автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение износостойкости углеродистой стали методом трибоэлектрического поверхностного упрочнения

Введение

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРИБОСИСТЕМ.

1.1. Механические методы поверхностного упрочнения

1.2. Meтоды химико-термической и высокоэнергетической структурной модификации поверхностного слоя.

1.3. Комбинированные методы термомеханической и механоэлектрической обработки

1.4. Анализ особенностей и ограничений известных методов поверхностного модифицирования деталей трибо систем.

1.5. Выв оды.

• 1.6. Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2 . МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объект исследования

2.2. Установка для трибоэлектрической обработки

2.3. Исследование шероховатости, механических и триботехнических свойств

2.4. Исследование структурно-фазового и напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя.

2.5 Математическое планирование и обработка результатов исследования технологии трибоэлектрической обработки.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОМЕХАНИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ

3.1. Напряжения при трибомеханической обработке

3.2. Влияние режимов обработки на шероховатость и механические свойства поверхности

3.3 Влияние режимов обработки на триботехнические свойства

3.4 Оптимизация режимов обработки

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ

4.1. Физическое обоснование метода

4.2 Влияние режимов обработки на шероховатость и механические свойства обработанных поверхностей

4.3 Влияние режимов обработки на триботехнические свойства обработанных поверхностей

4.4. Структурная модификация стали под влиянием трибоэлектрического воздействия.У о

4.5. Оптимизация технологических режимов трибоэлектрической обработки

4.5 Методика расчета режимов трибоэлектрической обработки.■.I

4.6. Выводы.

Надежность и ресурс большинства изделий современной техники в значительной степени зависит от работоспособности и срока службы многочисленных узлов трения (трибосистем) различных систем и механизмов машин и их агрегатов. Надежность трибосистем определяется главным образом износостойкостью подвижно сопряженных деталей, которая в свою очередь зависит от эксплуатационных свойств материалов этих деталей у; качества сопряженных поверхностей. Свойства материалов трибосистем как и . всех конструкционных материалов неразрывно связаны и зависят от химического состава и структуры материала. А для деталей узлов трг-;:-определяющим для надежности и работоспособности трибосистемы является структура и свойства поверхностных слоев.

Следовательно, повышение износостойкости деталей трибосистемы является актуальной научно-технической задачей трибологии и машиностроения. Названная задача относится к числу наиболее сложных задач науки и техники, поскольку эта многопрофильная задача, рассматривающая процессы в зоне трения, которые можно изучить и опио.-;\ ; только на основе фундаментальных положений физики, химии, материаловедения.

В течение последних десятилетий в науке и технике разработаны различные методы повышения износостойкости деталей узлов трения. Основная физическая предпосылка в основе всех методов базируется на положениях трибологии, рассматривающих механизмы трения и изнашивания как последовательные процессы контактного фрикционного взаимодействия, многократного упругопластического деформирования микронеровностей и тонкого поверхностного слоя, зарождения и наложения дефектов структуры и усталостное разрушение с отделением частиц износа.

Поэтому многие методы являются по сути методами поверхностного упрочнения металлических деталёй путем модифицирования структуры. Другая часть методов повышения износостойкости предусматривает нанесение различных износостойких покрытий. Каждый из известных в настоящее время методов имеют свои достоинства и недостатки, ограничивающие область их применения. Поэтому разработка эффективного, при этом достаточно простого для освоения в промышленном производстве и экономичного метода повышения износостойкости остается актуальной научной и практической задачей.

На основании изложенного сформулирована цель настоящей работы - разработка и оптимизация метода повышения износостойкости стальных деталей узлов трения на основе исследования закономерностей влияния трибоэлектрической обработки на структуру и свойства поверхностного слоя углеродистой стали.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения.

Общие выводы и результаты

1. На основе анализа достоинств и недостатков известных методов повышения износостойкости металлических и металлополимерных трибосистем установлен наиболее перспективный метод модификации структуры и' свойств углеродистой стали, основанный на одновременном воздействии механической силы и электрического тока, как комплексного внешнего энергетического воздействия.

2. Разработан трибоэлектрический метод поверхностного модифицирования, сочетающий фрикционное нагружение в условиях трения скольжения инструмента с сильноточной электрической нагрузкой в зоне фрикционного контакта инструмента с деталью.

3. Изучено дифференцированное влияние , режимов трибоэлектрической обработки на значение показателей шероховатости поверхности, микротвердости поверхностного слоя и износостойкости металлополимерной и металлической трибосистем, получены зависимости названных свойств от скорости обработки (скорость скольжения инструмента, частота вращения образца), подачи, деформирующей силы инструмента и силы тока.

4. Установлено, что все экспериментальные зависимости имеют экстремальный характер, и для каждой из 1 них существует область максимальных или минимальных

Значений в определенных интервалах переменных значений скорости, нагрузки, подачи, силы тока; при этом показано, что разработанный метод позволяет достичь уменьшение параметра шероховатости до 4 раз, повышение г1шкротвердости в 3,0-3,5 раза и повышения износостойкости более 5 раз.

5. Методом планирования и реализации факторных экспериментов исследовано влияние режимов трибомеханической и трибозлектрической обработки на износостойкость трибосистем (металлической и металлополимерной), позволившее установить оптимальные режимы обработки; полученные уравнения регрессии позволяют прогнозировать износостойкости трибосистем в исследованных интервалах изменения режимов обработки.

6. Методом рентгеноструктурного анализа изучены физические причины повышения механических и триботехнических свойств углеродистой стали при обработке разработанным методом; установлено, что изменение свойств связано с изменением параметров кристаллической решетки и ее деформацией, вызывающей значительное (на один порядок) увеличение внутренних напряжений, повышением плотности дислокаций и уменьшением размера блоков мозаики кристаллической решетки более чем на порядок.

1 7. Разработана методика расчета режимов трибозлектрической обработки с математической моделью зависимости температуры от режимов трибоэлектрического нагружения и геометрии инструмента при заданных значениях показателей механических свойств углеродистой стали.

8. Разработана методика и установка для трибоэлектрического модифицирования структуры и свойсте стали, обеспечивающие получение заданного повышения механических и триботехнических свойств стали.

118

9. Проведены лабораторные испытания гидроцилиндров, штоки которых изготовлены из стали 4 5 и подвергнуты

Трибоэлектрической обработке; результаты испытаний показали, что трибоэлектрическая обработка обеспечивает высокую работоспособность уплотнений штока и значительное снижение трудоемкости изготовления штоков.

1. Мацевитый В.М. Покрытие для режущих инструментов. Харьков: Высшая школа, 1987, С.-116. 1

2. Шнейдер Ю.Г. Образование регулируемых микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства.-М.: Машиностроение, 1972.-240с.

3. Маталин А.Я. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев: Техника, 1971. -144с.

4. Сагарда А.А., Чеповецкий И.Х., Мишнаевский JI.A. Алмазнообразивная обработка деталей машин. Киев: Техника, 1974.-175с.

5. Рыжов ЭЭ.В., Белов В.А., Суслов А.Г. Повышение контактной жесткости виброобкатыванием // Станки и инструмент,-1972 , №1.

6. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способы повышения долговечности машин. М.: Машиностроение, 1969.-398с.

7. Коровкин А. В., Усачев Г. А., Кравченко С.'С. Прогрессивная технология нанесения износостойких покрытийи его эксплуатация. //Обзорная информация. Тольятти, 1985. - С.12

8. Быковский Ю.А., Неволин В.Н., Фоминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-240с.

9. Х.Риссел, И.Руге. Ионная имплантация: Пер. с нем. В.В.Климова, В.Н.Пальянова /Под ред. М.И.Гусевой. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.

10. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлах //Поверхность,-1982.-№ 4.- С.27-50.

11. Романов И. Г., Черканов A.JI. Некоторые свойства ионно-имплантированных пленок нитрида титана //Поверхность,-1993.-№ 5.- С.110-114.

12. А. Г. Гугля, Ю.А.Марченко, Н.В.Перун. Технология и оборудование высокоэнергетической ионно-стимул^рованной обработки материалов //Металловедение и термическая обработка металлов,-1996.-№ 3,- С.29-30.

13. Конорова Е.А., Ткаченко С. Д., Цикунов А.В. Увеличение адгезии сурьмы к поверхности алмаза методом атома отдачи. Сверхтвердые материалы, 1983, №3, С.310-311.i I

14. Werner B.T., Viceland Т., Mendenhall M.N., Qui Y., Tombrello T.A. Enhanced adhesion from nigh energy ion irradiation. "Interfaces and Contracts Simp., Boston, Mass., 1-4 Nov., 1982". - N.Y.e.a.: 1983, p.163-166.

15. Hartley N.B.W., Hirvonen J.K. Wear testing under high load conditions. Nucl.Instrum.Meth., 1983, v.209/210, p.933-940.

16. Dearnaley G. The effects of ion implantation 1 upon the mechanical properties of metals and cemented carbides. -Radiat.Eff.,1982, v.63, N 1-4, p.1-15.

17. Iwaki M., Okabe Y., Takahashi ' K. Ion implantation through aluminum thin film depositited on iron. Nucl.Instrum.Meth., 1983, v.209/210, p.941-945.

18. Chan W.K., Clayton C.R., Alias R.G., Cossett S.R., Hirvonen J.K. Electrochemical and AES Studies of Ee-Cu surface alloys formed on AISI 52100 by ion-beam-mixing. -Nucl.Instrum.Meth., 1983, v.209/210, p.857-865. ,

19. Matteson S. Passivation of aluminum by ion mixing. Nucl.Instrum.Phis.Res., 1985, V.B7/8, p.716-719.

20. Шур E.A., Войнов С. С., Клещева И. И. Повышение конструктивной прочности сталей при лазерной обработке// МиТОМ. 1982. № 5. С.36-38.

21. Watanabe Y.,. Seo Y., Tanamura M. Et al //J. Appl. Phys. 1995.V.78.№8.P.5126.

22. Lichtenwalner D.J., Auciello 0., Dat R., Kingon A.I.// J. Appl. Phys. 1993.V.74.№12.P.7497.

23. Неволин B.H., Фоминский В.Ю., Романов P. И. // Поверхность.1999. №9. С.17-22.

24. Shulov V.А. , Nochovnaya N.A., Remnev G.E.//Mater. Sci.and Engineering. 1998 A243.P.290-293.

25. Rej D.J., Davis H.A., Olson J.C. et al.// J.Vac. Sci. technol.A.1997.V.15,№3.P.10 98-1097.

26. Ягодкин Ю.Д., Пастухов K.M., Мубояджян С.А., Исмагилов Д.В. // МиТОМ. 1999. №7. С.36-41.

27. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Почивалов Ю.И. и др.// ФММ. 1996. Т.81. №5. С.118.

28. Шулов В. А., Ремнев Г.Е., Ночовная Н.А. и др.// Поверхность. 1995. №11. С.24.

29. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.Q. основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1987. -526 с.

30. Белый А.В и др. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. М. : Машиностроение, 1991. - 208 с.

31. Хрущев М.М., Беркович Е.С. Приборы ПМТ-2 и ПМТ-3 для исследования на микротвердость. М.: Акад. наук СССР, 1950. - 62 с.

32. Бернштейн М.А., Займовский В.А., Капуткина Л.М.1

33. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

34. Теория и технология упрочнения металлических сплавов / Тушинский Л.И. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 19 90. - 306 с.

35. Технологические методы повышения долговечности машин микрокриогенной техники / Б. Т. Грязнов и др. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. 272 с.

36. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. 3-е изд., перераб. идоп. М.: Машиностроение, 1989. - 200с.

37. Затуловский Д.М., Сафронов В. В. Электромеханическая обработка инструментальных сталей // Исследованиепроцессов производства и проектирование изделийi

38. Машиностроения. Орел: Приокское книжное изд-во, 1978. 125 с.

39. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлы // Проблемы машиностроения и надежности машин. 19 91. - №3. - С. 7 381.

40. Кровяков К.С., Радченко М.В.// Вестник машиностроения. 2000. №4 С.17-19.

41. Verschliebverhalten umschmeizveredelter ALSI-Kolben in1

42. Орлов В. В., Перельмутер H.JI., Гуляев В. И. // Вестник машиностроения. 1999. №5 С. 26-28.

43. Сафонов А.Н. // Вестник машиностроения. 1999. №4 С. 22-26.

44. Клейнер JI.M, Митрохович Н.Н, Новоселова J1.M и др.I

45. Вестник машиностроения. 1999. №5 С. 32-34.

46. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Орлов П. В. Трение и модифицирование материалов трибосистем.1. М: Наука, 2000. 280с.

47. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Ремнев Г.Е. и др. Влияние радиационно-термической обработки на износостойкостьтвердых сплавов // Трение и износ. Т. 21, 20 00, №3. . С. 307-312.

48. Сафонов А.Н. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. №10 С. 10-12.

49. Кидин И.Н., Маршалкин А.Н. Отпуск стали после закалки при индукционном нагреве // Материаловедение и ^термическая обработка металлов. М. : Металлургиздат, 1962. С.154-167 .

50. Просвирин В. И. Влияние внешнего давления на фазовые превращения в сале и чугуне. М.: Машигиз, 1958. 120 с.

51. Полещенко К.Н. Модификация структуры и триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов пучками заряженных частиц: Дис. докт. техн. наук. Томск, 2001. 380 с.1

52. Кусков В.Н. Эволюция структуры и свойств поверхности

53. Металлических сплавов при воздействии электрического токаiв условиях температурной обработки: автореферат дис. докт. техн. наук. Тюмень, 2001. - 32 с.

54. Полещенко К.Н., Орлов П.В., Машков Ю.К. и др. Трибостимулированные структурные превращения в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов.// Трение и износ. 1998, Т.14, №4, С. 459-465.

55. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Ремнев Г.Е. и др Влияние радиационно-термической обработки на износостойкость твердых сплавов. // Трение и износ. 2000, Т. 24, №3. С. 307-311.

56. Agafonv A.L., Gering G.I., Moiseeva J.S. Tribostimulated Structural Phase transformations and masstransfer in the modified hard alloys. // 9th Nordic Symposium on Tribology - NORDTRIB. VTT, Finland. - 2000. Vol. 3., P. 809-818.

57. Кусков B.H. Термоэлектрическое упрочнение легированных сталей. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 19 95. №2. С.44-46.

58. Вольфович А.Н. Повышение износостойкости подвижныхсопряжений трибомодификацией поверхностей трения:автореферат дис. канд. техн. наук. Москва, 1999. -20 с.1

59. Кусков В.Н., Теплоухов О.Ю., Коневский И.М. Упрочнение деталей для нефтегазопрмыслового оборудования и трубопроводов с помощья термоэлектрической обработки // Известия ВУЗов. Нефть и газ. 1999. №3. С.112-114.

60. Горбачев Г. Б. Рентгенография твердых сплавов. М.: Металлургия, 1970. - 106с.

61. Вишняков Я.Д Современные методы исследования структуры деформированных кристаллов. М.: Металлургия, 1975. 480с.

62. Горелик С.С., Расторгуев J1.H., Скакбв Ю.А. Рентгенографический и электронномикроскопический анализ. М.: Металлургия, 1970. - 368с.

63. Аннин Б.Д., Черепанов Г.П. Упругопластическая задача.1- Новосибирск: Наука, 1983. 238с.

64. Новацкий В. Теория упругости: Пер. с польского. М. :j1. Мир, 1975. 872с.

65. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1973.- . 1-2.

66. Уилкинс М.Л. Расчет упруго-пластичных течений // Вычислительные методы в гидродинамике: Пер с англ. / Под ред. С. С. Григоряна, Ю.Д. Шмыглевскаго. М.: Мир, 1967. - С. 212-263.

67. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М. : Машиностроение, 1981. - 279с.

68. Армарего И. Дж. , Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1977.

69. Развитие науки о резании металлов. Кол. авт. М.: Машиностроение, 1967.

70. Кушнер B.C. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластичных материалов. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1982.7 6.Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость 1 режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982.

71. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание материалов: Термодинамический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 448 с.