автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Барьерно-дислокационный механизм упрочнения деталей машин методом электроакустического напыления

/.'-, ./ -" - _ /у -

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Кочетов Андрей Николаевич

БАРЬЕРНО-ДИСЛОКАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

05. 03. 01. - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук, Профессор В. С. Минаков

Ростов-на-Дону 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 6

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 12

1.1. Общие положения 12

1.2. Процессы упрочнения пластическим деформированием 19

1.2.1. Упрочнение дробеструйным наклепом 19

1.2.2. Упрочнение термомеханической обработкой 20

1.3. Процессы упрочнения поверхностной закалкой и химико-термическими способами 21

1.3.1. Упрочнение поверхностной закалкой с нагревом газовым

пламенем 21

1.3.2. Упрочнение поверхностной закалкой с нагревом токами высокой частоты 22

1.3.3. Упрочнение цементацией 23

1.3.4. Упрочнение азотированием 24

1.3.5. Упрочнение цианированием 24

1.4. Электрохимические методы нанесения покрытий 25

1.4.1. Упрочнение хромированием 25

1.4.2. Упрочнение твердым никелированием 26

1.4.3. Упрочнение борированием 27

1.5. Лазерное упрочнение 27

1.6. Электроэрозионное упрочнение 29

1.7. Методы упрочнения ультразвуковой технологии 30

1.8. Схемы ультразвуковой металлизации 31

1.8.1. Иммерсионная схема ультразвуковой металлизации 32

1.8.2. Контактная схема ультразвуковой металлизации 3 3

1.8.3. Схема тонкого слоя 36

1.9. Выводы 37

2. ОСНОВЫ МЕХАНИЗМА ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО

НАПЫЛЕНИЯ НА ПОВЕДЕНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ 40

2.1. Физическая модель электроакустического напыления 40

2.2. О механизме влияния твердых поверхностных пленок на деформацию и разрушение 44

2.3. Влияние различия модулей упругости пленки и кристалла-основы

на поведение дислокаций 45

2.3.1. Взаимодействие единичной дислокации с пленкой 46

2.3.2. Взаимодействие плоского ряда параллельных дислокаций с

пленкой 49

2.4. Упрощенная аналитическая модель взаимодействия единичной дислокации с полученными слоями методом ЭЛАН 54

2.5. Выводы 57

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 59 3.1 Этапы экспериментальных исследований 59

3.1.1. Оптимизация режимов способа ЭЛАН 59

3.1.2. Изучение структурно-фазового состояния напыленных слоев 59

3.1.3. Оценка качества поверхности 60

3.1.4. Определение механических характеристик 60

3.1.5. Исследование износостойкости 60

3.2. Аппаратура, установки, образцы 61

3.2.1. Установки для нанесения покрытия 61

3.2.2. Установка для исследования износостойкости 67

3.2.3. Образцы 68

3.2.4. Измерительная аппаратура 71

3.3. Планирование эксперимента и обработка полученных результатов 73

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 76 4.1. Рентгеноструктурный анализ 76

4.1.2. Обработка экспериментальных данных 79

4.1.3. Влияние ЭЛАН на металлографию, фазовый и элементный состав покрытия 93

4.1.4. Изучение топографии поверхностей образцов 104

4.1.5. Выводы 108

4.2. Исследование микротвердости 109

4.2.1. Планирование эксперимента 109

4.2.2. Проведение эксперимента и особенности используемого оборудования 110

4.2.3. Обработка экспериментальных данных 112

4.2.4. Выводы 120

4.3. Исследование шероховатости 121

4.3.1. Планирование эксперимента 121

4.3.2. Проведение эксперимента и особенности используемого оборудования 121

4.3.3. Обработка экспериментальных данных 122

4.3.4. Выводы 130

4.4. Исследование механических характеристик 131

4.4.1. Проведение эксперимента и особенности используемого оборудования 131

4.4.2. Обработка экспериментальных данных 134

4.4.3. Выводы 135

4.5. Исследование износостойкости 13 6

4.5.1. Исследование нормального износа 136 4.5.1.1. Обработка экспериментальных данных 137

4.5.2. Исследование средней объемной температуры 142 4.5.2.1. Обработка экспериментальных данных 143

4.5.3. Исследование весового износа 146 4.5.3.1. Обработка экспериментальных данных 147

4.5.4. Определение основных характеристик износа 150

4.5.5. Выводы 154 5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО

НАПЫЛЕНИЯ 156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 159

ЛИТЕРАТУРА 162

ПРИЛОЖЕНИЯ 171

ВВЕДЕНИЕ

Успех перестройки в нашей стране зависит от быстрого перехода хозяйства на рыночную экономику с обеспечением социальных гарантий всем слоям населения. Главная задача общества - придание наибольшего динамизма процессу обновления страны; приведение в действие рычагов экономики, которые многие годы оставались без движения; обеспечение эффективного действия реальных экономических законов развития общества; внедрение в экономику рыночных методов в разумных пределах, которые длительное время игнорировались и до последнего времени не получили необходимого механизма воплощения их в жизнь.

Рыночная экономика требует от каждого предприятия максимально рентабельной работы, выпуска конкурентно-способной продукции, позволяющей осуществлять валютные операции.

Основой совершенствования промышленного производства страны, частично и успехов в сельском хозяйстве, являются успехи машиностроения. Качественное обновление именно этой отрасли промышленности должно обеспечить улучшение технических характеристик машин и оборудования для всех отраслей хозяйства и обеспечить экспорт передовых технологий и оборудования.

Машиностроение должно подняться на новую ступень в своем развитии на основе ускорения использования достижений научно-технического прогресса в нашей стране и за рубежом, совершенствования технологии производства.

При современных масштабах производства продукции машиностроения одной из проблем, которую необходимо решать в ближайшее время, является проблема снижения металлоемкости продукции и экономии энергетических ресурсов, то есть развития материалосберегающих и ресурсосберегающих технологий. Одним из направлений для решения этой проблемы является интенсификация существующих и создание новых эффективных методов формообразования изделий для уменьшения объема обработки резанием с увеличением надежности и долговечности изделий, как машиностроительного производства, так и оборудования и инструментов в этом производстве.

В связи с постоянным увеличением удельного веса машиностроительного производства, а, следовательно, и ассортимента деталей машин, проблема увеличения ресурса работы, износостойкости и прочности, при одновременном уменьшении себестоимости, не утратила своего значения и на сегодняшний день. Решение этой проблемы, как показывает отечественный и зарубежный опыт, связано с разработкой и внедрением эффективных и производительных технологических процессов, базирующихся на использовании различных видов энергии: плазмы, лазера, электрического и магнитного полей, ультразвуковых колебаний и др. Для создания высокоэффективных технологий упрочнения деталей машин актуален поиск новых научно-технических решений, основанных на результатах системного исследования физико-технических процессов с использованием достижений металло - и рентгенографии, спектроскопии и других тонких методов исследования, а также на глубоких научных обобщениях с привлечением новейшего математического аппарата и средств ЭВМ.

Одним из таких решений является широкое использование энергии комплексных ультразвуковых колебаний (УЗК), позволяющих создавать принципиально новые технологии, отличающиеся высокой эффективностью и стабильностью. Исключительная технологическая гибкость комплексных УЗК дает возможность во многих случаях интенсифицировать действующие технологические процессы, а также эффективно использовать их энергию с другими видами энергий различными по своей физической природе, например, световой, электрической и Др.

В многочисленных работах, посвященных теоретическому и экспериментальному изучению воздействия энергии УЗК различного типа (продольных, крутильных, изгибных и др.) на разнохарактерные технологические процессы, доказана эффективность ультразвука. Однако к началу выполнения настоящей работы использование в отечественном и зарубежном машиностроении энергии комплексных ультразвуковых колебаний в научном и технологическом аспектах не было обеспечено, методика расчета источников комплексных УЗК не позволяла оперативно решать инженерные задачи, применяемые источники продольных и

крутильных УЗК не обеспечивали синхронного комплексного воздействия на обрабатываемую среду, недостаточно исследовано влияние комплексных УЗК на физико-механические свойства поверхностного слоя обрабатываемых поликристаллических металлов и на динамику их деформируемости, не исследовано влияние комплексного ультразвукового поля на поведение дислокаций и на формирование поверхностного слоя заданного качества.

Необходимым условием высокоэффективного использования энергии комплексных УЗК в технологической практике является целенаправленная их трансформация с учетом специфики того или иного процесса путем контролируемого воздействия на все более существенные параметры, характеризующие служебное назначение изделия. В связи с этим актуально проведение специальных исследований, связанных с целенаправленным управляемым воздействием трансформируемых УЗК в комплексном процессе электроакустического упрочнения деталей машин с целью увеличения их износостойкости и долговечности при одновременном улучшении качества изделий и производительности процесса.

Таким образом, средством, регламентирующим и обеспечивающим разработку новой технологии, должна стать энергия комплексных ультразвуковых колебаний. Поэтому цель работы сформулирована следующим образом: «Повышение износостойкости и долговечности деталей машин путем использования процесса электроакустического напыления с применением комплексной энергии электрической искры и неформального акустического поля на основе создания теории физической модели образования «двойного барьера», препятствующего выходу дислокаций на поверхность».

Научная новизна работы заключается в обобщении теоретических и экспериментальных исследований физических процессов и явлений, протекающих под действием оптимальных комплексных УЗК, ответственных за формирование параметров качества поверхностного слоя и производительность в рамках технологического процесса упрочнения деталей машин. Научную основу этого процесса составили новые теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, наиболее существенные из которых выносятся на защиту:

- физическая сущность процессов и явлений, ответственных за направленную трансформацию поверхностей с прогнозируемыми свойствами и их взаимосвязь в рамках рассматриваемого процесса упрочнения;

- технологический процесс электроакустического упрочнения деталей машин.

Основные результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований. В связи с многообразием связей между комплексными УЗК и процессами и явлениями, ответственными за формирование, как структуры технологического процесса, так и параметров качества изделий, в необходимых случаях применялся метод математического моделирования с использованием

и и и т~\

возможностей современной вычислительной техники. В тех случаях, когда современный уровень развития позволял провести математический анализ процесса, использовались детерминированные математические модели, основанные на описании явлений в виде причинно-следственного выражения и позволяющие проводить математический эксперимент. При описании влияния изменения параметров комплексных УЗК на ход технологического процесса и конечные свойства изделий, когда выражение связей в детерминированной форме практически невозможно, использовался кибернетический подход к исследованию процессов с установлением формальных связей на основе математико-статистических моделей, основанных на вероятностном описании явлений.

Сочетание детерминированных и статистических математических моделей с широким использованием современных физико-химических методов исследования строения и свойств металла послужило одной из основ для разработки нового технологического процесса упрочнения деталей машин и металлорежущего инструмента.

Практическая ценность работы состоит в создании базы для решения важной задачи машиностроения по целенаправленному созданию новых высококачественных технологических процессов и интенсификации существующих, на основе использования энергии продольно-крутильных ультразвуковых колебаний.

Реализация этой практической задачи обеспечена разработкой комплекса новых научно-технических решений:

- разработана система управления процессом электроакустического напыления (ЭЛАН) деталей машин;

- предложены рекомендации по оптимизации акустических и электрических параметров при электроакустическом упрочнении деталей машин;

- разработаны оригинальные методики испытания деталей машин по параметрам: износостойкости, микротвердости, шероховатости, прочности;

- разработаны основы нового технологического процесса электроакустического упрочнения деталей машин.

Реализация результатов работы заключалась в производственной отработке технологии и оборудования, широких промышленных испытаниях упрочненных деталей машин; создании технической и нормативной документации; внедрении разработки и оценке ее технологической эффективности.

Все возрастающие требования к эксплуатации современных машин и аппаратов в широком диапазоне температур, высоких давлений, скоростей, нагрузок и вибраций, увеличение их мощности и быстроходности вызвали необходимость применения новых конструкционных сталей, которые являются, как правило, трудно обрабатываемыми. Отсюда ясна необходимость создания новых методов упрочняющих технологий для деталей машин и металлорежущего инструмента. В связи с этим необходимо более глубокое изучение физических и физико-химических процессов, протекающих при их реализации. В современных представлениях о протекающих при этом явлении процессах, особое место справедливо отнести к изучению процесса имплантации вещества. При этом не стоит забывать о напряженно-деформированном слое и, в частности, о его пластической деформации. Упрочнение поверхностей деталей и узлов машин пластическим деформированием наиболее распространено в машиностроении. Нет ни одного вида механической обработки металлов, которые не были бы связаны в той или иной мере с необратимыми структурными изменениями поверхностных слоев. Однако

поведение пластической деформации в условиях сложного ультразвукового поля практически не исследовано.

Способ электроакустического напыления сочетает в себе: высокоскоростную поверхностно-пластическую деформацию (ГТГТД), быстро протекающим процесс переноса вещества электрода на подложку в электрической искре, быстро протекающие химические реакции в квазижидкой фазе. Оценивая с технологических позиций способ ЭЛАН, а также большой интерес к нему со стороны предприятий машиностроения, можно констатировать, что в ближайшей перспективе наряду с другими способами упрочнения, а также учитывая его экологическую чистоту, он займет достойное место в промышленности.

В целом в настоящей работе осуществлено теоретическое и экспериментальное обобщение комплексных исследований эффективного воздействия трансформируемых ультразвуковых колебаний на основные физические и физико-химические явления, протекающие при упрочнении, и решена на этой основе задача создания принципов разработки новых технологических процессов, имеющих важное хозяйственное значение для повышения эксплуатационной надежности и долговечности деталей машин. Поэтому благодаря использованию метода электроакустического напыления становится возможным использование низколегированных сталей в производстве деталей машин. Помимо этого появляется возможность еще и рациональной утилизации отходов режущего инструмента, которые в данном процессе можно использовать в качестве материала электрода. Все выше приведенные факты ведут, прежде всего, к снижению себестоимости изделий машиностроения при одновременном повышении эксплуатационной надежности и долговечности деталей машин.

Сведения о методических особенностях и результатах исследований, итогах реализации их в производстве содержатся в пяти печатных работах, докладах на V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (1997 год) и трех межвузовских конференциях (1996-1998 годы).

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1Л. Общие положения

В настоящие время весьма остро стоит вопрос о переходе России на энергосберегающие технологии, которые должны резко снизить себестоимость изделий при одновременном увеличении их качества.

В машиностроении к параметрам качества относят: шероховатость пов�