НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Тарельник В'ячеслав Борисович

УДК 621.9.048.4

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ управліННЯ

ЯКІСТЮ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ ПРИ

ВИГОТОВЛЕННІ та РЕМОНТІ ДЕТАЛЕЙ

Спеціальність 05.02.08 -технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Сумському державному аграрному університеті

Міністерства аграрної політики України, м. Суми

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Захаров Микола Володимирович,

Сумський державний аграрний університет,

завідувач кафедри експлуатації і ремонту машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гавриш Анатолій Павлович,

Національний технічний університет України “

Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, м. Київ,

професор кафедри технології машинобудування;

доктор технічних наук, професор

Мовшович Олександр Якович,

Харківський науково-дослідний інститут

технології машинобудування Державного

комітету промислової політики України, м. Харків,

зам. директора інституту - головний інженер;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Тимофеєва Лариса Андріївна,

Харківська державна академія залізничного транспорту

Міністерства транспорту України, м. Харків,

завідувач кафедри матеріалів та технології виготовлення

виробів транспортного призначення.

Провідна установа

Відкрите акціонерне товариство “МоторСіч” Державного комітету промислової політики

України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться “25” жовтня 2001 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті“

Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м.Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий “7” вересня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Більшість відповідальних деталей компресорів, насосів, газоперекачуючих апаратів і іншого промислового устаткування працює при високих швидкостях, навантаженнях і температурах, а також в умовах абразивного, корозійного та інших видів впливу робочих середовищ. Задачі підвищення довговічності і надійності цих деталей вирішуються, як правило, шляхом застосування високоміцних нержавіючих сталей і сплавів, що спричиняє велику витрату як дорогих матеріалів, так і металорізального і штампового інструмента. Постійний недолік інструмента і дефіцитних матеріалів веде до зниження ефективності виробництва, утрудняє забезпечення необхідної якості продукції і, в остаточному підсумку, ускладнює функціонування підприємства в умовах ринкових відносин.

Бурхливий розвиток техніки вимагає підвищення режимів роботи машин і механізмів (зростання швидкостей, тисків і т.п.), що, у свою чергу, диктує створення нових композиційних матеріалів типу “основа-покриття”, сполучаючих захисні властивості покрить з механічною міцністю основи. Застосування покрить обумовлюється ще і тим, що руйнування деталі починається з поверхні.

Конструкторсько-технологічний аналіз предметної області досліджень дозволив вироби, для яких необхідне керування якістю поверхневого шару, розділити на групи в залежності від вимог, висунутих як до самих виробів, так і до їхніх робочих поверхонь. Аналіз існуючих методів підвищення якості поверхневих шарів виробів показав, що всі вони мають як достоїнства, так і недоліки.

Одним з найбільш ефективних методів нанесення захисних покрить на металеві поверхні є електроерозійне легування (ЕЕЛ). Поряд з достоїнствами, основними з яких є висока міцність зчеплення нанесеного матеріалу з основою; можливість проведення процесу в локальному місці; підвищення твердості, корозійної стійкості, ізносо - і жаростійкості тертьових поверхонь, метод має і ряд недоліків (збільшення шорсткості поверхні, зниження втомлюванісної міцності виробів та ін.), які істотно знижують його застосування.

Усунути перераховані вище недоліки можна як технологічними заходами - застосуванням комбінованих електроерозійних покрить (КЕП), створенням нових електродних матеріалів та ін., так і сполученням ЕЕЛ з іншими методами зміцнення, наприклад, поверхневим пластичним деформуванням (ППД), іонним азотуванням (ІА), конденсованим іонним бомбардуванням (КІБ), епіламуванням (ЕП) і т.п.

Огляд літературних джерел показав відсутність механізмів, що дозволяють керувати процесами формування поверхневих шарів із заданими властивостями.

Таким чином, розробка методології управління процесами забезпечення необхідної якості поверхневих шарів деталей та інструмента за рахунок удосконалювання ЕЕЛ і спрямованого сполучення його з іншими технологіями обумовлює важливість і актуальність проблеми і необхідність її розв’язання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Відповідно до постанови Верховної Ради України від 25.02.94р. під № 4034-Х11, обраний напрямок досліджень збігається з переліком національних науково-технічних програм “Енергоресурси” (Підвищення надійності і безпеки функціонування устаткування АЕС, ТЕЦ, ГРЕС, хімічної і нафтової промисловості, інших виробничих об'єктів паливно-енергетичного комплексу) і “Матеріали і речовини” (Створення нових композиційних матеріалів з наперед заданими властивостями, які мають можливість працювати в умовах високих і низьких температур, перемінних механічних навантажень і агресивних середовищ), а також з держбюджетною темою 0194U009734 “Розробка методів і методик створення технічних систем (операційних комплексів) для підвищення якості виробів загального машинобудування”, і в рамках теми “Розробка прогресивних технологій ремонту виробів загального машинобудування”, по якій були укладені держдоговори між СДАУ (теми 24-99, 27-99), ДНВП “Нікмас-Турбо” (теми 1/76, 20/98), “ТРІЗ ЛТД” (теми 3-97, 40-94, 95-35), СумДУ (теми 84.01.57.96-97, 84.01.58.96), ДНВП “Сумикомпресормаш” (теми 3017, 3039, 14/99), НВП “Електромаш” (тема 14-95), ДНВП “Нікмас- Ротор” (теми 83/10, 37/98) і організаціями - замовниками.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є найбільш економне забезпечення необхідної якості поверхневих шарів деталей та інструментів за рахунок удосконалювання ЕЕЛ і спрямованого сполучення його з іншими технологіями, що дозволяє значною мірою реалізувати методологію управління якістю поверхневих шарів найбільш відповідальних деталей при виготовленні та ремонті машин.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

- аналіз існуючих технологій підвищення якості поверхневих шарів деталей машин та інструментів;

- розробка методології спрямованого вибору технології підвищення якості поверхневого шару;

- виявлення залежності якісних характеристик шарів, отриманих ЕЕЛ, від технологічних параметрів процесу при легуванні твердими зносостійкими, м'якими антифрикційними матеріалами і при нанесенні комбінованих електроерозійних покрить;

- розробка адекватної математичної моделі процесу масопереносу при ЕЕЛ і визначення основних технологічних параметрів якості поверхневого шару;

- розробка загального підходу до комбінації технологій ЕЕЛ, що формують поверхневі шари різної твердості, і ППД на основі аналізу напружено-деформованого стану;

- установлення впливу ППД шарів з м'яких антифрикційних матеріалів і КЕП, отриманих технологіями ЕЕЛ, на мікрогеометрію, структуру, залишкові напруги, втомлюванісну міцність, інші властивості сформованих поверхневих шарів і розробка на цій основі комбінованих технологій;

- установлення впливу на властивості шарів різного складу і мікротвердості, отриманих ЕЕЛ, ІА і розробка на цій основі комбінованих технологій забезпечення необхідної якості поверхневих шарів деталей;

- розробка принципів управління якістю поверхневих шарів комбінованими технологіями;

- розробка методики лабораторних і промислових досліджень комбінованих технологій ЕЕЛ;

- упровадження розроблених і апробованих комбінованих технологій з використанням ЕЕЛ у промисловість.

Об'єкт дослідження - процес формування якості поверхневих шарів виробів.

Предмет дослідження - закономірності формування і методи управління якістю поверхневого шару виробів.

Методи дослідження

Метод системного аналізу дозволив досліджувати конструкторсько-технологічні вимоги, пропоновані до поверхонь виробів, а також існуючі методи підвищення їхньої якості (достоїнства і недоліки).

Метод синтезу допоміг досліджувані вироби розбити на групи, для яких необхідне управління якістю їхніх робочих поверхонь шляхом сполучення ЕЕЛ, як найбільш перспективного, з іншими методами (ППД, ІА, КІБ, ЕП).

Методологія спрямованого вибору технології підвищення якості поверхневих шарів виробів застосовувалася з метою охопити весь їхній життєвий цикл, що включає в себе вибір матеріалу виробу і його елементів, технологію виготовлення виробу і його елементів, технологію ремонту і відновлення працездатності та ін., і вибрати з них найбільш раціональні.

Математична модель зносу поверхневого шару (рівняння зносу) запропонована з метою визначення зносу (вагового або лінійного) в залежності від величини роботи, витраченої на тертя. Константа рівняння зносу (енергія активації процесу зносу) служить критерієм для вибору найбільш прийнятної технології підвищення якості поверхневих шарів виробів.

Рентгеноструктурний аналіз складався з топографічного аналізу найбільш характерних ділянок і якісного рентгенівського мікроаналізу поверхні шару для ідентифікації основних елементів у ньому.

Металографічний аналіз зразків проводився з метою оцінки якості шару, його суцільності, товщини і будівлі зон підшару. Одночасно проводився дюрометричний аналіз на розподіл мікротвердості в поверхневому шарі і по глибині шліфа від поверхні.

Математичні моделі (рівняння масопереносу, рівняння прогнозування шорсткості, рівняння прогнозування мікротвердості) запропоновані з метою кореляції енергетичних параметрів устаткування ЕЕЛ з якісними параметрами поверхневого шару виробу: збільшенням ваги, приростом, шорсткістю і мікротвердістю.

Програмне забезпечення системною мовою програмування “С++” використано для рішення задачі управління якісними параметрами поверхневого шару (збільшення ваги, приріст, шорсткість і мікротвердість), а також визначення величини його лінійного і вагового зносу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше на базі аналізу й узагальнення існуючих методів підвищення якості елементів деталей та інструментів, що знаходяться в контакті в процесі експлуатації, сформульовані, теоретично обґрунтовані і практично розроблені технологічні основи керування якістю поверхневих шарів деталей та інструментів комбінованими методами, що забезпечують підвищення надійності і довговічності найважливіших вузлів машин. При цьому:

- розроблені загальні положення управління якістю поверхневих шарів деталей та інструментів у залежності від вимог експлуатації;

- установлені критерії оцінки альтернативних варіантів комбінованих технологій ЕЕЛ і вибору найбільш раціонального;

- розроблена математична модель управління якістю поверхневих шарів деталей при використанні технологій ЕЕЛ;

- розроблений апарат моделювання структури і параметрів комбінованих технологій ЕЕЛ;

- розроблені наукові принципи спрямованої практичної реалізації комплексних технологій ЕЕЛ у сполученні з іншими методами поліпшення якості поверхневих шарів деталей та інструментів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в універсальності запропонованих механізмів управління якістю поверхневого шару за рахунок застосування КЕП і сполучення ЕЕЛ з іншими зміцнюючими технологіями, наприклад, ППД, ІА, КІБ і ЕП.

Розроблені технології впроваджені: на НВО “Энергомаш” ім. акад. В.П. Глушко, м. Хімки; Одеському припортовому заводі; у Сумському державному університеті (підвищення зносостійкості робочих поверхонь торцевих ущільнень за рахунок нанесення КЕП і ІА); на ВАТ “ДніпрАЗОТ”, м. Дніпродзержинськ; Мироновській і Углегорській ГРЕС, п. Миронівка, м. Світлодарськ Донецької обл.; у концерні “ОрІана” м. Калуш Івано-Франківська обл.; у Державному комунальному підприємстві “Міськводоканал”; НВП “ТРІЗ” ЛТД; ДНВП “Сумикомпресормаш”; ДНВП “Нікмас-Турбо”, м. Суми (комбіновані технології зміцнення і ремонту деталей типу валів, що полягають у ЕЕЛ і ППД); на СМНВО ім. М.В. Фрунзе, м. Суми ( підвищення зносостійкості металорізальних інструментів за рахунок застосування нових композиційних електродних матеріалів, способів ЕЕЛ і комбінованих технологій ЕЕЛ у сполученні з методом КІБ і ЕП); на Северодонецькому ВО “Азот” Луганської обл. (підвищення стійкості робочих коліс повітряних компресорів за рахунок електроерозійного зміцнення їхніх вхідних крайок новим композиційним матеріалом).

Економічний ефект від реалізації комбінованих технологій склав: 9,0 млрд. крб. у 1995р.; 47000 гривень у 1998р.; 119500 гривень у 1999р.; і 187000 гривень у 2000р.

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані автором особисто.

Основні результати досліджень викладені в роботах, опублікованих самостійно: у монографії і 16 статтях, опублікованих у журналах, затверджених ВАК України для докторських дисертацій.

У спільних роботах автором розроблені і теоретично обґрунтовані методики досліджень, оброблені і систематизовані отримані результати, запропоновані нові комбіновані технології ЕЕЛ, що сполучають КЕП та інші методи (ППД, ІА, КІБ, ЕП).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і схвалені Міжнародною науково-методичною конференцією “Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении” (Київ, 1995); Міжнародною науково-технічною конференцією “Организация и технология ремонта механизмов, машин, оснастки” (Київ, 1996); Міжнародною науково-технічною конференцією “Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении” (Луганськ, 1996); 8-ою Міжнародною науково-технічною конференцією “Насосы-96” (Суми, 1996); 4-ю Міжнародною науково-технічною конференцією “Критические технологии, автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении” (Алушта, 1997); Х Internationales Dichtungskolloquium “Untersuchung und Anwendung von Dichtelementen” (Steinfurt, 1997); 5th International Symposium INSYCONT ’98 “Energy and environmental aspects of tribology” (Cracow, Poland, 1998); 9-ою Міжнародною науково-технічною конференцією “Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования” (Суми, 1999); Х1 Internationales Dichtungskolloquium “Untersuchung und Anwendung von Dichtelementen” (Vukan-Verlag, Essen, 1999); 6-им міжнародним симпозіумом “Потребители - производители компрессоров и компрессорного оборудования” (Санкт-Петербург, 2000) і рядом інших.

Публікації. Основні положення дисертації відображені в 54 наукових працях, серед яких 1 монографія, 29 статей у наукових журналах, 5 статей у збірниках наукових праць, 9 статей за матеріалами конференцій, 10 тез доповідей на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів і 18 додатків. Повний обсяг дисертації 457 сторінки, у тому числі 76 ілюстрацій по тексту, 24 ілюстрації на 24 стор., 64 таблиці по тексту, 15 таблиць на 15 стор., 18 додатків на 84 стор., 200 використаних літературних джерел на 20 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі роботи, викладені її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі аналізуються умови роботи різних груп деталей і металорізальних інструментів, основні причини виходу їх із ладу, а також існуючі технологічні способи підвищення їхньої довговічності.

Аналіз патентної і науково-технічної інформації, існуючих способів підвищення якості поверхневих шарів виробів показав, що усі вони мають як достоїнства, так і недоліки. Обґрунтовано встановлено, що ЕЕЛ металевих поверхонь є одним із найбільш ефективних методів зміцнення і відновлення деталей машин та інструментів. ЕЕЛ має практично всі достоїнства розглянутих методів (загартування струмами високої частоти, цементація, азотування, ІА, ціанування, борування, термодифузійне хромування, КІБ, лазерна обробка, ППД, наплавлення, гальванопокриття, металізація напилюванням та ін.), а в багатьох випадках перевершує їх.

Недоліки методу ЕЕЛ (збільшення шорсткості поверхні, негативний вплив ерозійного розряду на втомлюванісні властивості виробів та ін.), нерідко обмежуючі його застосування, можна усунути як за рахунок удосконалювання технології самого методу, так і при сполученні його з іншими методами (мал. 1).

Рис. 1. Комбіновані технології ЕЕЛ.

Комбіновані технології ЕЕЛ є резервом підвищення якості поверхневих шарів виробів, тому що вони доповнюють один одного. Наприклад, комбінована технологія ЕЕЛ + ППД дозволяє сформувати поверхневий шар з високою твердістю, зносостійкістю, низькою шорсткістю і підвищеною втомлюванісною міцністю; лазерна обробка знижує шорсткість електроерозійних покрить і збільшує глибину проникнення легуючих елементів в основу; ЕЕЛ з накладенням ультразвуку до чотирьох разів збільшує масоперенос, що дозволяє формувати покриття з більшою товщиною і т.п..

На базі дослідженого матеріалу зроблені критичні зауваження і сформульовані задачі з метою розв’язання важливої науково-технічної проблеми - підвищення якості поверхневих шарів деталей.

У другому розділі розглянуті питання, зв'язані з методологією спрямованого вибору технології досягнення необхідної якості поверхневих шарів виробів.

Методологія спрямованого вибору охоплює весь життєвий цикл виробу, що включає в себе: підготовку виробництва (конструкторську і технологічну); виробництво виробів (заготівельне, механічна обробка, одержання необхідної якості поверхневого шару, складання, контроль); експлуатацію; ремонт; утилізацію.

Зважаючи на те, що методів досягнення заданої якості поверхневих шарів може бути декілька, граф переходу поверхні з одного якісного стану в інший має вигляд, представлений на мал. 2.

Цільова функція або критерій оптимізації - це критерій, що визначає витрати по переведенню поверхні з одного стану в інший при використанні однієї з технологій. У загальному вигляді задача оптимізації представляється так:

при технологічних обмеженнях:

де - критерій оптимізації, що залежить від керованих x і постійних параметрів процесу; D – область припустимих значень x; ai, bi – постійні параметри процесу.

Рис. 2. Граф переходу поверхні виробу з одного стану в інший.

Зважаючи на те, що кожний з методів зміни якості поверхні виробу реалізується за своїми законами й у відповідних умовах, причому задана якість поверхні може бути досягнута невеликою кількістю методів, задачу оптимізації можна вирішувати методом лінійного програмування. При цьому будується мережна модель можливих методів (мал. 3), набір яких дозволяє одержати поверхню заданої якості.

Рис. 3. Мережна модель можливих методів досягнення необхідної якості поверхневого шару виробів.

Розмірність матриці (mm) відповідає кількості аналізованих методів. Дугами з'єднують ті методи, набір яких може бути використаний для одержання поверхні заданої якості. На початку матриці, що відбиває мережну модель, стоїть вершина, що характеризує початок - “В” (витік) процесу, а наприкінці – вершина, що характеризує закінчення процесу - “С”(стік) одержання поверхонь виробу з заданою якістю. У виробі може бути кілька поверхонь з різними якісними характеристиками. Тому набір використовуваних методів у цілому по виробі може бути збільшений. Якщо вимоги до якості поверхонь на виробі суперечливі, наприклад, на одній поверхні треба підвищити мікротвердість, а на іншій - знизити, то необхідно використовувати методи, що забезпечують локальну зміну поверхневих властивостей і оптимізацію проводити по кожній поверхні окремо. На дугах указуються вагові коефіціенти прийнятого критерію оптимізації. Застосовуючи стандартні алгоритми вибору найкоротшого шляху на мережі, визначають шлях, при якому досягається екстремальне значення критерію, що характеризує якість управління процесом досягнення необхідного стану поверхні виробу.

На більш високому рівні задача оптимізації може бути вирішена з урахуванням експертної оцінки всіх стадій життєвого циклу виробу. Збільшення розмірності розв'язуваної оптимізаційної задачі може привести до необхідності використання методу динамічного програмування. У загальному виді модель проектування і вибору технології досягнення необхідної якості поверхні деталі з урахуванням етапів життєвого циклу зображена на мал. 4.

Рис. 4. Модель багаторівневого процесу прийняття рішення про якість деталі.

На кожному з рівнів проектування вибирається кілька раціональних варіантів. При прийнятті рішення на і-му рівні кількість розглянутих варіантів може бути збережена, зменшена або збільшена. Багаторівневий підхід дозволяє спростити складну задачу шляхом декомпозиції її на декілька більш простих і одночасно скоротити число аналізованих варіантів.

При оцінці технології досягнення необхідної якості поверхневого шару виробу можуть бути використані як економічні, так і енергетичні критерії. Вони тісно зв'язані між собою. Так, енергетичні критерії визначають ресурс роботи виробу, його економність і довговічність.

Достоїнство енергетичного підходу полягає в можливості інтегрального опису за допомогою енергетичних критеріїв впливу численних параметрів, від яких залежать процеси тертя і зносу. Тому що великі механічні навантаження, що виникають при зовнішньому терті, призводять до різкої зміни фізико-механічних властивостей поверхневих шарів і їхньої корінної трансформації (механічна енергія стимулює хімічні реакції), то за критерій зносу можна прийняти енергію активації процесу зносу.

Між ваговим зносом m і величиною, зворотною роботі тертя (Атр.)-1, на стадії приробляння стираних поверхонь і стадії сталого зношування існує убутна експонентна залежність.

Зі збільшенням роботи, витраченої на тертя (Атр.), знос збільшується. При цьому чим більша енергія активації процесу зносу (ЕА), тим більший знос.

Виходячи з експериментальної залежності m від (Атр.)-1, можна зробити висновок, що lnm пропорційний (-Атр.)-1 і величині ЕА, тобто

ln m (-Атр)-1, ЕА.

Переходячи від наближеної рівності до точної, одержуємо

,

де С = mн – знос насичення, тобто максимально припустимий знос у період сталого зношування.

Тоді можна записати співвідношення

, (1)

яке назвемо рівнянням зносу.

Звідси енергія активації процесу зносу ЕА - це фізична величина, рівна такій роботі тертя, при якій . Назвемо її константою зносу поверхонь. Розмірність ЕА - Дж.

Для того, щоб перейти від вагового зносу до лінійного, тобто зносу, що визначає ступінь зміни розміру виробу по глибині, необхідно рівняння зносу (1) записати у виді

,

де S – площа поверхні, що зношується; r, rн - відповідно щільності поверхневого шару під час сталого зношування й у період настання зносу насичення, тобто зносу шару на найбільшу глибину ( ) у період сталого зношування.

Після необхідних перетворень

. (2)

Таким чином, при визначенні лінійного зносу необхідно робити виправлення на зміну щільності шару, що зношується.

Величину роботи тертя, необхідну для вагового (mx) або лінійного (hx) зносу, можна визначити з (1) і (2):

Тоді відповідно:

Використовуючи запропонований підхід до рішення задачі спрямованого вибору технології підвищення якості поверхневих шарів виробів, можна вирішувати як пряму задачу (визначення зносу по відомій роботі тертя), так і зворотну - (задаючи знос, визначати необхідну для цього роботу тертя).

Таким чином, на підставі запропонованої математичної моделі з'являється можливість вірогідно прогнозувати величину зносу для поверхонь виробів, якість поверхневих шарів яких сформовано різними способами.

Константа рівняння зносу (енергія активації процесу зносу) може служити критерієм для попереднього вибору технології підвищення якості поверхневих шарів виробів. Найбільш прийнятна технологія підвищення якості поверхневих шарів виробів вибирається з урахуванням економічних критеріїв.

У третьому розділі проведені дослідження закономірностей формування покрить на підкладках із заліза Армко, сталі 45, нержавіючої сталі 12Х18Н10Т та ін. при ЕЕЛ твердими зносостійкими і м'якими антифрикційними матеріалами з метою визначення можливості управління параметрами якості поверхневих шарів.

Дослідження масопереносу на підкладках із заліза Армко, сталі 45 і нержавіючої сталі 12Х18Н10Т твердими зносостійкими і м'якими антифрикційними матеріалами показало, що зі збільшенням режиму легування (струму короткого замикання і напруги холостого ходу) збільшується кількість перенесеного матеріалу з анода на катод і шорсткість поверхні. Найбільш інтенсивний масоперенос відбувається в перші хвилини процесу, потім він сповільнюється і змінюється руйнуванням нанесеного раніше шару. Слід зазначити, що з м'яких антифрикційних металів тільки мідь зберігає стабільні результати на всіх режимах легування.

Установлено, що по ступені збільшення масопереносу за перші хвилини процесу матеріали електродів розташовуються в ряд: катод - залізо Армко, сталь 45, нержавіюча сталь 12Х18Н10Т; анод (тверді, зносостійкі матеріали)-Ti, W, Mo, V, Cr , ВК8, Т15К6, Ni; анод (м'які, антифрикційні метали) -In, Cu, Sn.

Дослідження топографії поверхні і розподілу хімічних елементів у поверхневому шарі, сформованому як на установці з ручним вібратором “УІЛВ-8”, коли масоперенос відбувається переважно при безпосередньому контакті електродів, так і на механізованій установці “Елфа-541”, коли масоперенос здійснюється безконтактним способом, показали, що на формування шару переважний вплив робить матеріал електродів. Так, менша шорсткість відзначається на підкладках з більш низьким коефіціентом теплопровідності і при ЕЕЛ електродами з більш низькою температурою плавлення. Вивчення розподілу елементів у поверхневому шарі показало, що в обох випадках ЕЕЛ у поверхневий шар входять елементи анода і катода.

Шар, сформований на катоді, по глибині можна розділити на дві зони: зона, у якій відбувається перемішування рідких фаз матеріалів електродів, і зона, що лежить нижче, у якій елементи матеріалу анода переносяться у твердій фазі (дифузійна зона). Розподіл хімічних елементів електродів у кожній з цих зон визначається фізичними процесами, що відрізняються по своїй природі, але залежними від потужності розряду (Nр), що являє собою добуток струму короткого замикання (Jк.з.) на напругу холостого ходу (Uх.х).

Результати обробки експериментальних даних отримані у виді залежностей приросту ваги катода, шорсткості зміцнюваної поверхні, мікротвердості і товщини “білого” шару при ЕЕЛ від потужності розряду (відповідно малюнки 5, 6, 7, 8).

Рис. 5. Залежності приросту ваги катода зі сталі 45 від потужності розряду при ЕЕЛ твердими зносостійкими матеріалами (а) - твердими сплавами ВК8 (1) і Т15К6 (2), а також м'якими антифрикційними металами (б) - оловом (1), міддю (2) та індієм (3).

Рис. 6. Залежності мікротвердості білого шару від потужності розряду при ЕЕЛ сталі 45 твердими зносостійкими матеріалами (а) - твердими сплавами Т15К6 (1) і ВК8 (2), а також м'якими антифрикційними металами (б) - міддю (1), оловом (2) та індієм (3).

Рис. 7. Залежності шорсткості поверхні сталі 45 від потужності розряду при ЕЕЛ твердими зносостійкими матеріалами (а) - твердими сплавами Т15К6 (1) і ВК8 (2), ванадієм (3), молібденом (4), а також м'якими антифрикційними металами (б) - міддю (1), оловом (2) та індієм (3).

Рис. 8. Залежності товщини білого шару від потужності розряду при ЕЕЛ сталі 45 твердими зносостійкими матеріалами: (а) - Т15К6 (1) і ВК8 (2), а також м'якими антифрикційними металами (б) - оловом (1), міддю (2) та індієм (3).

На підставі аналізу проведених експериментальних робіт отримані математичні залежності, що встановлюють кореляцію якісних характеристик поверхневих шарів і режимів процесу ЕЕЛ:

приріст ваги катода (деталі) ; (3)

приріст катода (деталі) ; (4)

шорсткість поверхні: ; (5) збільшення мікротвердості шару: ; (6)

зниження мікротвердості шару: , (7)

де Ркн, hсн, Rан - відповідно максимальні приріст ваги, приріст і шорсткість поверхневого шару; Нmax і Нmin - відповідно максимальна і мінімальна мікротвердості при ЕЕЛ твердими зносостійкими і м'якими антифрикційними матеріалами; Е - потужність активації процесу масопереносу (константа ЕЕЛ); ЕRa - критична потужність (константа рівняння прогнозування шорсткості); ЕН - критична потужність (константа рівняння прогнозування мікротвердості); і - відповідно, щільність шару в даний момент часу і щільність шару насичення (при максимальному приросту ваги).

Розроблена методика і на прикладі сталі 45, легованої твердими зносостійкими і м'якими антифрикційними матеріалами, визначені зведені дані констант ЕЕЛ, необхідні для розрахунку параметрів якості (3 - 7) поверхневого шару (табл. 1).

Сутність розробленої методики полягає в наступному:

1. Експериментально виміряється приріст ваги Рк і приріст hс катода, шорсткість і мікротвердість поверхневого шару, відповідно Ra і Н, при різних потужностях розряду Nр.

2. Будуються графіки залежності lnРк, lnhс, lnRa і lnН від величини, зворотної потужності розряду (Nр)-1.

3. Визначається потужність активації процесу масопереносу (константа легування Е), критичні потужності рівнянь прогнозування шорсткості і мікротвердості (відповідно ЕRa і ).

4. По відрізку, що відтинається на осі ординат прямою, екстраполірованою до значення абсциси (Nр)-1 = 0 (lnРк = lnРк н, lnhс = lnhс н, lnRa = lnRaн, lnН = lnН max і lnН = lnН min, відповідно при ЕЕЛ твердими зносостійкими і м'якими антифрикційними матеріалами), знаходяться Рк н, hс н, Raн, Н max і Н min.

Таблиця 1

Зведені дані констант ЕЕЛ при легуванні сталі 45

Матеріал

електрода | ЕРк ,

Вт | Еhc ,

Вт | Рк н 10 4,

г /см 2 | h с.н ,

мкм | ЕRa,

Вт | Ra н, мкм | ,

Вт | Н max, МПа | Н min, МПа

твердими зносостійкими матеріалами

Вольфрам | 72,8 | 72,5 | 51 | 49 | 21,0 | 11,5 | 1,64 | 7950 | -

Молібден | 73,2 | 73,6 | 61 | 54 | - | - | - | - | -

Хром | 72,4 | 71,7 | 76 | 64 | 17,7 | 6,7 | 1,56 | 7650 | -

Нікель | 56,7 | 56,1 | 122 | 90 | - | - | - | - | -

ВК8 | 66,9 | 66,2 | 80 | 72 | 18,0 | 7,3 | 1,30 | 11200 | -

Т15К6 | 59,0 | 60,0 | 100 | 80 | - | - | 1,69 | 12200 | -

м'якими антифрикційними матеріалами

Індій | 29,0 | 29,2 | 72 | 122 | 6,7 | 1,1 | 40,0 | - | 220

олово | 32,8 | 33,0 | 450 | 330 | 7,3 | 1,3 | 30,36 | - | 388

мідь | 35,1 | 35,3 | 80 | 122 | 17,2 | 3,5 | 9,43 | - | 1050

У четвертому розділі розроблені принципи управління якістю поверхневих шарів деталей з використанням електроерозійного легування й інших технологій.

При використанні спочатку в якості технологічного покриття одного з легкоплавких металів (In, Sn, Cd, Pb) з наступним нанесенням основного покриття зі зносостійкого тугоплавкого металу спостерігається різке зниження шорсткості поверхні з Rа = 2,86...3,26 до Rа = 0, 54...0,91 мкм. Одночасно підвищується зносостійкість. Однак досвід показує, що мікротвердість таких покрить недостатньо висока. Так, при ЕЕЛ карбідом вольфраму сталі 45 мікротвердість у міру поглиблення з поверхні зразка при “кроці” виміру 10 мкм розташовується в ряд 12500, 11000, 4700, 3300, 2800 МПа, а при ЕЕЛ індієм, а потім карбідом вольфраму - 1970, 2500, 3860, 3570, 2800 МПа.

КЕП з підшаром з міді

Мікротвердість КЕП значною мірою залежить від кількості м'якого матеріалу в технологічному підшарі. Металографічні дослідження з визначення впливу кількості м'якої складової у КЕП на мікротвердість поверхневого шару проводилися з використанням у якості технологічного підшару міді, зважаючи на те, що мідь забезпечує найбільш стабільні результати по масопереносу на всіх режимах легування.

Кращими показниками по шорсткості (Rа = 0,48...0,90 мкм) і мікротвердості (8400...12300 МПа) поверхневого шару володіють КЕП з підшаром з міді, нанесеному з характеристиками: струм короткого замикання Jк з = 0,5...0,6 А; напруга холостого ходу Uх х = 56,1В; ємність накопичувального конденсатора С = 20 мкф, і основного покриття з твердого зносостійкого матеріалу - з характеристиками (Jк з = 2,0...2,2А; Uх х = 68,7В; С = 300 мкф). При цьому найменша шорсткість (Rа = 0,48 мкм) і найбільша мікротвердість (12300 МПа) отримані при використанні в якості основного покриття твердого сплаву ВК8.

Наявність міді як на поверхні, так і по глибині шару підтверджується дослідженнями на растровому електронному мікроскопі-мікроаналізаторі "РЕММА-200". Розподіл елементів по глибині шарів з переходом до основи показує убутний характер концентрації основного елемента другого шару - вольфраму і ріст концентрації міді з досягненням максимуму на глибину ( 2/3 глибини загального шару для заліза Армко і сталі 45 і ( 1/3 - для сталі 12Х18Н10Т з наступним убуванням.

При нанесенні спочатку тугоплавкого покриття, а потім міді мікротвердість поверхневого шару невелика (2300... 2500 Мпа). Глибина поширення шару з такою мікротвердістю - до 30 мкм. Потім, у міру поглиблення, знаходиться шар товщиною 5 - 10 мкм із мікротвердістю 8000...12300 МПа і далі - перехідна зона з мікротвердістю 3300...4300 МПа. Зрідка на поверхні покриття зустрічаються ділянки з мікротвердістю (до 11500 МПа).

Квазібагатошарові КЕП

З метою розширення області застосування, а також збільшення товщини формованих поверхневих шарів, досліджувалися квазібагатошарові КЕП, сформовані за схемою ВК8 + Сu + ВК8. Мікротвердість таких покрить знаходиться на рівні 6420...8740 МПа, шорсткість низька (Rа = 0,5 мкм), різкі перепади мікротвердості в перехідній зоні відсутні, мікротвердість від максимальної на поверхні плавно знижується в міру поглиблення до твердості основного металу. Найбільш кращим є КЕП, коли перший і останній шари з твердого сплаву ВК8 наносяться з характеристиками (Jк з = 2,0...2,2 А; Uх х = 68,7В; С = 300 мкф), а проміжний (мідь) - з характеристиками (Jкз = 1,6...2,0 А; Uх х = 56,1В; С = 300 мкф).

Позитивні результати при зміцненні нікелевого сплаву ХН58МБЮД забезпечують КЕП, створені за схемою ВК8 + ВК8 + Сu і ВК8 + ВК8 + Ni, коли перший шар із твердого сплаву ВК8 наноситься з характеристиками (Jк з = 2,0...2,2 А; Uх х = 68,7В; С = 300 мкф), а проміжний - з того ж матеріалу і третій - з міді або нікелю - з характеристиками (Jкз = 0,5...0,6 А; Uхх = 56,1В; С = 20 мкф).

Композиційні електроерозійні покриття

Відоме зносостійке спечене покриття, у якому наповнювачем служить твердосплавна суміш ВК6, а легкоплавким зв'язком - твердий розчин системи Ni - Cr - Si - B. Покриття наносять на поверхні деталей шликерним методом з наступним відпалом у вакуумі.

Нами досліджувалася можливість застосування вищевказаного матеріалу в якості електродів для ЕЕЛ. Виготовленими електродами проводилося ЕЕЛ зразків зі сталі 45 і Р6М5 на установці “ УІЛВ-8” з характеристиками (Jкз = 2,0...2,2 А; Uхх = 68,7В; С = 300 мкф). Найкращим є застосування електродів складу 90%ВК6 + 10%1М (1М - 70% Ni, 20% Cr, 5% Si, 5% B по вазі), що дозволяює формувати поверхневий шар з мікротвердістю до 14000 МПа.

Найбільш перспективними з погляду підвищення параметрів якості (мікротвердість, шорсткість, суцільність та ін.) поверхневих шарів є багатошарові комбіновані покриття . У зв'язку з цим представляє науковий і практичний інтерес створення математичної моделі розрахунку основних технологічних параметрів формування КЕП, що дозволяє прогнозувати приріст ваги і приріст катода.

Методика розробки математичної моделі визначення приросту ваги і приросту катода при формуванні КЕП аналогічна методиці визначення цих же параметрів при формуванні одношарових електроерозійних покрить. Розходження полягають у тому, що приріст ваги і приріст катода при формуванні КЕП складаються з приросту ваги і приросту катода при нанесенні по черзі м'яких антифрикційних і твердих зносостійких матеріалів.

На підставі розробленої математичної моделі і методики визначення констант рівняння масопереносу (приросту ваги і приросту катода насичення, відповідно Ркн і hсн і потужності активації - константи легування Е), проілюстрованої на прикладі формування на сталі 45 КЕП різного складу, складений алгоритм, що дозволяє прогнозувати основні технологічні параметри КЕП для будь-яких матеріалів пар електродів (матеріалу підкладки і матеріалів електродів, що входять до складу КЕП).

Підвищення якості поверхневих шарів деталей поверхневим пластичним деформуванням та іонним азотуванням

З метою підвищення якості поверхневих шарів деталей досліджувався вплив ППД на поверхневі шари різної твердості і складу, сформовані методом ЕЕЛ. На підставі існуючої методики розрахунку геометричних і силових параметрів осередку деформації для однорідних тіл і аналізу напружено-деформованого стану поверхневого шару, підданого ЕЕЛ, запропонована узагальнена методика, що дозволяє визначати ці параметри для шарів зі складною структурою, одержуваною в результаті ЕЕЛ металевих підкладок твердими зносостійкими, м'якими антифрикційними матеріалами і КЕП.

При ЕЕЛ розмір виробу збільшується на товщину сформованого шару (hс) за рахунок масопереносу матеріалу з легуючого електрода на деталь. У випадку ЕЕЛ вала його діаметр (Дв) буде збільшений на 2hс. Товщину прирощеного шару hс можна знайти з рівняння масопереносу (4), при цьому геометричні параметри контактуючих тіл (вала і сферичного індентора) у залежності від мікротвердості структури сформованих ЕЕЛ покрить коректуються. Зважаючи на те, що в першому наближенні товщина “білого” шару складає 2/3 товщини всього прирощеного шару, тобто, hб.с. 2/3 hс, і з метою узагальнення і спрощення методики розрахунку, геометричні параметри контактуючих тіл визначаються з урахуванням параметра товщини прирощеного шару (hс).

При ППД покрить із твердих зносостійких матеріалів сферичний індентор уминає твердий “білий” шар у більш м'який перехідний підшар, зміцнюючи останній. “Білий” шар служить передатною ланкою, збільшуючи радіус впливу індентора на величину, рівну товщині “білого” шару (2/3 hс.). Радіус вала збільшується при цьому на 1/3 hс.

При ЕЕЛ м'якими антифрикційними матеріалами величина радіуса сферичного індентора залишається без змін, а радіус вала збільшується на hс. Деформуванню в цьому випадку піддаються як м'який поверхневий шар, так і перехідний підшар.

КЕП у залежності від послідовності нанесення твердих і м'яких матеріалів можуть мати різну мікротвердість як на поверхні, так і в міру поглиблення, тоді, у залежності від мікротвердості, механізм впливу на них ППД може бути ідентичний, у першому випадку, зміцненню покрить із твердих зносостійких, а в другому - з м'яких антифрикційних матеріалів.

У цій роботі досліджений вплив ППД на мікрогеометрію і структуру поверхневих шарів з м'яких антифрикційних металів і КЕП, сформованих як на установці середньої потужності розряду з ручним вібратором “УІЛВ-8”, так і на більш могутній механізованій установці “ЕІЛ-9”.

Установлено, що у випадку обкатування кулькою (ОК) зразків, легованих м'якими антифрикційними металами, зі збільшенням питомого зусилля деформації (Рср) знижується шорсткість поверхневого шару. Визначено, що чим менші вихідні мікротвердість і шорсткість поверхневого шару, тим менше Рср необхідно для його вигладжування.

Дослідження мікротвердості покрить з м'яких антифрикційних металів показує, що ОК, поряд зі зниженням шорсткості, призводить до збільшення мікротвердості як у самому нанесеному шарі, так і підшарі (мал. 9).

а б

Рис. 9. Вплив питомого зусилля обкатування кулькою на мікротвердість шару (а) і підшару (б) зразків зі сталі 45 ЕЕЛ міддю (1) і оловом (2).

У випадку силового впливу кулькою на КЕП, які сформовані на установці “УІЛВ-8” і мають вихідну шорсткість Rа = 0,48...0,52 мкм, шорсткість поверхні знижується до Rа = 0,1 мкм.

При нанесенні КЕП, сформованих з високоміцної нержавіючої сталі (ВНС2) і міді (ВНС2 + Сu + ВНС2) на механізованій установці “ЕІЛ-9”, шорсткість поверхневого шару складає Rа = 12 мкм. Обкатування кулькою Рср = 3000 МПа знижує шорсткість таких КЕП до Rа = 1 мкм.

Поверхневі шари, що мають на поверхні високу мікротвердість (11000 і 8000 МПа відповідно для покрить складу Сu +ВК8 і ВК8 + Сu + ВК8), зі збільшенням питомого зусилля при ОК не зміцнюються (мал. 10).

Рис. 10. Вплив питомого зусилля при ОК на мікротвердість поверхневого шару сталевих зразків з КЕП: 1 - сталь 45, ЕЕЛ (Сu +ВК8); 2 - сталь 45, ЕЕЛ (ВК8 + Сu +ВК8); 3 - сталь 45, ЕЕЛ (In + ВК8); 4 - сталь 40Х, ЕЕЛ (ВНС2 + Сu + ВНС2).

Мікротвердість більш м'якого КЕП складу ВНС2 +