Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Сертификация технологических методов формирования поверхностного слоя металлов 16
1.1 Модификация свойств поверхностного слоя без нанесения покрытия 16
1.2 Формирование поверхностного слоя с удалением припуска 57
1.3 Формирование свойств поверхностного слоя путем нанесения однородных покрытий 68
1.4 Создание многокомпонентных покрытий 85
Анализ состояния вопроса и обоснование задач исследований 99
Глава 2 Научное и экспериментальное обеспечение исследований для достижения поставленной цели 102
2.1 Рабочие гипотезы 102
2.2 Разработка обобщенного принципа полезности 103
2.3 Научная и экспериментальная база для проведения исследований 105
2.4 Процедура достижения поставленной цели 118
Выводы по главе 2 125
Глава 3 Механизм технологического воздействия на поверхностный слой с целью управления эксплуатационными характеристиками изделий 127
3.1 Критериальная система проектирования и использования технологических процессов для повышения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя 127
3.2 Временные и экономические граничные условия применения выбранного технологического воздействия 130
3.3 Критериальная оценка достижимого уровня полезности 135
3.4 Особенности моделирования процесса проектирования технологии модификации и изменения толщины покрытий 142
3.5 Реализация механизма проектирования техпроцессов совершенствования поверхностного слоя 149
Выводы по главе 3 151
Глава 4 Методология применения принципа полезности при использовании и создании технологических процессов формирования поверхностного слоя, обеспечивающего требуемые эксплуатационные показатели изделий 153
4.1 Критериальная оценка заданных показателей с возможностями технологических воздействий 153
4.2 Механизм реализации принципа полезности путем модификации поверхностного слоя без изменения его геометрии 159
4.3 Нанесение слоев с монолитной структурой 164
4.4 Комбинированные методы нанесения и снятия слоев покрытий 178
4.5 Новые технические решения, предложенные соискателем для реализации принципа полезности 182
Выводы по главе 4 193
Глава 5 Возможности и перспективы реализации критериальной оценки принципа полезности для формирования поверхностных слоев с требуемыми свойствами 194
5.1 Пути повышения эксплуатационных свойств изделий путем направленного изменения поверхностного слоя по принципу полезности 194
5.2 Повышение эксплуатационных показателей инструмента без нанесения или удаления покрытия 199
5.3 Повышение эксплуатационных свойств комбинированным методом с механическим упрочнением 204
5.4 Влияние технологических режимов упрочнения с нанесением покрытия на эксплуатационные показатели изделий 209
5.5 Нанесение комбинированных покрытий для повышения жаропрочности и жаростойкости деталей проточного тракта двигателей 213
5.6 Обеспечение эксплуатационных требований металлическими покрытиями 214
5.7 Получение первоначальных геометрических размеров и восстановление деталей 217
5.8 Модифицирование поверхностного слоя с нанесением термозащитных слоев, включающих гранулы токопроводящих и диэлектрических материалов 222
5.9 Изменение назначения изделий путем модификации поверхностного слоя 227
5.10 Удаление покрытий с модификацией поверхностного слоя 230
Выводы по главе 5 233
Глава 6 Методология проектирования технологических процессов формирования поверхностного слоя для обеспечения достижимых эксплуатационных требований 234
6.1 Создание перспективных технологических процессов с критериальным обеспечением принципа полезности 234
6.2 Реализация методологии проектирования технологических воздействий при создании требуемого поверхностного слоя для повышения стойкости режущего инструмента 239
6.3 Технологии нанесения покрытий для совершенствования свойств поверхностного слоя деталей основного производства 245
6.4 Проектирование процессов совершенствования поверхностного слоя при ремонте и восстановлении эксплуатационных свойств изделий 255
6.5 Технологический процесс комбинированного механического упрочнения с анодной подготовкой поверхностного слоя 260
6.6 Освоение технологических процессов, спроектированных на базе принципа полезности 266
6.7 Анализ перспектив использования принципа полезности в машиностроении 281
Выводы по главе 6 284
Заключение 287
Список литературы 290
Приложение 314
- Модификация свойств поверхностного слоя без нанесения покрытия
- Критериальная оценка достижимого уровня полезности
- Получение первоначальных геометрических размеров и восстановление деталей
- Технологический процесс комбинированного механического упрочнения с анодной подготовкой поверхностного слоя
Модификация свойств поверхностного слоя без нанесения покрытия
Отсутствие покрытия требует преобразований в составе поверхностного слоя обрабатываемого материала. Модификация протекает, как правило, под действием нагрева в различных средах. Технологические процессы включают в основном термообработку, выполняемую в печах, под действием лучевых методов обработки или механического ударного воздействия. В табл. 1.1 показаны технологические назначения и эксплуатационные результаты использования известных методов формирования поверхностного слоя без изменения его толщины.
Этот вид формирования поверхностного слоя на большинстве металлов изучен достаточно подробно и применяется во всех отраслях машиностроения.
Основные технические показатели для некоторых сталей приведены в табл. 1.2.
Для упрочнения поверхностных слоев изделий в промышленности в качестве материала широко используется недефицитный недорогой сплав с дальнейшей обработкой его поверхности химико-термическим методом [39]. Получившие распространение технологии химико-термической поверхностной обработки открыли возможность эффективного изменения свойств поверхностного слоя путем изменения его химического состава с управляемым получением требуемых достижимых эксплуатационных свойств поверхности изделия. Метод химико-термической обработки позволяет изменять свойства поверхностного слоя материала в направлении от поверхности к сердцевине за счет диффузионного насыщения поверхностного слоя элементами, находящимися в атомарном состоянии и способными растворяться в материале детали. За счет этого повышается износостойкость деталей машин (в основном путем увеличения твердости поверхностного слоя). Кроме того, достигается повышенный уровень остаточных напряжений сжатия, что способствует росту сопротивления усталости. Отдельные виды химико-термической обработки (например, азотирование) повышают антикоррозионную стойкость деталей, работающих при нормальных и повышенных температурах.
При химико-термической модификации поверхностного слоя происходят три одновременно протекающих процесса: диссоциации, адсорбции и дифузии.
Образование активных, способных диффундировать атомов насыщающего элемента (например, углерода) характерно для диссоциации.
На границе активного вещества (например, газа) и материала детали происходит поглощение в процессе адсорбции активных атомов поверхностного слоя основного металла (хемосорбция).
Перемещение адсорбированных атомов от поверхности вглубь обрабатываемого металла (изделия) свойственно диффузии, в результате которой образуется поверхностный (диффузионный) слой с повышенным градиентом концентрации насыщающего элемента в направлении от поверхности вглубь металла. Образование этого слоя влечет за собой изменение структуры металла, его свойств, сопровождающиеся возникновением твердых растворов или фазовыми превращениями. Толщину диффузионного слоя определяют измерением расстояния от поверхности до глубины, где устанавливается заданная твердость, или от поверхности до межфазной границы.
На длительность процесса химико-термической обработки влияют температура при насыщении, природа диффундирующих атомов, их концентрация на поверхности изделия, вид и состав образующегося твердого раствора, скорость роста толщины диффузионного слоя.
На скорость роста толщины слоя ( ) значительное влияние оказывает температура обработки ( ), что отражено в зависимости, (1.1) где – температурный коэффициент диффузии для материала детали, – энергия активации атомов насыщающего материала, – газовая постоянная.
На рис.1.1, а представлено увеличение толщины слоя при повышении температуры насыщения. Экспоненциальная кривая на рис. 1.1, а позволяет обоснованно назначать режимы химико-термической обработки при проектировании технологического процесса.
Время обработки влияет на рост толщины измененного слоя (рис. 1.1, б). Последнее зависит от химической активности атомов насыщающей среды, которая влияет на динамику изменения концентрации атомов в насыщающей среде и на поверхности материала детали, скорость образования химических соединений по глубине металла.
Если активность атомов невелика, то интенсивность роста толщины слоя приближается к линейному закону: ( - время протекания процесса) и оценивается скоростью химической реакции в окружающей среде через коэффициент (прямая 1 на рис. 1.1, б).
При высокой активности атомов скорость увеличения толщины слоя происходит по закону, описываемому квадратичной параболой: , где – коэффициент, зависящий от вида диффундирующих атомов и других факторов. Тогда скорости насыщения и роста толщины слоя зависят в основном от скорости диффузии атомов (кривая 2 на рис. 1.1, б).
Если активность атомов и скорости их диффузии близки, то рост толщины подчиняется уравнению степенной параболы, и зависит от скорости реакционной диффузии атомов (кривая 3 на рис. 1.1, б).
При повышении концентрации диффузионного компонента на поверхности реагента толщина слоя увеличивается, и этот процесс зависит от температуры и продолжительности процесса насыщения.
На скорость диффузии влияет вид образующегося твердого раствора (рис. 1.2).
Твердые растворы внедрения ( ) образуются за счет диффузии атомов насыщаемого компонента и обрабатываемого металла. При этом атомы насыщаемого компонента диффундируют быстрее атомов, образующих твердые растворы замещения ( ).
Характер взаимодействия диффундирующего компонента с насыщаемым металлом влияет на концентрацию растворенного вещества по глубине слоя.
Имеет место значительная или неограниченная растворимость в твердом состоянии. На рис. 1.2 показано монотонное уменьшение концентрации растворенного элемента от поверхности вглубь.
Критериальная оценка достижимого уровня полезности
Для решения задачи о суммарном действии внешних воздействий и достижения экстремального значения уровня полезности необходимо:
- наличие значений , после чего производится оптимизация показателей методом линейного программирования;
- если используется ограниченная выборка (что, как правило, происходит на практике), то применяется метод дискретной оценки воздействий, в том числе при комбинированном использовании таких воздействий. Здесь могут быть созданы обобщенные показатели П , соизмеримые с П и Пд , т.к. усредненные значения шкалы полезности более строго нивелируются среди этих показателей;
- упрощенной оценкой уровня полезности одного из заданных разработчиком главного эксплуатационного показателя (П ) без учета положительных воздействий других технологических методов. Этот метод оказался наиболее востребованным, хотя и дает весьма приближенные результаты.
Технология реализации критериев воздействия технологических методов воздействия базируется на булевых переменных, которые открывают возможность оптимизировать различные воздействия с получением единственного критериального показателя полезности Пд.
Алгоритм построения системы критериальной оценки уровня полезности приведен на рис. 3.1.
Алгоритм на рис. 3.1 дает возможность систематизировать отдельные воздействия с возможностью удаления негативных изменений в структуре комбинированных процессов, установить экспериментальные значения по достижению эксплуатационных показателей, обосновать допустимые временные границы освоения новых технологий с учетом их использования для перспективных изделий нового поколения наукоемкой техники, определить возможные затраты и эффективность применения известных и разрабатываемых способов формирования поверхностных слоев с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Обоснованность выбранного по рис. 3.1 метода технологического воздействия на состояние поверхностного слоя зависит от информационной базы (базы знаний), которая должна постоянно пополняться по мере освоения новых изделий. Оценку достаточности имеющейся информационной базы можно выполнить по общему показателю [178]
В табл. 3.1 не рассматриваются общеизвестные технологические приемы (например, цементация, азотирование, цианирование), достаточно полно освещенные в справочной литературе. Значительная часть технологических способов и воздействий, приведенная в таблице, находится на уровне изобретений и пока слабо изучена, хотя их применение в перспективных изделиях весьма предпочтительно.
При наращивании однородного слоя (табл. 3.1) удается получить новые свойства материалов при сохранении или восстановлении полезных свойств (коэффициентов полезности) за счет химического и термического воздействия при покрытии материалов, не обладающих, например, высокой степенью защиты от внешних факторов (в частности, коррозии в агрессивных средах), что необходимо для двигателей, работающих с агрессивными топливами.
Включение гранул в покрытия (табл. 3.1) открывает возможность переносить их особые эксплуатационные характеристики на всё изделие, сохраняя при этом полезные свойства основного материала. Примером может служить нанесение высокотемпературного покрытия из чугуна на легкоплавкий алюминиевый сплав, имеющий более низкую удельную массу, но слабую защиту от действия агрессивных сред и малую износостойкость.
Более подробно эксплуатационные характеристики изделий с измененными свойствами поверхностного слоя приведены в [150].
Получение первоначальных геометрических размеров и восстановление деталей
При восстановлении деталей могут использоваться покрытия толщиной в несколько миллиметров. Так в [130] приведены сведения о получении слоя меди М1 на стали Х12М толщиной 1,3 мм.
Микротвердость покрытий (рис. 5.13) зависит от свойств материала инструмента и в 1,52 раза может превышать показатель исходного материала детали. Это по [130] увеличивает износостойкость изделий до 45 раз.
В работе [208] предложено для повышения толщины покрытия чугуна по стали или чугуну применятъ многослойное нанесение материала, последовательно накладывая слои стали или чугуна.
Не всегда представляется возможным восстановить чугунные детали стальным покрытием, поскольку для получения исходных свойств их поверхности требуется нанесение материалов с характеристиками, аналогичными эксплуатационным свойствам деталей после эксплуатации. Ранее пытались наносить толстые покрытия из чугуна на заготовки из аналогичного материала, но они оказывались не всегда удачными, т.к. отбеленный чугун мог иметь развитую сетку трещин, и при работе изделия интенсивно разрушался.
Характеристики слоев чугунного покрытия зависят от энергии применяемых импульсов. Экспериментально доказано, что диффузионный слой углерода на деталях из чугуна СЧ40 после нанесения аналогичного покрытия при использовании импульсов с энергией 2 Дж составляет 0,2 мм. При этом в рассматриваемых материалах содержание углерода увеличивается до 33,3 %. Расчеты температур на поверхности покрытия показали, что их величина может достигать 15001600 К, а при измерении этой величины на глубине 20 мкм – около 2000 К. Углерода в покрытии из стали 3 обнаружено от 0,25 % до 22,5 % (рис. 5.14) (стандартное содержание углерода 0,3±0,5 %).
На рис. 5.14 приведены результаты исследования свойств стальных покрытий. Показано, при содержании углерода более 3,5 % и температуре выше 1400 К образуется дефектный слой, а при покрытии чугуном с малой толщиной отбеленный слой находится в приповерхностной зоне и может располагаться на глубине, превышающей 0,030,05 мм. В случае покрытия чугуна сталью отбеленный чугун не образуется как по глубине покрытия, так и в поверхностных слоях чугунных материалов. В ряде случаев количество углерода в покрытии оказывается ниже, чем это требуется при эксплуатации изделий. На участке 1 (рис. 5.14) на поверхности детали содержание углерода оказалось ниже, чем у поверхностного слоя из малоуглеродистой стали. Видимо, это вызвано выгоранием углерода под действие тепла от перегретой капли металла, снятой с анода. На рис. 5.14 приведены участки II и III, где содержание углерода одинаковое, хотя его количество может возрастать в силу обратной диффузии в покрытие из материала заготовки (участок III). Количество углерода на границе «покрытие - заготовка» находится меньше, чем в заготовке (участок V), а участок IV с меньшим его содержанием может иметь толщину, соизмеримую с толщиной покрытия.
При последовательном комбинированном наращивании покрытия чугуном через слои стали удалось избежать ухудшения качества восстанавливаемых изделий и повысить общую толщину слоя до 1,5 мм. При этом сохранена бездефектная подповерхность зоны из чугуна (см. табл. 5.4).
В работах [72, 94, 97, 150 и др.] рассматриваются новые способы формирования поверхностных слоев, разработанные в последнее время.
В станкостроении и при изготовлении машин для сельского хозяйства, транспорта большинство деталей изготавливают литьем в песчаные формы из серого чугуна. В деталях могут возникать различные дефекты: пустоты, раковины, местные недоливы, возникающие в поверхностном слое, которые необходимо устранить при сохранении структуры исходного материала и без формирования отбеленного чугуна. Детали, полученные литьем из чугуна, могут изнашиваться в процессе эксплуатации, и их необходимо восстанавливать без применения значительного нагрева покрытия. Известные способы восстановления размеров литых чугунных деталей не обеспечивают стабильного получения требуемой структуры материала, вызывают изменение формы деталей и утрату точности их профиля. Попытки применения электроэрозионной обработки для восстановления чугуном формы чугунных (а также стальных) деталей давали приемлемый результат в случае толщины покрытия менее 0,4 мм, а это в большинстве случаев не отвечало требованиям заказчика. Увеличение толщины чугунного покрытия приводило к появлению слоя отбеленного чугуна с развитой сеткой трещин, а при наращивании нескольких слоев не удавалось получить хорошую адгезию между слоями и надежную связь с основой (сталь, чугун, другие металлы). Кроме того, с увеличением количества слоев (с целью увеличения толщины покрытия) снижается качество поверхностного слоя и скорость обработки, что делает электроэрозионный метод менее рентабельным.
Разработанные методы нанесения многослойных покрытий с переменным наращиванием слоев стали и чугуна по способам [116, 117] позволили снять практически все указанные ограничения и получить инструмент для восстановления геометрии и эксплуатационных свойств покрытий.
Технологический процесс комбинированного механического упрочнения с анодной подготовкой поверхностного слоя
Такой способ детально рассмотрен в главе 4. В [50] показано воздействие технологической среды на микротвердость поверхностного слоя образцов, упрочняемых стальными закаленными шарами и роликами различного сечения, и при использовании других сред, в том числе из абразивных гранул двух разновидностей.
На формирование шероховатости поверхности влияет механический режим обработки, и в значительной мере - электрические параметры комбинированной обработки. При размерной обработке углеродистых конструкционных сталей преимущественно используется слабый электролит на основе хлористого натрия. Его выбор объясняется высокой активацией хлор-ионами и повышенной электропроводностью раствора. Получение высокого качества поверхностного слоя при обработке легированных сталей и цветных металлов возможно при использовании смешанных электролитов.
Наибольшая производительность получена при обработке детали в закрепленном состоянии. Как показывают результаты экспериментов, применение переменного тока является менее эффективным. Скорость съема припуска при различных схемах обработки зависит от интенсивности механических и электрохимических составляющих ВиАЭХО. В первом случае наблюдаются различные силы соударения, во втором – создается большая плотность тока в местах обработки. Однако с учетом трудоемкости подготовки к выполнению операции обработка свободно загруженных деталей при меньшей интенсивности процесса ВиАЭХО оказывается более производительной из-за одновременной загрузки большего количества деталей.
Если обработка производится при закреплении деталей с индивидуальным подводом тока, то за счет электрохимической составляющей съем металла заметно возрастает. При этом силовые (механические) параметры влияют значительно меньше. В случае больших плотностей тока амплитуда колебаний практически не оказывает влияния на съем материала. Аналогичное явление наблюдается и при изменении грануляции абразива. Выбор частоты колебаний может заметно влиять на скорость удаления припуска из-за интенсивного разрушения пленки, которая образуется из продуктов электрохимического растворения и снижает скорость протекания процесса. Влияние ВиАЭХО на технологические показатели комбинированного процесса приведено на рис. 6.9, 6.10.
Приведенные в [50, 199, 200, 201, 204] результаты исследований показывают, что скорость удаления припуска и получаемое качество поверхностного слоя при комбинированной обработке во многом зависит от химического состава растворяемого материала.
Если предварительная подготовка поверхности сталей под покрытие включает пластическую деформацию, то это влияет на последующий процесс анодного растворения в проточном электролите. Согласно проведенным экспериментам, скорость съема металла при различной степени деформации металла может иметь максимум, что имеет место у среднеуглеродистых сталей при деформации 2535 %, а высокоуглеродистой - при 3040 % (рис. 6.11). При этом высокоуглеродистый материал после деформации, например при комбинированной обработке с металлическими шариками, снимается с меньшей интенсивностью. После добавки хрома в стали мартенситного класса скорость обработки увеличивается, а минимальное ее значение получено для сталей аустенитного класса. Пластическая деформация оказывает значительное влияние на показатели качества поверхностного слоя обрабатываемой детали. При деформациях материала ударной нагрузкой до 2025 % шероховатость поверхности покрытия уменьшается, а при дальнейшем наклепе - увеличивается. Наибольшая скорость растворения металла за счет анодной составляющей (рис. 6.11) и меньшая высота микронеровностей (рис. 6.12) достигаются примерно при одинаковых степенях деформации.
Влияние электрохимической составляющей на скорость удаления припуска и шероховатость поверхности при комбинированной обработке для различных сталей объясняются, по-видимому, изменениями в их структуре, получеными при деформации, т.к. в процессе наклепа имеет место изменение физико-механических, электрических и других свойств металла. Если имеет место выход на поверхность структурных дефектов, то происходит ослабление связи атомов с кристаллической решеткой и появляются активные центры, вызывающие локализацию в них адсорбированных анионов, создающих с металлом переходные комплексы, и увеличение скорости съема сталей и рост степени их деформации.
Влияние пластической деформации на параметры процесса электрохимической размерной обработки сталей после деформации и после различных термических обработок (отжиге, закалке, отпуске, нормализации), показали, что наблюдается повышение чистоты поверхности и производительности процесса по сравнению со сталями, подвергнутыми тем же термообработкам, но без предшествующей пластической деформации (см. рис. 6.12, 6.13). Субмикроструктура сталей (деформированных и без деформации) после различных термических обработок имеет структуру, аналогичную полученной по результатам влияния плотности дислокаций, величины блоков и микроискажений на чистоту поверхности и производительность электрохимической составляющей процесса комбинированной обработки.
Анодное поведение деформированных сталей при высоких плотностях тока в сложных гидродинамических условиях существенно зависит от температуры отпуска обработанного металла. Температура отпуска деформированных сталей (рис. 6.14) влияет на производительность процесса и на качество обработанной поверхности. С возрастанием температуры отпуска до 670 К производительность процесса заметно снижается, затем снова возрастает (при дальнейшем увеличении температуры). Аналогично оценивается шероховатость поверхности. Из-за присутствия при комбинированной обработке силовых линий электрического поля могут образовываться условия ускоренного растворения металла вблизи микротрещин, имеющихся в материале в большом количестве, особенно после закалки. В подобных случаях наблюдается ухудшение чистоты поверхности на закаленных и деформированных сталях по сравнению с подвергавшимися отпуску.
Степень деформации, последующая термообработка металла и скорость электролита влияют на увеличение анодных плотностей тока, а при комбинированной обработке – на его электрохимические характеристики. Высокие внутренние напряжения, характерные для упрочняющего воздействия (в том числе металлическими гранулами), в условиях активного растворения ускоряют съем и улучшение эксплуатационных свойств поверхностного слоя деталей, работающих при неблагоприятных внешних воздействиях.