автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка технологии повышения износостойкости деталей машин с помощью контроля и управления состоянием и структурой поверхности электрохимическим методом

На правах рукописи

КОСМЫНИНА Мирослава

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С ПОМОЩЬЮ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯЕМ И СТРУКТУРОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Специальность: 05.16.01-Металловедение и термическая

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Радомском политехническом институте им. К.Пулаского, г. Радом, Республика Польша

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Зинченко Валентин Митрофанович

доктор технических наук,

профессор Теплухин Гелий Николаевич

доктор химических наук,

профессор Юркинский Владимир Павлович

Ведущая организация: ГОУ Санкт-Петербургский институт машиностроения

" сыио^Лл 2005 г. в

Защита состоится Си^ёЛЛ 2005 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.229.14 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, ул Политехническая, 29, СПбГПУ, химический корпус, ауд. №51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "СПбГПУ".

Автореферат разослан "-25 " 2005г.

Ученый секретарь д.т.н., проф.

Кондратьев С.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Основной целью всего технологического цикла передела металла является получение изделия нужной формы с требуемым комплексом физических, химических и механических свойств, обеспечивающих требуемый период эксплуатации.

Допускаемый износ металла, изменяющий геометрические размеры деталей трущейся пары инструмента зачастую происходит в более короткий срок от ожидаемого. К изделиям этого рода предъявляются все более высокие требования как в отношении сроков эксплуатации, так и к техническим характеристикам (повышение механических нагрузок, скорости скольжения, удельного давления, скорости резания при механической обработке и др.). Такая тенденция ужесточения технических условий направлена на энерго- и ресурсосбережение и улучшает экологическую обстановку.

Исследования процесса изнашивания материала является сложной задачей, для которой применяется система, состоящая из нагружаемого исследуемого элемента и эксплуатационной среды. Из-за незначительных расстояний между сопряженными элементами, часто находящихся в прямом контактировании их поверхностей, интерпретация процессов, протекающих между сопряженными элементами, является крайне затруднительной и дается на уровне гипотетических представлений.

Процессам трения и изнашивания металла в присутствии смазочной жидкости (эксплуатационной среды) сопутствуют электрические явления Анализ литературы показывает, что степень поляризации поверхностей сопряжения как в макро-, так и в микрообъемах в областях нагруженной поверхности слабо изучена и тем особенно влияние электрохимических процессов на изнашивание металла. Наложение внешних электрических полей еще более усложняет задачу.

Следует принять во внимание, что эмпирические составы смазочных и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), используемых в технике, в результате электрохимических реакций могут давать различный катионный и анионный состав продуктов взаимодействия, зависящих и от электрохимических свойств применяемых конструкционных материалов. При макроскопическом анализе состояния материала структура и фазовый состав приповерхностных слоев практически не рассматривается, так как толщина этих слоев входит в размерные допуски изготовления деталей. Естественно, не учитывалось и их влияние на механизм изнашивания, так как рассматриваемые эффекты обнаруживаются после довольно длительного периода испытания.

Разработанный способ модификации поверхности заключается в том, что варьируя среду, представляющую собой жидкость различного типа, возможно с

помощью контроля электродного потенциала управлять не только состоянием поверхности, но и его структурой

Жидкости представляют собой электролит, в котором при соответствующих режимах можно производить нанесение покрытий, в том числе с внедренными дисперсными частицами В условиях эксплуатации детали, работающей на трение и износ, при соответствующей организации системы жидкость - твердое тело представляется возможность непосредственно управлять скоростью износа, достигая ситуации практически полного его отсутствия.

В системе - жидкость - изнашиваемая поверхность с наложением поля постоянного тока устанавливается датчик потенциала, фиксирующий условия в трущейся детали Если определить отклик датчика на все изменения не только состояния, но и структуры поверхности, то тогда представляется возможным управлять не только структурой, но и свойствами поверхности

На базе физико-химических представлений об образовании промежуточных фаз в металлах были сформулированы основные задачи исследования:

1. Выбор материала, оборудования и методов исследования, одним из которых является использование электрохимического метода измерения электродного потенциала трущейся поверхности, позволяющего характеризовать состояние, структуру и свойства тонкого поверхностного слоя.

2. Разработка структурно - размерной модели внутреннего строения трущейся пары и выбор характерного параметра системы для исследования физико-химических и механических свойств переходной поверхностной зоны металла.

3. Изучение влияния разброса значений локального электродного потенциала стальной подложки на скорость образования покрытия и разработка способа изменения этих свойств путем создания термохимического упрочняющего слоя.

4 Разработка многофункциональных покрытий, обеспечивающих повышенное сопротивление изнашиванию, низкий коэффициент трения и коррозионную стойкость.

5 Исследование применимости многофункциональных покрытий в условиях механического нагружения.

6 Возможность варьирования потенциала металла в условиях механического нагружения путем создания между сопряженными элементами узла трения промежуточного слоя металла с заданным потенциалом его образования.

7 Разработка технологий, способствующих повышению износостойкости, снижению коэффициента трения и коррозионной стойкости (повышение эксплуатационных свойств узлов трения измерительных приборов и режущего инструмента; образование защитных структур при резании металлов; модернизация поверхности; образование

защитных структур подшипников скольжения) Технологии должны иметь как экономический, так и экологический эффекты

Цель работы: Главной целью настоящего диссертационного исследования является разработка способов контроля и управления структурой и свойствами поверхностных слоев стальных деталей электрохимическими методами, расширение и углубление теории и практики противодействия изнашиванию металла в условиях механического нагружения с трением в жидкой среде

Материалы и методы исследования Для выполнения поставленной в работе цели исследовалась конструкционная сталь С45 (по ГОСТ сталь 45), из которой изготовляются валы и узлы трения, шарикоподшипниковая сталь LH15 (ШХ15), высокоуглеродистая низколегированная инструментальная сталь NC6 (ХФ) и быстрорежущая сталь SW18 (Р18) Все эти стали обрабатываются на высокую твердость для повышения износостойкости

Для создания многофункциональных поверхностных слоев выбрано никель-фосфорное покрытие с регулируемым фазовым составом и введением дисперсных твердых частиц нитрида бора, а также корунда размерами от >1 до 5-7 мкм

Основные исследования износа в условиях механического нагружения металла с трением проводились в базовом масле - гидрорафинате Химические реактивы применялись для приготовления электролитов и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) Кроме этого использовался ряд металлов для корректировки электрохимических процессов в узлах трения цинк марки Е 00, олово марки SnlA и другие материалы, требуемые для формирования фазового состава и структуры поверхностных слоев контактируемых деталей

Выбранные материалы использовались при исследованиях в условиях механического нагружения с трением на трибологических испытательных машинах

Для исследования структуры используемых материалов применялись стандартные методики оптическая микроскопия (металлографический микроскоп Neofot-2), электронная микроскопия (сканирующий электронный микроскоп SEM фирмы Hitachi типа S-2460N4, туннельный сканирующий микроскоп STM;, рентгеновская спектрография (рентгеновский микроанализатор с дисперсией энергии фирмы Noran Instruments) Толщина покрытий измерялась виротестером или колотестором, твердость замерялась на приборе Виккерса

Особым видом исследования состояния поверхности являлась вольтамперометрия и электрохимическая спектрометрия Для исследования использовалась следующая аппаратура потенциогальваностат Atlas - 98 (Польша) с программным управлением и вращающимся дисковым электродом Atlas - 98 использовался для измерения поляризации, импедансных характеристик - AC POL-98

и емкостных характеристик DDC-98. В качестве электрода сравнения применялся электрод сравнения типа Eurosensor EagClP-311T470. Возможна модификация установки путем применения специальной измерительной ячейки, способа соединения электродов между собой, изменения их геометрии и формы, использования вращающегося электрода - СТИ 101 (производитель Radiometer Copenhagen Со) со скоростью вращения от 0 до 5000 об/с. Аппаратура для электрохимических исследований по мере необходимости присоединялась к трибологической машине или к настольному токарному станку.

Исследования проводились с помощью машин трения, реализирующих трение скольжения при вращении с проскальзыванием (узел трения машины Амслера) и поступательно возвратное трение (77МТ-1).

Нанесение покрытия толщиной 1-3 мкм существенно не изменяет геометрию выбранного для исследовании узла трения машины Амслера, состоящего из двух колец 0 40 мм и толщиной 10 мм. Таким образом можно допустить выполнение требования постоянства объёма и геометрии. Узел трения машины Амслера реализует трение скольжения или точения с проскальзыванием. Исследованные и доказанные решения для этого вида трения проверены в узле трения машины 77МТ-1 реализующего поступательно - возвратное движение. Исследование влияния механических нагрузок производилось на основе изменения заданного состояния и структуры поверхности.

Наиболее важной частью работы является исследование процессов в условиях значительных механических нагрузок, когда отсутствует возможность подключения к сопряженным поверхностям деталей каких-либо измерительных приборов. В этом случае требовалось применение дополнительного вспомогательного электрода. Достоверность полученных результатов обеспечена применением методов математической статистики при с обработке экспериментальных данных, оценкой адекватности разработанных моделей с реальными процессами. Научная новизна работы заключается в следующем:

- изучены закономерности процессов на хранице металл - жидкость при трении, механизмы растворения, разъедания и разрушения металла. Изучены процессы формирования структур, тормозящих эти процессы под воздействием различных факторов, в частности, скорости вращения детали, давления в зоне контакта и изменения поверхностных процессов под влиянием среды;

- разработана методика исследования свойств и структуры поверхности с помощью электрохимической системы. Показаны преимущества метода, который базируется на управлении электродным потенциалом металла.

Определены условия, в том числе значения электродного потенциала, приводящие практически к безызносному трению,

- доказано, что неоднородность поверхностного потенциала, создаваемая многокомпонентной системой и многофазными структурами, приводит к неоднородному разрушению и образованию структур на границе раздела фаз металл — жидкость,

- показано, что кроме применения в системе высокоэффективных покрытий, необходимо создание регулируемой жидкостной среды В системе сталь -покрытие выявлены условия получения эффекта отрицательного воздействия на контртело,

- дополнительно исследовано влияние нитрида бора, который при введении в покрытие повышает твердость и уменьшает коэффициент трения;

- изучены закономерности формирования тонких слоев Zn, Cu, Sn на поверхности конструкционного материала Эти быстроизнашивающиеся «жертвенные слои», постоянно воспроизводимые в среде, выполняют функцию защиты основного металла,

- при изучении вышеуказанных быстроизнашивающихся покрытий выявлен отрицательный эффект наводороживания стали Выявлены условия для подавления этого эффекта и получения в соответствующей среде высоких характеристик износостойкости

Практическая значимость. Установлены закономерности изменения потенциала металла под воздействием различных факторов скорости вращения детали, давления в зоне контакт и изменения состояния поверхности под влиянием среды использованные при проектировании реальных машин и механизмов различного назначения, определении их энергетических параметров и показателей надежности Предложенные методы управления электродным потенциалом позволяют значительно повысить ресурс работоспособности разработанных высокоэффективных покрытий на парах трения на базе проведенных исследований разработана серия технологий, защищенная пятью патентами

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных, Польских, Российских, Украинских, Болгарских и Китайских конференциях, конгрессах и расширенных вузовских научно-технических конференциях 7astosowanie cienkowarstwowych powtok w budowie maszyn 1 regcneracji Nowe technologie w budowie maszyn Wyzsza Szkoia In/vnierska, Radom, 1986, Odpornosc na zuzycic warstw kompozytowych Ni-P-BN otrzymywanych autokatalitycznym sposobem Konferencja n-t nt Nowe technologie w budowie maszyn i regeneracji Radom, maj 1989, Opracowanie metody badan tribologicznych

cienkowarstwowych powlok kompozytowych XV Szkola Tnbologiczna nt Konstytuowanie wymaganych cech uzytkowych warstwy wierzchniej metodami technologic/no-eksploatacyjnymi Rzeszów, 1987, Mozliwosci zastosowania pokryc kompozytowych día podwyzszema wtasnoáco przeciwzuzyciowvch powierzchni sprz^tu pomiarowego XV Szkola Tnbologiczna nt Konstytuowanie wymaganych cech uzytkowych warstwy wierzchniej metodami technologiczno-eksploatacyjnymi Rzeszów, 1987, Autokatalityczny sposób otrzymywania powtok kompozytowych Ni-P-BN Wytwarzanie elementów maszyn ze stopów metali o specjalnych wtasnosciach Rzeszów, 1990, Badania jakosci powtok kompozytowych poddanych procesowi mechanicznej obróbki wykanczaj^cej XVII Szkola Tnbologiczna Bystre k/Baligrodu, 25-27 09 1991, Odpornosc korozyjna powlok kompozytowych Zn-Co-aAl203 III Krajowa Konferencja Korozyjna „Korozja '90", Wroclaw, 30 01-1 02 1990, Активация поверхности диэлектриков без применения солей драгоценных металлов ЛДНТП. Ленинград, Россия, 1984, Травление алюминия и его сплавов перед нанесением гальванопокрытий ЛДНТП, Ленинград, Россия, 1980, Предварительная подготовка ковара перед нанесением никелевых покрытий ЛДНТП, Ленинград, Россия, 1984 Антифрикционные покрытия алюминия и его сплавов Национальная научно-техническая конференция с международном участием «Трибо'86» на тему Трибология и эффективность производства, Пловдив, Болгария, 16-18 октября 1986, Изменение толщины слоя композиционного покрытия по профилю детали при химическом способе его получения Научная сесия'88 на тему «Нови материали и технологии в машиностроенето» Русе, Болгария, 13-14 октября 1988, Zuzycie powlok kompozytowych w procesie tarcia XX Jesienna Szkola Tnbologiczna nt Tnbologia a Inzyniena Powierzchni Spate, 12-15 wrzesnia 1995, Elektrochemiczny aspekt procesów tarcia i zuzycia powtok kompozytowych XXI Szkola Tnbologiczna nt Smarowanie w^zlów tarcia maszyn i urzadzeñ Wspólczesne tendencje rozwoju teorn i badañ í.ódz-Arturowek, 9-12 wrzesnia 1996, Osj^gni^cia w dziedzmie wytwarzania powtok kompozytowych bezpr^dowvm lub elektrochemicznym sposobem Szkola Letnia Inzyniern Powierzchni Kielce, 6-9 wrzesnia 1993, Triboelektrohza XXII Jesienna Szkola Tnbologiczna nt Zuzycie tnbologiczne - teoría, badania i problemy utyhtarne Gliwice-Ustroñ, 13-15 wrzesnia 1998, Aktywacja powierzchni wyrobów metalowych w zlozu fluidalnym Semmanum nt Powierzchniowe obróbki cieplne wyrobów metalowych, stan techniki i rynek Gdansk, 18 02 1998, Zastosowanie cienkowarstwowych powlok metaloceramicznych w ukladach tribologicznych IV Ogólnopolska Konferencja naukowa nt Obróbka powierzchniowa C/Qstochowa Kule, 5-8 pazdziermka 1999, Podwyzszenie stopnia ochrony koro/yjnej elementów konstrukcyjnych pojazdów i maszyn II Konferencja naukowo-techniczna „Pojazd a srodowisko", Radom- Jedlnia Letnisko, 10 - 11 06 1999,

Osadzanie powlok w procesie triboelektroli/y II Ogólnopolska konferencja naukowa nt Nowe technologie w ínzynierii powierzchni Lódz - Spaia, 12-14 pazdziernika 2000, Tribologiczne i elektrochemiczne procesy w systemach triboiogicznych XXIV Jesienna Szkola Tnbologiczna nt Polska Tribologia 2000 Krynica, 11-14 wrzesnia 2000, Konstytuowanie warstw wierzchnich metali w procesach triboelektrohtycznych Ш Ogolnopolska konferencja naukowa nt Inzynieria powierzchni 2000 Radom - Kazimierz Dolny, 2001, Cynowanie w procesie skrawania XIV DIDMATTECH, Radom 2001, Tribologiczne i elektrochemiczne procesy w systemach triboiogicznych IX Kongres Eksploatacji Urz^dzen Technicznych Krynica Gorka 25-28 wrzesien 2002, Wytwarzanie powlok elektrolitycznych w procesie skrawania V Ogolnopolska Konferencja Naukowa „Obrobka powierzchniowa" 18-20 wr/esien 2002r Kule k/Czçstochowy, 2002, KBM , Моделирование процессов гидродинамического трения V Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем Ростов-на-Дону, Россия, 1997, Повышение экологичности гальванических технологий Экологические проблемы и пути их решения в XXI веке образование, наука, техника Санкт-Петербург, Россия, 10-12 октября 2000, Tnboeiektrolytik deposition of metallic coatings Proceedings of The Sekond International Conference on Surface Ingineermg Wuchan'99 , oct 17-21, Wuchan Chiny, 1999, Partikle dispersid phase arrangiment in the metalloceramic coating 5-ej Miznarodnyj Simpozium Ukramskich Inzynieriw-mechanikiw u Lwowi", Lwiw 16-18 trawnja 2001, Lwow, 2002, Композиционные покрытия с регулируемым фазовым составом Конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов 23-28 авг Томск, Россия, 2004

Публикации Основное содержание диссертации изложено в 26 рецензированных научно-исследовательских работах, 8 авторских свидетельствах и патентах и 52

публикациях

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводах, списка литературы из 313 наименований В работе содержится 225 страниц, в том числе 62 рисунка, 25 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе дано современное состояние вопросов изнашивания металлов, пути повышения износостойкости, выбор материалов и методик исследований, а также приведена модель - структурно-размерное описание системы, в которой материал в макроскопическом состоянии находится в условиях механического нагружения

Машины и механизмы проектируются для каждой детали на основе прочностных характеристик материала с техническими условиями придания им требуемых свойств- механических, низкого коэффициента трения и коррозионной стойкости,

соответствующей условиям нагружения в эксплуатации. Детали из сплавов на основе железа различного типа требуют совершенствования для повышения рабочего ресурса и придания им многофункциональных свойств.

На рис.1, показана принятая структурно-размерная модель системы в условиях работы. Она в поперечном сечении состоит из сердцевины /; верхнего слоя ¡2 покрытия и пассивирующего слоя с соответствующей этим слоям средней твёрдости 7у, Т2, Т3, Т4. Исследуемый металлический образец заданного размера, поверхностью перемещается относительно среды со скоростью V Деталь работает в среде с толщиной прилегающего слоя Ь, определяемой поверхностью нагружаемой детали Р, к которой приложены внешние силы. В модели предполагается, что твёрдость в поперечном сечении материала увеличивается от сердцевины до пассивационного слоя.

Рис.1. Структурно-размерная модель системы, состоящей из сердцевины дайной верхнего слоя ¡2, покрытия 13 и пассивирующего слоя /<с соответствующей этим слоям средней твёрдости: Т]. сердцевины и слоев T2.Ji.Tt- Исследуемый материал, перемещается со скоростью V относительно среды (5), нагруженной силами (I7), поверхностью (Р) металла (6).

Для приведения детали в движение к ней подводится энергия и на материал, из которого она выполнена, действуют механические силы от точки закрепления детали до его поверхности. Принимается, что перпендикулярная сила к поверхности является механической нагрузкой, а касательная - сила трения.

Кроме механической нагрузки, создаваемой поверхностью нагружаемой детали, в процессах износа принимает участие и эксплуатационная среда, которая кроме физического воздействия давлением р, оказывает и химическое воздействие.

Для преодоления механического нагружения давлением р, трением, выраженным коэффициентом трения д и физико-химическими свойствами среды, описываемыми количественно массой металла, прореагировавшего со средой, требуется металл, который способен преодолеть все эти нагрузки.

Износостойкость металла определяется его внутренним строением, достигаемым в результате применённых технологий.

Износостойким называем тот металл детали, который при воздействии внешних нагрузок во времени не изменит своих размеров и геометрии, т.е. размер 13 (рис.1)

(граница раздела фаз металл- пассивационная плёнка) должен оставаться неизменным после выполнения работы.

Следует различать (рис.1) геометрически измеряемую наружную поверхность ¡4 и поверхность 13, образованную границей металл - пассивирующая пленка.

Металл меняет своё состояние с образованием продуктов взаимодействия со средой в виде компактных соединений, солей в твёрдом состоянии, растворимых или нерастворимых в жидкости, прилегающей к поверхности.

Износ определяется весовым способом - убылью массы металла во времени - и может быть представлен в линейных единицах (в мкм/год).

В суммарном износе металла требуется учитывать, что работающая деталь находится в электрическом поле и имеет собственный электродный потенциал. Приводится связь электрохимического потенциала металла в макроскопическом состоянии и внешним напряжением электрохимической системы, а также связь электрохимических процессов с шероховатостью поверхности металла.

Приведенные зависимости относятся к изучению процессов в условиях действия плоско-параллельного электрического поля. Электродный потенциал является параметром, определяющим скорость электродных реакций, он используется в качестве параметра управления состоянием и структурой металла. Для определения электродного потенциала металла в условиях нагружения требуется соответствующий узел трения, а для управления состоянием и структурой металла требуется переход к реальным условиям.

Во второй главе приводятся теоретические представления и экспериментальные

свойств металла, нагруженного механически при внешнего электрического напряжения между сопряженными деталями. Представлены электрохимические процессы, которые требуют учета, и пути исследования их в системе механического, коррозионного и трибологического нагружения.

Приведены литературные данные относительно причин и факторов износа металлов в процессе эксплуатации, приведены собственные исследования влияния способа формирования свойств поверхности и толщины тонких пленок на износостойкость, коэффициент трения и коррозионную стойкость. Для этого использованы методы гальванические - твердое хромирование, химические -осаждение сплавов лазерную обработку пучком диаметра 2,5 мм, мощностью

1040 Вт, при скорости перемещения 7,47 мм/с, упрочняющего поверхность в виде дорожек с шагом 3 мм и другие электрохимические методы обработки поверхности.

Исследования как наши, так и других авторов показали, что среди сталей, содержащих 0,4-0,5% С, до 1,7% Мо и до 1,6% Си наилучшими свойствами обладают

стали с содержанием не ниже 18% Сг Исследования влияния содержания легирующих элементов на величину анодного тока в 1М Н?Я04 при потенциале Р=0 мВ (рис 2) показали, что оптимальным составом сплава с точки зрения коррозионной стойкости отвечает сплав, содержащий более 18% Сг, более 8% V и без Мо, остальные компоненты 0,4-0,5% 81, 8 и Р менее 0,03%, 0,5-0,6%№

Установлено, что механические нагрузки выдерживают тонкослойные покрытия - 1 мкм покрытие хромом, до 5-6 мкм химически осажденный сплав никель-фосфор Выше этих толщин металлы покрытия ведут себя как самостоятельный металл и переносят все внешние механические нагружения, причем №-Р изнашивается постепенно, а технический хром проявляет хрупкое разрушение

Исследования влияния способа создания поверхности различных вариантов для достижения близкой степени шероховатости показали существенное влияние (от 0,4 до 1,2 при трении сталь-сталь) на коэффициент трения при одинаковом характере изменения этого параметра

Установлено, что металл детали (его поверхностный слой) в условиях трения в базовом масле определяет коэффициент трения, а также электродный потенциал Измерения электродного потенциала детали узла трения машины Амслер,

выполненной из стали 45 с металлически покрытием непосредственно после нанесения покрытия и после окисления в атмосфере воздуха приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Электродный потенциал образцов из стали 45 с металлическим покрытием, измеренный в базовом масле непосредственно после нанесения покрытия, в окисленном состоянии (с возможным образованием окислов) и коэффициент трения

№ п/ п Материал покрытая Измеренный потенциал, мВ Потенциал после окисления, мВ Стандартный потенциал, мВ Возможные окислы Коэффи циент трения

1 Стань 45 -0,68 +1,2 РеО, ¥езОА, РегОзИ легирующие добавки 0,4-0,6

2 аАЩг- плазменное напыление - - - - 0,8-0,9

3 та-руБ - +0,8 - - 0,8-0,9

4 М-Р-ВМ -0,2 +0,2 -0,25 (№) №0, №02, №2ОЗ 0,010,03

5 №-Р-аА1203 -0,2 +0,2 -0,25 (№) №0, N¡02, №2ОЗ 0,010,03

6 № (электролит) -0,2 +0,1 -0,25 N¡0, КЮ2, №203 0,080,25

7 М-графцг (электролит) -0,1 +0,2 -0,25 (№) N¡0, \'Ю2, №203 0,130,14

8 Си (электролит) +0,34 +0,36 +0,34 Си20, СиО, Си203 0,060,08

9 ¿п (электролит) -0,75 -0,7 -0,75 7пО, га02 0,030,05

10 Ag (электролит) +0,81 +2,23 +0,80 А&0, АёО 0,060,07

11 Аи (электролит) +1,2 1-1,11 +1,23 АиО, Аи,0, Аи203 0,0060,01

12 8п (электролит) -0,2 +0,10 -0,14 ЭпО, 5п304, Йп02 0,030,12

13 Сг (электролит) +0,32 +0,37 +0,30 СЮз, СЮ, СГ3О4, Сг2Оз, Сг02, Сг3012, СгйО|3 0,1-0,25

14 Ре (электролит) -0,45 -0,68 -0,44 ИеО, Рев04, Ре2С3 0,15-0,3

Доказательства влияния именно самых тонких пленок, присутствующих на металле, а также наличие неоднородности поверхности конструкционного металла требует учета этих факторов при анализе нагруженной системы. Выбор эксплуатационной среды затруднен из-за большего разнообразия СОЖ по химическому составу: от водных растворов до масел. Для исследования электрохимических свойств металла выбран самый крайний случай - кислоты, на первом этапе не содержащие масел. Показано, что при организации электрохимической системы с управлением электродным потенциалом возможно

создавать тонкие пленки выполняющие роль зашиты металла от изнашивания как в анолной области потенциалов (пассивационные пленки), так и катодной (выделение слоев чругих металлов и сплавов) На рис 3 показана зависимость емкости С стали 45, пассивированной в 1М Н^О^ от времени пассивации Из рисунка видно уплотнение пленки во время эксперимента

Рис.3 Зависимость емкости пассивационного слоя ( от измерительного потенциала Л для стали 45 после поляризации в 1,07М H2SO4 при 200, 300, 500 с выдержки и потенциале 1300 мВ (потенциал пассивации) Данные получены потенциостат Atlas 98 и программы DDC98

Исследования электрохимических свойств металла проводились в плоскопараллельном электрическом поле Для исследований влияния механического и трибологическо! о нагружения на структуры, образованные в условиях электрохимического нагружения, потребовался трибологический стенд, обеспечивающий плоско-параллельное электрическое поле Анализ предлагаемого оборудования, применяемых в нем узлов трения показал, что каким требованиям обладает >!Сл трения машины Амслер Он не содержит концентраторов напряжения и кроме того, по параметрам обладает общим параметром

электрохимической и механической систем Таким параметром является расстояние между поверхностями двух колец, работающих боковыми поверхностями Это

на две подсистемы электрохимическую и

механическую

В реальных системах нагружения решено создавать з а щ к.тондаат:ин е зоны нагружения Решение не исключает разработку многофункциональных для применения в узлах трения В третьей главе приводи 1СЯ технология у п р о ч годатнушдаюншха лей

предназначенным для сталей с допустимым незначительным износом и работающих в коррозионной среде К таким относится Например, для

калибров допустимый износ составляет 1-3 мкм Анализ возможности упрочнения показал, что наиболее часто используемый метод нанесения покрытий или неприемлем из-за разнообразия сложнопрофильных конфигураций деталей (хромирование) или недостаточно изучен (композиционные покрытия)

В композитах основной нерешенной технологической проблемой является обеспечение одинаковых по составу и свойствам покрытия на всей обрабатываемой поверхности детали

Суть предложенного способа формирования свойств композитов или БК состоит в создании монослойного или полислойного покрытия с точно регулируемым содержанием упрочняющих частичек в металлической матрице №-Р Точная регулировка состава обеспечивается разделением процессов осаждения упрочняющих частиц и заполнения промежутков между ними сплавом №-Р

Схема образования монослоя композита дана на рис 4 Основные операции технологии автокаталитического осаждения композита включают 1) обезжиривание и травление стальной подложки, 2) закрепление частиц на обрабатываемой поверхности, 3) промывка в воде, 4) заполнение промежутков между частицами №-Р сплавом, 5) промывка в воде и сушка, 6) термообработка, 7) размерная механическая обработка При повторении операций 2), 3) и 4) создается полислойное покрытие

Рис. 4. Схема образования монослоя композиционного покрытия а) наложение раствора металлизации,

Ь) термохимическая обработка с закреплением частиц, с) подложка с закрепленными частицами, ё) подложка с композиционного покрытием 1 - подложка 2 - раствор металлизации, 3 - частицы встроенные в покрытие, 4 - сорбент носитель частиц, 5 -основа покрытия

технологии является возможность регулирования в широких пределах состава каждого осажденною слоя, более широкие пределы содержания упрочняющих частичек, более равномерное распределение упрочняющих частичек по поверхности, исключение образования конгломератов частиц, возможность создания многослойных покрытий с изменяющимися по толщине свойствами за счет регулирования состава отдельных слоев

Принципиальным преимуществом

Рис.5 Скорость выделения

автокаталитическим способом на активной поверхности сталей 1 сталь 45, 2 - ШХ 15 3-Р18

Локальная поверхностная неоднородность стали (неэквипотенциальность) (см гл 2) приводит к различной скорости выделения покрытия (рис 5 кривые 1,2,3) Автокаталитическое выделение покрытий состоит из двух этапов инициации процесса и выделения сплошного слоя покрытия Первый этап протекает при

погружении обезжиренной и протравленной подложки стали и стабилизируется после 5-10 мин ведения процесса Исследование этапа начальных стадий выделения покрытий М^ на стальной подложке включало изучение скорости выделения из различных растворов (ацетатного, боратного и глицератного), влияния на процесс шероховатости поверхности, гравиметрическое определение толщины пленки, остающейся после окунания в исследуемый раствор

На основании этого был разработан термохимический низкотемпературный способ (ТХО) первоначальной стадии образования покрытия, который заключается в термическом разложении тонкого слоя раствора химического никелирования при температуре 350-400°С в течение 0,5-1 мин Преимуществом способа является исключение неоднородности подложки (кривая 4 рис 5), при этом поверхность остается активной для выделения сплошных структур Прерывание процесса

кристаллизации и повторное проведение ТХО дает хорошее сцепление очередного слоя покрытия ТХО использовано для размещения и закрепления упрочняющих частиц обрабатываемой поверхности и соединения монослоев композита между собой Для закрепления частиц упрочняющей фазы на поверхности подложки требуется сорбент - носитель частиц Нами использован специальный сорбент в виде шариков (микросфер) размерами 50-60 мкм с удельным весом 0,35-0,5 г/см3 Для группы упрочняющих частиц, отобранных по типу и размеру, приготавливается смесь частиц сорбента и упрочняющих частиц в известном и выбранном соотношении (объемном или весовом) После операции распределения упрочняющих частиц на частицах микросфер с помощью слабых сил адгезии их нагревали до температуры 350-400°С в емкости приспособленной для создания кипящего слоя Так как удельный вес частиц мал для удержания их во взвешенном состоянии требуется незначительное давление подаваемого воздуха -1,1 атм

Преимуществом применения микросфер является возможность регулирования количества частиц на каждой микросфере и обратного их разделения путем седиментации. В технологии конструирования композита образован замкнутый цикл использования частиц, разделения и повторного приготовления сорбента и упрочняющих частиц требуемого соотношения. Способ предотвращает коагуляцию упрочняющей фазы на покрываемой поверхности. Закрепление упрочняющей фазы происходит после смачивания раствором поверхности детали и погружения ее в нагретые частицы (рис.2а,б). Удаление сорбента и незакрепленных частиц происходит при промывке детали в воде.

Заполнение промежутков между частицами проводится в растворе химического осаждение сплава №-Р. Толщина определяется по средней скорости осаждения (для боратного раствора она составляет 16 мкм/ч) и выбирается на основе размера встраиваемых частиц упрочняющей фазы. Дополнительно толщина контролируется с помощью образца - свидетеля, погружаемого вместе с обрабатываемой деталью. Прирост толщины определяется с помощью микрокатора.

Исследования полученных монослоев композита проводили электронографически (8Е1) для подтверждения присутствия частиц упрочняющей фазы, ее распределения и количества в каждом создаваемом монослое, измерялась микротвердость и определялось сцепление покрытия с основой методом трения. Для более стойких монослоев при выбранных условиях нагружения определен износ весовым способом.

Полученные результаты представлены в табл.2 и дают основу для конструирования композита в зависимости от требуемых свойств в эксплуатации: механических, коррозионных и трибологических. Увеличение износостойкости путем упрочнения состоит в создании градиента твердости от стального основания до границы раздела фаз твердое тело - жидкость (см. рис. 1), при общей толщине 4-5 мкм (см гл.2), В покрытии возможно расположить два монослоя частиц аА^Оз размером 1,7-2,2 мкм и один меньше 1 мкм, или один монослой корунда и три монослоя БК Твердость каждого определяется количеством однородных частиц аА^Оз или БК (согласно табл.2), что дает возможность конструировать упрочняющее действие фаз.

Увеличение износостойкости за счет повышения коррозионной стойкости получено путем послойного нанесения покрытий с применением ТХО. Установлено, что наименьшую коррозионную стойкость имеет межзеренное пространство. В полислойном композите для получения очередного слоя процесс кристаллизации прерывается, и для закрепления частиц проводится ТХО, что позволило создать 4 мкм трехслойное беспористое покрытие.

Увеличение износостойкости за счет улучшения трибологических параметров получено введением в покрытие частиц нитрида бора с низким коэффициентом трения (0,01-0,003) Исследования влияние размера упрочняющих частиц, приведенные в стендовом узле трения, показали нелинейную зависимость износа Лучшие результаты получены для размера частиц 1,7-2,2 мкм Износ зависит от материала контртела, замена стали 45 на ШХ15 приводит к большему износу покрытия С увеличением размера частиц, вводимых в покрытие, износ контртела линейно возрастает

Таблица2

Влияние размера и плотности упаковки частиц корунда и нитрида бора (в зависимости от объемного соотношения сорбента и частиц) в монослое никель-фосфорно1 о покрытия на микротвердость полученного монослоя и износ элемента узла трения машины Амслер в условиях 175 Н, 200 обор/мин с 10%

№ Род Соотношение Размер Плотность Микротвер- Статистический

пробы частиц (масс.) частиц упаковки дость без износ элемента с

сорбента и мкм х10в шт/сш2 термообр., HV покрытием

частиц мкм

1 0 481 - 550 1,8-2,0

2 <ХА1203 1 0,05 до 1,0 - 500-550 0,12-0,15

3 1 0,12 - 1650-1800 0,05-0,09

4 1 0,2 1950-2000 0,03-0,05

5 1 0,5 - 2400-2500 -

6 1 0,05 1,7 2,2 6,1-12 950-1000 0,12-0,16

7 1 0 10 6,5-13 3 1400-150 0 08-0,09

8 1 0,2 7,0-17,8 1600-1700 0 002-0,003

9 1 0,5 7,9-14,8 1800-1830 -

10 1 0,05 3 0 3,5 2,3-4,3 800-900 0 009-0,018

11 1 0,10 3,9-5,9 1000-1200 0,01-0,015

12 1 0,2 6,0-7,2 1500-1800 -

13 1 0,1 5,0 - 7,0 0,42-0,79 800-950 0,03-0,05

14 1 0,2 0,48-0,85 1850-2000 -

15 1 0,3 0,50-1,02 2300-2500 -

16 BN I 0,05 Лепест- - 1000-1200 0,009-0,100

17 1 0,12 ковый - 1800-1900 0,05-0,06

18 1 0,25 (ОД-ОЗММ) - 2000-2100 0,03 0,04

19 1 0,5 - 2600-2800 0,02-0,03

20 1 0,6 - 3150-3200 0,002-0,003

21 1 1 - 3500-3600 -

Исследования позволяют предположить, что износ зависит от конфигурации упрочняющих частиц В условиях трения и постепенного износа покрытия упрочняющие частицы попадают в зону трения - это доказано косвенными исследованиями обработки поверхности полированием - и корунд изнашивает покрытие, т к нитрид бора изнашивает меньше

Прочностные адгезионные свойства композитов проявляются в условиях трибологических испытаний в первые 1-2 часа работы детали в стендовом узле трения

Технология повышения износостойкости измерительных инструментов состоит в следующем в качестве подложки используется сталь ХФ, покрытие полислойное общей толщиной 5-6 мкм с градиентом твердости, состоящее из двух твердых слоев BN и мягкого слоя №-Р для размерной механической обработки Для реализации технологии требуется 1) пиния традиционной обработки -обезжиривание и гравление, 2) раствор для выделения №-Р покрытий 3) две емкости с частицами аА^Оз размером 1,7 - 2,2 мкм, адсорбированными на микросферах с соотношением 1 0,12, нагретые до 350-400°С, далее промывка и сушка Проверка покрытий в условиях стендовых испытаний показала уменьшение износа с 1,8-2,0 мкм до 0,005-0,006 мкм Эксплуатационные исследования подтвердили лучшие характеристики, чем хромированных калибров

Поскольку трибологические характеристики композиционных покрытий неоднозначны, прежде всего из-за влияния на контртело и возможности перемещения упрочняющих частиц в зону трения, решено было продолжить исследования для разработки защитных слоев детали в условиях трибологического нагружения детали

В четвертой главе приводятся общие принципы управления структурой металла в зоне трения электрохимическим способом

Проведены исследования процессов в стендовом узле трения, в котором место приложения механических нагрузок совпадает с местом приложения нагрузок элктрохимических без концентраторов напряжения Расположение электрической системы относительно механической системы в зависимости ог расстояния между поверхностями выбранного стендового узла грения показано на рис 6

Даны расчетный и экспериментальный пример управления структурой металла в зоне трения Разработаны эксплуатационные жидкости - электролиты СОЖ-Си, СОЖ]-2п СОЖ-2п - водные растворы, П-Си, Г1-2п, П-8п - гидросолевые, растворимые пасты для осаждения Си, 2п, 8п, а также электролиты на базе масла -Даны принципы выбора компактных структур на основе электродного потенциала исследуемого металла в электрохимической системе, те скорости протекающих реакций Для исследования эксплуатационных сред - водных растворов солей в виде паст и составов на базе масла - гидрорафината созданы

с.

Рис.6 Схемы исследования

постоянного тока, 6 - жертвенный анод Ь- расстояние между поверхностями деталей

электрохимической системы 1 - исследуемый металл, 2 - эксплуатационная среда 3 - контртело, 4 - электрод сравнения, источник

приспособления для исследования механических нагрузок вращением (рис 7а,Ь,с) и с нагрузкой (рис 7,ф

Рис.7. Модели узлов трения

1 -вал,

2 - кольцо из исследуемого материала, 3 - диафрагма, пропускающая ионы электролита,

4 - контртело (растворимый анод) или 5 - взаимодействующий элемент с приложенной силой Р, 6 - электролит в емкости 7, 8 - источник тока

Приведен пример использования полученных результатов для других геометрий узлов и показана возможность экспериментального осуществления процессов в машине трения 77МТ-1, реализующей поступательно-вращательный вид движения деталей узла трения (рис 8)

Рис.8. Распределение вектора скорости

образца относительно контртела в условиях I - трение скольжения при вращении с проскальзыванием, II — поступательно-возвратное трение; 1,2,3 - характерные точки исследуемой поверхности а) схема протекания процесса, Ь) распределение вектора скорости (V) Ь - длина пути при одном обороте или одном прыжке контртела

Рис. 9. Зависимость качества выделяемых структур от электрических внешних парамегров (плотности тока) в случае применения движения А) скольжение при вращении с проскальзыванием В) -поступательно-возврапное, 1,2,3 -характерные точки

Показаны принципы создания эффекта безызносного фения при катодном осаждении металлов в процессе эксплуатации Экспериментально установлено, что

заметное уменьшение коэффициента трения пары сталь - сталь происходит при столь малом содержании цинка на трущейся поверхности, которое не может быть определено электрохимическим методом и рентгеноструктурным анализом

Подробные исследования присутствия оксидных пленок на металле и влияние их на процесс износа, изучение диффузии металла в жидкую среду проводилось применительно к меди. Окисные пленки меди и железа электропроводны, а для исключения многофазности реальных сплавов железо заменено однокомпонентной медью Исследования проводились как в стационарных условиях (неподвижная среда-раствор), так и в динамических (при движении раствора, создаваемом вращением медного образца). В качестве способа обработки рабочей поверхности выбрана электролитическая полировка, т.к она снижает коэффициент трения, повышает усталостную прочность изделия или покрытия и придает декоративный вид.

Процесс проводился в условиях анодного пассивирования и начальной стадии транспассивного растворения. Методом управления потенциалом (с разверткой и ступенчато) доказано, что время полирования (3-5 мин) приводит к уменьшению растворимости в 4 раза Методом фарадеевского импеданса, туннельной микроскопии и металлографическими исследованиями подтверждено, что процесс протекает в условиях пассивации поверхности Характер разрушения металла в активном, пассивном и транспассивном состояниях значительно отличаются друг от друга Пассивация связана с миграцией ионов меди из металла в жидкость, а воды к металлу с образованием оксида. Пример распределения импеданционного спектра в электрической схеме замещения приведен на рис.10, где в спектре характеризует параметры перехода Си в ионное состояние, т е. износ металла.

При вращении детали, при сохранении характера поляризации в условиях пассивирования скорость износа меди выросла в 12 и более раз по сравнению со стационарным процессом. Таким образом установлено, что в условиях трения диффузионные стадии, ограничивающие скорость растворения металла, значительно ускоряются.

В пятой главе приводятся результаты прикладных работ по реальному использованию представленных выше исследований, которые проводили непосредственно на стендах, воспроизводящих условия работы детали Именно на основе этих стендовых испытаний была разработана серия промышленных технологий, часть из которых производилась непосредственно в производстве.

В главе 3 представлена технология упрочнения стального основания композиционным покрытием с регулируемым (послойно и поверхностно) уложением упрочняющей фазы. Для измерительных инструментов из-за незначительных

размерных допусков упрочненный слой требует механической размерной обработки Также в случае реставрации требуется упрочнение только той части поверхности детали, которая в условиях эксплуатации износилась Для такого рода технологии требуется 1) линия традиционной предварительной обработки обезжиривания, травления, 2) раствор автокаталитического нанесения покрытий №-Р, 3) три емкости, реализующие процесс кипящего слоя, заполненные частицами BN, адсорбированными на микросферах в соотношении а) 1 0,12, б) 1 0,25, в) 1 0,5 , нагретыми до температуры 350-400°С, 4) вода для промывки и сбора частиц и микросферы для каждой из групп частиц (по типу и размеру), 5) теплый воздух для сушки после окончания процесса, 6) проведение механических операций для обеспечения требуемых размеров калибра

Применением данной технологии при высокоточной доводке деталей фактически обрабатывается только относительно мягкий сплав №-Р Увеличенный технологический размер позволяет точно создать размерную базу В условиях полирования, притирки не наблюдается попадания частиц твердой фазы в зону трения При этом на поверхности детали остается только слой композиционного покрытия

Рис.10 Распредечение импеданционного спектра меди, поляризованной в пассивационной об части в 60% растворе ортофосфорной кислоты

на приборе Атлас-99

Реализация предложенной технологии позволила получить упрочнение с градиентом твердости НУ 1800-19000, НУ 2000-2100 и НУ 2600-2800 с

(оснастки), применяемого для обработки стальных

деталей

По предложенной технологии выполняется реставрация самых разнообразных по форме калибров резьбовых, с отверстиями и т п

Металлокерамические покрытия используются в качестве промежуточного слоя с целью создания по твердости режущего инструмента или матриц

Инструмент упрочняют покрытием, наносимым методом магнитронного вакуумного напыления РУО Это покрытие нестехиометрического строения типа "Л^ МС, "Л

(С\Ч) (Т1 Л!)N Сг Сг/СгК Их твердость достигает НУ 3000 - 4500 Для создания градиента по твердости между сталью и покрытием между ними формируется 1-2 монослоя М-Р-аАЬОч тоже с градиентом по твердости Встроение покрытия из двух моностоев частиц корунда размером 1,7-2 мкм с твердостью прилегающего к стали слоя НУ 1400-1500 и плотностью упаковки корунда 6,5 - 13,3 х Ю6 шт/см" и вторым с твердостью 1600-1700НУ и плотностью упаковки 7,0-17,8 шт/см2 позволяет повысить стойкость сверл в 7 раз, покрытие ТЖ увеличивает этот показатель в 3 раза (рис 11)

Рис.] 1. Влияние промежуточного стоя металлокерамического покрытия на эксплуатационные свойства без покрытия и с покрытием инструмента V стовия испытания сверла 06 мм, стать 30 толщина 20 мм скорость сверления 20 об мин перемещение сверла 0 2 об'мин, толщина Т^ - 2 мкм

Сверление проводится с применением СОЖ и существует возможность продления периода эксплуатации путем осаждения покрытия на режущую кромку уменьшающую силу трения между стружкой и поверхностью сверла и более щадящего воздействия на режущую кромку инструмента

возможность более подробно исследована в

Последовательность технологических операций 1) провести обезжиривание, травление поверхностей детали, 2) термохимическим способом закрепить частицы

на поверхности стальных деталей и заполнить сплавом №-Р из емкости 1, в которой создается эффект кипящего слоя она содержит частицы размером 1,7-2 2 мкм адсорбированные на микросферах

60 мкм (с соотношением 1 1,02), для заполнения промежутков между частицами применялся боратный раствор для осаждения №-Р покрытий, 3) термохимическим способом закрепить частицы на поверхности стальных деталей и заполнить

промежутки между слоями сплавом №-Р из емкости 2 в которой создается эффект кипящего слоя, она содержит частицы размером 1,7-2,2

адсорбированные на микросферах размером - 60 мкм (с соотношением 1 1 01). элеюролиг для заполнения промежутков тот же , что и в п 2. 4) промыть в воде и высушить 5) нанести покрытие ТЖ методом РУБ

В уело яиях механической обработки резанием (точением) требуется облегчение работы трения, который инструмент и обрабатываемый металл а также

замена межоперационной коррозионной защиты - масел и смазок

В процессе резания металла применяется СОЖ с добавками химических соединений и масел. При этом образуются поверхностные соединения неизвестного химического состава и толщины. Для инструмента применение СОЖ в неизвестных электрохимических условиях опасно из-за возможности его наводораживания. В очередных операциях формирования структуры детали поверхностные слои, образованные в условиях резания и смазки, удаляются с потерей качества и размера детали.

Для управления структурой поверхностных слоев к станку присоединяется электрохимическая система. Она состоит из источника тока (потенциостата, гальваностата), присоединенного к обрабатываемому металлу (-), который образует тесный электрический контакт с инструментом. В зону резания подается насосом (через фильтр) СОЖ. Электрический контур замкнут вспомогательным растворимым металлом (+), расположенным близко к зоне трения в области подачи СОЖ в зону резания Среднее падение напряжения между вспомогательным электродом (2п), обрабатываемой деталью и вспомогательным электродом (2п) и резцом в точках минимального расстояния при подаче электролита (СОЖ) со скоростью 0,25 л/мин устанавливали от 0,4 до 2 В.

При условии резания: глубине 0,1 мм, скорости подачи резца - 0,8 об/мин, скорости вращения детали - 280 об/мин и применении СОЖ-2п (глава 4) получали тончайшую пленку цинка, не определяемую путем замера электродного потенциала и рентгеноспектрографией. Исследования проводили для поверхности обрабатываемого металла и инструмента в месте удаления стружки и кромки резца.

Полученные результаты согласуются с приведенными в 4 главе. Очень тонкие пленки изменяют коэффициент трения, хотя не изменяют электродный потенциал. Для получения более толстых пленок СОЖ-2п увеличивали концентрацию основной соли до 500-600 г/л. При прочих равных условиях получены пленки толщиной 2 мкм. которые защищают низколегированные стали в течение 60 дней. Дополнительные операции дают возможность получать более толстые пленки.

Исследования Си, 2п, 8п в условиях резания показали, что перспективными металлами для выполнения защиты обрабатываемого металла и режущего инструмента является 2п и 8п Технология выделения 8п отличается применяемым составом СОЖ- 8п. Тонкие слои 8п, выделяемые в условиях резания, находят применение в случае комбинированных технологий, когда требуется хорошая смачиваемость стального основания с покрытием - припоем или расплавленным подшипниковым сплавом.

Исследовались различные способы обработки поверхности стали 45: после точения без СОЖ с использованием СОЖ-8п, после хранения деталей в условиях

механического цеха, электрополированной Установлено, что толщины 0,2 мкм достаточно для изменения угла смачивания расплавленным оловом Он увеличивается для капли олова массой 2 г с 40-46 градусов на поверхности стали с применением стандартной СОЖ до 126-132 градусов для поверхности стали с выделенным в процессе точения оловом

Когда из функциональных свойств металла превалирует свойство коррозионной защиты и покрытия 2п, получаемые в условиях трения при резании недостаточны, требуется их утолщение с использованием станка или вручную Это особенно актуальная задача в последнее время, когда заводы-изготовители полуфабрикатов производят на заводе данную коррозионную защиту При производстве изделий из листов, труб и т п покрытие нарушается и его требуется восстановить

В перечисленных случаях процесс утолщения может быть выполнен с использованием станка или вручную с использованием электролита-пасты В главе 4 приводятся составы паст для выделения цинка (П-2п) и олова (П-8п), а также на рис 7 приспособление для их выделения Зависимость между катодной плотностью тока, скоростью осаждения цинка К и вращательной W и окружной V скоростью детали -катода приведено на рис 12 К Ьк"

Основным требованием к создаваемым подшипникам скольжения является низкий коэффициент трения (момент трения) Подшипники скольжения состоят из конструкционного материала - сплавов на основе железа или стали ШХ 15 -обеспечивающего жесткость и прочность, а также антифрикционного слоя - мягкого металла или сплава толщиной до 70 мкм, и работают в смазке Во время работы антифрикционный сплав упрочняется до трещинообразования и подшипник может выйти из строя Время разрушения подшипника непредсказуемо Задача облегчения работы подшипника в период эксплуатации решена путем создания тонкого слоя 2п, выделяемого в течение всего периода работы Для этого разработаны смазки -электролиты, содержащие соль 2п с добавками на основе масла - гидрорафината (см гл 4) Реальные подшипники от стендовых отличаются конструкцией И только

Рис. 12 Зависимость между катодной плотностью тока, скоростью осаждения цинка К и оборотной Ш и окружной V скоростями вращения катода. 1 - граничная (предельная) плотность тока, 2 -

рабочий интервал тока, 3 - скорость осаждения 2п

0'

0 100 300 1000 Л[оЬг,'гг;п|

О 0 5 1.0 1,5 2,0 2,5 30 у [т/>1

некоторые из них имеют концентраторы напряжений в виде неосевой формы в поперечном сечении одной из детали Их характеризует наличие зоны трения и траектории, по которой эта зона перемещается Длительные исследования производились для подшипника, схематично показанного на рис 13 В систему входят вращающееся в масле кольцо, изготовленное из стали ШХ15, нагруженного силой от 0 до 200 Н от 0 до 600 об/мин вмонтированное в электрическую систему, состоящую из источника тока и двух пластин, изолированных от нагружаемой детали и свободно скользящих по траектории передвижения зоны трения Подшипник работал 8 часов в сутки Ежедневно проверялось наличие цинкового слоя боковой части вращающейся детали

После трехмесячной работы подшипник демонтировался и после удаления с него поверхности взвешивался Проведено три серии исследований по 1 году со взвешиванием после каждых трех месяцев работы При исходном весе 202,3, 205,4, вращающаяся нагруженная деталь не изменилась в весе, а в двух случаях ее вес увеличился на 0,51-1,02 г Это объясняется неравномерной механической и неравномерным износом цинкового покрытия в условиях длительной работы подшипника

Исследования подтвердили правильность принятых решений При выполнении поставленной задачи обнаружен эффект контролируемого безызносного трения конструкционного материала

Экономический эффект от предложенных технологий получен в основном при комплексном или дуплексном их использовании Экологический эффект получен за счет исключения применения СОЖ с добавками масел

2

Рис. 13. Схема системы управления структурой в зоне трения, примененного в качестве подшипника скольжения 12 - детали узла трения, 3- емкость с маслом (электролитом), 4 вспомогательный металл,

отделенный от нагруженного металла диэлектриком, 5- источник постоянного тока

выводы

1. На основании установленных двух экспериментальных параметров -электродного потенциала в электрохимической системе и характерного геометрического параметра стендовой системы механического нагружения металла - разработаны два способа повышения износостойкости металлов: создание многофункциональных поверхностных слоев и эффекта безызносного трения.

2. Многофункциональные свойства материала обеспечены путем контролируемого послойного и поверхностного размещения упрочняющей фазы в металлическом сплаве. Упрочнение создается в виде монослоев. Разработанный способ упрочнения частицами керамики показан на примере сплава №-Р и упрочняющих частиц аА^Оз и БК размером до 5-7 мкм.

3. Разработанный способ термохимической обработки исключает поверхностную неоднородность сталей (45, ХФ, 111X15) и создает условия для соединения монослоев между собой. Его проводят при 350-400°С и при этом активируют поверхность стали сплавом №-Р.

4. Показано, что характеристики металлов, работающих в условиях нагружения с трением, определяются не только структурой, механическими и физико-химическими свойствами тонкого поверхностного слоя, но и электрохимическим взаимодействием этого слоя со средой. Доказано, что коэффициент трения зависит от природы нагружаемого металла, типа и свойств пассивационного слоя. Электродный потенциал, измеряемый в электрохимической системе, в жидкостной среде закономерно связан с уровнями строения поверхности детали и позволяет получить связь микроструктуры и фазового состава с конфигурацией детали и шероховатостью поверхности.

5. Установлено, что применение в системе нагружения высокоэффективных покрытий недостаточно - необходимо создать регулируемую жидкостную среду. В системе сталь - покрытие выявлены условия эффекта отрицательного воздействия на контртело, которое изнашивается линейно при увеличении размеров частиц упрочняющей фазы (корунда).

6. Изучено применение жидкостных сред на водной, солевой и масляной основах для выделения тонких слоев 2п, 8п, Си. Основной функцией выделяемых металлов является защита основного металла. Предложено использовать электрическую систему в качестве датчика структуры мягких, пластичных и быстроизнашиваемых металлов.

7 Изучены закономерности формирования тонких слоев 2п, 8п, Си, выделяемых на поверхности конструкционного материала в условиях механического износа Тонкий слой выделяемых металлов остается на поверхности детали при скорости выделения большей, чем скорость механического износа. Выявлен эффект наводороживания сталей и даны условия для его подавления. Достигнут эффект безызносного трения путем использования электрохимической системы в виде датчика структуры, предназначенной для механического износа.

8. На базе проведенных исследований разработана серия технологий, совершенствующих свойства конструкционного материала:

- упрочнения стальной основы композитом с регулируемым фазовым послойным и поверхностным составом с требуемым градинтом твердости упрочняющей фазы;

- реставрация упрочняющего композита с облегчением точной размерной механической обработки;

- создание градиента твердости при применении, в частности, напыления, где указанные компоненты являются промежуточным слоем;

- повышение антикоррозионных свойств обрабатываемых точением стальных деталей без применения масел и смазок путем выделения защитных тонких пленок цинка и олова;

- повышение специальных поверхностных свойств стали под пайку и смачиваемость расплавленных оловом путем выделения тонкого слоя олова в условиях точения деталей;

- создание антикоррозионных покрытий на сталях (с использованием станков для механической обработки) путем выделения цинка и олова из электролитов СОЖ-2п, СОЖ-8п или паст П-2п, П-8п;

- увеличение износостойкости и срока службы режущих инструментов путем осаждения в условиях резания слоя цинка или олова без насыщения металла водородом;

- повышение износостойкости подшипников скольжения путем создания эффекта безызносного трения за счет создания «жертвенного» слоя цинка.

Применением предложенных технологий получены экономический и экологический эффекты Технологии защищены пятью патентами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующихработах:

1. Космынина М. Меднение деталей, состоящих из титана ВТ-1 и стали Н45Д5, соединенных пайкой на основе серебра. Дипломная работа, ЛПИ, Ленинград, 1967 год.

2 Космынина М Исследование процесса обработки поверхности алюминия с целью непосредственного нанесения гальванопокрытий и получения катодной фольги электромеханических конденсаторов Автореферат кандидатской диссертации, Ленинград, 1975 16 стр

3 Космынина М, Баташев К П Травление алюминия в растворах хлористого натрия с различными добавками Ж П X, № 6,1975г, с 1293-1298

4 Баташев К П , Космынина М химическое травление алюминиевой фольги для катодов электролитических конденсаторов ЖПХ, № 7,1975, с 1475-1479

5 Космынина М , Костин А К, Руднев Б И, Михайлов Л И Установка и способ определения эффективной глубины слоя поверхностного термоприемника Дальневосточный межотраслевой территориальный центр Владивосток, 1978, с 8-11

6 Баташев К П , Космынина М, Дайно А В Исследование процесса обработки алюминия перед нанесением гальванопокрытий ЖПХ, № 6, 1978, с 1128-1131

7 Костин А К, Михайлов Л И, Космынина М опыт изготовления поверхностных термопар Ж Двигателестроение, № 14,1980

8 Авторское свидетельство СССР № 546026 от 2110 74 (в соавторстве с Баташевым К П) Катод электролитического конденсатора

9 Авторское свидетельство СССР № 21796 о т 08 06 73 (в соавторстве с Баташевым К П, Пименовым В Ф, Пономаревым А Ф ) Электролит для травления алюминиевой фольги

10 Авторское свидетельство СССР № 722096 - не подлежит публикации

11 Волков Л В , Космынина М, Стыров М И Повышение стойкости платино-титановых анодов в сернокислых электролитах осаждения меди ЖПХ, № 8, 1986

12 Космынина М, Волков Л В, Стыров МИ Травление молибденовой проволоки перед нанесением металлопокрытий ЖПХ. пг 8, 1984, стр 18861887

13 Волков Л В , Космынин А И, Космынина М , Стыров М И Повышение стойкости платино-титановых анодов в сернокислых электролитах осаждения меди ЖПХ, пг8,1986, стр 1882-1884

14 Космынина М, Волков Л В, Майоров А И Активация поверхности диэлектриков без применения солей драгоценных металлов Изд ЛДНТП Ленинград, 1984 стр 66-69

15 Космынина М, Коемынин А Антифрикционные покрытия алюминия и его сплавов Дом техники - Пловдив, Болгария, 1986, стр 206-207

16 Kosmymna M, Krawczyk К Opracowanie metody badañ tribologicznych cienkowarstwowych powlok kompozytowych / n Politechniki Rzeszowskiej

17 Коьшупша M, Kosmynin A Mozliwosci zastosowania pokryc kompozytowych dia podwyzszenia wlasnosci przeciwzu/yciowych sprz^tu pomiarowego z n

18 Космынин А, Космынина М Авто каталитический способ получения износостойких композиционных покрытий Ni-P-BN z п Politechniki Rzeszowskiej Mechanika z 21 1990, s 189-197

19 Мирзоев Р А, Космынина М, Стыров МИ, Шелешнев МЮ, Шиловский С Ю Определение площади поверхности и коэффициента шероховатости методом катодной и анодной хронопотенционометрии ЖПХ пг 2 , 1990, стр 281-285

20 Ас 1305535,1986,СССР /Мирзоев РА, Космынина М, Стыров МИ, Шелешнев М Ю , Шиловский С Ю/ Способ измерения площади поверхности электропроводного изделия,

21 Kosmymna М Badama jakosci powlok kompozytowych poddanych procesowi mechanicznej obróbki wykanczaiacej zn Politechniki Rzeszowskiej Mechanika z28,1991, s 205-213

22 Kosmynina M Osi^gniecia w dziedzmie wytwarzama powlok kompozytowych be/pr^dowym lub elektrochemicznym sposobem z n Politechniki Swi^tokr/yskiei Kielce, 1994,s 196-196

23 Kosmymna M Elektrochemiczny aspekt procesow tarcia i zuzycia powlok kompozytowych z n Politechniki Lodzkiej Mechanika/85 Nr 765 1996, s 65-71

24 Kosmymna M, Hoffman J Zuzycie powlok kompozytowych w procesie tarcia Tnbologia nr 4/95(142), s 439-446

25 Kosmymna M Model transformacji energn elektrycznej w procesach tribologicznych ZEM, z3(l 11) Vol 32, 1997, s 323-332

26 Kosmymna M Elektryczne podstawy oscylacyjnego charakteru pomiarow w procesach tribologicznych ZEM, 7 3 (111), Vo) 33, 1997

27 Kosmynina M Tnboelcktroh/a Materialy XXII Jesiennej Szkofy Tnbologicznej Ghwice-Ustron, 1998, str 115

28 Kosmymna M Формирование композиционных покрытий химическим или электрохимическим способом ЖПХ t 70 вып 9, 1997 стр 1483-1486

29 Kosmymna М Autokatalityczne cienkowarstwowe powloki metaloceramiczne Inzynicria Powierzchm Wyd IMP, Warszawa Nr 1 /97 1997r

30 Ас 159020, 1993, PL / Космынина М, Кравчик К/Способ наложения композиционных покрытий химическим или электрохимическим с выполнением межчастичного пространства металлом

31 Kosmymna М, Kosmynin A Modern izacj a technoiogn elektrochemicznej obrobki powierzchm elementow konstrukcyjnych pojazdow i maszyn Mat Konf n-t Pojazd a srodowisko Radom,1997, s 211-217

32 Ac 176338 1999, PL /Космынина M, Хоффман Я/ Способ наложен многослойных композиционных покрытий

33 Kosmynina М Ksztattowame tribologicznych wlasnosci w^zlow tarcia poprzez konstytuowanie technologicznej warstwy powierzchniowej Tnbologia, Nr 6,1999, s 839 -847

34 А С 310720, PL /Космынина М/ Sposob nakladania warstwovvych powlok kompozytowych zwlaszcza metaloceramicznych

35 Kosmynina M Tnboelektrolytik deposition of metallic coatings Materials Protection Vol 32 No 10B, Wuchan, Chiny, 1999 s 231-234

36 Kosmynina M, Kosmynin A Zastosowanie cienkowarstwowych powlok metaloceramicznych w ukladach tribologicznych lnzyniera Materialowa, Nr 5, 1999 s 562 - 564

37 Kosmynina M, Kosmynin A Osadzanie powlok w procesie triboelektroli/v Inzynieria Materialowa, nr 6/2000, s 329-332

38 Kosmynina M, Kosmynin A Konstytuowanie warstw wierzchnich metali w procesach triboelektrohtycznych Problemy Eksploatacji 2/2000(37), s 147-163

39 Kosmynina M, Kosmynin A Tribologiczne i elektrochemiczne procesy w systemach tribologicznych Problemy Eksploatacji 3/2000(38), s 97-111

40 Kosmynina M Mechani/m przemian fazowych w ukladach triboelektrohtycznych Tnbologia 2/2000, s 177-186

41 Космынина М, Космынин А Повышение экологичности гальванических технологий Санкт-Петербург Изд СПбГТУ, 2000, s 127-128

42 Kosmynina М Particle dispersed phase arrangement m the metalloceramic coating Tezy 5-th International Symposium of Ukrainian Mechanical Engineers Lviv, KIHPATRI LTD, 2001

43 Kosmynina M, Kosmynin A, Blaszczyk T Znaczenie skali obserwac|i procesu tribologicznego w mterpretacji zjawisk zachodz£(cych podczas tarcia Tnbologia nr 2/2001(376), s 175-191

44 Kosmynina M Cynowanie w procesie skrawania Materiafy miedzynarodowej konferencji XIV DIDMATTECH 2001, Radom, s 192-197

45 Kosmynina M Badanie wlasciwosci antyzuzyciowych powlok metaloceramicznych w systemach tribologicznych Tribologia, nr 3/2001 (177), s 305-313

46 Kosmynina M, Chalko L Wytwarzanie powlok elektrolitycznych w procesie skrawanm Inzymcria Matenalowa, Nr 5/2002,2002, s 368-370

47 Космынина M, Гоффман Й Коррозионная защита стали цинковым покрытием выделенным в процессе механического формирования элементов Problems of Corrosion Protektion af Materials Specjal issue Nr 3, Lwow, Dkraina, 2002, s 524527

48 Халко Л, Космынина М Влияние избранных легирующих добавок на коррозионную стойкость стального литья VI International Conferece and Exxhibition "Corrosion - 2002, Lwow, Ukraina

49 Urzad Patentowy PL, Nr 16 (746) 2002 /Мирзоев Р A , Космынина M, Халко Л/ Электрическая и электрохимическая система облегчающая работу узла трения - Р 345374,2002 PL

50 Космынина М Композиционные покрытия с регулируемым фазовым составом Физическая мезомеханика, т 2, ч 2 Специальный выпуск, 2004 с 153 -156

51 Kosmynina М Naturalna warstwa powierzchniowa elemento urz^dzenia techmcznego z n PR Mechanika VII Posiedzenie Komitetu Budowy Maszyn PAN,

52 Kosmynina M Sprawozdanie 7 pracy n-b Konstytuowanie warstw wier/chnich elementw metalowych w systemach tnbologic/nych Grand badawczy Nr umowy

Рецензированные научно-исследовательские работы:

1 Opracowame technoiogn cienkowarstwowych powlok kompozytowych odpornych na korozj? i scieranie Etapy 1-5 Zlecenie 0111/07 (С PB R) koordynator IMP -Warszawa, 1986 1987, 1998, 1989, 1 990 - wykonawca a od 1987r - prowadzaca prac?, M Kosmynina

2 Chemiczne i elektrochemiczne powloki kompozytowe Zlec 549/04, 1988, wykonawca - M Kosmynina

3 Badania wplywu rodzaju cz^stck wprowadzonych w powloke na przebieg procesu bczpr^dowej metalizacji Zlec WSI-Radom, Nr tematu 37/07, 1990 (etap I), 204/07, 1991(etapII) Kieruj^ca prac^ M Kosmynina

4 Elektrochemiczne powloki kompozytowe z warstwowym ulozcmem c/^stck twardych Zlec MCNEMT - Radom, Kieruföca prac^M Kosmynina

5 Opracowanie technologn cienkowarstwowych powlok kompozytowych odpornych na scieranie (powloki gradientowe i pohkompozytowe) Zlec KBN 1159/07P (I etap) 1993,1020/07/P(IIetap) 1992 kieruj^ca praca M Kosmynma

6 Badama tribologiczne powlok kompozytowych na osnowie niklu Ziec KBN 1329/07/P, 1995, kieruj^ca prac% M Kosmynma

7 Budowa stanowiska do badan i wytwarzania powlok metalowych elektronacieraniem 7lec KBN Nr 1552/07/P, 1997, prowadz^ca i kieru^ca pracg M Kosmynma

8 Zastosowanie techniki galwanoplastycznej do wykonania formy plastyczne) Zlec WSI-Radom, 1994, №>1612/05/13

9 Badania procesu elektrochemicznego wspomagania wçzla tarcia 7lec 1836/06/P (etap I), 2000r, etap II200 lr -prowadzaca M Kosmynma

10 Badania synergizmu w technologiach inzymeni powierzchni Zlec PolJtechniki Radomskiej Nr 1923/06/B, 2001 г. prowadzaca prace Kosmynma M

11 Badania antyzuzyciowych wlasciwosci materialow powlok w ukladach eksploatacyjnych Zlec Politechniki Radomskiej Nr 2067/22/P, etap I, 2003r, i etap II 2004r

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать <#£3 . Формат 60x84/16. Печать офсетная. Уч. печ. л. . Тираж /00 . Заказ /ЗР .

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

OS J б

ш

?? AilP MB

Введение.

Глава 1. Современное состояние вопроса повышения износостойкости деталей машин. Цель и задачи исследований. Материалы и методика их исследования.

1.1. Современное состояние вопроса.

1.21 Связь износостойкости с электрическими параметрами зоны трения

1.2.1. Связь износостойкости с электродным потенциалом.

1.3.Цель исследования.

1.4. Материалы и методы исследования.

1.4.1. Обоснование выбора материалов.

1.4.2. Исследования структуры и свойств материалов;.

1.4.3. Методы испытания на износ.

Выводы.36'

Глава 2. Определение совместного параметра механической* и физико-химической систем металла, нагруженного механически; с трением.

2.1. Образование пассивирующих слоев металла.

2.2. Влияние химического состава сплава на основе железа на поверхностную активность

2.3. Зависимость между механическими и физико-химическими параметрами металта, нагруженного механически с трением.

Выводы.

Глава 3. Повышение износостойкости стальной основы! многофункциональным покрытием

3.1. Постановка задачи иизвестные решения.

312. Принципы формирования однослойных и полислойных композиционных покрытии.yKJ

3.3. Термохимическая обработка (ТХО). Создание однородности поверхности сталей.

I® 3.4. Упрочнение стального основания монослоем композита.

3.5:Повышение износостойкости путем управления свойствами композита.

3.5.1. Повышение износостойкости за счет улучшения, механическо й прочности металла.

3.5.2. Уменьшение износа путем повышения коррозионной; стойкости стальной подложки.

3:5.3. Уменьшение износа повышением трибологических свойств металла.

3.6. Технология повышения износостойкости - измерительного инструмента.

3.7.Предложения использования технологии конструирования свойств металла.

Выводы.121;

Глава 4. Общие принципы управления структурой металла в зоне-трения электрохимическим способом.

4.1. Влияние механической нагрузки и внешней поляризации на процессы, протекаюгцие в зоне трения.

4.2. Распределение тока и потенциала в зоне стендового узла трения.

4.3. Основы выбора структур; встраиваемых между сопряженнымиi поверхностями, и среды дляих образования.

4.3.1. Общие положения.

4.3.2. Восстановление Си, Zn; Sn из водных растворов в стендовом узле трения;.

4.3.3. Восстановление Си; Zn, Sn из водорастворимых паст.

4.314. Восстановление металлов Си, Zn, Sn из электролитов? с масляной основой (безызносное трение);.

4.3.5. Влияние скорости относительного движения сопряженных поверхностей на параметры образования компактных структур.

4.4. Определение возможности сохранения создаваемых структурs в условиях пассивирования металла.

4.4. Г. Характеристики оксидной плёнки.

4.4.2. Исследование изчоса металла в условиях вращающейся

Выводы

Глава 5. Практическое применение результатов исследований.

5.1. Способ облегчения механической обработки стальных деталей, упрочненных композиционным покрытием.

5.2. Применение тонкослойного композиционного покрытия в качестве промежуточного слоя.

5.3. Образование защитных слоев при резании металлов.

5.3.1.Общая схема применения электрохимической защиты в процессах точения деталей.

5.3.2. Модернизация жидкости СОЖ - Zn, применяемой в качестве электролита выделения Zn.

5.3.3. Выделение Си и Sn в условиях резания.

5.3.4. Преимущества применения электрохимической фи системы в условиях механической обработки точением:.

5.4. Выделение защитных металлов с использованием обрабатывающего станка.

5.5. Облегчение работы подшипников скольжения.

Создание условий безызносного трения.

5.6. Экономический и экологический эффекты от предложенных технологий.

Главной целью настоящего диссертационного исследования является разработка способов контроля и управления структурой и свойствами поверхностных слоев стальных деталей электрохимическими методами, расширение и углубление теории и практики противодействия изнашиванию металла в условиях механического нагружения с трением в жидкой среде.

В работе рассматриваются две системы - механическая» и электрохимическая? - связанные: условиями механического нагружения* металла.

В работе изучены закономерности процессов на границе: металл -жидкость при трении, механизмы растворения, разъедания и разрушения металла. Изучены процессы» формирования структур, тормозящих эти процессы под воздействием различных факторов; в частности,1 скорости вращения детали, давления в зоне контакта и изменения? поверхностных процессов под влиянием среды.

Разработана методика исследования? свойств и структуры поверхности с помощью электрохимической системы. Показаны преимущества метода, который базируется? на управлении электродным потенциалом металла. Определены условия, в том числе значения электродного- потенциала, приводящие практически к безызносному трению.

Доказано, что неоднородность поверхностного потенциала,, создаваемая многокомпонентной системой и многофазными структурами, приводит к неоднородному разрушению и образованию структур; на границе раздела фаз металл - жидкость.

Показано, что кроме применения в системе высокоэффективных покрытий необходимо с оздание регулируемой; жидкостной среды. В системе сталь. - покрытие NiP-a-АЬОз выявлены условия получения эффекта отрицательного воздействия на контртело.

Дополнительно исследовано влияние нитрида бора, который при введении в покрытие повышает твердость и уменьшает коэффициент трения.

Изучены закономерности формирования тонких слоев Zn, Си, Sn на поверхности конструкционного материала. Эти быстроизнашивающиеся «жертвенные слои» постоянно; воспроизводимые в среде, выполняют функцию защиты основного металла;

При изучении вышеуказанных быстроизнашивающихся покрытий выявлен отрицательный эффект наводораживания стали. Выявлены условия для подавления этого эффекта и получения в соответствующей среде высоких характеристик износостойкости.

На базе проведенных исследований разработана серия технологий, защищенная пятью патентами.

Установленные закономерности могут быть использованы при проектировании реальных машин и механизмов различного назначения, определении их энергетических параметров и показателей надежности. Предложенные методы управления электродным; потенциалом позволяют значительно повысить ресурс работоспособности разработанных высокоэффективных покрытий в парах трения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

На основании установленных двух экспериментальных параметров -электродного потенциала в электрохимической системе и характерного геометрического параметра; стендовой; системы механического нагружения: металла - разработаны, два способа; повышения; износостойкости: металлов: создание многофункциональных поверхностных слоев и эффекта безызносного трения:

Многофункциональные свойства материала обеспечены путем контролируемого послойного и поверхностного размещения упрочняющей фазы в металлическом сплаве. Упрочнение создается в виде монослоев. Разработанный способ: упрочнения частицами керамики; показан на примере сплава: Ni-P и упрочняющих частиц аАЬОз и BN размером до 5-7 мкм;

Разработанный: способ ; термохимической обработки исключает поверхностную неоднородность сталей (45, ХФ, ХШ15) и создает условия для соединения монослоев между собой; Его поводят при 350-400°G и при этом активируют поверхность стали сплавом Ni-P.

Электродный потенциал, измеряемый; в электрохимической системе, в жидкостной среде закономерно связан; с уровнями s строения; детали и< позволяет получить связь атомного строения, фазового и макроскопического - конфигурации; детали, ее профиля и шероховатости поверхности.

Макроскопические характеристики; металлов, работающих в условиях нагружения: с трением, определяются; их механическими свойствами, а также структурой, механическими; и; физико-химическими свойствами тонкого поверхностного слоя? и; электрохимическим взаимодействием этого слоя со средой. Доказано, что коэффициент трения зависит от природы нагружаемого металла, типа и свойств пассивационного слоя и проявляется раньше (по толщине слоев), чем электродный потенциал покрытия этим металлом.

Применение в системе нагружения высокоэффективных покрытий недостаточно, а необходимо создать регулируемую жидкостную среду. В системе сталь - гкжрытие Ni-P-аАЬОз выявлены условия эффекта

201 отрицательного воздействия на контртело. Изучено применение жидкостных сред на водной, солевой и масляной? основах для; выделения тонких слоев Zn, Sn, Си. Основной функцией: выделяемых металлов является защита основного металла.

Изучены; закономерности; формирования; тонких слоев Zn, Sn, Си, выделяемых на поверхности; конструкционного»материала в * условиях механического износа. Тонкий; слой; выделяемых металлов остается> на поверхности детали при; скорости; выделения; большей;, чем: скорость» механического износа; Выявлен; эффект наводораживания сталей; и даны условия для его подавления:

Достигнут эффект безызносного трения; путем: использования; электрохимической' системы; в виде датчика структуры, предназначенной для механического износа.

На базе; проведенных; исследований; разработана; серия; технологий; совершенствующих свойства конструкционного материала:

- упрочнения и регенерации: металлокерамическим покрытием с облегчением механической обработки детали;

- коррозионных свойств: путем; выделения; в условиях механической? обработки резанием защитного металла и утолщения этого слоя при; требовании длительного периода эксплуатации в жестких условиях;

- поддержания трибологических; свойств в подшипниках скольжения путем осаждения тонких пленок металла, обладающих относительно низким коэффициентом трения в полном периоде эксплуатации.

1С специальным* свойствам! конструкционного металла следует отнести; создание условий: для; обеспечения; смачиваемости; поверхности припоем; Это проводится выделением тонкого слоя; олова в условиях резания стального основания.

В результате: использования: предложенных; технологий получены экономический; и; экологический: эффекты. Технологии защищены пятью патентами.

1. Thimoshenko S.P.: Historia wytrzymalosci materialow (tlum; z ang.) Wydawnictwo „Arkady", Warszawa 1996.

2. Dobrzanski L. A.: Podstawy nauki о materialach i metaloznawstwo., Materialy inzynierskie z podstawami projektowania materialowego. WNT. Warszawa. 2002'

3. Гуляев А.П.: Металловедение. Изд. Металлургия, Москва, 1986 Лахтин; Ю.М.: Материаловедение. Изд. Машиностроение,1- Москва; 1993'

4. Przybylowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2003 Солнцев: Ю.Л., Пряхин Е.И., Войткун Ф.: Материаловедение, МИСИС, Москва, 1999г.

5. Солнцев Ю.П., Веселов В.Ф., Демянцевич А.П. и др.: Металловедение и технология1 конструкционных материалов. МИСИС, Москва; 1996

6. Ciszewski В., Przetakiewicz W.: Nowoczesne materialy w technice. Warszawa Bellona 1993

7. Prowans S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa, 1980?

8. Геллер Ю.А.,Рахштадт А.Г.: Материаловедение. Изд. Металлургия,1. Москва, Л 986

9. Dobrzanski L. A.: Metaloznawstwo: i: obrobka cieplna stopow metali;. Wydawnictwo Politechniki Sl^skiej; Gliwice, 1993. Гольдштеин М.И., Гоачев C.B., Векслер Ю.Г.: Специальные стали; Москва, Металлургия; 1985

10. Adamczyk J.: Inzynieria wyrobow metalowych. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Slqskiej 2000

11. Справочник. Конструкционные материалы, (под ред. Б.Н:), Изд. Машиностроение, 1990

12. Дальский A.M.: Технология конструкционных материалов. Изд. Машиностроение, Москва, 1992

13. Новиков; В.И.: Теория термической? обработки; металлов; Изд. Металлургия; Москва; 1983

14. Металловедение. Сталь. Справочное издание; в 2 т. Перевод с нем. Металлургия; 1995

15. Анисимов Г.Л., Благов;Б.Н;: Проектирование;литых;деталей. Изд. Машиностроение, Москва, 196725: Кнорозов; Б.В., Усова Л.В., Третьякова; А.В. и: др.: Технология металлов и материаловедение. Изд. Металлургия; Москва, 1988

16. Michel F. Ashby:. Dobor materialow w projektowaniu inzynierskim. WNT, Warszawa, 1998

17. Матюнин B.M.: Механические: и технологические; испытания и свойства конструкционных материалов; Изд. МЭИ, Москва, 1996

18. Чатерджи-Фишер Р. и др.: Азотирование; и карбонитрирование. Перевод с нем. под ред. А.П. Супова. Изд. Металлургия,.Москва, 1990J

19. Praca zbiorowa: Obrobka cieplna stopow zelaza: Poradnik inzyniera. WNT, Warszawa 1977.

20. Pertek A, Kulka M.: Wplyw borowania na skiad; chemiczny,. fazowy i wlasnosci; naw^glonego podloza. Inzynieria Materialowa, nr 5, 1999, s. 255- 258;

21. Liliental W.: Nitreg nitriding improves life: of forging; dies. Proceedings of the 9th International Seminar IFHTSE „Nitriding Technology — Theory and; Practice", Institute of Precision Mechanics, Warsaw, Poland 2003, s. 471 -481.

22. Burakowski Т.: Rozvvoj obrobki cieplnej na przestrzeni ponad 4000 lat -i со dalej? Konferencja „Problemy metaloznawstwa w technice XXI wieku", Wydawnictwo Politechniki Swi^tokrzyskiej", Kielce, s. 33 54.

23. Mordike В .L.: Trends in the development о f the application о f CO2 -lasers in materials technology. "Zeitschrift fur Werkstofftechnik", 14, 1983, s. 221 -228.

24. Kusinski: J.: Lasery i ich zastosowanie w inzynierii: materialowej. Wydawnictwo Naukowe „Akapit", Krakow 2000.

25. Burakowski T.:: Mozliwosci zastosowania implantacji jonow w inzynierii powierzehni metali. Przeglqd Mechaniczny, 1988, cz. Is nr 16, s. 5 — 11; cz. II, nr 17, s. 15- 32.

26. Oberfliichenveredeln und Plattiren:von; Metallen. VEBi Deutscher Verlag fur Grundsloffindustrie; Leipzig 1983:42: Линник B:A., Пекшев П.Ю.: Современная техника газотермического нанескния покрытий. Машиностроение; Москва, 1985

27. Babul Т.: Optymalizacja zakresu zastosowan metody napylania detonacyjnego dla stali konstrukcyjnych. Sprawozdanie z pracy IMP, zlec. 114.03.0005, Warszawa 1986.

28. Morel S.: Powloki natryskiwane cieplnie. Wydawnictwo Politechniki Cz?stochowskiej, Cz^stochowa 1997.

29. Richter P., Krommer W., Heinrich P.: Anlagen Technik unci Processsteuerung beim Kaltgasspritzen. Publikowane w: Tagungs-band ITSC 2002, International Thermal Spray Conference and Exposition, DVS-Sondertagung in Essen, 2002.

30. Socha J:, Weber J.A.: Podstawy elektrolitycznego osadzania stopow metali. Wydawnictwo Instytutu Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 2001.

31. Модифицирование и легирование: поверхности лазерными, ионными; и электронными пучками. Под ред. Д. М. Поута. Пер: с: английского. Москва, Машиностроение, 1987

32. Голубев B.C., Волчуга В.В., Новиков A.JI., и др:: Обработка деталей лучем лазера в; сочетании? с их поверхностным пластическим деформированием. Вест. АН БССР. Серия? Физическо-техн. наук, н.З, 1988, 60-65

33. Рыкалин Н.Н,, Углов' А.А., Зуер И.В.: Справочник. Лазерная; и электронно лучевая обработка металлов. Москва; Машиностроение, 1985

34. Мещеряков H., Чаругин H.B.: Интенсификация; процесса электроискрового легирования в среде легкоплавких поверхностно-активных металлов. Электронная? обработка материалов. !987, н. 1., 33-38

35. Зубченко О.И., Марголин В Б, Онаприенко В.Б.: Повышение долговечности деталей совмещенным упрочнением. Вестник55.56;57.