I Межд. науч.-практ. конф. «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них 5 в журналах рекомендуемых перечнем ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 148 стр. машинописного текста, иллюстраций 26 , таблиц 14, литературных ссылок 132.
