Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса повышения износостойкости деталей машин. Цель и задачи исследований. Материалы и методика их исследования. 7
1.1. Современное состояние вопроса 7
1.2. Связь износостойкости с электрическими параметрами зоны трения. 21
1.2.1. Связь износостойкости с электродным потенциалом. 2Г.
1.3.Цель исследования 29
1.4. Материалыи методы исследования 32'
1.4.1. Обоснование выбора материалов. 32
1.4:2. Исследования структуры и свойств материалов; 34
1.4.3. Методы испытания на износ .36
Выводы 36-
Глава 2. Определение совместного параметра механической: и физико-химической систем металла, нагруженного механически; стрением 41
2.1. Образование пассивирующих слоев металла 54
2.2. Влияние химического состава сплава на основе железа на поверхностную активность 63
2.3: Зависимость между механическими и физико-химическими параметрами металла, нагруженного механически с трением 70
Выводы: 86
Глава 3. Повышение износостойкости стальной основы; многофункциональным покрытием . 87
3.1. Постановка задачи и известные решения- 87
3.2. Принципы формирования однослойных и полислойных композиционных покрытий
3:3: Термохимическая обработка (ТХО): Создание однородности поверхности сталей
3.4. Упрочнение стального основания монослоем композита: 100
3.5. Повышение износостойкости путем управления свойствами композита 104
3:5:1. Повышение износостойкости за счет улучшения. механической:прочности металла. 104
3.5:2; Уменьшение износа путем повышения коррозионной; стойкости стальной подложки. 105
3:5:3: Уменьшение износа повышением трибологических свойств металла 109
3.6. Технология повышения износостойкости измерительного инструмента 110
3.7,Предложения использования технологии: конструирования свойств металла 117
Выводы. 121
Глава 4 Общие принципы управления структурой металла в зоне трения электрохимическим способом. .122;
4.1. Влияние механической нагрузки и внешней поляризации на процессы, протекающие в зоне трения: 122.
4.2. Распределение токаи потенциала в зоне стендового узла трения 128;
4.3: Основы выбора структур; встраиваемых .между сопряженными поверхностями; и среды для их образования - 132
4:3:1. Общие положения. 132
4.3.2. Восстановление Си, Zn, Sn из водных растворов в стендовом узле трения: 134
4.3.3: Восстановление Си, Zn. Sn из водорастворимых паст 137
43:4; Восстановление металлов Си, Zn; Sn из электролитов -с масляной основой (безызносное трение): 138
4.3:5. Влияние скорости относительного движения сопряженных поверхностей на параметры образования компактных структур.
4:4. Определение возможности сохранения создаваемых структур в условияхпассивированияметалла: 142
4.4.1. Характеристики оксидной плёнки. 144
4.4.2; Исследование изчоса металла в условиях вращающейся детали 160
Выводы 164
Глава 5. Практическое применение результатов исследований. 165
5.1. Способ облегчения механической обработки стальных деталей, упрочненных композиционным покрытием. 166
5:2. Применение тонкослойного композиционного покрытия в качестве промежуточного слоя. 169
5.3. Образование защитных слоев при резании металлов 174
5.3.1.Общая схема применения электрохимической защиты в процессах точения деталей 175
5.3.2. Модернизация жидкости СОЖ- Zn, применяемой в качестве электролита выделения Zn 176
5.3.3. Выделение Си и Sn в условиях резания. 179
5.3:4: Преимущества применения электрохимической; системы в условиях механической обработки точением: 182
5.4. Выделение защитных металлов с использованием обрабатывающего станка 185
5.5. Облегчение работы подшипников скольжения. Создание условий безызносного трения: 188
5.6. Экономический и экологический эффекты от предложенных технологий. 191
Общие выводы 201
Литература 203
- Связь износостойкости с электрическими параметрами зоны трения.
- Влияние химического состава сплава на основе железа на поверхностную активность
- Принципы формирования однослойных и полислойных композиционных покрытий
- Основы выбора структур; встраиваемых .между сопряженными поверхностями; и среды для их образования
Введение к работе
Главной целью настоящего диссертационного исследования, является разработка способов контроля и управлении структурой и свойствами поверхностных слоев стальных деталей электрохимическими методами, расширение и у глублен ие теории и практики противодействия; изнашиванию металла в условиях механического нагружения с трением в жидкой среде;
В' работе рассматриваются: две: системы — механическая, и электрохимическая - связанные: условиями; механического нагружения металла.
Вг работе изучены закономерности^ процессов- на; границе- металл — жидкость при: трении, механизмы растворения, разъедания и разрушения металла. Изучены процессы. формирования; структур, тормозящих эти; процессы под воздействием различных, факторов; в частности; скорости вращения: детали, давления^ в зоне контакта и изменения? поверхностных процессов под влиянием среды.
Разработана методика исследования* свойств и: структуры поверхности с помощью электрохимической системы. Показаны преимущества метода, который базируется? на управлении электродным потенциалом металла. Определены, условия, в том числе значения электродного потенциала, приводящие практически к безызносному трению.
Доказано; что- неоднородность - поверхностного потенциала, создаваемая многокомпонентной системой, и многофазными, структурами, приводит к н еоднородн ому разрушению и образованию структур: на грани це; раздела фаз металл - жидкость.
Показано; что кроме: применения; в системе1 высокоэффективных покрытий: необходимо создание регулируемой: жидкостной' среды. В системе сталь, - покрытие1 NiP-a-АІгОз выявлены условия получения эффекта отрицательного воздействия на контртело..
Дополнительно исследовано^ влияние нитрида бора,, который при введении в покрытие повышает твердость и уменьшает коэффициент трения.
Изучены закономерности формирования тонких слоев Zn, Си, Sn на поверхности конструкционного1 материала. Эти быстроизнашивающиеся «жертвенные слои» постоянно^ воспроизводимые: в среде, выполняют функцию защиты основного металла;
При изучении вышеуказанных быстроизнашивающихся покрытий выявлен отрицательный- эффект наводораживания стали. Выявлены условия для подавления; этого эффекта и получения в соответствующей среде высоких характеристик износостойкости.
На базе проведенных исследований разработана серия технологий^ защищенная пятью патентами.
Установленные закономерности могут быть использованы при проектировании реальных, машин и, механизмов различного; назначения, определении их энергетических параметров и показателей надежности. Предложенные методы управления; электродным потенциалом; позволяют значительно повысить ресурс работоспособности разработанных высокоэффективных покрытий в парах трения.
Связь износостойкости с электрическими параметрами зоны трения.
Исследования структуры и свойств материалов:; Для; исследования; структуры используемых, материалов приняты: стандартные методы, применяемые в металловедении:1. Оптическая микроскопия (металлографический микроскоп Neofot- 2);2. Электронная: микроскопия: (сканирующий,: электронный микроскоп SEM: фирмьг Hitachi типа S. - 2460N4, туннельный: сканирующий микроскоп STM);3: Рентгеновская: спектография; (рентгеновский: микроанализатор с дисперсией энергии EDS фирмы Noran Instruments) [127-135]; 4. Толщина покрытий измерялась виротестером [217] или колотестором 5: Твердость замеряли на приборе Vickersa при нагрузке ОЛ г. 6. Электрохимические свойства выбранных металловг исследовали,известными электрохимическими методами; [209-215]. Электродный!потенциал металла в макроскопическом состоянии задавали,с помощьюпотенциостата-гальваностата;, Изучались зависимости; между заданным;электродным потенциалом: я- соответствующими ему скоростями:различных: электрохимических процессов,, определяющих структурупассивационных пленок.Для; исследований методами вольтамперометрии и,электрохимической"спектроскопии использовалась следующая аппаратура:: потенциостат - гальваностат Atlas: — 98 (Польша) с: программным управлением; JMP-98 с программами ACPOL-98 для-5 исследования: имиедансных. характеристик, DDC-98 для; исследования емкостных: характеристик: электрохимических: систем: с. вращающимся: дисковым; электродом. Atlas - 98 используется для- измерения: поляризации: и импеданса электрохимических систем.. Пределы измеряемых, параметров:, Е гк - потенциал, измеряемого электрода , от -5до5+5 V; 1ро{ - ток поляризации: от: 0 і до? 2000" гаА; Vnn-скорость линейной І развертки потенциала для; аналогового генератора? RAME max, 100 мВ/с. Изм еряемые частоты: от 100 мПц до 99.9 кГц;. Предел; измеряемых импедансо в-от 0Л Ом; до-10; МОм. Погрешность: измерения потенциала от 0,2 до 0,о% в зависимости; от пределов измерения. В качестве: электрода: сравнения: применялся; электрод типа: Eurosensor EagGlP - ЗІ 1Т470 и в некоторых случаях платиновый электрод, возможна; модификациям установки путем: применения: специальной; измерительной ячейки, вариации: способа, соединения:электродов между собой, изменения? их геометрии, формьъ т природы используемых материалов,, присоединением-: вращательного1 электрода - GT№ 101 (производитель Radiometer Copenhagen Go) со скоростью вращения от 0 до 5000І об/с.\ Аппаратура, для: электрохимических; исследований; по; мере; потребностей использовалась не с измерительной ячейкой, а подключалась к другой системе, например для; изучения процессов- в: узлах: трения: трибологической машины или настольного токарного станка:. Схема.основной аппаратуры для? электрохимических исследований показана:на рис, 1.5:Методы испытания на износ На; рис. 1.6. представлены, схемы: различных узлов: трения; используемых для исследования? износа; деталей, выполненных: из; исследуемых материалов.
Применяемые для исследования»узлы; трения различаются прежде всего формой; геометрией исследуемых материалов, химическим составом; смазочных: средств, способом: их подачи в зону трения; В современных установках (тестерах) управление: механическими- нагрузками осуществляется;компьютером; что дает возможность повысить точность и; воспроизводимость.исследования. Каждая? из:приведенных схем является; одновременно узлом машины. На рис. 1.7. и: 1.8; показаны кинематические схемы машины Амслера- и 77МТ-1 с выделением: в них узла трения. Машина: Амслера позволяет исследовать материал, нагруженный механически с трением скольжения;, а машина 77МТ-1 — износ при-поступательно-возвратном движении. Конечным этапом трибологических исследований: является; подсчет коэффициента трения: где Mz — момент трения, Н м; Р - сила нагружения образца, Н; D номинальный диаметр образца - контртела, м.После окончания- исследования; определяется износ весовым илилинейным (микрометрическим,. макроскопическим илипрофилометрическим) способами;На рис.Г.8: показана; кинематическая: и конструкционная схема-машины трения 77 МТ-1.Выводы к первой главе: Исследуемый металл: в макроскопическому состоянии представляет собой деталь технического устройства.
Влияние химического состава сплава на основе железа на поверхностную активность
Повышение износостойкости за счет улучшения механическойпрочности металла В І главе 1 представлена структурно-размерная; модель (рис: 1.1), в которой; предполагалось, плавное; (градиентное) повышение твердости, от сердцевины; летал и (конструкционного- металла) до границы, раздела- фаз; твердое тело — эксплуатационная; среда. Это позволяет избежать скачкообразного изменения, тверд ости на; границе сталь—никель-фосфорное покрытие;и между монослоями. Для примера рассмотрим: конструирование слоя покрытия- толщиной 5 мкм с: градиентом микротвердости; Такое покрытие может быть сконструировано следующим образом: 1. из пяти? слоев толщиной! 1 мкм каждый с; частичками- корунда:размерами V мкм;; 2: из двух;слоевЦ,7-2,2:мкм с частичками;корунда 1,7-2,2 мкміи одного; слоя толщинош I мкм с частичками корунда размерами, корунда.менее: Градиент по твердости; в случае: упрочнения сталей- композитом! создается; путем; послойного строения? с; регулируемым расположением \ упрочняющей фазьь в; каждом; монослое: Характеристики монослоев приведены в табл і 3:3:.
Так как м и кротвердо сть регулируется концентрацией: частиц в каждом-монослое, то для, каждого размера; частиц (таб.: 3:4:) выбирается; концентрация, отвечающая требуемой твердости; Например, для пяти; слоев размеромшенее. 1! мкм увеличивается твердость от НУ 500-550 (2 монослоя);: HV 1650-1800(1 монослой) SH:HV 1950-2000:(1 монослой).. При; конструкции? покрытия из частиц размером 1 мкм- возможно, увеличить, твердость, по толщине покрытия от HV (500-550:.. 1650-1800) до HV 1950-2000 безохрупчивания; покрытия. При этом износостойкость увеличивается от 1,8-210 мкм для покрытия, не содержащего упрочняющей фазы, до 0,03-0,005 мкм при градиентном расположении частиц в покрытии после 10 часов работы в; условиях стендового узла трения 200 об/мин и нагрузке 175 Н. Допустимое нагружение проверяется увеличением нагрузки на стендовом узле трения. Аналогично поступаем, при конструировании: полислойных и поликомпозитных покрытий; Последние слои; контактирующие со средой и. контртелом, целесообразно упрочнять фазой- позволяющей; снизить коэффициент трения; Например; упрочнение BNV позволяет уменьшить, коэффициент трения от 0,4-1.2 при трении сталь.— сталь до 0,016-0,03;Уменьшение износа путем повышения коррозионной стойкостистальной подложки, Коррозионную стойкость конструкционных стальных деталей повышают путем:осаждения покрытий; Ві случае никелевых покрытий, его защитные свойства определяют пористость осажденного слоя. На.рис. 3;8, показаны: этапы образования; монослоя композиционного покрытия г и результаты его испытаний при воздействии царской: водкой. Риса) и в) представляют поверхность= стального основания? гладкой (а) и шероховатой (в) поверхности подложки после проведения ТХО и закрепления: частиц = корунда: Частицы корунда достаточно равномерно закреплены как: на полированной І поверхности- подложки, так и на предварительно обработанной наждачной бумагой №600. Рис: 3.8: с) и?d); представляют поверхность композита Ni-P после заполнения промежутков между частицами сплавом е) микросферы размером 30 мкм -и корун дом Л) размером І 1,7-2,2 мкм: Из рисунков: видно; что внешний вид покрытия: не: зависит от размера частиц, встроенных в никель-фосфорное покрытие. Для выявления возможных областей структуры, покрытия, которые; могут привести к нару шению коррозионной: стойкости, после нанесения на\ них монослоя покрытия воздействовали; царской водкой, результаты показаны, на рис.3.8. е) и- f). Исследования показали, что встроенные в покрытие частички микросфер: не нарушают порядка кристаллов t покрытия, размеров зерен. Местами, которые вытравливаются в первую очередь, являются соединения І кристаллов между собой; Обнаружено, что в одном монослое (pHc.3.8.f) возможно образование коррозионных язв при неполном заполнении промежутков между частицами. Исследования; пористости, определяемой электрохимическим: способом, в зависимости от способа получения покрытиями основы покрытия і показано на рис.3.9. Условия получения исследуемых покрытий:1. Электролитическое осаждение из. электролита, содержащего (г/л):: NiSOr7H20 250; NiGl2-6H2O - 70; Н3В03 - 30; паротоуольсульфамид - 0,1; кумарин - 0,2; прогресс - 0,1 мл/л; прш t=20-55C и: катодной плотности тока 3 А/дм?.2. Автокаталитическое. осаждение; сплава;Ni-P производится из;раствора: металлизации (г/л):; NiSOr7H20 - 40; NaH2P04-H20 - 20; Є3Нб - 5; Н3В03- 10;-NHiBFi-6;:pH-:=4;8:-5i3; t=90±5G;3; Монослой корунда; размером» 1,7-2,2 мкм, плотностью: упаковки (6;5-13j3)-106 шт/см2, твердостью HV 1400-1500 помещался ближе границы раздела фаз стальное основание - покрытие; 4. Пятислойное покрытие получено встроением; двух: монослое частиц размером 1,7-212 мкм с плотностью упаковки (6,5-13;3)-10б шт/см2, (7,0-17,8)-106 шт/см2, слои ВЬЬ при; соотношении носителя; и частиц (лепестковый) 1:0; 12 и 1:0,25І. Полученные результаты показали; что у вел ичение толщины никелевого= покрытия; приводит к: понижению пористости; для всех материалов и способов- нанесения; Для; обеспечения; протекторной; защиты; никелем;, выделяемым; электролитически, требуется толщина: 16-17 мкм а для/ получения беспористого композиционного покрытия всего і 4-6 МКМ;. Получению беспористых: покрытий; при; пониженной: общей? толщине: способствуют проводимые; операции ТХО во время; кристаллизации; сплава; Для; их проведения; (закрепления; упрочняющих- частиц, термически восстановленным сплавом г Ni-P), кристаллизация; после заполнения промежутков; между частицами; прерывается: и заново возобновляется после создания очередного? слоя.
Принципы формирования однослойных и полислойных композиционных покрытий
Предложения использования технологии конструирования свойств металла Проведены: подробные комплексные исследования г двух видов твердых частиц, встраиваемых в: поверхностный слой никель — фосфорного; покрытия: В то же:время;количество, разновидности:и;свойства частицу которые могут быть применены: в модификации: поверхностных слоев больше (табл.3;1). Исследования? сложны, в основном из-за, их малого и: неопределенного размера: Из:группы частиц корунда: менее Г мкм; 1,7-2,2. мкм;:3,0-3-5 мкм;; 5,0-7,0 мкм, больше 1,7-2.2 мкм; считаются: большими. Количество1 частиц, закрепленных поверхностью, равномерность их распределения-на подложкепри достаточно большой по размеру и форме встраиваемой фазе можно определить под микроскопом. Однако более достоверными; являются; результаты: распределения-частиц после заполнения- пространства между частицами;- металлом, заполняющим пространство между ними. Образцы со встроенным монослоем, частиц: исследовали; электронографическим методом SEI; На: рис. 3.121 пресдставелен снимок поперечного сечения І никель — фосфор - корундового слоя;(х 1000); В;середине слоя?виден;ряд точек,,расположенных:параллельно по отношению к стальной; подложке.
На увеличенном; фрагменте (х 1500) линия, сканирования; выбиралась так,,чтобы пересечь покрытие через одну, две или три точки,, видимые в;поперечном разрезе. Пример:такого выбора представлен; на рис.. ЗЛ2а,. а; результаты; исследований; линейного распределения- никеля и; алюминия - на рис. 3 Л 2с. Из; сравнения кривых. 1,2 рис. 3;12 с следует, что в местах нахождения интересующих, нас точек: содержание: алюминия оказывается? максимальным, а никеля; наоборот, минимальным. Это позволяет утверждать, что- места, точек являются: соединениями алюминия; следовательно, закрепленными; в. процессе формирования покрытия частицами ссАЬОз. Такой; вывод подтверждает поверхностное-распределение алюминия (рис. 3:12 с): В случае:исследования BN электромонограммы очень слабо- выявляют его присутствие в поверхностном: слое;. В то же время по; измерению микротвердости; монослоя; (табл.3;6):упрочненного і частицами; В№ показали; его преимущества-достигнуто самое большое увеличение этого показателя; Поскольку разработанная технология- включает операции? регулирования концентрации;частиц:в каждом;монослое путем применения; носителя (адсорбента)» этих; частиц, возможно, минуя; кропотливые исследования, опираясь, на; проведенное, перейти; к трибологическим: исследованиям, сокращая число исследований, связанных; с определением; количества частиц в каждом монослое:. В; исследованиях износостойкости, проводимых на і стендовой машине: Амслера, были- отмечены две особенности: поведения монослоя на: изнашивание; При? малой и: большой г концентрации наносимых частиц
Основы выбора структур; встраиваемых .между сопряженными поверхностями; и среды для их образования
Преимущества применения электрохимической системы в условияхмеханической обработки точением; При-: обработке деталей; резание: — это? чаще всего, промежуточная операция .і в целом; цикле технологического процесса формирования детали? и; ее структуры. Обычно, механическую обработку детали проводят дважды:: сначала придают металлу форму; после проводят термо- или химико-термическую обработку; т.е; формируют структуру верхних слоев; а затем: механически (шлифовкой) удаляют некачественные слои: нагар, высоко- и низкотемпературные продукты коррозии; после; чего направляют, детали для; нанесения покрытий. В; условиях; механической обработки; дополнительно формируется структурный слой; являющийся; результатом- механического воздействия; режущего инструмента и применениям СОЖ. Этот, слой; дополнительно; защищают составами; временной (межоперационной) коррозиционной защиты, чаще: всего? в. виде масел; и смазоЛеред основной;операцией; нанесения покрытия; образованные, слои в условиях механической = обработки удаляют.химическим или электрохимических способом. Для проведения Ї качественной; механической; обработки сначала1 удаляются составы: временной коррозиционной; защиты, затем верхние: слои; состоящие; из: оксидов металла» и продуктов пр именяемыХ: жидкостей; То есть достигнутые требования; в механической; обработке; по размеру, чистоте поверхности; нарушаются: в:.операциях приготовления поверхности: перед: нанесением покрытий: В і операциях приготовления: поверхности :ис-пол ьзуются органические растворители масел и смазок, растворы; щелочей \ и солей с поверхностно активными веществами;, травящие кислоты орга 182 Защитные свойства цинковых покрытий выделяемых путемэлектро натирания в зависимости от их толщи ны и скорости передвижения покрываемой поверхности относительно аноданические и неорганические. При этом- используется-огромное количество воды:.для-приготовления растворов, многократных промывок в горячей и холодной воде. Отработанные растворы,после предварительной обработки не поддаются регенерации.из-за многокомпонентное состава и низкого процентного содержания..
Они; разбавляются водой, до? нормативного - содержания w входят в; состав сточных: вод;. Эти процедуры\ особенно отчетливо-видны нечувствительны в; процессе [обработки; сплавов ша основеже-леза. Они сильно? отличаются І между собойшо количеству компонентов и типам образующихся межатомных связей (приводят к шлакообразованию при травлении). Самое главное В: том, что приводимые, операции; могут нарушить качество созданных структур:верхних поверхностных слоев; Исследования показали; что разброс по-толщине закаленного слоястали; 45 после механической обработки изменяется в 2 раза; Измерения толщины проводились-виротестом на валиках 0 30 мм: после индукционного нагрева-и закаливания-В:воде.. Неточности механической?обработки: связаны, с: ошибками в определении: базы размеров;, а-также химическая или электрохимическая: обработка дополнительно растравливает полученные структуры; Эти: недостатки возм ожно избежать путем осаждения; в условиях ме-ханической обработки- на обрабатываемой = поверхности слоя чистого металла:. Выбор осаждаемого металла І зависит от, последующих операций, не должен влиять : на: прочностные характеристики подложки и должен облег-чить процесс резания
