Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 11
l Методы получения ультрадисперсных материалов 11
'. 1 Методы синтеза ультрадисперсных порошков 14
!.ЛЛ Газофазный синтез (конденсация паров) 14
і .1.2 Плазмохимический синтез 16
[. 1.3 Осаждение из коллоидных растворов 17
[. 1.4 Термическое разложение и восстановление 18
L. 1.5 Механосинтез 20
Детонационный синтез и электровзрыв 22
Упорядочение нестехиометрических соединений 24 [ .2 Получение компактных ультрадисперсных материалов 25 L.2.1 Компактирование порошков 26 I .2.2 Осаждение на подложку 27 [.2.3 Кристаллизация аморфных сплавов 29
Интенсивная пластическая деформация 30
Электроакустическое напыление 33 1.2 Современные методы исследования и принципы аттестации ультрадис- 35 персных частиц
Электронно-микроскопические методы 3 8
Дифракционные методы 39
Методы электронной спектроскопии и масс-спектрометрии 43
2 НЕКОТОРЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ О ВЛИЯНИИ 50
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ НА МИКРОСТРУКТУРУ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА
2.1 Феноменологическая модель процесса 50
2.2 Аналитическая методика оценки критических условий охлаждения, 52
приводящих к получению ультрадисперсных структур в процессе ЭЛАН
Определение скорости охлаждения 56
Расчет критических условий охлаждения 65
2.3 О возможности рекристаллизации получаемых в напыленном слое 88
микроструктур при ударе электрода о поверхность подложки
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 96
МИКРОСТРУКТУРЫ ПОКРЫТИИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
Экспериментальная установка электроакустического напыления 98
Растровая электронная микроскопия 102
Рентгеноструктурный анализ 106
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 116
МИКРОСТРУКТУРЫ ПОКРЫТИИЙ ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
Рентгеноструктурный анализ 116
Растровая электронная микроскопия 140
5 ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА 149
МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
Опытно-промышленная установка ЭЛАН 149
Режимы электроакустического напыления 151
Оценочные исследовательские испытания инструмента на износ 152
Методика измерения износа 152
Результаты испытаний 156 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 161 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 163
4 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Метод конечных элементов применительно к системе
FEMLAB
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Пример последовательности решения задачи Стефана в 189
системе FEMLAB
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Алгоритм оценки ошибки в системе FEMLAB 195
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Пример программы расчета физического уширения ди- 199
фракционных пиков методом ГАПРЛ
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Данные о величине износа по задней грани для испы- 201
тайной партии сверл
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Иллюстрация износа испытанных сверл по задней грани 202
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Зависимости времени сверления одного отверстия от 207
общей глубины сверления
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Фотографии обработанных сверлением заготовок 209
ПРИЛОЖЕРШЕ 9. Акт внедрения установки ЭЛАН на ОАО «Роствертол» 210
Введение к работе
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последнее время в машиностроении в области создания новых материалов и технологий, задача повышения стойкости режущего инструмента и деталей машин является по-прежнему актуальной. Увеличение стойкости инструмента, с одной стороны, способствует снижению себестоимости продукции за счёт снижения затрат на приобретение и заточку инструмента. С другой - способствует повышению производительности, качества и экологичности продукции (за счёт снижения потерь времени и точности, связанных с заменой инструмента, и уменьшения расхода таких дефицитных материалов, как вольфрам, молибден и др.).
В процессе работы режущего инструмента и деталей машин наиболее тяжело нагруженным является поверхностный слой. Поэтому, одним из путей повышения стойкости является нанесение покрытий из материалов, обладающих высокими прочностными характеристиками (или легирование поверхностного слоя такими материалами). Одним из направлений получения износостойких покрытий является получение покрытий, обладающих ультрадисперсной кристаллической структурой. В последнее время интерес к исследованиям в этой области значительно возрос, т.к. было выяснено (в первую очередь для металлов), что уменьшение размера кристаллитов ниже некоторого порогового значения приводит к значительному изменению свойств материала. Новые материалы обладают высокой прочностью и твердостью, имеют более высокую вязкость разрушения и повышенную износостойкость.
Способы получения покрытий из таких материалов используют достаточно широкий круг физических процессов и явлений, однако условия, приводящие к получению новых свойств материалов одинаковы для всех способов. Это в первую очередь, высокие скорости нагрева/охлаждения и интенсивная пластическая деформация. Перспективный путь в этом направлении - использование высококонцентрированных потоков энергий (ВКПЭ): лазерное излучение, электроискровое воздействие, ультразвуковые колебания (УЗК), и др.
Одним из таких способов является электроакустическое напыление (ЭЛАН) [1]. В данном способе синхронно используется два вида энергии: электрическая и ультразвуковая, что позволяет говорить о возможности получения ультрамелкодисперсных материалов в покрытии.
Физические процессы и явления, происходящие при ЭЛАН, протекают в высоконеравновесных условиях, обуславливающих сложность их аналитического описания. Основополагающей стадией процесса формирования микроструктуры покрытий в данном случае является кристаллизация. Известно, что при высоких скоростях охлаждения расплава (порядка 10 К/с) образование и рост новых центров кристаллизации значительно замедляется, а при достижении некоторого критического значения и вовсе прекращается. При этом кристаллическая структура не образуется, а материал приобретает структуру, характеризующуюся разупоря-доченным расположением атомов - аморфный материал. В то же время, если скорость охлаждения достаточно высока, но не превышает критического значения, материал будет иметь ультрадисперсное кристаллическое состояние. В ряде случаев можно использовать контролируемый переход материала из одного состояния в другое для получения необходимых свойств. Задача осложняется тем, до настоящего времени не выработано универсального подхода для оценки склонности металлов и сплавов к образованию ультрадисперсной структуры. Поэтому актуальным является разработка такого метода применительно к процессу ЭЛАН.
Актуальность темы также обусловлена практической значимостью и перспективностью использования ВКПЭ для нанесения покрытий с прогнозируемыми свойствами и получения новых материалов; а также недостаточной изученностью и теоретической обоснованностью явлений, возникающих под воздействием ВКПЭ. Исходя из этого, были сформулированы цель и задачи диссертационной работы, которая частично выполнена в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»; подпрограмма «Производственные технологии»; тема: «Электроакустическое напыление как метод упрочнения изделий машиностроения и формообразующего инструмента» (код 04.01.063) и гранта министерства образования
«Дискретное управление износостойкостью формообразующего инструмента» (код 1158).
Цель работы: улучшение эксплуатационных характеристик и параметров качества изделий машиностроения за счет увеличения износостойкости режущего инструмента путем разработки и исследования метода получения покрытий с ультрадисперсной структурой и с использованием технологии электроакустического напыления (ЭЛАН). Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
выявить возможные факторы, влияющие на структуру и размер элементов, получаемого покрытия на основе имеющихся данных о параметрах процесса ЭЛАН;
разработать методику оценки склонности металла к образованию ультрадисперсной структуры для процесса ЭЛАН;
произвести теоретический расчет скорости охлаждения расплава, скорости зарождения центров кристаллизации, а также их размеров, на основе чего выявить диапазон изменения параметров технологического процесса, в котором теоретически возможно получение ультрадисперсных структур для различных материалов;
выполнить ряд экспериментальных исследований, направленных на определение фактических размеров элементов структуры покрытия с применением стандартных методик;
выдвинуть рекомендации по технологическим режимам, на которых возможно образованию ультрадисперсных структур в покрытии;
по указанным рекомендациям провести экспериментальное исследование влияния режимов напыления на износостойкость режущего инструмента и сравнительный анализ износостойкости для различных материалов покрытия.
разработать промышленную установку электроакустического напыления, произвести её опытно-промышленные испытания на рекомендованных режимах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
на основе подхода Дэвиса-Ульмана, а также кинетических уравнений кристаллизации, предложенных А.А. Якуниным, разработана методика аналитической оценки склонности металлов к образованию ультрадисперсной структуры для процесса ЭЛАН.
теоретически показана возможность получения покрытий с ультрадисперсной и аморфной структурами методом ЭЛАН.
по данным теоретических расчетов установлен диапазон изменения параметров технологического процесса, позволяющий получать ультрадисперсные структуры при нанесении покрытий из меди и железа.
экспериментальные исследования позволили оценить размеры элементов структуры, получаемых методом ЭЛАН покрытий на различных режимах для электродов из меди МО, твердого сплава ВК8 и стали 45.
экспериментально установлено влияние различных материалов электродов (медь МО, твердый сплав ВК8, сталь 45) на износостойкость режущего инструмента (сверл) и проведен сравнительный анализ износостойкости на рекомендованных режимах.
Практическая ценность работы состоит в создании базы для исследования физических процессов проходящих при ЭЛАН, решения задачи интенсификации данного процесса и его использованию для нанесения износостойких покрытий с ультрадисперсной структурой на режущий инструмент. Реализация этой практической задачи обеспечивалась:
- рекомендацией режимов электроакустического напыления режущего инструмента различными материалами (твёрдым сплавом ВК-8, медью, конструкционной сталью), обеспечивающих высокую износостойкость инструмента за счет получения в покрытии ультрадисперсных структур;
- созданием промышленной установки ЭЛАН для ОАО «Роствертол».
Основные положения диссертационной работы докладывались на:
международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении», Тула, ТулГУ, 4-5 июня 2002 г;
международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология - 2003», Орел, 25-27 сентября, 2003.
научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и образовании», Ростов-на-Дону, 7-9 сентября 2005 г.
международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла», Брянск, 19-21 октября, 2005.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка использованной литературы и приложений.
В первой главе рассматриваются существующие методы получения ультрадисперсных и наноструктур, их достоинства и недостатки. Рассмотрены также современные методы аттестации таких структур и их функциональные возможности.
Во второй главе описываются физические явления, происходящие при воздействии электрической искры на материал электродов. Рассматривается задача о нахождении относительного объемного содержания аморфной фазы в кристаллизующемся расплаве и на основе ее предлагается методика расчета относительного объемного содержания кристаллической фазы. Приводится расчет скоростей нагрева/охлаждения микрометаллургической ванны расплава и расчет скорости зарождения центров кристаллизации для различных металлов. Производится оценка возможности рекристаллизации при ударном воздействии. Указываются режимы, на которых теоретически возможно получение ультрадисперсных структур в покрытии для различных материалов.
В третьей главе описывается методика, особенности и оборудование для проведения экспериментальных исследований. Электроакустическое напыление образцов для экспериментальных исследований осуществлялось в лаборатории
10 «Ультразвуковые процессы и технологии» при ДГТУ, возглавляемой д.т.н., проф.
B.C. Минаковым.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований микроструктуры покрытий. Производится анализ профилей линий дифракционных отражений, полученных на дифрактометре ДРОН-ЗМ. Приводятся расчетные значения размеров областей когерентного рассеяния и величины микродеформаций. Также показаны фотографии микроструктуры, полученные при помощи РЭМ Philips для различных материалов. Делается предположение о происхождении областей неоднородности, наблюдаемых на этих фотографиях. А также выводы о реальных размерах элементов микроструктуры получаемых покрытий.
Пятая глава посвящена проведению стойкостных испытаний режущего инструмента (сверл), внедрению технологии электроакустического напыления на ОАО «Роствертол». Изучается влияние на износостойкость различных материалов электродов на рекомендованных режимах.
