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

На правах рукописи

^ 4/

■»ч. -----------КОЧЕТОВ Андрей Николаевич -

¡АРЬЕРНО-ДИСЛОКАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ

ДЕТАЛЕЙ .МАШИН МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО

НАПЫЛЕНИЯ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструмент.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1998

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация производственных процессов" Донского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор B.C. МИНАКОВ

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Н.С. КОЛЕВ кандидат технических наук, доцент А.В. ЧУБУКИН

АО "Квант"

Защита состоится " 24 " ноября 1998 г. в Ю часов на заседав диссертационного совета К 063.27.04 в Донском государственном техническом \ииверсит по адресу: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать в специализированный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан " £2 " октяйря 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Чукарин А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При современных масштабах производства продукции иностроения одной из проблем, которую необходимо решать в ближайшее время, :ется проблема снижения металлоемкости продукции и экономии энергетических рсов, т.е. развития материалосберегающлх и ресурсосберегающих технологий при их югической чистоте. Одним m направлений для решения этой проблемы является ясификация существующих и создание новых эффективных методов формообразования ■лии для уменьшения объема обработки резанием с увеличением надежности и овечности изделий, как машиностро1гтельного производства, так и оборудования и рументов в этом производстве.

В связи с постоянным увеличением удельного всса машинострот-ельного пводства, а, следовательно, и ассортимента деталей машин, проблема увеличения рса работы, износостойкости и прочности, при одновременном уменьшении стоимости, не утратила своего значения и на сегодняшний день. Решение этой >лемы, как показывает отечественный и зарубежный опыт, связано с разработкой и Í рением эффективных и производительных технологических процессов, базирующихся спользовании различных видов энергии: плазмы, лазера, электрического и магнитного й, ультразвуковых колебаний и др. Для создания высокоэффективных технологий >чнения деталей машин актуален поиск новых научно-технических решений, основанных езультатах системного исследования физико-технических процессов с использованием ижений металло- и рентгенографии, спектроскоп™ и других тонких методов едования, а также на глубоких научных обобщениях с привлечением новейшего матического аппарата и средств ЭВМ.

Одним из таких решений является широкое использование энергии комплексных развуковых колебаний (УЗК). позволяющих создавать принципиально новые ологии, отличающиеся высокой эффективностью и стабильностью. Исключительная ологическая гибкость комплексных УЗК дает возможность во многих случаях нсифицировать действующие технологические процессы, а также эффективно лъзовать их энергию с другими видами энергий различными по своей физической юде, например, световой, электрической и др.

югочисленных работах, посвященных теоретическому и экспериментальному изучению гйствия энергии УЗК различного типа (продольных, крутильных, изгибных и др.) на эхаракгерные технологические процессы, доказана эффективность ультразвука. Однако чалу выполнения настоящей работы использование в отечественном и зарубежном июстроешш энергии комплексных ультразвуковых колебаний в научном и алогическом аспектах не было обеспечено, методика расчета источников комплексных не позволяла оперативно решать инженерные задачи, применяемые источники ольных и крутильных УЗК не обеспечивали синхронного комплексного воздействия на батываемую среду, недостаточно исследовано влияние комплексных УЗК на физико-

3

механические свойства поверхностного слоя обрабатываемых поликристалличес металлов и на динамику их деформируемости, не исследовано влияние комплексн ультразвукового поля на поведение дислокаций и на формирование поверхностного с заданного качества.

Необходимым условием высокоэффективного использования энергии комплека УЗК в технологической практике является целенаправленная их трансформация с уче специфики того или иного процесса путем контролируемого воздействия на существенные параметры, характеризующие служебное Назначение изделия. В связи с у актуально проведение специальных исследований, связанных с целенаправлен* управляемым воздействием трансформируемых УЗК в комплексном энергетичеа процессе электроакустического упрочнения деталей машин с целью увеличения износостойкости и долговечности при одновременном улучшении качества изделш производительности процесса.

Цель работы: повышение износостойкости и долговечности деталей машин пу использования процесса электроакустического напыления с применением комплекс: энергии электрической искры и неформального акустического поля на основе созда физической модели механизма образования двойного барьера, препятствующего вых дислокаций.

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

1. разработать физическую модель механизма образования двойного бары препятствующего выходу дислокаций на поверхность;

2. исследовать адекватность математического описания механизма взаимодействия мез дислокациями и двойным барьером, препятствующим выходу дислокаций поверхность;

3. создать аппаратный комплекс системы управления процессом электроакустическ напыления;

4. исследовать получаемые структуры посредством металлографического рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии;

5. исследовать микротвердость и шероховатость упрочненного слоя, полученн методом электроакустического напыления (ЭЛАН);

'6. провести исследования механических характеристик напыленного слоя и особенно

его изменения в зависимости от режимов обработки; 7. исследовать износостойкость и свойства получаемого покрытия;

4

разработать пакет программ для обработки получаемых данных о состоянии нанесенного покрытия;

разработать технологию процесса электроаку стического напыления деталей машин.

Основные результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных

едований. В связи с многообразием связей между комплексными УЗК и процессами и киями, ответственными за формирование, как структуры технологического процесса, так эаметров качества изделий, в необходимых случаях применялся метод математического :лирования с использованием возможностей современной вычислительной техники. В лучаях, когда современный уровень развития позволял провести математический анализ ;есса, использовались детерминированные математические модели, основанные на ании явлений в виде причинно-следственного выражения и позволяющие проводить матичсский эксперимент. При описании влияния изменения параметров комплексных на ход технологического процесса и конечные свойства изделий, когда выражение :й в детерминированной форме практически невозможно, использовался рнетический подход к исследованию процессов с установлением формальных связей на ве математико-статистических моделей, основанных на вероятностном описании шй.

Сочетание детерминированных и статистических математических моделей с жим использованием современных физико-химических методов исследования строения ойств мета.тта послужило одной из основ для разработки нового технологического есса упрочнения деталей машин и металлорежущего инструмента.

Практическая ценность работы состоит в создании базы для решения важной задачи •пюстросния по целенаправленному созданию новых высококачественных алогических процессов и интенсификашт существующих, на основе использования ~ии продольно-крутильных ультразвуковых колебаний. Реализация этой практшеской л; обеспечена разработкой комплекса новых научно-технических и инженерных

Зазе комплексных, теоретических и экспериментальных исследований разработан новый «»логический процесс электроакустического упрочнения деталей машин;

работана система управления процессом электроакустического напыления (ЭЛАН) ¡лей машин,

дложены рекомендации по оптимизации акустических и электрических параметров при строакустическом упрочнении деталей машин:

эаботаны оригинальные методики испытания деталей машин по параметру эсостойкости.

Апробация работы. вные положения работь: доклалывались на:

- V-й международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, Ростов-на-Дону, 1997;

- Всероссийской конференции студентов и аспирантов по технической кибернетике, радиоэлектроники и системам управления, Таганрог, 1998;

- ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава сотрудников и студентов ДГТУ, Ростов-на-Дону, 1996-1998.

Реализация результатов работы заключалась в производственной отработ /технологии и оборудования, широких промышленных испытаниях упрочненных детал машин, создагаш технической и нормативной докуменгащш и оценке ее технологическ эффективности. Отдельные части работы выполнялись в соответствии с тематикой единому закал-наряду Министерства общего и среднего специального образования РФ 1996 год}' «Дискретное управление износостойкостью режущего инструмента автоматизированном производстве», в 1997 году «Комплексная разработка процес дискретного управления износостойкостью режутцего инструмента и технолог многофункциональной диагностики металлообработки в автоматизирован» производстве». Результаты работы приняты к внедрению на АО «Строймаш».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатю

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общ выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложе на 242 страницах, содержит 65 рисунков и 28 таблиц, список литературы из 117 источник« 19 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности работы, основные научм положения, составляющие предмет работы.

В первой главе изложено состояние вопроса упрочнения рабочих поверхност детален машин и его основные методы. Анализ литературы, основу которой составля5 работы отечественных ученых, внесших большой вклад в развитие упрочняют технологий, - А.Д. Верхотуров, Н.И. Лазаренко, Б.Р. Лазаренко и др., а также ря зарубежных исследователей - R. Roscoe, S. Harper, С. Henderson, J.J. Gilman, S. Shapi показап. что в связи с постоянной потребностью увеличения ресурса работы издел] машиностроения и повышения их качества, актуальной является проблема развит новейших упрочняющих технологий, а также интенсификация уже существуют технологий, позволяющих наносить защитные и износостойкие покрытия. Исходя трибо технических и технологических показателей, предъявляемых к получаемо: покрытию, из всего многообразия упрочняющих технологий можно выделить проце электроакустического напыления, который сочетает в себе несколько процессов. Преж всего, это процессы электроэрозионного упрочнения (ЭЭУ) и ультразвуковой металлизацш

Расширение технологических возможностей процесса электроакустического гления можно добиться при помощи использования неформальных акустических полей и абопсе принципиально новой системы управления ЭЛАН, которая позволяет обеспеч1ггь ¡ходимое повышение технико-экономических показателей упрочненных деталей.

В связи с вышеизложенным, как уже было указано выше, были определены ующие задачи диссертационной работы, которые и выносятся на защиту: разработать физическую модель механизма образования двойного барьера, препятствующего выход}" дислокаций на поверхность;

исследовать адекватность математического описания механизма взаимодействия между дислокациями и двойным барьером, препятствующим выходу дислокаций на поверхность:

создать аппаратный комплекс системы управления процессом электроакустического напыления;

исследовать получаемые стрлтпурьг посредством металлографического и рентгеностр\тстурного анализа и электронной микроскопии;

исследовать микротвердость и шероховатость упрочненного слоя, пол\-ченного методом электроакустического напыления (ЭЛАН); , .„

провести исследования механических характеристик напыленного слоя и особенности его изменения в зависимости от режимов обработки; . ...

исследовать износостойкость и свойства получаемого покрытия;

разработать пакет программ для обработки получаемых данных о состоянии нанесенного покрытия:

разработать технологию процесса электроакустического напыления деталей машин.

Во второй главе проведен теоретически! анализ основ механизма.^ влияния гроаклстического напыления на поведение дислокаций. Данный метод упрочнения ется инновационным в области нанесения твердых и сверхтвердых покрытий. Он эляет наносить твердые сплавы на токопроводящие подложки. В основе этой ■чняющей технологии лежит использование комплексной энергии электрической искры и :ного продольно-крутильного акустического поля. Физические и физико-химические вссы. протекающие в результате нанесения упрочняющих покрытий, очень сложны и уют специальных исследований.

Структурная схема установки электроакустического напыления приведена на нке 1.

Физическая модель процесса упрочнения изделий машиностроения представлена на нке 2. В первоначальный момент времени подается высокочастотный сигнал с развукового генератора на магнитостриктор. который совершает колебания с частотой ваемого сигнала. Волновод, совершающий продольно-крутильные колебания за счет енностей своей конструкции, с зафиксированным на конце электродом, прикреплен

к концентратору колебательной скорости.

Рисунок 1. Структурная схема установки электроакустического напылсш 1- волновод с закрепленным на его конце электродом; 2- упрочняемая деталь; 3- датч] обратной связи; 4- акустическая система; 5- ультразвуковой генератор; 6- систе; управления; 7- электронный ключ; 8- источник питания.

Система управления опрашивает датчик обратной свят, такт« образом, чтобы : электрод, совершающий продольно-крутильные колебания, был подан разрядный импул на определенном расстоянии от поверхности упрочняемого образца. В момент пода1 разрядного импульса поверхность электрода разогревается приблизительно до 5000 °С, п] этом в пространстве между электродом и поверхностью упрочняемой детали образует мельчайшая «капелька» вещества электрода, находящегося в квазижидкой фазе.

А,мкм

А / элеш / ■род о Ак К Ап Ар — Ар Аи Ы Ах 2 □ 10"4 Т, с

/ с. / в, в > С, УЛп УД* г-х 1 Щ

Рисунок 2. Физическая модель электроакустического напыления: С,, С,,, С ^з, С, - соответствующие модули сдвига; Ап - вектор амплитуды продольных колебаш: Ак - вектор амплитуды крутильных колебаний; Ар - результирующий вектор колебаний.

8

На «капельку» действует электрическое поле, которое заставляет двигаться ее по равлению к катоду. При этом в момент ее отрыва от электрода, активная площадь гмодействия ее с окружающей средой равна Бо- Скорость движения «капельки» будет та:

о

где V, - скорость, с которой двигается электрод в направлении перпендикулярном эсительно плоскости упрочняемой детали:

К - скорость, сообщаемая капельке, которая обусловлена действием сил,

ложенных со стороны электрического поля.

В связи с тем, что электрод совершает продольно-крутильные колебания с гразвуковой частотой, мы вправе говорить о том, что продольно-крутильные гразвуковые колебания оказывают сильное диспергирующее воздействие на «капельку». 1ми словами она распыляется на еще более мелкие «капельки», тем самым, увеличивая шную площадь (50) взаимодействия материала электрода с окружающей средой. При ! из окружающей среды в реакцию вступают такие элементы как азот, кислород и т.д. ровой процесс при электроакустическом напылении очень сложен и зависит от многих горов, таких как: атмосферное давление, температура окружающей среды, запыленность ещения, материалов и площади электродов.

По истечении полупериода происходит перенос вещества электрода на подложку, на поверхность упрочняемой детали. Химический состав напыленного слоя очень сложен инообразен. В напыленном слое мы видим большое количество карбидов, нитридов, эонитридов и т.д. За счет диспергирующего воздействия ультразвука возможно учение в поверхностном слое интерметаллидов. т.е. веществ со сверх свойствами, учение которых в обыкновенных условиях затрудненно. Итак, из рисунка 2 мы видим, материал упрочняемой детали имеет модуль сдвига . а напыленный слой модуль

¡га О,. При этом образуется переходной слой, модуль сдвига которого имеет значение

. Условие соотношения модулей сдвигов может быть записано в виде

О, < Са < С2. (2)

На следующем этапе процесса электроакустического напыления происходит удар ггрода о поверхность детали. В связи с тем, что электрод совершает продольно-гильные колебания наносимый удар можно классифицировать как удар со сдвигом, ывающий при этом высокочастотную микропластическую деформацию, как поверхности ьгленного слоя, так и подложки. Пластически деформированный поверхностный слой ет модуль сдвига . а деформированный слой подложки соответственно С4. тношение модулей сдвигов может быть представлено в следующем виде

^ < < Сп <С2<С}.

По истечении следующего полупериода происходит отход электрода поверхности детали. Произведем объединение слоев в соответствии с их физш механическими свойствами. Исходя из вышеизложенного, мы предполагаем, что проц< упрочнения электроакустическим напылением детали происходит на барьерном уров Первый барьер, препятствующий выходу' дислокаций на поверхность, будет образо! слоями Сл и 012, второй барьер слоями Съ и Сг

Наличие поверхностной пленки приводит к изменению механических свой« кристалла-основы. По нашему мнению возможны три механизма влияния, которые противоречат результатам исследования других ученых:

- образование сплава в поверхностном слое кристатла-основы, вызывающее упрочнение этого слоя:

- закрепление поверхностных источников Франка-Рида;

- предотвращение выхода дислокаций на поверхность кристатла-основы, т. е. подавление скольжения.

Этот результат легко интерпретировать, если предположить, что пленка являет барьером, препятствующим выходу дислокаций на поверхность. Действительно, если ■ механизм влияния пленки заключатся в подавлении действия поверхностных источник дислокаций, то искажение должно было быть меньше для покрытого кристалла. Болыв искажения поверхностного слоя покрытого кристалла вызваны, по-видимому, группа дислокаций, скопивцпгмися под пленкой. Вывод о «барьерном» механизме влиян поверхностных пленок на деформацию металлов подтверждается результата исследования внутреннего трения образцов цинка, покрытых окисной пленкой.

Модель взаимодействия единичной дислокации с поверхностной пленкой моя быть представлена следующим образом. Рассмотрим случай «толстой» (полубесконечнс «пленки». Будем считать, что крнстахт-основа имеет модуль сдвига Сх и расположен спр:

от границы раздела фаз (0 < лг < х ). «Пленка» с модулем сдвига С2 расположена слева границы раздела (-х < х < 0 ). В кристалле-основе на расстоянии / от границы (рисун 3) расположена бесконечная винтовая дислокация мощностью Ь 2 (где Ь -вектор Бюргере параллельная границе «пленка - кристалл».

Для определения силы, действующей на дислокацию со стороны «пленки», мож воспользоваться указанной Э шелби аналогией между полем напряжений винтов дислокации в среде с переменными упругими характеристиками и подобной задач электростатики для линейного заряда в среде с неоднородной дголектрической постоянно?

Y

1 Id.

г 1 1 1___ / —5>

1 1 1 1 1 s—5>

I

Рисунок 3. Едишгчная дислокация вблизи грашщы «пленка-кристалл». Если связь по поверхности раздела фаз идеальна, то смещения и напряжения эерывны на границе (т.е. при х=0). Легко показать, что эти условия будут выполнены, i в точке (- /, 0) поместить дислокацию «изображения» мощностью Kb'. где

(Gi "С,) • 1

=-. Сита, деиствмощая на дислокацию со стороны поверхности раздела фаз,

(G2+G,)

м силе .-.^имодействия этой дислокации с дислокацией «изображения», т.е.

F = (4)

4/л"

Если G, > G, ( К > 0 ). то дислокация отталкивается от границы, при . G, < G, < 0) - притягивается. Таким образом, дислокация, расположенная в кристалле - основе, гягивастся к границе, если пленка мягче, чем кристалл - основа, и отталкивается в пшоположном случае. Если кристалл граничит с вакуумом (G, = О, А* =-1) . то на

г СУ

токацию действует сила протяжения г = -. стремящаяся вывести дислокацию на

41л

:рхность.

Рассмотрим теперь случай, когда толщина пленки конечна и равна d (отмечено

<тиром на рисунке 3). Дхч удовлетворения граничных условий необходимо ввести :онечнын ряд дислокаций «изображения», которые расположены в точках: -(/ + 2 d),-(l+ 4d),-(l+ 6d) и т.д., а мощность их равна соответственно:

- (1 - К2), - (1 -К2)-К, - (1 - А"')-К2,.... Для определения силы взаимодействия

юкации с пленкой найдем полную сумму сил, действующих на реальную дислокацию со юны бесконечного ряда дислокаций «изображения»

4/л- [ ti а + п \

где а = И d .

Анализ формулы (5) показывает, что если пленка мягче кристалла (К < О), дислокация всегда притягивается к границе. В противоположном случае ( К > 0) карта усложняется. На больших расстояниях (/ «с/, а «1) дислокация притягивается к плен) а на малых (/«(1, а «1) - отталкивается от нее. Следовательно, на некотор( расстоянии /0 сила «изображения» равна нулю, т.е. дислокация находится в состоян

устойчивого равновесия, которое можно определить, приравнивая нулю выражение (5). ] рисунке 4 представлена зависимость равновесного положения (в единицах толщины плен с1) от (/2/С,. С увеличением жесткости пленки положение равновесия удаляется

границы «пленка - кристалл».

Исходя из выше представленной физической модели упрочнения, предлагает приближенная аналитическая модель взаимодействия единичной дислокации с получаемы: слоями методом ЭЛАН (рисунок 4).

\ % 1 1 2 I <1 1 Граница раздела X

ч Р)ч Р ! / ! Г

€ б * | © 1 ь < / Г 31

1 1 2 ! вз 1 • 1 (

Рисунок 4. Единичная дислокация вблизи границы раздела «напыленный ело металл»: С,- модуль сдвига материала упрочняемого образца; Сг - модуль сдви напыленного слоя; С3 - модуль сдвига пластически деформированного слоя; А - толщи пластически деформированного слоя; (11 - толщина напыляемого слоя; / - расстояние дислокации до границы раздела; Ь - расстояние от дислокации изображения напыленно слоя до границы раздела.

Проанализируем теперь случай, когда на границе пленка - металл образует соединение с модулем сдвига С3. Если ограничиться случаем «толстого слоя», то си: действующая на дислокацию в металле со стороны промежуточного слоя толщиной I имеющая модуль сдвига , равна

где ^ = О,).

Используя принцип суперпозиции можно говорить о том, что результирующая а, действующая со стороны полученных слоев на дислокацию в металле, определяется как ма сил приложенных к ней

- -----------------------------------К ■- * К , _ (7)

где к * 1/1..

Третья глава посвящена методике проведения исследований, которая представлена 1ующими этапами.

'птимизация режимов способа ЭЛАН.

Определение основных режимов и выбор соответствующих характеристик изводится исходя из технологических особенностей процесса. При этом к системе явления процессом ЭЛАН предъявляются жесткие требования к осуществлению подачи шдных импульсов, а именно к фазированию и поддержанию постоянной амплитуды 1_'р; литуды ультразвуковых колебаний А, усилия прижима Р и подачи Б. зучение структурно-фазового состояния напыленных слоев.

При экспериментальном из;- ч< чии структурно-фазового состояния напыленных :в и поверхностных слоев матриц применялся целый комплекс современных методов юдований: рентгеноструктурный анализ, оптическую и электронную микроскопию с 1чественной оценкой результатов, растровую электронную микроскопию, выполненную пектронном микроскопе «Камебакс-мнкро».

Исследование влияния режимов ЭЛАН на изменение фазового состава и тонкой ггатлической структуры проводилось с помощью рентгеноструктурного анализа. Данный 5Д позволяет определить значение микронапряжений и областей когерентного еивания (ОКР), от которых в свою очередь зависит появление тех или иных физико-знических свойств поверхностных слоев, цейса качества поверхности.

Исследование качества получаемого поверхностного слоя при ЭЛАН является ным условием внедрения данной упрочняющей технологии. Оценка качества может быть 1 после определения основных параметров, а именно микротвердости НУ и оховатости При этом необходимо определить функциональные зависимости выше анных параметров от основных режимов ЭЛАН: НУ=Дир, А, Р, Б), Яа=Г(ир, А, Р, Б), юр данных параметров обусловлен спецификой машиностроительного производства, пределение механических характеристик.

Особое место в данной работе отводится исследованию влияния оптимального има напыления на механические характеристики, а именно предел текучести, предел

прочности и т.д. Выбор выше перечисленных характеристик обусловлен требования: надежности и наибольшей экономичности. 5. Исследование износостойкости.

Определить механические характеристики недостаточно, для того чтобы описат! полной мерс все эксплуатационные возможности получаемого покрытия. В связи с че возникает необходимость проведения дополнительных исследований в области трения износа, потому что основная масса деталей машин подвержена, как правило, не толь изменяющимся во времени динамическим нагрузкам, но и изнашиванию.

В результате чего возникает необходимость получения функционалыл зависимостей нормального износа Ь, средней объемной температуры Т, весового износа от нормального контактного напряжения Р и скорости скольжения V: Ь(Р,У); Т(Р,У); М(Р,\ Выбор рассматриваемых характеристик обусловлен особенностями эксплуатащ деталей машин, их износостойкостью и ресурсом работы.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследовани Рентгеновский анализ проводился рентгеновским аппаратом для структурного анализа ионизационной регистрацией УСР-50 ИМ на ЕеК^ - излучении. График зависимое экспериментальных полуширин В для плсоости (110) от глубины стравливаемого слоя 1 одного из образцов приведен на рисунке 5.

В'РаД 0.5 0.45

0.4

0.35

0.3

0.25 0.2

0 10 20 30 40 50

Рисунок 5. График зависимости полуширин от глубины стравливаемого слоя.

Анализ данной зависимости даже без строгих расчетов показывает, что на графи можно выделить несколько участков, соответствующих разным значенш микронапряжений: АВ- участок, соответствующий пластически деформированному 'напыленному слоям, толщиной до 3-5 мкм; ВС- переходной слой, величина которо составляет порядка 2 мкм; СБ- пластически деформированный слой матрицы до 40 мк БЕ- матрица.

А

1

\

в\с

Б Е

1

Н, мкм

Распределение микронапряжений по толщине образца носит преимущественно инородный характер (близкий к экспоненциальному), а полученные значения ронапряжений совпадают по знаку. Такой характер распределения подтверждает азованне двойного барьера на поверхности упрочненного образца.

Сложное воздействие, оказываемое ЭЛАН на поверхность упрочняемого образца, водит к тому, что в поверхностном слое образуются различные соединения и фазы, такие карбиды, карбонитридьг, интерметаллиды и т.д., распределение которых в поверхностном ; носит неравномерный характер.

В результате исследований микротвердости получена модель (8) от основных имов напыления и ее графическая интерпретация в вше поверхностей уровня, одна из зрых приведена на рисунке 6.

= 5о99,68т 3339,61Х, + 711,77Хг + 170,17 +341,24Х, +384,06^Д2 + + 135,85^,^3 -224,56ЛГ,Л"4 +46,40Х.Х, +299,-Ш,Х4 -210,98Л"5Л'4 + (В)

где К - микротвердость [МПа]; ЛГ[ - напряжение подводимое к электроду [В]; Х2 -литуда колебаний акустической системы [мкм]; - усилие прижима [Н]; - скорость ачи [мм/мин].

Увеличение микротвердости объясняется образованием карбидов, карбонитридов. ;рметахтщов и т.д. в поверхностном слое упрочненных образцов, а также увеличение гности дислокаций подслоя, тем самым, подтверждая влияние двойного барьера на ико-механические свойства.

По результатам, полученным при проведении серии экспериментов, посвященных [ению поведения шероховатости получаемого поверхностного слоя упрочняемых

+ 252,49^7 -683,68^2 -673,85^ -514,18^,

Рисунок б. Поверхность уровня У(ХЬХ2.Х^) приЛз=15 Н.

образцов при электроакустическом напылении, принята модель (9), а ее графине« интерпретация в виде поверхностей уровня приведена на рисунке 7.

У = 0,774 + 0,058А", -0,088.Гг -0,034Х3 -0,105*, + 0,024*,*, + 0,003Х1Х1 --0,021Х,Х, +0,004Л'2Л'з +0,049ХгХл + 0,041Х3*4 + 0.089Х,2 -0.054Х; - ( -0,022Х32 -0,025*;.

Рисунок 7. Поверхность уровня У (Хь *2, -£0=0,6 мкм приЛ"з=15Н. По результатам проведения серии экспериментов, посвященных изуче» механических характеристик образцов, подвергнутых электроакустическому напылен* получены диаграммы напряжений, которые представлены на рисунке 8.

Р, кН

0 2.5 5.0 7.5 10 12.5

<1Л мм

Рисунок 8. Диаграммы напряжений: 1 - для эталонных образцов, 2 - для ' напыленных образцов.

Увеличение основных прочностных характеристик объясняется способност двойного барьера препятствовать выходу дислокаций на поверхность.

16

По результатам серии экспериментов, посвященных изучению эксплуатационных ств покрытия, получена модель нормального износа, которая представлена формулой а ее графическая интерпретация рисунком 9.

КРУ) - 51,553 Ри28 Г0'241, (Ю)

где И - нормальный износ [мкм]; Р - нормальное контактное напряжение [МПа]; У- скорость скольжения.

Ь(Р.У). мкм

0.29 0.25 ' 0.22 0.15 0.15 0.11 V. м/с

Рисунок 9. Зависимость ."ормального износа от нормального контактного

напряжения и скорости скольжения. Модель изменения средней объемной температуры представлена выражением (II), графическая ¡штерпретацня на рисунке 10.

Т(Р,У), С0

.28

42 Р. МПа

2.14

0.29 0.25 0.22 0.18 0.15 0.11 V, м/с

Т{Р,У) = 1,499 • 103 Р-0-268 ¡/1.058-0,88518Р

(11)

Рисунок 10. Зависимость средней объемной температуры от нормального

контактного напряжения и скорости скольжения. Модель изменения весового износа представлена выражением (12), а ее ическая интерпретация на рисунке 11.

М(Р,¥) = 0,428 РМ83 уи271-°'4221еР

О

М(Р,У), мг

Рисунок 11. Зависимость весового износа от нормального контактного напряжен» и скорости скольжения.

Помимо выше приведенных экспериментов по изнашиванию за фиксированн время, был проведен дополнительный эксперимент, по получению полных кривых юно для различных материалов и разных сред их взаимодействия, с целью получения основш характеристик износа. В качестве среды взаимодействия используется воздух высокофорсированное карбюраторное масло М10-ГИ ТУ 38101148-75. Основные параметр пар трения представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры испытания пар трения

Состав пары трения Среда Режим изнашивания

контртело покрытие подложка Р, МПа V, м/с

сталь 45 - стать 45 воздух

стать 45 В Кб стать 35 ВОЗДУХ 4,28 0,29

стать 45 ВК6 стать 45 воздух

сталь 45 ВКб стать 45 масло

По полученным кривым износа, которые представлены на рисунке 12, определж основные характеристику! трения и изнашивания, представленные в таблице 2. Анализ условий работы исследуемой пары трения, результатов динамометрии, качест трущихся поверхностен и характера их изменения в процессе трения позволяет установи! что превалирующим типом износа на первом этапе является усталостный, а на вторе •абразивный. Превалирующий на первой стадии усталостный износ характеризует наличием участка приработки, а вклад абразивного на последующей стадии проявляется виде рисок вдоль траектории вращения.

И, мкм 800

600

400 200

:о

40

60 I, мин

80

100

Рисунок 12. Кривые нормального износа: 1- сталь 45,2- стать 35 с покрытием, 3- стать 45 с покрытием. 4- стать 45 с покрытием «масло».

Скорость износа : Средняя объемная температура Ресурс Интенсивность износа

т К К-г К 1г I.

см/ч мкм/ч °С час час - -

959 617,388 609.981 0,644 0,648 8.328-10"4 2.106-10'3

>.421 2714.573 578.439 0,137 0,147 2.106-10'3 9,162-10"3

.061 | 98.019 551.422 4.044 4.081 3.175-Ю'4 3.344-10"4

265 | 3.371 127.120 118.628 118,654 1.114-Ю"5 1.150-Ю-5

Установлено общее положительное влияние двойного барьера (напыленного и гшески деформированного слоя) на основные характеристики трения и изнашивания.

В пятой главе представлена технология процесса электроаку стического напыления ■¡ей машин, которая включает следующие этапы: подготовка поверхностей деталей ш, выбор материала электрода, закрепление инструмента в приспособлении и этовка установки к работе, определение рабочей резонансной частоты акустической :мы установки, определение основных режимов напыления, напыление, контроль, эвакия безопасности, материалы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Создание высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих •(тельное повышение прочностных характеристик и качества деталей машин и их туатационных свойств, возможно лишь при прогнозируемой организации структуры эхностного слоя комплексом технических средств, реализующих сложное воздействие ссса электроакустического напыления.

первые предложен барьерный механизм обоснования упрочнения деталей машин, а е дана физическая модель механизма образования двойного барьера, препятству-

ющего выходу дислокаций на поверхность, и приближенная аналитическая моде взаимодействия дислокаций с получаемыми слоями методом ЭЛАН.

3. Изучение микроструктуры и фазового состава упрочненного слоя для всех режим напыления выявило стойкую тенденцию к возникновению, как сжимающ михронапряжений второго рода, так и ОКР, вызванных измельчением блоков.

При упрочнении подложки из высоколегированной стали анодом из твердс сплава получается слой с характерным послойным строением, отличающийся высок дисперсностью аустсштгного зерна и первичных карбидов, а также химически: соединениями на базе нитридов, оксидов, интерметаллидов, что в сочетании с высок скоростью кристаллизации подтверждает выдвинутую нами теоретическую пшоте двойного барьера, препятствующего выходу дислокаций на поверхность.

4. Все режимы ЭЛАН позволяют сформировать сложную структуру напыленного сл< использование свойств которого необходимо глубоко исследовать.

Увеличение физического уширения пиков и их размытость на дефрактограмм при рентгсноструктурном анализе свидетельствуют об увеличении плотности дислокацш подслое.

5. Экспериментальные исследования получаемых характеристик качества поверхностис слоя, а именно микротвердости и шероховатости, позволили установить их зависимость основных режимов напыления: напряжения подводимого к электроду, амплтуды УЗ усилия прижима и подачи. На основе полученных зависимостей можно прогнозирова основные параметры качества получаемого поверхностного сгоя путем их совместно решения.

6. Установлено, что наиболее сильное влияние на микротвердость поверхностного сл оказывает напряжение, подводимое к электроду, и амплитуда УЗК, а на шероховатоеп амплитуда УЗК и додача.

- Микротвердость получаемого поверхностного слоя возрастает в 1,5- 4 раза зависимости от режима обработки.

- Шероховатость остается без изменений, либо увеличивается в пределах класса зависимости от режима обработки, при этом продольная и поперечная шероховатое одинаковы.

7. Проведенные экспериментальные исследования влияния оптимального режима напылен на основные механические характеристики позволили установить, что:

- нагрузка, соответствующая пределу текучести для напыленных образцов, увеличивается на 6,5% по отношению к ненапыленным;

- нагрузка соответствующая пределу прочности увеличивается на 10,5%;

- нагрузка в момент разрыва увеличивается на 14,6%;

- средняя отноигтельная деформация после разрыва уменьшается на 2%.

Изменение основных механических характеристик подтверждает положительное шие барьерно-дислокационного механизма упрочнения.

а основании экспериментальных исследований износостойкости получаемого покрытия нормального контактного напряжения и скорости скольжения получены грполяционные регрессионные модели нормального износа, средней объемной гературы и весового износа. ----------------------

- Получены основные параметры трения и изнашивания, позволяющие отнести ли, подвергнутые электроакустической' напылению, к 8 классу износостойкости (по гельскому).

- Взаимодействие между элементами пары трения в процессе проведения [ернмента можно охарактеризовать как пластическое оттеснение с некоторым вкладом рорезания.

- Установлено, что покрытие, нанесенное методом ЭЛАН, увеличивает ресурс >ты в 4 раза по отношению к деталям, поверхность которых не обрабатывалась выше тянутым методом для случая сухого трения. '

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: кочетов А.Н., Кудряшев С.Б. Система управления электроакустическим напылением. гностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов н/Д, 1995. ->2-104.

[инаков B.C., Кудряшев С.Б.. Кочетов А.Н. Эффективность метода электроакустического

лления при упрочнении осевого режущего инструмента. Диагностика и управление в шческих системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов н/Д. 1997. - с. 111-114. [инаков B.C., Кочетов А.Н., Кудряшев С.Б. Двойной барьер и его влияние на деформацию црушение металлов. Диагностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. I. тр. - Ростов н/Д, 1997.-е. 115-121.

¡инаков B.C., Кочетов А.Н.. Семко А.И. Динамика дислокаций при электроакустическом ллении: V международная наун.-техн. конф. по динамике технологмеских систем: Тез. л. Том I - Ростов н/Д, 1997. - с. 54-57.

vlnHaKOB B.C., Кочетов А.Н. Физическая модель электроакустического напыления, гностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов н/Д, 1998. ->4-107.

Минаков B.C., Кочетов А.Н. Поведение дислокаций в условиях неформального

-развукового поля. Диагностика и утгравление в технических системах: Межвуз. сб. науч. Ростов н/Д, 1998. - с. 143-148.

Кочетов А.Н., Вассерман А.Э. Система управления процессом ультразвукового тергирования с использованием комплексного ультразвукового поля: IV Всероссийская шая конференция студентов и аспирантов. Техническая кибернетика, радиоэлектроника стемы управления. Таганрог, 1998. - с. 259-260.