Введение к работе
Актуальность темы. Эксплуатация инструмента и спецдеталей в различных отраслях машиностроения показывает, что ресурс их работы ограничен. Это обусловлено различными внешними факторами (агрессивная сфера, температурно-силовое воздействие, абразивное изнашивание и др.). Для повышения работоспособности таких деталей и инструмента используют различные методы, в частности, наносят на ответственные участки покрытия.
Анализ работ по трибологии последних лет показывает, что применение различных материалов и способов нанесения покрытий для повышения износо- и коррозионной стойкости инструмента и деталей позволяет существенно увеличить срок их службы, а также значительно уменьшить затраты на их изготовление.
Во многих отраслях промышленности для повышения ресурса и надежности различных деталей и инструмента используется электрофизическая обработка: локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭНП) и электроакустическое напыление (ЭЛАН). Одним из недостатков электрофизической обработки является недостаточное качество поверхности электроискровых и электроакустических покрытий (высокая пористость, шероховатость, значительные внутренние напряжения и др.).
Компенсацией снижения ресурса инструмента, различных деталей и соединений, вызванных различными причинами, является повышение их износостойкости.
Повысить износостойкость, др. эксплуатационные характеристики и качество поверхности покрытий можно разработкой новых составов электродных материалов, а также комбинированными методами упрочнения. А именно, применив после электрофизической обработки поверхностно-пластическое деформирование (ППД) поверхности или обработку высококонцентрированными потоками энергии (лазером).
Поэтому встает вопрос о необходимости разработки новых составов электродных материалов; оптимизации технологии нанесения покрытий; изучения фазового состава; установления закономерностей формирования структуры и ее влияния на эксплуатационные характеристики упрочняемого материала.
Выявление общих закономерностей структурообразования для технологии нанесения покрытий и их влияния на механизмы и кинетику поверхностной повреждаемости позволило бы определить пути контролируемого управления эксплуатационными свойствами упрочненных материалов, разработать наиболее эффективные технологические варианты их обработки.
В связи с этим актуальной является разработка новых электроискровых и электроакустических покрытий для инструментальных и конструкционных материалов, обеспечивающих эксплуатацию при заданных температурно-силовых и временных параметрах.
Актуальность данной проблемы подтверждается комплексно целевыми программами и постановлениями, в рамках которых выполнялась работа.
Тема входит в координационный план научно-исследовательских работ по «Реализации региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района». Работа выполнялась при финансировании гранта Президента РФ молодым российским ученым №МК 4793.2006.8.
Целью работы является повышение работоспособности инструмента и деталей из инструментальных и конструкционных материалов посредством разработки и исследования электроискровых и электроакустических покрытий.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1. На основании систематизирования и обобщения литературных данных и собственных исследований провести анализ физико-химических процессов различных стадий формирования электроискровых и электроакустических покрытий. Выявить как положительные, так и отрицательные моменты, влияющие на качество вышеуказанных покрытий и в целом композита.
2. Обосновать и выбрать составы электродных материалов для электрофизической обработки конструкционных и инструментальных материалов на основе никеля и железа. Оптимизировать технологические режимы нанесения покрытий по ряду служебных характеристик.
3. Исследовать структуру, фазовый состав, физико-механические свойства и качество (шероховатость, пористость и внутренние напряжения) получаемых покрытий.
4. Выявить основные структурные факторы и установить закономерности формирования структуры покрытий, полученных ЛЭН и ЭЛАН.
5. Изучить влияние комбинированной обработки - ЛЭН и ЭЛАН покрытий с последующей финишной обработкой (выглаживание или лазерное оплавление).
6. Провести промышленное апробирование разработанных технологий на спецдеталях и инструменте.
Объектами исследования являлись электроискровые и электроакустические покрытия для инструментальных и конструкционных материалов.
Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач были использованы разнообразные современные методы исследования и аппаратура, в частности, оптический, растровый, электронномикроскопический, рентгеновский, электроннографический и микрорентгеноспектральный методы исследования структуры, состава покрытий и в целом композита. Для подтверждения отдельных научных положений работы применялся метод внутреннего трения. Адгезионная прочность покрытий оценивалась склерометрическим методом. Применялись методы математического планирования на основе современных способов обработки результатов расчетов и экспериментов на ПЭВМ.
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту заключаются в :
1. Формировании научной основы разработки новых электроискровых и электроакустических покрытий для инструментальных сталей и литых сплавов на никелевой основе с целью повышения их работоспособности;
2. Установлении кинетических особенностей структурных и фазовых превращений сталей и сплавов, электрофизических покрытий и в целом композитов с метастабильным состоянием поверхностных слоев. В частности, стадийность распада поверхностных слоев электроискровых покрытий, содержащих метастабильные кристаллическую и аморфную фазу;
3. Нахождении закономерностей по влиянию структуры электроискровых и электроакустических покрытий на их физические и механические свойства; закономерностей изменения износо- и коррозионной стойкости и качества покрытий от их структуры.
4. Развитии и обосновании выбора химического состава электродных материалов для локального электроискрового и электроакустического нанесения покрытий;
5. Выборе оптимальных составов и технологических режимов нанесения электроискровых покрытий, комбинированной обработки; развитии принципов их выбора и научном обосновании повышения работоспособности деталей и инструмента, которые были подвергнуты поверхностному упрочнению.
6. Разработке комбинированных методов обработки быстрорежущих сталей и жаропрочных литых сплавов на никелевой основе, состоящих из нанесения покрытий с последующей обработкой поверхности покрытия лазерным облучением или поверхностно-пластическим деформированием, в частности выглаживанием;
7. Научном обосновании технологических процессов комбинированной обработки для получения структуры поверхностных слоев композита, отвечающего повышенным эксплуатационным характеристикам и высоким показателям качества поверхности (шероховатости, сплошности и др.).
Практическая значимость исследований:
1. Получены новые электроискровые и электроакустические покрытия с повышенной работоспособностью для инструмента (фрезы, сверла) и спецдеталей (элементы гравюр штамповой оснастки для горячего деформирования).
2. Выработаны практические рекомендации и разработаны технологические схемы получения износо- и коррозионностойких покрытий, полученных локальным электроискровым и электроакустическим способами нанесения.
3. Результаты работы внедряются на предприятиях г. Курска.
Достоверность результатов диссертации определяется корректностью постановки задач. Полученные результаты не противоречат общепринятым теории и практике электрофизической обработки металлов и сплавов, хорошо согласуются с результатами других исследований, полученных авторами, работающими в данном направлении. Достоверность результатов работы также основывается на применении современных металлофизических методах исследования, воспроизводимостью экспериментальных данных, применением для обработки полученных результатов методов математического планирования эксперимента и обработкой их с помощью ПЭВМ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на : VI, VIII межд. научн. - техн. конф. «Медико-экологические информационные технологии – 2003, 2005» (Курск, КГТУ); X юбилейной, XI, XII и XIII Росс. научн. - техн. конференциях «Материалы и упрочняющие технологии – 2003, 2004, 2005 и 2006» (Курск, КГТУ); XXXI, XXXII и XXXIII вузовских научн. - техн. конференциях студентов и аспирантов в области научн. исследований «Молодежь и ХХI век» (Курск, КГТУ, 2003, 2004 и 2005 г.г.); межд. научн. - техн. конф. «Славяновские чтения» (Липецк, ЛГПУ, 2004 г.); VII межд. научн. - техн. конф. «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, КГТУ, 2005 г.); XVI межд. научн. - техн. конф. «Лазеры в науке, технике и медицине» (Москва, Адлер: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2005 г. ); научн. - техн. семинаре «Сварка и родственные процессы в промышленности» (Киев, Экотехнология, 2006 г.); IV межд. научн. - техн. конф. «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, КГТУ, 2006 г.); 8-й межд. практ. конф. - выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, Политехн. ун-т, 2006 г.); 6-й межд. научн. - техн. интернет - конф. «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, БГИТА, 2006 г.); научн. - техн. семинаре кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Курского гос. техн. унив-та в 2006 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы. Самостоятельно одна, остальные в соавторстве. Одна статья опубликована в журнале, рекомендуемом перечнем ВАК.
Личный вклад автора: исследование и разработка электроискровых покрытий из материалов с никель-хромовой матрицей, легированных малыми добавками гафния и рения, а также из эвтектических сплавов на основе железа и никеля; усовершенствование методик исследования композитов; оптимизация технологических процессов методом математического планирования эксперимента. Рассмотрены вопросы совершенствования электроискровой обработки инструментальных материалов для повышения ее эффективности; исследовано влияние выглаживания и лазерной обработки на качество покрытий; проведены исследования внутренних напряжений.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и библиографического списка литературы. Ее общий объем составляет 157 стр. машинописного текста, иллюстраций 37, таблиц 11 и 116 литературных ссылок.
