автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии процесса ультразвуковой обработки поверхностей стальных деталей перед нанесением газотермических покрытий

На правах рукописи

Зайцев Константин Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ЛЕН 2011

005004818 Тюмень-20 И

005004818

Работа выполнена в Юргинском технологическом институте (филиал! федерального государственного бюджетного образовательного учрежден» высшего профессионального образования «Национальный исследовательски Томский политехнический университета, г. Юрга

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Клименов Василий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Артамонов Евгений Владимирович

кандидат технических наук, доцент Костенков Сергей Александрович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии

наук Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН

Защита состоится «23» декабря 2011 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38 зал имени А.Н. Косухина. ' '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета.

Автореферат разослан « 2-2.» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.А. Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Газотермические технологии широко применяются в высокотехнологичных отраслях промышленности, так как являются эффективным методом повышения эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей деталей машин путем нанесения покрытий, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики.

Развитие газотермических методов напыления, нацеленных на формирование более прочных и плотных покрытий на высоконагруженных и ответственных деталях, связано в первую очередь с применением при напылении частиц, разогнанных до высоких скоростей перед осаждением на основу. Это позволило создать оборудование и технологии напыления, которые в настоящее время являются не только единственным путем упрочнения и восстановления изношенных валов, роторов и штоков высоконагруженного оборудования, но и часто выступают наилучшей альтернативой гальваническому хромированию.

На качество формируемых покрытий первостепенное влияние оказывает метод подготовки поверхности основы. В настоящее время в промышленности распространены следующие методы: термические, механические, прочие методы. Не смотря на их известные преимущества им свойственны такие недостатки, как: снижение усталостной и циклической прочности изделий с покрытиями, шаржирование абразивных частиц, низкая производительность, невозможность применения при нанесении тонких покрытий. Разработка новых методов подготовки способных устранить перечисленные выше недостатки и обеспечить экономическую эффективность технологии является важной научно-технической проблемой.

В этом отношении особенно перспективным является исследование способов подготовки поверхности посредством ультразвуковой обработки, поскольку последняя не только устраняет указанные выше недостатки, но и положительно влияет на процессы формирования покрытий. На основании вышеизложенного была сформулирована цель работы.

Цель работы: совершенствование технологии процесса ультразвуковой обработки поверхностей стальных деталей перед нанесением газотермических покрытий.

Для достижения цели в диссертационном исследовании поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние предварительного микрорельефа поверхности, полученного после точения, и основных технологических параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и микротвердости обрабатываемых сталей.

2. Исследовать свойства композиции «покрытие-основа» и прочность соединения покрытий, полученных газотермическим напылением после ультразвуковой обработки поверхности основы.

3. Разработать модель расчета влияния микрорельефа поверхности, создаваемого ультразвуковой обработкой, на процесс кристаллизации и охлаждения напылённого материала при газотермическом напылении.

4. Разработать технологические рекомендации по применению ультразвуковой обработки основы при газотермическом напылении покрытий, обеспечивающей повышение работоспособности высоконагруженных деталей.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены на основе анализа методов пластического деформирования поверхностей деталей, особенностей ультразвуковой обработки металлов, технологий газопгермического напыления покрытий и установления влияния подготовки поверхности на технические характеристики упрочняющих газотермических технологий. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях и включали изучение влияние технологических режимов ультразвуковой обработки на свойства конструкционных сталей и параметры микрорельефа поверхности, установление закономерностей взаимодействия напыляемого материала и основы после ультразвуковой обработки в сравнении с другими способами подготовки

поверхности для случаев применения высокоскоростного и детонационного напыления. Исследования проведены на основе использования методов оптической металлографии («МЕТАМ РВ-21», «Olympus GX-71»), растровой электронной микроскопии («Philips SEM 515»), профилометрического анализа («MICRO MEASURE 3D station») и оценки микротвердости («Nano Hardness Tester», «ПМТ-3»), Для количественного описания процесса кристаллизации и охлаждения напыляемого материала на основе использовался пакет программ ANSYS на основе метода конечных элементов. Достоверность результатов исследований подтверждается их воспроизводимостью, соответствием с результатами других авторов и внедрением результатов в производство.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментальных исследований по влиянию предварительного микрорельефа поверхности и основных технологических параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и микротвердости обрабатываемого материала.

2. Результаты экспериментальных исследований по влиянию ультразвуковой обработки поверхности на свойства композиции «покрытие-основа» и прочность соединения покрытий, полученных газотермическим напылением.

3. Результаты математического моделирования влияния параметров микрорельефа поверхности на процесс кристаллизации и охлаждения напылённого материала при газотермическом напылении.

4. Способ обработки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний для подготовки к нанесению покрытий газотермическим напылением.

5. Практические рекомендации по использованию ультразвуковой обработки перед нанесением покрытий в технологических процессах изготовления высоконагруженных деталей.

Научная новизна:

1. Разработана методика подготовки поверхности стальных изделий, основанная на создании посредством обработки резанием определенного

микрорельефа поверхности, дельнейшей ее ультразвуковой обработке, обеспечивающей активацию основы с целью совершенствование технологии процесса ультразвуковой обработки перед нанесением покрытий.

2. Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние параметров микрорельефа поверхности основы на процесс кристаллизации слоя материала покрытия, нанесенного газотермическим напылением.

3. Установлено, что микротвердость сталей 20 и 40Х после ультразвуковой обработки зависит как от размеров исходной шероховатости поверхности, так и геометрии микрорельефа. При этом значения микротвердости на поверхности могут превышать значения исходной микротвердости для вышеуказанных сталей соответственно в 2,2 и 1,8 раза, а характер распределения значений микротвердости по глубине носит градиентный характер.

4. Установлено, что подготовка поверхностей стальных изделий ультразвуковой обработкой, позволяет снизить скачок значений микротвердости на границе между покрытием и основой в сравнении со струйно-абразивной обработкой.

Практическая ценность:

1. Разработан и запатентован способ упрочнения деталей из конструкционных материалов (патент РФ на изобретение №2354715 «Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов»).

2. Определены режимы ультразвуковой обработки и необходимый предварительный микрорельеф на поверхностях обрабатываемых деталей при газотермическом нанесении покрытий.

3. Разработан способ обработки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний перед нанесением покрытий газотермическим напылением (положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010121657 «Способ подготовки поверхности детали с использованием ультразвуковых колебаний»).

4. В производственных условиях реализованы процессы ультразвуковой обработки поверхности деталей перед нанесением покрытий высокоскоростным газопламенным и детонационным методами.

Реализация полученных результатов. На разработанный способ получен один патент на изобретение РФ (№2354715) и одно положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010121657. Результаты выполненной работы внедрены на ООО «Юргинский машиностроительный завод» (г. Юрга), ООО «Сибирские Технологии Защитных Покрытий» (г. Новосибирск).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двух Международных конференциях «Современные техника и технологии» - г. Томск (2007, 2008гг.); на двух Международных конференциях «International Conference on Metallurgy and Materials» - г. Ostrava, Czech Republic (2007, 2009гг.); на Международной практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» - г. Санкт-Петербург (2006г.); на Международной школе-семинаре «Новые технологии, материалы и инновации в производстве» - г. Усть-Каменогорск, Казахстан (2009г.); на шести научных конференциях ЮТИ ТПУ в г. Юрга (2006-2011гг.).

Исследования проводились при поддержке гранта РФФИ №06-08-01220-а (2006-2008гг.); программы «УМНИК», проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2009-2011гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, включая 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 149 страниц печатного текста, 46 рисунков, 20 таблиц и список использованных источников из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, научная новизна, практическая ценность.

В первой главе приведены классификация и особенности применения методов поверхностно пластического деформирования (ППД), их основные преимущества по сравнению с обработкой резанием. Описана сущность пластического деформирования с использованием ультразвуковой обработки металлов, показаны отличительные особенности этого метода от других видов ППД. Изучению влияния ультразвуковой обработки на различные свойства конструкционных сталей посвящены работы Маркова А.Н., Муханова И.И., Абрамова О.В., Холопова Ю.В. и др. Дальнейшее развитие применения ультразвука при нанесении газопламенных и плазменных покрытий получило в работах Панина В.Е. с сотрудниками. В работах Клименова В.А., Борисова Ю.С., Хмелевской В.Б. и других исследователей показано применение ультразвукового воздействия при напылении покрытий газотермическими методами, позволяющее улучшить структуру и физико-механические свойства формируемых композиций «покрытие-основа».

Выполнен обзор технологий газотермического нанесения покрытий и методов подготовки основы, представлена классификация современных методов газотермического напыления. Теоретические и практические аспекты газотермического напыления покрытий, а особенно роль подложки и ее подготовки под напыление, рассмотрены в работах Кудинова В.В., Куприянова И.Л., Белащенко В.Е., Калиты В.И., Харламова Ю.А., Солоненко О.П., Ульяницкого В.Ю., Балдаева Л.Х., Р. Arvidsson, G. Mauer, М. Komatsu и других.

На основании литературного обзора и патентного поиска сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе дано описание используемых материалов и экспериментальных установок, изложена методика проведения экспериментальных исследований.

Для напыления применялся порошок системы NiCrBCSi. В качестве материалов основы использовались стали 20 и 40Х. В качестве способов обработки основы для подготовки под напыление использовались: струйно-абразивная обработка; обработка шлифованием; ультразвуковая обработка. Ультразвуковая обработка производилась с использованием ультразвукового технологического комплекта. Для напыления применялось оборудование, позволяющее наносить покрытия с высокими скоростями движения частиц напыляемого порошка (до 1000 м/с). Использовались высокоскоростной газопламенный (HVAF-SB-500, ООО «ТСЗП») и детонационный (комплекс «Дракон», ИГиЛ СО РАН) методы напыления.

Металлографические исследования композиций «покрытие-основа» проводились на оптических микроскопах «МЕТАМ РВ-21», «Olympus GX-71» и растровом электронном микроскопе «Philips SEM 515». Измерение микротвердости покрытий и основы проводилось на приборах «Nano Hardness Testen); «ПМТ-3». Исследование микрорельефа и определение шероховатости поверхностей осуществлялось с помощью профилографа «MICRO MEASURE 3D station». Обработка результатов проводилась с помощью программного обеспечения «Mountains Map» («SARL Digital Surf», Франция). Для определения адгезии покрытия использовалась оригинальная методика качественной оценки адгезии по топографии поверхности перед нанесением покрытия и после его отрыва с помощью программного обеспечения «Mountains Map».

В третьей главе изложены результаты исследований по влиянию предварительного микрорельефа поверхности на микротвердость после ультразвуковой обработки, а также влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и микротвердосги обрабатываемого материала. Исследовалось влияние предварительной шероховатости поверхности на степень поверхностного упрочнения после ультразвуковой обработки. Для этого подготавливались образцы с различным микрорельефом поверхности с помощью токарной

обработки. Режимы токарной обработки: продольная подача суппорта от 0,04 до 0,28 мм/об; скорость резания - 100 м/мин; использовались прямые проходные резцы с углами в плане ср от 55° до 70°. Последующая ультразвуковая обработка выполнялась на одинаковых режимах с целью определения влияния именно предварительного микрорельефа на степень упрочнения поверхности. На рис. 1 представлено распределение

микротвердости по глубине образцов после ультразвуковой

НУ0,49, МПа 4500

4000 3500 3000 2500 2000 1500

V 1.

1—ь

0 0,1 0,2 0,3 0,4

обработки. Глубина проработки составила до 400 мкм. Величина упрочнения поверхностей после ультразвуковой обработки

оценивалась по приросту 0,5 ь, мм значения микротвердости.

Монотонное убывание

микротвердости обусловлено

Рис. 1. Распределение микротвердости по глубине после ультразвуковой обработки: •-сталь20; сталь40Х изменениями макро-, микро- и

субмикроструктуры стали, а так же характером изменения остаточных сжимающих напряжений.

Определено, что наибольшее упрочнение поверхностей после ультразвуковой обработки достигается на образцах, предварительный микрорельеф которых имеет строение, представленное на рис. 2. Данная поверхность сформирована выступами и впадинами трапециевидной формы, периодически сменяющими друг друга с шагом 0,05 мм. Для стали 20 (рис. 2в) характеристики микрорельефа следующие: шероховатость Яг=15 мкм, 11а=3,8 мкм, количество выступов и впадин на одном миллиметре длины поверхности 18. Для стали 40Х (рис. 2г) параметр шероховатости 11г=10 мкм, Ка=2,3 мкм, количество выступов и впадин на одном миллиметре длины поверхности 18.

к: ш< 20 1(1

^ГиллАЛААГН

в)

МКМ 2(1 ■ 1И

Г)

(I

0.1 0.2 03 0.4 [.. мм

0.1 0.2 (и 0.4 Л, мм

Рис. 2. Микрорельеф поверхностей после предварительной токарной обработки: а, б - морфология; в, г - профилограмма; а, в - сталь 20; б, г - сталь 40Х

Исследование основных технологических параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и микротвердости обрабатываемого материала проводились при следующих режимах: диаметр сферы индентора 5мм; статическая сила прижатия индентора 50 Н; частота колебаний индентора 24 кГц; мощность обработки 300 Вт; подача индентора от 0,04 до 0,28 мм/об; окружная скорость заготовки от 17 до 50 м/мин. Результаты исследования представлены на рис. 3 и 4.

В исследованном диапазоне зависимость шероховатости от подачи носит линейный характер. Зависимость шероховатости от окружной скорости носит выраженный нелинейный характер и удовлетворительно аппроксимируется полиномом второй степени. Сравнение зависимостей на графиках (рис. 3 и 4) позволяет заключить, что режимы обработки обеспечивающие увеличение шероховатости, приводят к снижению микротвердости.

В результате математической обработки получены следующие эмпирические зависимости для расчета величины микрорельефа (1), (2), (5), (6) и микротвердости НУ (3), (4), (7), (8) обрабатываемого материала. Для стали 20: л, =12,64-^ + 0,834, (мкм) (1)

Л, =0,002-^-0,129-^ + 3,558, (мкм) НУ = -4039 ■ 5+3277, (МПа)

(2) (3)

НУ = -0,627 • У2 + 32,698 • У + 2315,4, (МПа) Для стали 40Х: Л2 = 10,59-5 + 0,458, (мкм)

Л, = 0,002-К2-0,096-К + 2,694, (мкм) НУ = -4279-.5 + 4060, (МПа) ЯК = -0,633 • У2 + 20,997 • У+3241,6, (МПа) где б - подача индентора, мм/об; V - окружная скорость, м/мин.

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

А

А

^ 1

о- г

/

Г л

♦ ■

а) Скорость 23 м/мин. б) Подача 0,1 мм/об.

Рис. 3. Влияние подачи индентора (а) и окружной скорости образца (б) на шероховатость поверхности после ультразвуковой обработки: • - сталь 20; ■ - сталь 40Х.

НУ0.49 МПа 4500т

400(1 3500 3000 2500 2000 1500

ъ

НУ0,49.МПа 4500

4000 3500 3000 2500 2000 1500.

■н } г

-X т- н

50 V. м/мин

" 0.1)5 0.1 0.15 ОД 0.25 Б, ни/об 0 10 20 30

а) Скорость 23 м/мин. б) Подача 0,1 мм/об.

Рис. 4. Влияние подачи индентора (а) и окружной скорости образца (б) на микротвердость поверхности после ультразвуковой обработки: • - сталь 20; ■ - сталь 40Х.

Такое изменение шероховатости и микротвердости поверхности обусловлено двумя основными факторами. Первый фактор связан со степенью перекрытия деформационных канавок. Чем больше перекрытие деформационных канавок, тем ниже шероховатость и выше микротвердость поверхности. С уменьшением степени перекрытия деформационных канавок шероховатость и

микротвердосгь возрастают вследствие снижения степени деформации поверхности. Вторым фактором является количество ударов индентора на единицу площади поверхности, которое также оказывают влияние на степень деформации поверхности. Графики (рис. 36 и 46) содержат экстремумы, соответствующие значению скорости обработки обеспечивающей минимальные значения шероховатости и максимальные значения микротвердости.

Четвертая глава посвящена нанесению покрытий с использованием высокоскоростного газопламенного и детонационного методов на основу с различным микрорельефом, качественному определению адгезионного взаимодействия между покрытием и основой, моделированию процесса охлаждения и кристаллизации покрытия, напылённого на основу с различным микрорельефом, а также выработке рекомендаций по практическому использованию ультразвуковой обработки в качестве способа подготовки основы перед нанесением покрытий газотермическими методами.

Для качественного определения адгезии между покрытием и основой проводился профилометрический анализ поверхностей в местах отрыва покрытий с целью оценки площади поверхности основы, на которой закрепились частицы покрытия. На рис. 5 представлены профилограммы поверхностей после отрыва покрытия, нанесенного высокоскоростным газопламенным и детонационным методами. На всех профилограммах наблюдается увеличение совокупного значения шероховатости в сравнении с исходной за счет выступов, сформированных напыленными частицами, оставшимися после отрыва покрытия.

На рис. 5а представлены профилограммы после отрыва покрытия с поверхностей подготовленных струйно-абразивной обработкой. Часть профиля сформирована рельефом исходной основы, а часть - напыленными частицами, закрепившимися на поверхности и оставшимися после отрыва покрытия. Профилограммы, полученные после отрыва покрытия, нанесенного на поверхности подготовленные шлифованием (рис. 5в), имеют сложный вид.

Вершины и впадины расположены хаотически. Размеры и форма вершин и впадин различны и не имеют выраженной зависимости. По всей видимости, наибольшие выступы на данных профилограммах образованны частицами покрытия, которым удалось закрепиться на поверхности в результате напыления, но доля таких частиц минимальна.

Рис. 5 Профилограммы поверхности основы после отрыва покрытия ПР-Н65Х25СЗРЗ: а - струйно-абразивная обработка; б-ультразвуковая обработка; в - шлифование; 1 - исходный микрорельеф (до напыления)

Профилограммы полученные после отрыва покрытия, нанесенного на поверхности, подготовленные ультразвуковой обработкой (рис. 56) образованы выступами и впадинами различной формы и размеров. Профиль полученных поверхностей по строению аналогичен с профилем поверхностей, изображенных на рис. 5в, однако, выступы имеют большую высоту и размеры. Количество крупных выступов намного больше, чем на шлифованной поверхности, что свидетельствует о том, что на поверхности, подготовленной посредством ультразвуковой обработки, закрепилось большее количество частиц покрытия.

С помощью профилометрического комплекса «Micro Mesure 3D station» и программного обеспечения «Mountains Map» была определена площадь

О 0J 0,4 0.6 0.8 1.0 I . >14

Высокоскоростное напыление

Детонационное напыление

поверхности основы, на которой закрепились частиц порошка после отрыва покрытия.

Площадь поверхности основы относительно исходной, на которой закрепились частицы покрытия после его отрыва, при обработке шлифованием составила не более 18 % для используемых методов напыления. При ультразвуковой обработке основы и высокоскоростном газопламенном напылении, площадь на которой закрепились частицы покрытия, составила 38%. При детонационном напылении на основу, подготовленную ультразвуковой обработкой, площадь поверхности, на которой закрепились частицы покрытия после его отрыва, практически сравнима с площадью покрытия, закрепившегося на основе подготовленной струйно-абразивной обработкой при напылении высокоскоростным газопламенным методом: 47 % и 53 % соответственно.

При нанесении покрытия на поверхность, подготовленную ультразвуковой обработкой, закрепление покрытия происходит вследствие того, что ультразвуковая обработка изменяет структуру и энергетическое состояние поверхностного слоя обрабатываемого металла и снижает активационный барьер. В результате ультразвуковой обработки происходит образование на поверхности пластически деформированного слоя с большой концентрацией дислокаций. Исходная микроструктура металла интенсивно разрушается, при этом происходит измельчение микроструктуры. Возрастает плотность дислокаций, резко активизируются процессы диффузии и массопереноса. Эти процессы стимулируют диффузию атомов материала покрытия, особенно по дислокациям в поверхность основы при напылении. Формируется благоприятный для растекания частиц первого слоя покрытия волнообразный микрорельеф основы. При ударе частиц о такую поверхность формируются хорошо растекшиеся и затвердевшие частицы с большим количеством активных центров в пятне контакта.

Исследование микротвердости в композиции «покрытие-основа» показало, что после напыления покрытия на поверхность, подготовленную ультразвуковой обработкой, происходит снижение скачка микротвердости

между покрытием и основой 20 % в сравнении со струйно-абразивной обработкой (рис. 6.).

Для количественного описания влияния параметров микрорельефа поверхности на процесс

кристаллизации и охлаждения напыленного материала при газотермическом напылении была разработана математическая модель, основанная на схематичном описании микрорельефа поверхностей основы (рис.7).

НУ0,49, МПа 9000

8000'

7000'

6000

5000

4000

3000

2000

ЮОО

. граница раздела

' 1

покрытие основа

0,2 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Ц мм

Рис. 6. Микротвердость в композиции «покрытие-основа»: 1 - ультразвуковая обработка; 2 - струйно-абразивная обработка

точка 3

точка 2

(седловина) (впад1ша)

........

а) б)

Рис. 7. Схемы микрорельефа поверхностей основы: а - для ультразвуковой обработки и шлифования; б - для струйно-абразивной обработки

Моделирование осуществлялось путем решения дифференциального уравнения теплопроводности посредством метода конечных элементов в программном пакете А^УБ. Рассчитывались условия охлаждения напыляемого материала для точек (1,2, 3), которые находятся вблизи границы «покрытие-основа». В качестве начальных условий задавалась температура основы 20 °С. Для остального материала задавалась температура равная температуре плавления (1127 °С). Теплообменом с окружающей средой пренебрегали. Кристаллизация напыленного материала описывалась посредством функции энтальпии с учетом скрытой энергии фазового перехода. Результаты моделирования приведены на рис. 8 и 9.

1000 950 900 850 800 750 700

т, С

а)

\

t-

I---шлифование j----CAO -

■ 1 !

о

1,0

dT/dt, 10w "ас

2,0 3,0 4,0 tj ю'3с

1000 950 900 850 800 750 700

Т. "С

1

il ---шлифование ----CAO (точка 2) ----CAO (точка 3)

I V -.

—- ____

___ ----- -----

0

1,0

3,0 2.0 1,0 0,0

1 1 -,

-УФО ---шлифование — ------ CAO — в)

ч_

dT/dt, Ю'" "С/с

2,0

3,0

4.0

t, 10 с

1,0

2,0

3,0

4,0 t, 10-«

1 1 г)

-УФО п ---шлифование ----CAO (точка 2)

ЬЛи (Т зчка j |

ч—

МО"5

Рис. 8. Зависимость изменения температуры (а, б) и скорости охлаждения (в, г) от времени на начальном этапе остывания напыленного материала: а, в - в точке 1; б, г- в точке 2 и 3

т/с

т,"с

---шлифование

CAO (точка 2) CAO (точка 3)

'•10с 0,0 1,0 2,0 3,0 ,iI0-5c

Рис. 9. Зависимость изменения температуры (а, б) и скорости охлаждения (в, г) от времени на этапе кристаллизации и охлаждения напыленного

материала: а, в - в точке 1 ; б, г - в точке 2 и 3 УФО - ультразвуковая обработка; CAO - струйно-абразивная обработка

Начальным этапом остывания первого слоя является кратковременное охлаждение жидкой фазы, которое в дальнейшем переходит в стадию кристаллизации (рис. 8). Во всех расчетных точках процесс охлаждения расплава

заканчивается в течение периода времени, меньшем 10"8с, и переходит в процесс кристаллизации, когда температура снижается крайне медленно (рис. 8. а, б). Неравновесные условия охлаждения приводят к тому, что в расчетных точках устанавливаются различные значения температуры напыленного материала в интервале 825-И587 °С. На пиках поверхности для струйно-абразивной обработки (рис. 8а, 86), в условиях самого худшего теплоотвода изначально высокая температура 887 °С возрастает до 934 °С. Во впадине осажденный материал обеспечен максимальным теплоотводом, что приводит к снижению начальной температуры равной 825 °С до значения 710 °С. Таким образом, перепад температур напыленного материала на пике и во впадине поверхности со струйно-абразивной обработкой составляет более 200 °С.

На графиках (рис. 9а, 96) видно, что с окончанием периода времени с относительно стабильной температурой в точках наблюдения для всех исследуемых поверхностей происходит переход (tnep от 3,57-10"6, до 9,15-Ю"6 с.) к интенсивному остыванию материала. Момент перехода фиксируется на графиках изменения скорости охлаждения (рис. 9в, 9г) всплеском значений.

Таким образом, результаты расчетов по математической модели показывают, что условия охлаждения напыляемого материала зависят от микрорельефа поверхности - высоты и частоты расположения микронеровностей, их геометрии. Установлено, что поверхность после струйно-абразивной обработки создает максимальные градиенты температуры напыляемого материала и помимо того характеризуется значительными перепадами скорости охлаждения в различных точках поверхности.

Результаты расчетов показывают, что на поверхности после ультразвуковой обработки процесс начала кристаллизации протекает в более благоприятных условиях, поскольку перепад температур между точками вершин и впадин микронеровностей незначителен (не превышает 15 °С).

На основе проведенных исследований разработан способ подготовки поверхности деталей с использованием ультразвуковой обработки под

нанесение покрытий высокоскоростным газопламенным и детонационным напылением. Способ (рис. 10) заключается в предварительной токарной обработке поверхности, подлежащей напылению, с целью формирования регулярного микрорельефа с необходимыми параметрами для последующей ультразвуковой обработки. Далее производится ультразвуковая обработка, реализующая пластическое деформирование и формирование микрорельефа с регулярными параметрами за счет режимов, приведенных в таблице 1.

Рис. 10. Схема способа: 1 - патрон токарного станка; 2 - деталь; 3 - резец; 4 - ультразвуковой инструмент; 5 - горелка

Таблица 1

Режимы ультразвуковой обработки

Режимы ультразвуковой обработки Способ нанесения покрытия

Высокоскоростное Детонационное

напыление напыление

Мощность, Вт 300 250

Усилие прижима индентора, Н 50 50

Окружная скорость детали, м/мин 23 23

Подача индетора, мм/об 0,1 0,04

Результаты выполненной работы внедрены на ООО «Юргинский машиностроительный завод» (г. Юрга) и ООО «Сибирские Технологии Защитных Покрытий» (г. Новосибирск).

Основные научные выводы и практические результаты работы

1. Установлено влияние предварительного микрорельефа поверхности на величину микротвердости после ультразвуковой обработки. Максимальный

прирост микротвердости (2,2 раза) обеспечивается при шероховатости 1^=15мкм для стали 20 и 1^=10 мкм для стали 40Х.

2. Определены, параметры величины подачи индентора и скорости вращения при ультразвуковой обработке изделий из сталей 20 и 40Х, которые позволяют формировать минимальную шероховатость Я2=1^-2 мкм и максимальную микротвердость 3200-4200 МПа для данных условий обработки.

3. Установлено, что ультразвуковое воздействие на поверхность сталей 20 и 40Х при последующем газотермическом напылении обеспечивает снижение скачка микротвердости между покрытием и основой на 20 % в сравнении со сгруйно-абразивной обработкой при незначительном снижении площади адгезионного взаимодействия (с 53 % до 47 %).

4. Разработана математическая модель расчета параметров процесса кристаллизации слоя материала покрытия, нанесенного газотермическим напылением. Показано, что ультразвуковая обработка в сравнении со струйно-абразивной обеспечивает незначительный перепад температур между пиком и впадиной. Для ультразвуковой обработки перепад составляет около 15 °С, в то время как для струйно-абразивной обработки - более 200 "С.

5. Разработаны технологические рекомендации для ультразвуковой обработки сталей 20 и 40Х и способ подготовки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний под нанесение покрытий высокоскоростным газопламенным и детонационным напылением (положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010121657 «Способ подготовки поверхности детали с использованием ультразвуковых колебаний»). Разработан и запатентован способ ультразвукового упрочнения конструкционных материалов (патент РФ на изобретение №2354715 «Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов»),

6. Результаты выполненной работы внедрены на ООО «Юргинский машиностроительный завод» (г. Юрга), ООО «Сибирские Технологии Защитных Покрытий» (г. Новосибирск).

Список публикаций по теме диссертации:

Публикации в изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

1. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Толмачев А.И. Исследование адгезии покрытий, полученных высокоскоростным газопламенным напылением // Известия ТПУ. - 2007. Т. 310. - №3. - С. 57-61.

2. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Ульяницкий В.Ю., Зайцев К.В., Борозна В.Ю. Влияние ультразвуковой обработки основы на формирование покрытия при детонационном напылении // Технология машиностроения. - 2008. - №7. - С. 22-26.

3. Ковалевская Ж.Г., Клименов В.А., Бутов В.Г., Жуков А.П., Зайцев К.В. Численное описание процесса кристаллизации газотермически напыленного материала на основу с разным микрорельефом // Упрочняющие технологии и покрытия.-2010.-№11.-С. 18-27.

4. Ковалевская Ж.Г., Жуков А.П., Клименов В.А., Бутов В.Г., Зайцев К.В. Расчет влияния микрорельефа поверхности, создаваемого ультразвуковой обработкой на процесс охлаждения напыленного материала // Известия ТПУ. -2011.-Т. 318.-№2.-С. 120-125.

Публикации в других изданиях

5. Зайцев К.В. Газотермические покрытия // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: Материалы III международной научно-технической конференции. - Тюмень: Феликс, 2005. - 364с. - С. 43-44.

6. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Агофонова Н.С., Толмачев А.И., Иванов Ю.Ф. Ультразвуковое модифицирование - метод подготовки поверхности перед газотермическим напылением // Технология ремонта, восстановление и упрочнение деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: Материалы 8-й Международной практической конференции - выставки: В 2 ч. Часть 1. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006.-427 с.-С. 150-158.

7. Зайцев К.В. Сверхзвуковое газопламенное напыление порошковых покрытий // Труды 4 Всероссийской научно-практической конференции с

21

международным участием. В 2-х т.- ЮТИТПУ, Юрга: Изд. ТПУ, 2006. - Т.1. -154 с.-С. 20-23.

8. Зайцев К.В., Борозна В.Ю. Комплекс оборудования для высокоскоростного напыления // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2006». Одесса: Черноморье, 2006. - Т.2. - 89 с. - С. 64-67.

9. Kümenov V„ Kovalevskaya Zn., Zaitzev К., Borozna V. Investigation of influence of surface roughness on the structure and properties of gas thermal coatings. 16th International Metallurgical and Materials Conference. 18-20.05.2007, Hradec nad Moravici, Czech Republic, EU 2009 p. 273-278.

10. Зайцев K.B., Борозна В.Ю. Исследование структуры покрытий сформированных высокоскоростным газопламенным способом // XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 26-30 марта 2007. Труды в 3-х томах. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - Т.2. - С. 85-87.

11. Зайцев К.В. Влияние ультразвуковой модификации основы на взаимодействие с покрытием при высокоскоростном напылении // «Знание, умения, навыки - путь к созданию новых инженерных решений» / Университетская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященная 100-летию со дня рождения Никитина Николая Васильевича, выдающегося российского инженера и ученого в области строительных конструкций. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. -160 с. - С. 38-40.

12. Зайцев КВ. Формирование нанокристаллической структуры в поверхностном слое конструкционных материалов // «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» труды VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2008. - 479 с. - С. 102-107.

13. Зайцев К.В., Борозна В.Ю. Ультразвуковая модификация поверхности основы как способ подготовки под нанесение детонационного покрытия И Новые

22

материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении. В 2 т. Том 1: Материалы IV международной научно-технической конференции. - Тюмень: Изд. «Вектор Бук», 2008. - 280 с. - С. 18-23.

14. Зайцев К.В. Применение высокоскоростных газотермических покрытий взамен гальванических при производстве угледобывающей и грузоподъемной техники на ОАО «Юргинский машиностроительный завод» // IV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 24 -28 марта 2008г. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008.-Т.2.-С. 56-57.

15. Зайцев К.В., Борозна В.Ю., Таранда A.A. Ультразвуковая активация поверхности деталей для нанесения высокоскоростных газотермических покрытий // «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» труды VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2009. - 695 с. - С. 232-235.

16. Зайцев К.В. Напыление высокоскоростных газотермических покрытий на подложку, подготовленную ультразвуковой модификацией // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов Международной научно практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых / Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - 577 с. - С. 158-161.

Патенты

17. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев КВ., Борозна В.Ю., Толмачев А.И. Способ упрочнения деталей из конструкционных сплавов. Патент РФ на изобретение №2354715. Дата регистрации 10.05.2009. Опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.

Подписано к печати 17.11.2011 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Плоская печать. Усл.п.л.0,93. Уч-изд.л.0,84. Тираж 100 экз. Заказ 11790. ИГО! ЮТИ ТПУ. Ризограф ЮТИ ТПУ. 652000, Юрга, ул. Московская, 17.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ.

1.1. Методы обработки поверхности для подготовки под нанесение покрытий.

1.2. Классификация и особенности применения методов поверхностно пластического деформирования.

1.3. Сущность ультразвукового пластического деформирования стальных деталей.

1.4. Применение ультразвука при нанесении газотермических покрытий.

1.5. Технологии высокоскоростного газотермического нанесения покрытий.

1.5.1. Высокоскоростное газотермическое напыление. 38 1.5.2 Детонационное напыление.

1.6. Выводы по главе 1.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНОВНЫЕ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Исследуемые материалы.

2.2. Технологическое оборудование для нанесения покрытий.

2.2.1. Высокоскоростная газопламенная установка.

2.2.2. Детонационная установка.

2.3. Способы подготовки поверхности основы под нанесение покрытий.

2.3.1. Струйно-абразивная обработка.

2.3.2. Ультразвуковая обработка.

2.3.3. Обработка шлифованием.

2.4. Измерение шероховатости поверхностей.

2.5. Измерение микротвердости.

2.6. Методика определения площади адгезионного взаимодействия покрытия и основы.

2.7. Выводы по главе 2.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА

ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ОСНОВЫ ПОД ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОЕ

НАПЫЛЕНИЕ.

3.1. Исследование влияния микрорельефа поверхности после точения на ее микротвердость после ультразвуковой обработки.

3.2. Исследования влияния технологических режимов ультразвуковой пластической деформации на шероховатость и микротвердость обработанных поверхностей.

3.3. Расчет изменения энергии активации поверхности, подвергнутой ультразвуковой пластической деформации.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ

ГАЗОПЛАМЕННЫМ И ДЕТОНАЦИОННЫМ

МЕТОДАМИ.

4.1. Исследование поверхности основы после отрыва покрытий нанесенных газотермическим напылением.

4.1.1. Высокоскоростное газопламенное напыление.

4.1.2. Детонационное напыление.

4.1.3. Структура границы раздела в композиции «покрытие-основа».

4.2. Моделирование процесса охлаждения и кристаллизации покрытия, напыленного на основу с различным микрорельефом.

4.3. Нанесение покрытий на поверхность основы, подготовленную ультразвуковой обработкой.

4.4. Выводы по главе 4.

Современный этап развития техники характеризуется повышенным интересом к технологиям, обеспечивающим возможность модификации поверхностей конструкционных материалов, нанесения на них покрытий с защитными и другими функциями. Одной из таких технологий, известной с начала XX века (металлизатор М.У. Шоопа), является газотермическое напыление [5, 17, 68].

По мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, нагрузок, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить предъявляемым требованиям [3, 16, 17, 42, 65, 74, 86, 100, 108]. В связи с этим экономически и технически целесообразно развивать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали гарантируется за счет применения одного материала, а специальные свойства поверхности обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов - покрытий. В результате обеспечивается повышенная долговечность детали, сочетающаяся с экономией легирующих элементов и удешевлением изделий [17].

Газотермические технологии широко применяются в высокотехнологичных отраслях промышленности, так как являются эффективным методом повышения эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей деталей машин путем нанесения покрытий, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики [7, 9, 13,14, 17, 19,31-33,38, 86, 117-123].

Развитие газотермических методов напыления, нацеленных на формирование более прочных и плотных покрытий на высоконагруженных и ответственных деталях, связано в первую очередь с применением при напылении частиц, разогнанных до высоких скоростей перед осаждением на основу. Это позволило создать оборудование и технологии напыления, которые в настоящее время являются не только единственным путем упрочнения и восстановления изношенных валов, роторов и штоков высоконагруженного оборудования, но и часто выступают наилучшей альтернативой гальваническому хромированию[21, 41, 51, 57, 59, 86, 99, 102, 103, 111, 112, 119-123].

На качество формируемых покрытий первостепенное влияние - оказывает метод подготовки поверхности основы [5, 17, 59, 60, 68, 70, 88]. В настоящее время в промышленности распространены следующие методы: термические, механические, прочие методы [12, 15, 18, 24, 29, 43, 50, 56, 84, 89, 95, 96]. Не смотря на их известные преимущества им свойственны такие недостатки, как: снижение усталостной и циклической прочности изделий с покрытиями, шаржирование абразивных частиц, низкая производительность, невозможность применения при нанесении тонких покрытий. Разработка новых методов подготовки способных устранить перечисленные выше недостатки и обеспечить экономическую эффективность технологии является важной научно-технической проблемой.

В этом отношении особенно перспективным является исследование способов подготовки поверхности посредством ультразвуковой обработки, поскольку последняя не только устраняет указанные выше недостатки, но и положительно влияет на процессы формирования покрытий [1-3, 10-12, 15, 18, 21, 23, 35-37, 43, 45, 62, 65, 71, 81, 116]. На основании вышеизложенного была сформулирована цель работы.

Цель работы: совершенствование технологии процесса ультразвуковой обработки поверхностей стальных деталей перед нанесением газотермических покрытий.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены на основе анализа методов пластического деформирования поверхностей деталей, особенностей ультразвуковой обработки металлов, технологий газотермического напыления покрытий и установления влияния подготовки поверхности на технические характеристики упрочняющих газотермических технологий. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях и включали изучение влияние технологических режимов ультразвуковой обработки на свойства конструкционных сталей и параметры микрорельефа поверхности, установление закономерностей взаимодействия напыляемого материала и основы после ультразвуковой обработки в сравнении с другими способами подготовки поверхности для случаев применения высокоскоростного и детонационного напыления. Исследования проведены на основе использования методов оптической металлографии («МЕТАМ РВ-21», «Olympus GX-71»), растровой электронной микроскопии («Philips SEM 515»), профилометрического анализа («MICRO MEASURE 3D station») и оценки микротвердости («Nano Hardness Tester», «ПМТ-3»). Для количественного описания процесса кристаллизации и охлаждения напыляемого материала на основе использовался пакет программ ANSYS на основе метода конечных элементов. Достоверность результатов исследований подтверждается их воспроизводимостью, соответствием с результатами других авторов и внедрением результатов в производство.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований по влиянию предварительного микрорельефа поверхности и основных технологических параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и микротвердости обрабатываемого материала.

2. Результаты экспериментальных исследований по влиянию ультразвуковой обработки поверхности на свойства композиции «покрытие-основа» и прочность соединения покрытий, полученных газотермическим напылением.

3. Результаты математического моделирования влияния параметров микрорельефа поверхности на процесс кристаллизации и охлаждения напылённого материала при газотермическом напылении.

4. Способ обработки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний для подготовки к нанесению покрытий газотермическим напылением.

5. Практические рекомендации по использованию ультразвуковой обработки перед нанесением покрытий в технологических процессах изготовления высоконагруженных деталей.

Научная новизна:

1. Разработана методика подготовки поверхности стальных изделий, основанная на создании посредством обработки резанием определенного микрорельефа поверхности, дельнейшей ее ультразвуковой обработке, обеспечивающей активацию основы с целью совершенствование технологии процесса ультразвуковой обработки перед нанесением покрытий.

2. Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние параметров микрорельефа поверхности основы на процесс кристаллизации слоя материала покрытия, нанесенного газотермическим напылением.

3. Установлено, что микротвердость сталей 20 и 40Х после ультразвуковой обработки зависит как от размеров исходной шероховатости поверхности, так и геометрии микрорельефа. При этом значения микротвердости на поверхности могут превышать значения исходной микротвердости для вышеуказанных сталей соответственно в 2,2 и 1,8 раза, а характер распределения значений микротвердости по глубине носит градиентный характер.

4. Установлено, что подготовка поверхностей стальных изделий ультразвуковой обработкой, позволяет снизить скачок значений микротвердости на границе между покрытием и основой в сравнении со струйно-абразивной обработкой.

Практическая ценность:

1. Разработан и запатентован способ упрочнения деталей из конструкционных материалов (патент РФ на изобретение №2354715 «Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов»).

2. Определены режимы ультразвуковой обработки и необходимый предварительный микрорельеф на поверхностях обрабатываемых деталей при газотермическом нанесении покрытий.

3. Разработан способ обработки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний перед нанесением покрытий газотермическим напылением (положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010121657 «Способ подготовки поверхности детали с использованием ультразвуковых колебаний»).

4. В производственных условиях реализованы процессы ультразвуковой обработки поверхности деталей перед нанесением покрытий высокоскоростным газопламенным и детонационным методами.

Реализация полученных результатов. На разработанный способ получен один патент на изобретение РФ (№2354715) и одно положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010121657. Результаты выполненной работы внедрены на ООО «Юргинский машиностроительный завод» (г. Юрга), ООО «Сибирские Технологии Защитных Покрытий» (г. Новосибирск).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двух Международных конференциях «Современные техника и технологии» - г. Томск (2007, 2008гг.); на двух Международных конференциях «International Conference on Metallurgy and Materials» - г. Ostrava, Czech Republic (2007, 2009гг.); на Международной практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» - г. Санкт-Петербург (2006г.); на Международной школе-семинаре «Новые технологии, материалы и инновации в производстве» - г. Усть

Каменогорск, Казахстан (2009г.); на шести научных конференциях ЮТИ ТПУ в г. Юрга (2006-2011гг.).

Исследования проводились при поддержке гранта РФФИ №06-08-01220-а (2006-2008гг.); программы «УМНИК», проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2009-2011гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, включая 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 149 страниц печатного текста, 46 рисунков, 20 таблиц и список использованных источников из 124 наименований.

Общие выводы

1. Установлено влияние предварительного микрорельефа поверхности на величину микротвердости после ультразвуковой обработки. Максимальный прирост микротвердости (2,2 раза) обеспечивается при шероховатости Я2=15мкм для стали 20 и Я2= 10 мкм для стали 40Х.

2. Определены, параметры величины подачи индентора и скорости вращения при ультразвуковой обработке изделий из сталей 20 и 40Х, которые позволяют формировать минимальную шероховатость мкм и максимальную микротвердость 3200-4200 МПа для данных условий обработки.

3. Установлено, что ультразвуковое воздействие на поверхность сталей 20 и 40Х при последующем газотермическом напылении обеспечивает снижение скачка микротвердости между покрытием и основой на 20 % в сравнении со струйно-абразивной обработкой при незначительном снижении площади адгезионного взаимодействия (с 53 % до 47 %).

4. Разработана математическая модель расчета параметров процесса кристаллизации слоя материала покрытия, нанесенного газотермическим напылением. Показано, что ультразвуковая обработка в сравнении со струйно-абразивной обеспечивает незначительный перепад температур между пиком и впадиной. Для ультразвуковой обработки перепад составляет около 15 °С, в то время как для струйно-абразивной обработки - более 200 °С.

5. Разработаны технологические рекомендации для ультразвуковой обработки сталей 20 и 40Х и способ подготовки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний под нанесение покрытий высокоскоростным газопламенным и детонационным напылением (положительное решение от 16.09.2011г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010121657 «Способ подготовки поверхности детали с использованием ультразвуковых колебаний»). Разработан и запатентован способ ультразвукового упрочнения конструкционных материалов (патент РФ на изобретение №2354715 «Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов»).

6. Результаты выполненной работы внедрены на ООО «Юргинский машиностроительный завод» (г. Юрга), ООО «Сибирские Технологии Защитных Покрытий» (г. Новосибирск).

1. Абрамов О.В., Гуревич Л.Б. Влияние ультразвука на структуру и свойства чистых металлов. // ФХОМ. 1972 - №3 - С. 18-20.

2. Абрамов O.A., Добаткин В.И., Казанцев В.Ф. и др. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. М.: Наука, 1986.-227 с.

3. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов / Под ред. О.В. Абрамова. М.: Машиностроение, 1984. -280 е., ил.

4. Бабей Ю. И., Бутаков Б. И., Сысоев В. Г. Поверхностное упрочнение металлов. Киев.: Наукова думка, 1995. - 256 с.

5. Балдаев Л.Х. Газотермическое напыление: учеб. пособие / кол. авторов; под общей ред. Л.Х. Балдаева. М.: Маркет ДС, 2007. - 344 с.

6. Балдаев Л.Х., Димитриенко Л.Н. Исследование возможности замены гальванических хромовых покрытий на газотермические покрытия напыленные высокоскоростной горелкой TOP GUN-K.

7. Балдаев Л.Х., Шестеркин Н.Г., Лапанов В.А., Шатов А.П. Особенности процессов высокоскоростного газопламенного напыления // Сварочное производство. 2003. - № 5. - С. 43-46. (24)

8. Баранова Л.В., Демина Э.Л. Металлографическое травление металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983. - 256 с.

9. Бартенев С.С., Федько Ю.П., Григорьев А.И. Детонационные покрытия в машиностроении. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. -215 е., ил.

10. Безбородов В.П., Клименов В.А., Панин В.Е., Теплоухов В.Л. Возможности метода ультразвукового нагружения при нанесении газотермических покрытий. // Ультразвуковые колебания и их влияния на механические характеристики конструкционных материалов:

11. Сборник научных трудов международной конференции. Киев.: Наукова думка, 1986. - С. 46-49.

12. Безбородое В.П., Ковалевский Е.А. Влияние ультразвуковой обработки на напряженное состояние газотермических покрытий из никелевых сплавов // Физика и химия обработки материалов. 2001. -№1. - С. 67-69.

13. Безбородов, В.П. Клименов В.А., Теплоухов B.JL, Панин В.Е. A.C. 1274328 СССР, МКИ В 23 Р 6/00. Способ нанесения покрытий. Опубл. 15.12.82, Бюл. № 46.

14. Беленов А.С, Бобров Г.В., Шестаков А.И. Механические свойства металлических покрытий, напыленных высокоскоростной газовоздушной плазмой. М.: МАТИ им. К. Э. Циолковского, 2000. Вып. 3 (75). С. 16-20.

15. Белова О.Ю., Клубникин B.C. Некоторые преимущества сверхзвукового плазменного напыления // Пленки и покрытия. С.Петербург, 1998. С. 481-483.

16. Беркенев Н.В., Лясникова A.B., Приходько C.B. Ультразвуковая абразивно-струйная подготовка поверхности под электроплазменное напыление биопокрытий дентальных имплантантов // Технология металлов.-2005.-№11.-С. 39-43.

17. Бойцов А.Г., В.Н. Машков, В.А. Смоленцев, JI.A. Хворостухин. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами -М.: Машиностроение, 1991. 144 е., ил.

18. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко СЛ., Ардатовская E.H. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник «Наукова думка», 1987. 544 е., ил.

19. Борисов Ю.С., Ильенко А.Г., Гайдаренко АЛ. и др. Структурные изменения в поверхностном слое газотермических покрытий приультразвуковой обработке стальными шариками // Порошковая металлургия. 1992. -№2. - С. 23-28.

20. Борисов Ю.С., Петров C.B. Использование сверхзвуковых струй в технологии газотермического напыления // Автоматическая сварка. -1995. -№ 1.- С. 41-44.

21. Боярская Ю.С. Грабко Д.З., Кац М.С. Физика процессов микроиндентирования. Кишинев: Штииница, 1986. - 295 с.

22. Булавин В.А., Клубович В.В., Сакевич В.Н. Повышение износостойкости шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания // Трение и износ. 1995. - Т16- №2. - С. 371-374.

23. Валетов В.А., Третьяков С.Д. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей. Учебно-методическое пособие. СПб.: ГУИТМО, 2005.-28 с.

24. Гарбер М.И. Прогрессивные методы подготовки поверхности // Жур. Всесоюз. хим. Общества им. Д.И. Менделеева 1980. - Т. 25. - №2. -С. 129-137.

25. Германа Г.В. Сверхбыстрая закалка жидких сплавов / Под. ред.- М.: Металлургия, 1986. 286 с.

26. Гизатуллин С.А., Даутов Г.Ю. Способ газотермического нанесения покрытий. Патент РФ № 2086697. Дата публикации: 10.08.1997.

27. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. М.: Изд-во стандартов, 1976. - 32 с.

28. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976.-230 с.

29. Дикун Ю.В. Способ обработки поверхности изделия, способ подготовки поверхности для последующего нанесения покрытия и устройство для их осуществлении. Патент РФ 2235148, МКИ С 23 С 24/04 В 05 V 3/12. я Опубл. 27.08.2004, Бюл. № 37.

30. Дьяченко П.Е. Количественная оценка неровностей обрабатываемой поверхности. М.: Машиностроение, 1963. 140 с.

31. Зайцев К.В. Газотермические покрытия // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: Материалы III международной научно-технической конференции. Тюмень: Феликс, 2005. - 364с. - С. 43-44.

32. Зайцев К.В. Сверхзвуковое газопламенное напыление порошковых покрытий // Труды 4 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. В 2-х т.- ЮТИТПУ, Юрга: Изд. ТПУ, 2006. Т. 1. - 154 с. - С. 20-23.

33. Издательство Томского политехнического университета, 2009. 695 с. -С. 232-235.

34. Зильберберг В.Г., Строганов А.И., Киркин Н.И. и др. Нанесение газотермичеких покрытий при сверхзвуковых скоростях // Порошковая металлургия. 1989. -№1. - С. 28-31.

35. Киричек A.B., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием: Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. - 288 е., ил.

36. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Толмачев А.И. Исследование адгезии покрытий, полученных высокоскоростным газопламенным напылением. Известия Томского политехнического университета 2007г. Т.310 - № 3. - С. 57-61.

37. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Ульяницкий В.Ю., Зайцев К.В., Борозна В.Ю. Влияние ультразвуковой обработки основы наформирование покрытия при детонационном напылении. Технология машиностроения 2008г. № 7. - С. 22-26.

38. Клименов В.А., Панин В.Е., Безбородов В.П. и др. Субструктурные и фазовые превращения при ультразвуковой обработке мартенситной стали. // ФХОМ. 1993. - № 6. - С. 77-83.

39. Клименов В.А., Иванов Ю.Ф., Перевалова О.Б. и др. Структура, фазовый состав и механизмы упрочнения аустенитной стали, подвергнутой ультразвуковой обработке бойками // ФХОМ.-2001. С. 90-97.

40. Клименов В.А., Нехорошков О.Н., Уваркин П.В., Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф. Структура, фазовый состав и свойства стали 60, подвергнутой ультразвуковой финишной обработке // Физическая мезомеханика. 2006. - Т.9. - Спец. выпуск - С. 173-176.

41. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Борозна В.Ю., Толмачев А.И. Способ упрочнения деталей из конструкционных сплавов. Патент РФ № 2354715. Дата регистрации 10.05.2009. Опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

42. Клубникин B.C. Сверхзвуковое плазменное напыление высокоплотных и прочных покрытий // Пленки и покрытия. С.Петербург, 1998. С. 35-38.

43. Ковалевская Ж.Г., Клименов В.А., Бутов В.Г., Жуков А.П., Зайцев К.В. Численное описание процесса кристаллизации газотермически напыленного материала на основу с разным микрорельефом // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. - №11. - С. 18-27.

44. Ковалевская Ж.Г., Жуков А.П., Клименов В.А., Бутов В.Г., Зайцев К.В. Расчет влияния микрорельефа поверхности, создаваемого ультразвуковой обработкой на процесс охлаждения напыленного материала // Известия ТПУ. 2011. - Т. 318. - № 2. - С. 120-125.

45. Коваленко B.C. Металлографические реактивы. Справочное издание. -М.: Металлургия, 1981. 120 с.

46. Коломеец Н.П., Михайлов B.C. Применение ультразвуковой технологии для упрочнения сварных соединений и суперфинишной обработки деталей узлов трения // Судостроение. 2001. № 4. -С. 32-33.

47. Коренев В.Н., Хромов В.Н., Кулаков К.В., Барабаш В.В., Зайцев С.А. Способ подготовки поверхности изделия под напыление и устройство для его осуществления. Патент РФ 2237525, МКИ В 23 D 3/12. Опубл. 10.10.2004, Бюл. №37.

48. Кручинин A.M., Захаревич Е.Е., Батаев И.А. и др. Восстановление валов электрических машин с использованием технологии наплавки ультразвуковой обработки покрытий //Материаловедение. 2008. -№3.- С. 45-48.

49. Кудрявцев JI. Д. Курс математического анализа 5-е, переработанное и дополненное. - М.: Дрофа, 2003. - Т. 1. - 703 с.

50. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. 184 с.

51. Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е. и др. Нанесение покрытий плазмой. М.: Наука, 1990. - 408 с.

52. Кулемин A.B. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.-200 с.

53. Кулемин A.B., Кононов В.В., Стебельков И.А. О выборе оптимального режима ультразвуковой упрочняющей обработки металлов. // Физика и химия обработки материалов. 1982. №2. - С.93-97.

54. Кулемин A.B., Кононов В.В., Стебельков И.А. Повышение усталостной прочности деталей путем ультразвуковой поверхностной обработки. // Проблемы прочности. 1981. - №1. - С. 70-74.

55. Куприянов И.Л., Верстак A.A., Буров И.С., Ильющенко А.Ф. Влияние наклепа поверхности основы на физико-химическое взаимодействие материалов при газотермическом напылении // Сварочное производство. 1986. -№1. С. 8-10.

56. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980. - 237 е., ил.

57. Марков А.И. Применение ультразвука при механической обработке и поверхностном упрочнении труднообрабатываемых материалов. // Применение ультразвука в промышленности. Под ред. А.И. Макарова. М: Машиностроение. 1975. С. 157-180.

58. Маталин A.A. Технология механической обработки. Л.: «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977. 464 с. ил.

59. Митин Б.С. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Под ред. Митина Б.С. М., Металлургия, 1987г.

60. Муханов И.И. Импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом. М: Машиностроение, 1978. 44 с.

61. Надольский В.О., Навознов А.Н. Способ подготовки поверхности деталей. A.C. 1758082 СССР, МКИ С 23 С 4/02. Опубл. 30.08.92, Бюл. №32.

62. Нехорошков О.Н. Влияние ультразвуковой обработки на структуру, свойства и разрушение композиций, образующихся при нанесении покрытий и сварке. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск, 2006. - 157 с.

63. Новинки Ю.А. Оборудования для высокоскоростного напыления ТСЗП-SB 500. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ООО «ТСЗП», Москва, 2005. 42 с.

64. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987.-328 е., ил.

65. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел. // Физическая мезомеханика 1999. - Т.2 - № 6 - С. 5-24.

66. Панин В.Е., Клименов В.А., Псахье С.Г. и др. Новые материалы технологии. Конструирование новых материалов и упрочняющих технологий. Новосибирск.: ВО Наука. Сибирская издательская фирма, 1993.- 152 с.

67. Панин A.B., Клименов В.А., Почивалов Ю.И., Сон A.A. Влияние состояние слоя на механизм пластического течения и сопротивление деформации малоуглеродистой стали. // Физическая мезомеханика. № 2001.-№4.-С. 85-92.

68. Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н., Иванов Ю.Ф. и др. Получение и исследование структуры и свойства плазменно-детонационных покрытий из А1203 // Письма в журнал технической физики. 2000. -Т. -26.-Вып. 21.-С. 53-60.

69. Поляк М. С. Технология упрочнения. Технол. методы упрочнения. В 2 т. М.: Л. В. М. - СКРИПТ, Машиностроение, 1995. - Т. 1 - 832 с; Т.2 -688 с.

70. Пузряков А.Ф. Управление остаточными напряжениями в плазменных покрытиях // Технология машиностроения. 2004. - №5. - С. 43-47.

71. Рахимянов Х.М., Семенова Ю.С. Формирование морфологии поверхности процессе ультразвукового пластического деформирования деталей машин // Упрочняющие технологии и покрытия М.: Машиностроение, 2010. №10 - С. 20-23.

72. Рахимянов Х.М., Семенова Ю.С. Моделирование процесса формирования регулярного микрорельефа при ультразвуковом пластическом деформировании // Упрочняющие технологии и покрытия. М.: Машиностроение. 2010. № 2. - С. 3-9.

73. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. -М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

74. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. Изд. 2-е, пер. и доп. М., «Металлургия», 1973. 400 с.

75. Синолицин Э.К. Получение прочного сцепления с подложкой при низкоскоростном газопламенном напылении жидких металлических частиц // Физика и химия обработки материалов. 2002. - № 2. - С. 49-54.

76. Соловьев Б.М., Бурумкулов Ф.Х., Осин A.M., Терехов Д.Ю. Способ нанесения газотермических покрытий на детали машин. A.C. 1638198 СССР, МКИ С 21 С 4/02. Опубл. 30.03.91, Бюл. №12.

77. Солонеко О.П., Смирнов A.B., Клименов В.А., Бутов В.Г., Иванов Ю.Ф. Роль границ раздела при формировании сплэтов и структуры покрытий. // Физическая мезомеханика. 1999. - Т.2. - №1-2. - С. 123-140.

78. Солоненко О.П. Теплофизические основы формирования плазменных покрытий из порошков оксидов // Физическая мезомеханика. 2001. -Т.4. - №6. - С. 45-56.

79. Соколовский В.В. Теория пластичности. Государственное издательство технико-теоретической литературы, М., 1950г.

80. Стаскевич Н.П., Вигдорчик Д.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. Д.: Недра, 1986. 543 с.

81. Сычев В. В. Дифференциальные уравнения термодинамики. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1991. 224 с.

82. Терехов Д.Ю., Соловьев Б.М. Способ подготовки поверхности перед нанесением газотермических покрытий. A.C. 1673635 СССР, МКИ С 21 С 4/02. Опубл. 30.08.91, Бюл. №32.

83. Титлянов А.Е., Радюк А.Г., Заикина A.M., Чулков В.П., Павлов Ю.Н. Способ подготовки поверхности изделий. A.C. 1767023 СССР, МКИ С 23 С 4/02. Опубл. 07.10.92, Бюл. №37.

84. Тушинский Л.И., Плохов А.В., Токарев А.О., Синдеев В.И. Методы исследований материалов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. / М.: Мир, 2004. - 384 е.: ил.

85. Тушинский Л.И., Плохов А.П. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий. Новосибирск.: Наука, 1986. - 200 с.

86. Ульяницкий В.Ю. Физические основы детонационного напыления // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Новосибирск, 2001. - 31 с.

87. Уманский В.Б., Маняк Л.К. Новые способы упрочнения деталей машин: Справ, пособие. Донецк: Донбас, 1990. - 144 с.

88. Ультразвуковой технологический комплект УЗТК-02. Руководство по эксплуатации.

89. Фролов В.А., Поклад В.А., Рябенко Б.В. Викторенков Д.В. Технологические особенности методов сверхзвукового газотермического напыления // Сварочное производство. 2006. - № 2. -С. 45-53.

90. Фролов В.А., Поклад В.А., Рябенко Б.В. и др. Технологические особенности нанесения покрытий методом НУОБ на элементы газотурбинных двигателей // Сварочное производство. 2003. №11. -С. 26-30.

91. Харламов Ю.А., Борисов Ю.С. Влияние микрорельефа поверхности на прочность сцепления с газотермическими покрытиями // Автоматическая сварка, 2001. №6. - С. 19-29.

92. Харламов Ю.А. О моделировании процесса соударения частиц с поверхностью при газотермическом нанесении покрытий // Физика и химия обработки метериалов. 1990. №4. - С. 84-89.

93. Харламов Ю.А. Методы модифицирования поверхностных слоев деталей машин и инструментов. // Сучасне машинобудування. 2000. -№3-4(5-6). - С. 9-17.

94. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. Пер. с яп. В.Н. Попова: Под ред. B.C. Степина. -М.: Машиностроение, 1985. 240 с.

95. Хворостухин J1.A., С.В. Шишкин, И.П. Ковалев, Р.А. Ишмаков. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением М.: Машиностроение, 1988. - 144 е., ил.

96. Хмелевская В.Б., Леонтьев Л.Б., Лавров Ю.Г. Технологии восстановления и упрочнения деталей судовых механизмов триботехнические характеристики покрытий. СПб.: СПГУВК. 2002. -309 с.

97. Хмелевская В.Б., Кузьмин А.А. Выбор технологий и материалов для повышения надежности судового оборудования. СПб.: СПГУВК. -2005.-211 с.

98. Хромов В. Н., Верцов В.Г., Барабаш В. В. Газотермическое напыление покрытий сверхзвуковыми горелками // Технолог по сварочному производству промышленных предприятий, объектов энергетики и строительства. С.-Петербург: СПбГТУ, 2001. - С. 40-44.

99. Хромов В.Н., Верцов В.Г., Коровин А .Я. и др. От дозвукового к сверхзвуковому газопламенному напылению покрытий при восстановлении и упрочнении деталей машин // Сварочное производство. 2001. - №2. - С. 39-48.

100. Шмаков A.M., Ермаков С.С. Ударное взаимодействие частицы с основой при газотермическом напылении // Физика и химия обработки материалов. 1986. - №3. - С. 66-71.

101. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения, 4 изд., М.Машиностроение, 1975 256 с.

102. Arvidsson Р.Е. Comparison of Superalloy Coatings Sprayed with Plasma and HVOF // Powder Metallurgy International. 1991. - №3. - P. 157-164.

103. Klimenov V.A., Borozna V.Yu., Zaitsev K.V. Influence of ultrasonic superficial processing on properties of titanic alloys // 18th International

104. Metallurgical and Materials Conference, Hradec nad Moravici, Czech Republic, 2009. P. 243-248.

105. Conrad H., Westbrook J. // The Science of Hardness Testing and 1st Research Applications American Society for Metals. Metals Park.

106. Guilemany J.M., Liorcaisern N., Nutting J. Ceramic coating obtained by means of HVOF thermal spraying // Powder Metallurgy International. -1993.-№4.-P. 176-179.

107. Modi S.C., Calla E. HIJET-9600 gun. A new development in HVOF wire spraying // Пленки и покрытия. С.-Петербург, 1998. С. 203-208.

108. Nestler M.C, Erning U. Chacteristics and advanced industrial applications using the «Diamond jet hybrid» (DJ) the third generation of HVOF systems // Пленки и покрытия. С.-Петербург, 1998. - С. 195-202.

109. Sasaki V., Wakashima Y., Hattori T. Differences in material properties of sprayed Ni-base alloy coating by FTVOF and plasma spray processes // Proceedings of ITSC95. Kobe. 1995. - P. 603-608.

110. Sudaprasert Т., McCartney D.G., Shipway P.H. Role of spray system and powder feedstock on the sliding wear behaviour of WC-Co HVOF sprayed coatings // International Thermal Spray Conference. Essen, 2002. P. 6.

111. Vuoristo P., Ahmaniemi S., Tuurna S. et al / Development of HVOF sprayed NiCoCrAIYRe coatings for use as bond coats of plasma sprayed thermal barrier coatings // International Termal Spray Conference. Essen, 2002.-P. 6.

112. Valli J. A review of adhesion test methods for thin hard coating // J. vac. sci. technol. 1986. - A4. - №6. - P. 3007-3014.