Развитие теории и технологии электролитно-плазменной обработки для повышения износостойкости металлических изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Мухачева Татьяна Леонидовна

• Мухачева Татьяна Леонидовна
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Мухачева Татьяна Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

1.1 Физико-химическая и химическая обработка изнашиваемых поверхностей деталей

1.1.1 Цементация

1.1.2 Азотирование

1.1.3 Борирование

1.1.4 Оксидирование

1.1.5 Сульфидирование

1.1.6 Нитроцементация

1.2 Термическая обработка поверхностей, работающих на износ

1.3 Ионная имплантация

1.4 Лазерная обработка

1.5 Микродуговое оксидирование

1.6 Физические основы электролитно-плазменных методов

1.7 Электролитно-плазменная обработка и трибологические свойства сплавов

1.7.1 Цементация

1.7.2 Азотирование

1.7.3 Нитроцементация

1.7.4 Борирование

1.7.5 Бороцементация

1.7.6 Бороазотирование

1.7.7 Боронитроцементация

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Установка электролитно-плазменной обработки

2.2 Конструкция электрохимических ячеек

2.3 Составы электролитов электролитно-плазменной обработки

2.4 Исследуемые материалы для электролитно-плазменной обработки

2.5 Методы исследования поверхности и диффузионных слоев

2.5.1 Методы исследования структурно-фазового состояния поверхности

2.5.2 Топологические и профилометрические измерения поверхности

2.5.3 Метод ядерного обратного рассеяния протонов высоких энергий

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИНЫ ТРЕНИЯ

3.1 Анализ производственных машин трения

3.2 Проектирование машины трения

3.2.1 Принципиальное устройство машины трения

3.2.2 Описание принципа функционирования

3.2.3 Пневматическая система

3.2.4 Электропривод и схема управления

3.3 Программное обеспечение машины трения

3.3.1 Алгоритм работы машины трения в автоматическом режиме

3.3.2 Программное обеспечение

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТИПА КОНТАКТА ПРИ ТРЕНИИ И КОНТАКТНОЙ ЖЕСТКОСТИ

4.1 Контакт шероховатой и гладкой твердой поверхностей

4.1.1 Оценка контактной жесткости

4.2 Контакт двух шероховатых поверхностей

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И ФРИКЦИОННОСТЬ ПРИ АНОДНОЙ

ПОЛЯРИЗАЦИИ

5.1 Электролитно-плазменная нитроцементация

5.1.1 Сухое трение среднеуглеродистой стали по закаленной стали ШХ

5.1.2 Сухое трение среднеуглеродистой стали по оловянно-свинцовой бронзе

5.1.3 Сухое трение инструментальной углеродистая стали У8 по закаленной

стали и оловянно-свинцовой бронзе

5.1.4 Сухое трение инструментальной быстрорежущей стали Р6М5 по закаленной стали

5.2 Электролитно-плазменное сульфидирование

5.2.1 Сухое трение малоуглеродистой стали по закаленной стали ХВГ

5.3 Электролитно-плазменное азотирование

5.3.1 Сухое трение конструкционной аустенитной коррозионностойкой стали по закаленной стали ШХ15

5.4 Электролитно-плазменное борирование

5.4.1 Сухое трение конструкционной аустенитной коррозионностойкой стали по закаленной стали ШХ15

5.5 Электролитно-плазменная цементация

5.5.1 Сухое трение конструкционной аустенитной коррозионностойкой стали по закаленной стали ШХ15

5.5.2 Сухое трение титана ВТ1-0 по закаленной стали ШХ15

Выводы по главе

ГЛАВА 6. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И ФРИКЦИОННОСТЬ ПРИ КАТОДНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

6.1 Электролитно-плазменная нитроцементация малоуглеродистой стали

6.2 Электролитно-плазменное азотирование титанового сплава ВТ6

6.3 Электролитно-плазменное бороазотирование среднеуглеродистой стали . 258 Выводы по главе

ГЛАВА 7. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И ФРИКЦИОННОСТЬ ПРИ ДУПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКЕ

7.1 Катодная боронитроцементация и полирование стали

7.2 Катодная нитроцементация и полирование стали

7.3 Анодная нитроцементация и полирование технического титана

7.4 Катодное азотирование и анодное полирование стали

7.5 Катодное азотирование и анодное полирование титанового сплава ВТ6

7.6 Анодное и катодное азотирования стали 9ХС и полирование

Выводы по главе

ГЛАВА 8. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ

8.1 Алгоритм выбора режима электролитно-плазменной химико-термической обработки сплавов на основе железа и титана для обеспечения минимальных потерь на трение и износ

8.2 Технология повышения твердости и износостойкости пальцев системы центрирования пресс-формы термопласт автомата CS-195-100

8.3 Технология повышения износостойкости гайки мембранного насоса

дозаторной станции СД01

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложения

Приложение А Документы, подтверждающие результаты внедрения

результатов диссертационной работы

Программа для микроконтроллера

Программа для персонального компьютера

Приложение Б

Акты внедрения

Приложение В

Патенты и свидетельства

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие теории и технологии электролитно-плазменной обработки для повышения износостойкости металлических изделий»

Актуальность темы исследования

Одним из ключевых ресурсов для развития экономики страны сегодня и ее устойчивости в будущем является энергия. Не менее пятой части всей производимой в мире энергии ежегодно расходуется на преодоление трения [1]. Наибольшее количество энергии используется в промышленности (29 %) и на транспорте (27 %) [1]. В легковых автомобилях [2, 3], автомобилях большой грузоподъемности и автобусах [4] на преодоление трения в двигателе, трансмиссии, шинах и тормозах расходуется треть энергии топлива. Энергия, затрачиваемая на преодоление трения на бумажной фабрике, находится в диапазоне 15-25% [5]. Общее энергопотребление мировой горнодобывающей деятельности, включая добычу полезных ископаемых и горных пород, по оценкам, составляет 6,2% от общего мирового потребления энергии [6]. В год в мировом масштабе около 40% потребляемой энергии (4,6 ЭДж) при добыче полезных ископаемых используется для преодоления трения [6]. Кроме того, 2 ЭДж используется для восстановления и замены изношенных деталей, а также для резервирования запасных частей и оборудования, необходимых в связи с отказами от износа [6]. В наше время ископаемые источники энергии истощаются. Одновременно с этим в современном мире происходит постоянное повышение требований к надежности, долговечности и экономичности машин и механизмов. Поэтому одной из самых острых и актуальных проблем сегодняшнего дня является вопрос поиска и внедрения новых эффективных мероприятий и решений для снижения износа. Диссертационное исследование направлено на решение научной проблемы повышения износостойкости функциональных узлов машин и механизмов модифицированием структуры и изменением химического состава поверхностей трения электролитно-плазменными методами с получением управляемыми режимами обработки структур (в том числе перспективных наноструктур) с уникальными свойствами, адаптированными к внешней среде.

Известны различные технологические методы повышения износостойкости трущихся деталей машин. Традиционная химико-термическая обработка рабочих поверхностей деталей эффективна для повышения их износоустойчивости, но характеризуется существенной продолжительностью обработки. Цементация повышает износостойкость [7], однако средняя скорость науглероживания составляет 0,08-0,10 мм/ч [8]. Износостойкость азотированных сталей в 2-4 раза превышает износостойкость цементованных [9]. При этом скорость газового азотирования примерно в 10 раз меньше скорости процесса цементации, а время насыщения может занимать 30...50 ч [9]. Гальванические покрытия широко используются в массовом производстве как технологический метод повышения износостойкости [10]. К недостаткам метода можно отнести необходимость тщательной предварительной обработки поверхности перед нанесением покрытия. Кроме того, разница в коэффициентах теплопроводности покрытия и стальной подложки не дает надежной адгезии, увеличение толщины покрытия создает опасность его отслаивания [11]. Электролитическое хромирование дает покрытие высокой твердости [12]. Но у хромирования есть свои недостатки, которые ограничивают применение гальванического хромового покрытия в некоторых узлах трения. Хромовое покрытие обладает низкой смачиваемостью маслами и низкой прирабатываемостью из-за высокой твердости, [8]. Новый вид электрохимической обработки поверхности металлических материалов -микродуговое оксидирование [13] - обеспечивает износостойкое покрытие с особым фазовым составом (корунд, алюмосиликаты), низким коэффициентом трения и отсутствием склонности к схватыванию [14]. Однако, необходимость формирования в процессе микродугового оксидирования электрических импульсов тока с требуемыми параметрами требует применения дорогостоящих технологических источников тока [14]. Кроме того, технология связана со сложными электролитами, являющимися одним из определяющих факторов процесса микродугового оксидирования. [15]. При ремонте и в основном производстве как для восстановления изношенных поверхностей, так и для повышения износостойкости деталей машин используется наплавка поверхностей

трения [16, 17]. Благодаря высокой пористости металлизационные покрытия обладают высокими антифрикционными свойствами, но неудовлетворительно работают в условиях трения без смазочного материала [8, 16]. Таким образом, прогрессивные технологии повышения износостойкости деталей из сталей и сплавов цветных металлов наряду с немалыми достижениями имеют определенные ограничения и недостатки. Значительным потенциалом для решения трибологических проблем обладают электролитно-плазменные методы химико-термической обработки и полирования благодаря набору преимуществ перед другими способами поверхностной модификации металлов и сплавов. Электролитно-плазменные методы обработки металлов и сплавов обладают следующими преимуществами: возможность получения наноструктур, высокие скорости нагрева до требуемой температуры (до 100 °С/с) [18], которые способствуют измельчению блоков внутри аустенитных зерен, что повышает их диффузионную восприимчивость и сокращает как время формирования диффузионных слоев, так и общую продолжительность процесса [19]. Диффузионное насыщение сталей и сплавов цветных металлов легкими элементами (углеродом, азотом, бором) сопровождается непрерывным обновлением насыщающей среды и может быть совмещено с закалкой. Преимуществами установок электролитно-плазменной обработки являются: малые габариты, простота в эксплуатации и техническом обслуживании, существенная более низкая стоимость в сравнении с традиционным оборудованием термических цехов, возможность обработки локальных участков поверхностей деталей. Электролитно-плазменное полирование успешно применяется для окончательной обработки готовых металлических изделий, поскольку позволяет получать поверхность высокого качества при этом требует экологически безопасных и недорогих реактивов [20].

Степень разработанности темы исследования

Положительное влияние ЭП обработки на износостойкость отмечено в обзоре Н. Линь, Р. Се, П. Чжоу, Ю. Цзоу, Ю. Ма, З. Ван, П. Хань, Тан, У. Тянь. Повышение износостойкости после катодной ЭП нитроцементации для

малоуглеродистой стали Q235 выявили Ю.Ф. Цзян, Т. Гэн, Ю.Ф. Бао, Ю. Чжу, для малоуглеродистой стали 1020 М.К. Зарчи, М.Х. Шариат, С.А. Дехган, С. Сольхью и для среднеуглеродистой стали А.Р. Расткар, Б. Шокри. Группа авторов М. Алиофхазраи, С. Ахангарани, А.С. Рухагдам показала рост износоустойчивости титана после ЭП обработки в катодной полярности. Г.А. Алнахаи, К. Дегханян, С. Х. Алави обнаружили корреляцию износостойкости с измельчением зёрен стали Н13 после импульсной ЭП нитроцементации. Ф. Махзун, С. А. Бехгозин, М. Э. Бахрололум и С. Джавадпур установили улучшение трибологических характеристик при наличии знакопеременной нагрузки, которая приводит к появлению сжимающих напряжений в поверхностном слое изделий, модифицированных ЭП обработкой. Использование электролитно-плазменного диффузионного насыщения и полирования для решения проблемы повышения износостойкости конструкционных материалов сдерживается отсутствием понимания механизма изнашивания стальных и титановых изделий после их анодной или катодной обработки и полирования. Недостаточно изучено влияние структуры формируемых в результате электролитно-плазменной химико-термической обработки слоев на их свойства в зоне контактного взаимодействия при трении и вид нарушения фрикционной связи, что не позволяет разрабатывать усовершенствованные и научно обоснованные методы снижения потерь на трение и износ. Особенностью диффузионного насыщения при электролитно-плазменном нагреве является широкий спектр параметров, определяющих условия обработки. Напряжение, количественный и качественный состав растворов электролитов, температура раствора, распределение скоростей раствора в электролизере, геометрия и материал обрабатываемой детали, а также ее полярность в конечном итоге определяют температурное поле нагреваемого изделия и насыщающий потенциал окружающей его парогазовой оболочки. Помимо этого, процесс электролитно-плазменной обработки сопряжен с высокотемпературным окислением горячей поверхности металла в парах воды, с анодным растворением поверхности в случае анодной полярности обрабатываемой детали и с эрозией поверхности, из-за локального оплавления электрическими разрядами в случае

катодной полярности. По этой причине опубликованные результаты электролитно-плазменной обработки всегда представляют собой частные случаи, что затрудняет поиск общих закономерностей. Результаты электролитно-плазменной обработки, публикуемые отдельными научными группами, говорят о значительном потенциале этих методов обработки, однако трибологическим аспектам уделяется мало внимания. Условия трибологических испытаний практически не варьируются за редким исключением, когда проводится сопоставление результатов, полученных с двумя различными контртелами или значениями нормальных нагрузок. Мало изучено влияние относительной скорости в зоне трибологического контакта на интенсивность изнашивания после электролитно-плазменной химико-термической обработки и полирования. Практически не исследовано воздействие температуры в зоне трения образца после плазменного упрочнения и контртела на параметры процесса изнашивания. Из многочисленных характеристик шероховатости поверхности обычно используется лишь среднее значение неровностей профиля Яа. Однако, использование только одного высотного параметра шероховатости недостаточно полно [21] определяет функциональные свойства поверхностей в отношении трения и износа. Таким образом, актуальность проблемы диссертационного исследования обоснована тем что на сегодня не установлены вид и механизм изнашивания при трении после анодного и катодного электролитно-плазменного азотирования, цементации, нитроцементации, борирования, бороцементации и последующего электролитно-плазменного полирования. Не определенным остается тип нарушения фрикционных связей при трении. Не установлена взаимосвязь скорости скольжения при трении, прижимающей нагрузки, температуры трибоконтакта с характером взаимодействия поверхностей при трении. Недостаточно изучена влияние фазового состава и структуры поверхности металлов и сплавов после ЭП модификации на их фрикционные свойства. Установление обозначенных аспектов представляет значительный теоретический интерес и обладает важной практической ценностью, так как обеспечивает возможность повышения износостойкости поверхности функциональных узлов машин и механизмов модифицированием структуры и

изменением химического состава поверхностей трения ЭП методами с получением управляемыми режимами обработки структур (в том числе перспективных наноструктур) с уникальными свойствами, адаптированными к внешней среде.

Цель диссертационной работы заключается в развитии научных принципов и технологии электролитно-плазменной обработки сплавов на основе железа и титана для направленного формирования структурно-фазового состава и морфологии поверхности, обеспечивающих повышенную износостойкость.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести анализ изменения структуры, элементного и фазового состава поверхности, физических и эксплуатационных свойств образцов из сплавов на основе железа и титана после их цементации, азотирования, нитроцементации, борирования, сульфидирования, бороазотирования ЭП методами при: анодной поляризации; катодной поляризации; дуплексной обработке, совмещающей анодное либо катодное диффузионное насыщение с закалкой и последующее ЭП полирование.

2. Исследовать и проанализировать возникающие взаимодействия, видоизменения и разрушения поверхностей сплавов на основе железа и титана после ЭП обработки при трении, в частности:

- выявить механизм изнашивания стальных и титановых образцов после анодной, катодной и дуплексной ЭП обработки;

- установить вид разрушения фрикционной связи на поверхностях трения, модифицированных ЭП обработкой;

- изучить воздействие скорости скольжения образца по контртелу на величину коэффициента трения и массовый износ после различных видов ЭП химико-термической обработки;

- исследовать влияние нагружения на фрикционность и интенсивность изнашивания в зоне трибологического контакта модифицированной ЭП методами металлической поверхности с контртелом;

- изучить взаимосвязь трения и изнашивания с температурой в зоне трения металлов и сплавов после ЭП обработки при анодной и катодной полярности активного электрода.

3. Провести анализ взаимосвязи структурно-фазовых изменений в поверхностном слое сплавов на основе железа и титана после ЭП обработки с фрикционностью и износостойкостью, в том числе:

- установить оптимальный состав фаз и структурных составляющих, формирующихся в процессе различных видов ЭП обработки для обеспечения минимальных потерь на трение и износ;

- проанализировать влияние на трение и изнашивание каждого из последовательно истираемых от поверхности вглубь образца диффузионных и упрочнённых слоёв вплоть до материала подложки;

- выявить влияние оксидного слоя, образующегося в результате высокотемпературного окисления обрабатываемой детали в парогазовой оболочке, на характеристики трения;

- изучить влияние на трение и износ шероховатости поверхности, полученной после ЭП дуплексной обработки, диффузионного насыщения при анодной и катодной поляризации.

4. Спроектировать и изготовить машину для испытания материалов на трение и износ, с применением конструктивных решений, позволяющих преодолеть недостатки существующих моделей машин трения для производственных испытаний, которая позволит:

- реализовать схему трения «вал-колодка» применительно к боковой поверхности цилиндрического образца

- испытывать цилиндрические образцы малого диаметра до 15 мм;

- плавно регулировать усилие, с которым контртело прижимается к образцу, в диапазоне 0... 100 Н

- выбирать частоту вращения образца в диапазоне 0.150 Гц

- исключить вибраций и биения, искажающих результат измерения момента силы трения;

- измерять температуру в зоне трения;

- автоматизировать процесс испытаний и сбор результатов измерений;

5. На базе осуществленных экспериментальных исследований разработать технологические рекомендации и технические решения для дуплексной ЭП обработки, диффузионного насыщения при анодной и катодной полярности активного электрода с закалкой, в том числе:

- модернизировать оборудование для комплексной ЭП обработки с возможностями полирования и смены анодной поляризации на катодную непосредственно в процессе нагрева;

- разработать технологический процесс, обеспечивающий повышение износостойкости изделий из стальных и титановых сплавов и систему цифрового контроля и управления им;

- реализовать интегральный алгоритм подбора методики ЭП модификации, сочетающей высокую твердость и износоустойчивость стальных и титановых деталей фрикционных узлов с возможностью избежать повышенного износа ими сопряженной детали пары трения, в случае если таковая не является расходной деталью и обладает высокой стоимостью;

- предложить комплексную систему выбора параметров ЭП обработки для получения на поверхности металлической детали структур с требуемыми трибологическими характеристиками, адаптированными к внешней среде.

Научная новизна:

1. Выявлены и приведены в систему принципы формирования модифицированной структуры, химического и фазового состава поверхностных слоев, физико-химических свойств изделий из титана и сталей после сульфидирования, борирования, бороазотирования, цементации, азотирования, нитроцементации ЭП методами при анодной и катодной поляризации, а также дуплексной обработке, совмещающей диффузионное насыщение и последующее ЭП полирование. Установлено формирование внешнего оксидного слоя, состоящего из FeO, Fe2O3, Fe3O4 на поверхности стали и из TiO2, TiO, Ti2O3, ^^ на поверхности титана в результате высокотемпературного окисления как при

анодной, так и при катодной полярности. Доказано снижение шероховатости слоя оксидов при анодной полярности из-за протекающего одновременно анодного растворения и увеличение шероховатости оксидного слоя при катодном процессе за счет конкурирующего процесса эрозии под действием микроразрядов. Установлен механизм направленного контролируемого формирования морфологии оксидного слоя с заданной шероховатостью ЭП полированием. Подтверждено формирование под оксидным слоем упрочненного диффузионного слоя, включающего фазы внедрения в виде FeN, FeзN, Fe4N, e-Fex[NC], FeB, Fe2B, FeS, FeзC, TiN в зависимости от вида химико-термической обработки, а также мартенсит и остаточный аустенит.

2. Рассчитаны коэффициенты диффузии для атомов C, N O, B, S при независимой диффузии и образовании ими твердых растворов внедрения в металлической матрице. Вычислены коэффициенты диффузии при взаимозависимой многокомпонентной диффузии. На основе моделей, опирающихся на феноменологическую термодинамику необратимых процессов Онзагера, доказано ускорение диффузии углерода при одновременной диффузии азота за счет повышения термодинамической активности углерода в аустените. Установлено тормозящее влияние диффузии атомов кислорода на диффузию углерода, азота, серы с повышением температуры обработки. Построены модельные профили концентраций диффузантов, учитывающие их взаимовлияние на диффузию друг друга, что позволило прогнозировать распределение элементов по глубине диффузионной зоны и назначать режимы ЭП обработки для получения требуемого характера распределения концентраций диффузантов и формирования структуры поверхностного слоя.

3. Системным анализом установлены взаимосвязи структурно-фазовых превращений в поверхностном слое сталей и титановых сплавов, подвергнутых ЭП химико-термической обработке при анодной и катодной поляризации и полированию, с коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания зоны трибологического контакта. Показана роль внешнего оксидного слоя, который обладая меньшей твердостью, чем металлическая подложка, может легко

отслаиваться при трении, и защищать металл от повреждений и одновременно выступать в качестве смазки. Обусловлен механизм передачи нагрузки при трении твердым фазам внедрения FeN, FeзN, Fe4N, е^ех^С], СгК, FeB, Fe2B в демпфирующей матрице из остаточного аустенита. Управляемая режимами обработки структура даёт возможность получения заданных трибологических свойств металлической поверхности.

4. Впервые проведены комплексные исследования вида и механизма изнашивания поверхностей трения сталей и титановых сплавов после анодной, катодной и дуплексной ЭП обработки, в том числе:

- Изучено влияние относительной скорости перемещения в зоне контакта на изнашивание для прогнозирования потерь на трение и износ изделий, работающих в широком исследованном интервале скоростей вращения.

- Исследовано и проанализировано воздействие нагрузки на характеристики трения, установлено что вариации нагрузки от 5 до 100 Н не приводят к необратимым структурно-фазовым изменениям, микрорезанию, схватыванию поверхностей трения, аварийное изнашивание не реализуется.

- Проведены системные исследования взаимосвязи коэффициента трения и интенсивности изнашивания с температурой в зоне фрикционного сопряжения металлов после различных видов ЭП обработки, что позволяет прогнозировать возникновение различных окисных пленок в зоне контакта.

- Изучена и проанализирована связь шероховатости поверхности сталей и титановых сплавов после ЭП обработки с параметрами процессов трения и изнашивания, что обеспечивает обоснованный выбор соответствующего режима ЭП полирования.

- Установлен характер влияния оксидных слоёв, образующихся на поверхности обрабатываемого изделия в процессе диффузионного насыщения в парогазовой оболочке, на коэффициент трения и величину массового износа.

5. Разработан интегральный алгоритм выбора параметров ЭП химико-термической обработки и полирования для получения на поверхности металлической детали структур, обеспечивающих повышение износостойкости, с

управляемыми трибологическими характеристиками, адаптированными к внешней среде.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработана технология, позволяющая снизить потери от трения, и обеспечивающая сочетание высокой твердости и износоустойчивости стальных и титановых деталей фрикционных узлов с возможностью избежать повышенного износа ими сопряженной детали в паре трения.

2. Сконструирована, изготовлена и защищена патентом RU 213 413 Ш машина для испытаний на трение и изнашивание, позволяющая проводить испытания малогабаритных цилиндрических образцов с возможностью бесступенчатого задания нагрузки и скорости вращения, с исключением влияния износа пары трения на результат измерения силы трения и контролем температуры в зоне трения.

3. Разработана и реализована камера электролизера для ЭП обработки длинномерных металлических изделий, позволяющая повысить однородность термообработки и значительно снизить градиент распределения температуры и свойств в поверхностном слое, защищенная патентом RU 124 682 Ш.

4. Разработана технология высокоскоростной обработки металлов и сплавов посредством анодного нагрева в водных электролитах, выявлены управляющие параметры процесса, позволяющие задавать требуемый уровень эксплуатационных свойств, получен патент RU 2 572 663 C2.

5. Разработана технология ЭП нитроцементации с закалкой рабочей поверхности пальцев из среднеуглеродистой стали, работающих по втулкам из оловянно-свинцовой бронзы, входящих в систему центрирования пресс-формы термопласт-автомата. Технология прошла полугодовое промышленное апробирование и внедрена в производство.

6. Разработана технология дуплексной обработки, включающей в себя катодную нитроцементацию и последующее ЭП полирование, гаек из стали 08Х17Т, работающих в паре трения с крышками из бронзы марки ОЦС555, входящими в мембранный насос дозаторной станции СД01 для приготовления

суспензии кизельгура и для нанесения слоя кизельгура и его текущего дозирования при фильтровании пива через слой кизельгура, намазываемого на опорный картон в фильтр-прессах. Технология имеет положительный экономический эффект и внедрена в производство.

7. Результаты проведенных исследований применяются в учебном процессе для работы со студентами, обучающимися по программам бакалавриата и магистратуры, специальностей «Химия» и «Физика», а также аспирантов направления «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов» в ФГБОУ ВО «Костромской государственный университет».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялись: металлографический анализ, рентгеноструктурный анализ, методы сканирующей электронной микроскопии, метод ядерного обратного рассеяния протонов, EDX-анализ, трибологические методы исследований (испытания на трение и износ), методы получения и обработки профилограмм поверхностей, методы статистической обработки результатов измерений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Принципы формирования фазового и химического состава модифицированных поверхностных слоев и физико-химических свойств изделий из титана и сталей после сульфидирования, борирования, бороазотирования, цементации, азотирования, нитроцементации ЭП методами при анодной и катодной поляризации и последующего ЭП полирования.

2. Расчет коэффициентов диффузии атомов О, С, N В, Б при независимой диффузии и образовании твердых растворов внедрения, при многокомпонентной взаимозависимой диффузии. Модельные профили концентраций диффузантов, учитывающие взаимовлияние потоков диффундирующих атомов на диффузию друг друга.

3. Закономерности влияния структуры и фазового состава модифицированных ЭП обработкой поверхностных слоев на сталях и титановых сплавах на фрикционность и износостойкость, что позволяет управлять их

трибологическими характеристиками и адаптировать поверхность к условиям внешней среды.

4. Результаты исследования механизма изнашивания и вида разрушения фрикционной связи на поверхностях трения сталей и титановых сплавов после бороазотирования, цементации, азотирования, нитроцементаци, борирования, сульфидирования при катодной, анодной и дуплексной ЭП обработке. Закономерности влияния нагрузки, относительной скорости и температуры в зоне трибологического контакта на характеристики трения и изнашивания поверхностей сплавов на основе железа и титана после ЭП диффузионного насыщения с закалкой при анодной либо катодной полярности и последующего полирования в случае дуплексной обработки.

5. Набор и очерёдность технологических процессов проведения высокоскоростного ЭП диффузионного насыщения сплавов на основе железа и титана углеродом, азотом, бором, серой с закалкой и последующим полированием в случае дуплексной обработки, приводящих к минимальному износу модифицированных поверхностей в трибосопряжении при невысоком коэффициенте трения и значениях шероховатости близких к равновесной.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Мухачева Татьяна Леонидовна, 2025 год

Источник тока

Учитывая диапазон прикладываемых напряжений при выполнении обработки в качестве источника тока используется блок питания ГОРН-К-360В/20А с диапазоном выходного напряжения от 0 до 360 В и силой тока до 20 А и возможностью смены полярности с цифровым управлением. Интервал напряжений продиктован особенностями электролитно-плазменной обработки. Предельная сила тока выбрана таким образом, чтобы обеспечить возможность обработки малогабаритных образцов или участков поверхности малой площади деталей, нагреваемых локально. Блок питания оснащен пультом управления с подключение по интерфейсу RS-485.

Материалы и компоненты

Из особенностей процессов обработки вытекает, что материалы, контактирующих с раствором элементов установки, должны обладать химической стойкостью и быть работоспособными при температурах до 100 °С. Поэтому, трубопроводы системы циркуляции раствора выполнены из полипропиленовой трубы, армированной стекловолокном, вентили также с полипропиленовым корпусом и полимерным шаром из полифениленсульфида. В качестве теплообменника использован компактный теплообменник SECESPOL H0KFFPROTH изготовленный из стали 10Х17Н13М2Т, обладающий площадью поверхности теплообмена 0,3 м2 при внутреннем объеме труб 0,5 литра и внутреннем объеме кожуха 1 литр. В качестве нагревательного элемента для случая ЭПП использован фторопластовый электронагреватель мощностью 3 кВт, внешняя фторопластовая оболочка нагревателя отличается высокой химической инертностью. Для перекачивания электролита использован химический насос с магнитной муфтой Seaflow SFBPA2-LP-G400-01 и корпусом из полифиниленсульфида, отличающегося высокой химической стойкостью и работоспособностью до температуры 120 °С. Насос имеет диапазон

производительности от 0 до 28 л/мин и развивает напор о 0 до 4 м. Производительность насоса может быть изменена путем варьирования частоты вращения рабочего колеса для это используется частотный преобразователь с диапазоном регулирования частоты выходного тока от 0 до 400 Гц. Цилиндрический электрод выполнен из стали 10Х17Н13М2Т для случая анодного нагрева и полирования. Для случая катодного нагрева электрод изготовлен из углеродистой стали обыкновенного качества (из стали 3). Кроме этого возможно применение электрода из графита для всех вариантов обработки.

Измерение температуры и расхода раствора

Для измерения расхода раствора используется расходомер турбинного типа с корпусом и крыльчаткой из полимерных материалов. Расходомер имеет импульсный выход, подсчет количества импульсов в единицу времени и расчет расхода возложен на микроконтроллер Atmel Т88-15М7 с последующим выводом значения на цифровой индикатор. Диапазон измерения расхода 1...30 л/мин. Погрешность составляет 3%.

Измерение температуры раствора на входе в электрохимическую ячейку осуществляется полупроводниковым термистором в оболочке из нержавеющей стали, номинальным сопротивлением 1 кОм. Измерение выполняется с использованием схемы делителя напряжения. Перед монтажом датчика в просвет трубопровода измерительная система прошла индивидуальную калибровку в диапазоне температур от 0 до 100 °С, погрешность измерения температуры составляет ±0,5 °С.

Для измерения температуры образцов в процессе электролитного нагрева применялись хромель-алюмелевые термопары. Диапазон измерения температуры - 0...1000°С. В процессе измерений спай термопары размещался в глухом отверстие на оси образца. Это - типичный способ измерения температуры образцов при их нагреве с полным погружением в раствор электролита. Термопара подключалась к преобразователю, построенному на микросхеме MAX6675. Преобразователь в свою очередь подключался к микроконтроллеру с выводом результата измерения на цифровой индикатор. Погрешность измерения составляет

±12 °С в диапазоне значений температур 0...700 °С и ±21 °С в диапазоне 700... 1024 °С. В случае вращающихся образцов использование термопары затруднено, но в этом случае образец не погружается в раствор электролита, что позволяет для измерения температуры применить инфракрасный пирометр стационарный ИК-термометр Кельвин АРТО 1300А с оптическим соотношением 100:1 с диапазоном измерений температуры 400...1300 °С и погрешностью измерения 1% + 1 °С.

Общий вид установки и описание

Рисунок 2.2 - Общий вид установки с указанием размещения основных элементов. 1 -цилиндрический электрод-ванна (катод или анод в зависимости от варианта нагрева); 2 -обрабатываемая деталь (или вертикально погружаемая или вращающаяся); 3 - линейный привод; 4 - электродвигатель, вращающий образец; 5 - теплообменник (холодильник); 6 -электронагреватель; 7 - насос; 8 - расходомер; 9 - вентиль с электроприводом; а, б, в, г, ж, з, и, к - вентили настройки схемы циркуляции раствора; е - вентиль подачи водопроводной

воды для промывки системы; д - дренаж.

Размещение основных элементов установки изображено на рисунке 2.2. Циркуляция раствора осуществляется с помощью насоса 7 по трубопроводам. Теплообменник 5 и электронагреватель 6 могут быть включены в схему циркуляции или исключены из нее путем открытия/закрытия соответствующих вентилей а, б, в, г, ж, з, и, к. Для заполнения системы водой предусмотрен вентиль е, а для дренирования системы вентиль д. Регулирование температуры раствора осуществляется путем изменения расхода охлаждающей воды через теплообменник 5 с помощью вентиля 9 с электроприводом. Система крепления обрабатываемой детали 2 размещена на подвижной платформе, перемещаемой по вертикальным вправляющим посредством линейного привода 3. Сменный электрод 1 закрепляется в кольцевом держателе посредством резинового уплотнения, таким образом, обеспечивается быстрая смена электрода без применения инструмента.

Алгоритм эксплуатации установки в режиме анодного или катодного

нагрева.

1) Установить в кольцевой держатель на дне ванны цилиндрический электрод в случае обработки с погружением в раствор или цилиндрический электрод с соплом в случае струйной подачи раствора.

2) Установить образец или на вертикальный держатель для погружения в раствор или на горизонтальный вал, если необходимо вращение образца при струйной обработке.

3) Закрыть вентили а, г, ж, к, е, д.

4) Открыть вентили б, в, з, и.

5) Залить раствор в установку.

6) Привести образец во вращение (если необходимо) с требуемой скоростью.

7) Запустить насос и установить требуемое значение циркуляции раствора.

8) Подать напряжение на электроды

9) Опустить подвижную платформу с обрабатываемой деталью до момента соприкосновения ее с раствором с последующим ее погружением в раствор (если необходимо).

Алгоритм эксплуатации установки в режиме полирования.

1) Установить в кольцевой держатель на дне ванны цилиндрический электрод в случае обработки с погружением в раствор или цилиндрический электрод с соплом в случае струйной подачи раствора.

2) Установить образец или на вертикальный держатель для погружения в раствор или на горизонтальный вал, если необходимо вращение образца при струйной обработке.

3) Открыть вентили а, г, ж, к.

4) Закрыть вентили б, в, з, и, е, д.

5) Залить раствор в установку.

6) Запустить насос и установить требуемое значение циркуляции раствора.

7) Включить электронагреватель и подогреть раствор до требуемой температуры

8) Привести образец во вращение (если необходимо) с требуемой скоростью.

9) Подать напряжение на электроды

10) Опустить подвижную платформу с обрабатываемой деталью до момента соприкосновения ее с раствором с последующим ее погружением в раствор (если необходимо).

2.2 Конструкция электрохимических ячеек

В процессе электролитного нагрева при прохождении электрического тока через ПГО, окружающую нагреваемую деталь, выделяется тепло. Выделяемая тепловая энергия отводится тремя путями: через нагреваемое изделие и систему крепежа и теплоотвода в окружающую среду, на испарение раствора электролита, через границу раздела ПГО-электролит, на нагрев раствора электролита. Чем выше температура раствора, тем больше становится толщина ПГО, ее сопротивление

увеличивается, сила тока в цепи падает, а вместе сней снижается выделяемая мощность. Система переходит в новое равновесное состояние с меньшей температурой нагрева орабатываемой детали. Если нагрев производится в непроточном растворе, то верхние слои раствора быстро перегреваются, но даже в условиях принудительной циркуляции без средств теплоотвода температура раствора будет постепенно увеличивается. Таким образом, для стабилизации условий нагрева и температуры обрабатываемой детали организуют циркуляцию

нагревающегося раствора через теплообменник-холодильник. Охлажденный раствор подают через патрубок на дне ванны-электролизера в зону размещения нагреваемой детали, тем самым обеспечивая стабильные условия для поддержания ее температуры.

Для осуществления процесса ЭПО малогабаритных образцов использовался осесимметричный цилиндрический электролизер (рисунок 2.3). Цилиндрический электрод электролизера имел высоту 10 см и внутренний диаметр 9 см был изготовлен из нержавеющей стали. На дне электролизера располагалось входное отверстие с внутренним диаметром 1 см для подачи электролита. Ось входного отверстия совпадала с осью электрода. Электролит, подаваемый вдоль оси электрода, переливался в поддон из поливинилхлорида, откуда через сливной патрубок поступал в теплообменник.

Применение такого варианта электролизера допустимо только для случая деталей малого размера не более 15 мм. Это обусловлено тем, что в процессе электролитного нагрева парогазовая оболочка, отделяющая деталь от прямого контакта с электролитом, расширяется снизу-вверх из-за выхода пара в атмосферу. Расширение ПГО приводит к неравномерному нагреву длинномерных деталей, погружаемых в ванну с раствором вертикально: устанавливается температурное поле детали с выраженным градиентом температуры в вертикальном направлении. Градиент температуры приводит к неравномерному распределению свойств по поверхности детали.

Для решения этой проблемы предложена измененная конструкция электролизера (рисунок 2.4). Модифицированная его версия оснащена полимерной поперечной перегородкой с отверстиями, что позволяет заменить концентрированное обтекание детали одним осесимметричным потоком раствора на распределенное обтекание несколькими потоками. Такая конструкция значительно изменяет распределение скоростей жидкости на границе парогазовой оболочки и раствора: максимальная скорость теперь достигается не вокруг нижнего конца длинномерной детали, а вокруг ее верхней половины. В результате изменяются условия теплообмена в системе ПГО-деталь-электролит, что приводит

к изменению температурного поля детали в вертикальном направлении: температура нижнего конца снижается, а в верхней половине температура возрастает с появлением локального максимума. Таким образом, новая версия электролизера позволяет значительно уменьшить вертикальный температурный градиент и повысить однородность термообработки, а также равномерность распределения твердости и других свойств по поверхности детали. На электрохимическую ячейку с полимерной перегородкой получен патент РФ № 124 682 Ш «Устройство электролитного нагрева металлических изделий».

Рабочая камера с вертикальной распределенной подачей раствора

электролита.

Количество отверстий в перегородке определяется поперечным размером нагреваемой детали. В данной работе использовались перегородки с четырьмя и шестью отверстиями. При использовании четырех отверстий их центры были расположены в вершинах квадрата, центр которого совпадал с центром камеры. При использовании шести отверстий их центры были расположены в вершинах правильного шестиугольника, центр которого также совпадал с центральной осью камеры. Диаметр отверстий составлял 5 мм, а толщина перегородки - 10 мм. Важным геометрическим параметром для данной ячейки является расстояние от перегородки до нижнего конца образца. Расстояние от центра отверстий до центральной оси камеры и расстояние от перегородки до нижнего конца детали выбиралась в соответствии с условием:

0,21/-6.26+0,41И+0,5(0+й0 < г < 0,36/ - 6,26+0,41И+0,5(0+й), где / - длина нагреваемого изделия, И - расстояние от перенгородки с отверстиями до нижнего торца нагреваемого изделия, О - поперечный размер обрабатываемого изделия, й - диаметр отверстия в перегородке, г - расстояние от оси камеры до окружности, на которой лежат центры отверстий перегородки.

Рисунок 2.4 - Схема рабочей камеры с продольным распределенным обтеканием

Методика нагрева.

После закрепления образца в держателе на электролизер подавалось напряжение 200 В в случае анодного варианта нагрева и 80 В в случае катодного варианта нагрева. Затем образец плавно опускался до контакта с поверхностью раствора. Контакт с поверхностью раствора приводил к формированию ПГО, после чего образец плавно погружался в раствор на всю длину со скоростью от 1 до 2 мм/с. После полного погружения напряжение на электролизере устанавливалось в

соответствии с заданием. После выдержки в течение необходимого промежутка времени напряжение отключалось, что приводило к конденсации ПГО и восстановлению контакта между холодным раствором и образцом с быстрым охлаждением последнего. В случаях, когда быстрое охлаждение в растворе необходимо было исключить, образец извлекался из раствора до снятия напряжения, что приводило к относительно медленному его охлаждению на воздухе.

Получен патент РФ № 2572663 С23С 8/40. Способ химико-термической обработки стального изделия с электролитным нагревом.

2.3 Составы электролитов электролитно-плазменной обработки

Растворы электролитов, применяемые для электролитно-плазменной химико-термической обработки, должны отвечать следующим требованиям:

1. Электропроводность не менее 0,05 Ом-1-см-1 для обеспечения проведения электрохимических процессов переноса заряда.

2. Температура кипения, возгонки или разложения компонентов раствора не должна превышать температуру нагрева обрабатываемой детали для предотвращения осаждения на ее поверхности, поскольку это приводит к увеличению электрического сопротивления в цепи, снижению силы тока, выделяемой мощности и температуры нагрева вплоть до прекращения протекания процесса.

3. Молекулы компонентов раствора должны содержать атомы углерода, азота, бора, серы для обеспечения диффузионного потенциала ПГО, необходимого для осуществления химико-термической обработки.

Для обеспечения необходимой электропроводности используемых растворов в их состав включались соли аммония: хлорид аммония N^0, сульфат аммония (NH4)2SO4 и нитрат аммония КЩЫС^ Указанные соли аммония хорошо растворимы в воде и имеют достаточно низкие температуры разложения (таблица 2.1). Кроме обеспечения электропроводности данные компоненты растворов могут выступать в качестве доноров азота и серы (сульфат аммония).

Наиболее часто в составе раствора электролита присутствовал хлорид аммония, который широко применяется для ЭПО [210, 211, 212, 213, 214]. Для растворов с хлоридом аммония детально изучены особенности процессов теплообмена и анодного растворения. Кроме солей аммония в состав раствора включались и другие компоненты, являющиеся донорами атомов азота, углерода, бора и серы, а именно аммиак ЫЫНз, ацетон (СНз)2СО, глицерин CзH5(OH)з, карбамид (ЫН2)2СО, борная кислота Н3В03, диметилсульфоксид С2НбОЗ. Эти соединения также обладают достаточно хорошей растворимостью в воде (исключение - борная кислота) и достаточно низкими температурами кипения или разложения (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Химические вещества, применявшиеся при приготовлении растворов электролитов для электролитного нагрева в рамках данной работы

Вещество Температура разложения или кипения*, °С Растворимость в воде при 20 °С, г/л Элемент донором, которого является вещество

Хлорид аммония 338 373 N

Сульфат аммония 218 755 Б

Нитрат аммония 210 1900 N

Глицерин 290 в любых пропорциях С

Аммиак -33* 515 N

Ацетон 56* в любых пропорциях С

Карбамид 174 518 Ы, С

Борная кислота 300* 47 В

Диметилсульфоксид 189* в любых пропорциях

Карбамид может служить донором и азота, и углерода. Оно является доступным, широко используемым и недорогим. Карбамид не испаряется из раствора с течением времени, в отличие от аммиака или ацетона.

Аммиак служит донором азота и создает высокий азотный потенциал парогазовой оболочки, что многократно подтверждено в различных работах, посвященных электролитно-плазменному азотированию.

Таблица 2.2 - Композиции химических веществ, использованных для приготовления растворов для диффузионного насыщения в рамках данной работы

Назначение Вещество и его концентрация в % (масс.)

Хлорид аммония Нитрат аммония Сульфат аммония Глицерин Карбамид Диметилсульфоксид Борная кислота Ацетон Аммиак

Нитроцементация 10 - - - 20 - - - -

Нитроцементация 5 - - - 20 - - - -

Нитроцементация 10 - - - - - - 5 5

Нитроцементация - 10 - 10 - - - - -

Азотирование 10 - - - - - - - 5

Азотирование 5 - - - - - - - 5

Цементация 10 - - 10 - - - - -

Цементация 15 - - 10 - - - - -

Борирование и бороазотирование 10 - - - - - 3 - -

Боронитроцементация 10 - - 8 - - 3 - -

Сульфидирование - - 10 - - 10 - - -

Ацетон служит донором углерода и создает самый высокий углеродный потенциал парогазовой оболочки, что многократно подтверждено в различных работах, посвященных электролитно-плазменной цементации.

Глицерин служит донором углерода и создает второй по значению углеродный потенциал парогазовой оболочки после ацетона, что многократно подтверждено в различных работах, посвященных электролитно-плазменной цементации.

Борная кислота служит донором бора.

Диметилсульфоксид служит донором серы, а также углерода.

Полный перечень применявшихся в данной работе растворов приведен в таблице 2.2.

Для осуществления анодного электролитно-плазменного полирования использовались растворы хлорида аммония, сульфата аммония и фторида аммония (таблица 2.3).

Таблица 2.3 - Композиции химических веществ, использованных для приготовления растворов для полирования в рамках данной работы

Вещество и его концентрация в % (масс.)

я я я

и и и н

Назначение н о м н о м о м н и

м й д м й д м й £ р и а и

и р о л X и р о т е ь л О л и

Полирование 1 - - -

Полирование 2 - - -

Полирование 3 - - -

Полирование 3 - - 5

Полирование - 4 - -

Полирование - - 1 -

Полирование - - 2 -

Полирование - - 3 -

Полирование - - 4 -

Полирование - - 5 -

2.4 Исследуемые материалы для электролитно-плазменной обработки

Объектами электролитно-плазменной обработки были конструкционные стали 20, 45, 12Х18Н10Т, инструментальные стали У8, 9ХС, Р6М5, титан и его сплавы: ВТ1-0, ВТ6.

Сталь 20 подвергалась анодной и катодной нитроцементации с полированием и без него, анодному сульфидированию и катодной боронитроцементации с последующим полированием. Сталь 45 подвергалась анодной нитроцементации, катодному азотированию с последующим полированием и бороазотированию. Сталь 12Х18Н10Т подвергалась азотированию, борированию и цементации в анодной поляризации. Стали У8 и Р6М5 нитроцементовались при анодной поляризации. Сталь 9ХС подвергалась дуплексной обработке, включающей в себя анодное и катодное азотирование с последующим полированием. Технический титан ВТ1-0 цементовался при анодной полярности процесса, проходил дуплексную обработку - анодную нитроцементацию с полированием. Сплав ВТ6 азотировался при катодной полярности процесса электролитного нагрева, а также проходил дуплексную обработку из азотирования и полировки.

Рисунок 2.5 - Образец цилиндрический

Рисунок 2.6 - Контртело

Для проведения исследований использовались стандартные цилиндрические образцы длиной от 10 мм до 15 мм, и диаметром от 10 мм до 12 мм (рисунок 2.5). Шероховатость поверхности образцов Я приводилась к значению 1,0±0,1 мкм путем шлифовки и затем обезжиривалась в ультразвуковой ванне с ацетоном с

последующей промывкой в дистиллированной воде. Образцы указанной геометрии использовались для рентгенофазного анализа, профилометрии и трибологических испытаний по схеме "вал - колодка". Контртела (рисунок 2.6) для трибологических испытаний изготавливались согласно чертежу из конструкционной подшипниковой стали ШХ15, инструментальной легированной стали ХВГ подвергнутых закалке после изготовления, а также из оловянно-свинцовой бронзы ОСЦ555. Диаметры выемок на контртелах совпадали с диаметрами исследуемых образцов.

Все образцы проходили процедуру определения массы в исходном состоянии, после электролитно-плазменной обработки, а также в процессе и после завершения испытаний на трение и износ. Для измерений использовались весы аналитические электронные Citizon модель CY224C. Погрешность измерений составляла ±0,1 мг. Перед взвешиванием образцы проходили промывание поверхности в дистиллированной воде для удаления следов солей.

2.5 Методы исследования поверхности и диффузионных слоев

Применялся металлографический анализ, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия для определения структуры и фазового состава поверхностных слоев исследуемых материалов. Химический состав определялся методами ядерного обратного рассеяния протонов и методом EDX-анализа. Выполнялись измерения микротвердости в поперечном сечении поверхностной зоны. Выполнялись профилометрические измерения на поверхностях исследуемых материалов до обработки, после обработки, а также на поверхностях дорожек трения для определения показателей микрогеометрии. Коэффициент трения и износ поверхностей исследовались в ходе испытаний на сухое трение.

2.5.1 Методы исследования структурно-фазового состояния поверхности

Проведение металлографического анализа, измерений микротвердости, анализа с помощью электронного микроскопа требовало подготовки образцов.

Исследуемая поверхность доводилась до зеркального состояния путем шлифовки и полировки. Отполированная поверхность протравливалась. Образцы из углеродистых сталей обрабатывались реактивом Курпатова (раствор азотной кислоты (4%) в этаноле) с длительностью выдержки от 5 до 7 с. Нержавеющие и легированные стали обрабатывались царской водкой (HNO3 и HCl в пропорции 1:3 по объему). Титан и его сплавы обрабатывались глицериновым раствором плавиковой кислоты (5%). Отполированные и протравленные образцы очищались в ультразвуковой ванне.

Подготовленные образцы анализировались с помощью оптических металлографические микроскопы Микромед МЕТ (Микромед, Россия-Китай) и МЕТАМ РВ-21 (ОАО «Ломо», Россия). Погрешность измерений линейных размеров структурных составляющих составляла не более 2 мкм.

Рентгеновский анализ фазового состава поверхности выполнялся на рентгеновском дифрактометре ARL X'tra (излучение Cu-K«) (Thermo Fisher Scientific, Швейцария). Также часть образцов исследовалась на аппарате Empyrean производство Panalytical. Трубка кобальт, линейный фокус. Режим 40кВ/40мА. Фильтр — железный. Щели Соллера 0,08. Автоматическая щель с размером пятна 5*5 мм. Следящая антирассеивающая щель с таким же углом на дифрагированном пучке. Детектор Pixel, многоканальный, шаг 0,026 градусов, разрешение 0,026 гр. Число каналов 128. Анализ проводился методом порошковой дифрактометрии с полуколичественным анализом по корундовому числу. Кроме того, выполнялся анализ методом Ритвельда, HighScore Plus с базой PDF2.

Для анализа морфологии поверхности и поперечного сечения с использованием рентгеновского энергодисперсионного элементного анализа в поверхностном слое была задействована двулучевая система Quanta 3D 200i (FEI Company, Нидерланды) с приставкой для энергодисперсионного анализа EDAX с кремниевым дрейфовым детектором Apollo X (Amptek Inc., США). Сканирующий электронный микроскоп Phenom g2 pro (Netherlands) также использовался для получения изображений поверхности обработанных деталей.

Измерения микротвердости упрочненного слоя по методу Виккерса проводились на микротвердомерах FALCON 503 с массой нагрузки 10 г с автоматическим расчетом значения твердости по отпечатку индентора и точностью измерения ± 5 %, а также на ПМТ-3М с массой нагрузки 50 г и точностью измерения ± 10 %.

2.5.2 Топологические и профилометрические измерения поверхности

Для снятия профилограмм и их обсчета использован профилометре Hommel tester t8000 (Германия), профилометр TR200 (Time Group Inc., Китай) и профилометр модели 130 (ОАО «Завод Протон-МИЭТ», Россия). Точность измерений составляла ± 0,01 мкм.

В ярде случаев выполнялся скретч-тест в соответствии со стандартом ASTM C1624-05 [215] с помощью тестера производства компании Nanovea. Индентор тестера - алмазный конус с углом при вершине 120°. Радиус закругления вершины 100 мкм. В процессе испытаний нагрузка, линейно увеличивалась от 0,2 Н до 40 Н со скоростью от 0,017 до 0,050 Н/с.

2.5.3 Метод ядерного обратного рассеяния протонов высоких энергий

Для оценки результата ЭПО важным является определение концентраций легких элементов в тонких диффузионных слоях на поверхности образцов.

Широкое распространение получают неразрушающие методы анализа. Один из таких методов является метод ядерного обратного рассеяния протонов [216, 217, 218]. В основе метода лежит феномен рассеяния протонов в поле ядерных сил. Данный метод не требует индивидуального подбора энергий зондирующих частиц в зависимости от исследуемого элемента, что является преимуществом метода. Источником протонов является ускоритель. Выпущенные им протоны проникают вглубь исследуемого материала, и рассеиваются на составляющих его атомах. Протоны, которые рассеялись на большие углы улавливаются детектором и передают таким образом информацию об элементном составе материала.

Метод ЯОР обладает высокой чувствительностью и позволяет построить распределение концентраций легких элементов в тонких поверхностных слоях исследуемого объекта толщиной до 50 мкм с разрешением 0,5 мкм. Концентрация легких элементов определяется при их при их содержании на единицу сечения пучка не менее 0,5-1017 ат/см2.

Рисунок 2.7 - Геометрическая схема рассеяния протона на мишени. 01- угол падения протона, 62- угол направления на детектор, глубина проникновения протона по нормали к поверхности.

Протоны имеют начальную энергию Е0, но по мере прохождения слоя материала их энергия снижается из-за ионизационных потерь. Пучок протонов может быть направлен на поверхность исследуемого объекта под углом в1 от 0° до 90° (рисунок 2.7). Детектор, регистрирующий протоны, рассеянные под большими углами, также направлен на мишень под углом к нормали ее поверхности в2, который может быть задан в диапазоне от 0° до 90°. Форма спектра энергий рассеянных протонов определяется соотношением этих углов.

Анализ образцов проводился в НИИЯФ МГУ на установке, источником протонов для которой служил циклотрон с возможностью изменения энергии и способный ускорять протоны до энергии 7,8 МэВ с дисперсией не более 60 кэВ. Образцы размещались в вакуумной камере, оснащенной ионопроводом и системой диафрагмам для управления пучком протонов. Поворот детекторов, смена мишеней осуществлялась дистанционно из зала управления. Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 2.8. Большая камера рассеяния 1 выполняет функции бустерной камеры и камеры первой диафрагмы Д]. Внутри ионопровода находятся вторая диафрагма Д2 и антирассеивающая диафрагма Д3. При оптимальном подборе размеров этих трех диафрагм угловая расходимость пучка, направленного на мишень, составляет не более 0,10. Камера рассеяния 3 представляет собой цилиндр из нержавеющей стали диаметром 600 мм и высотой 400 мм. Она соединена с ионопроводом через сильфон. В системе ионопровод-камера поддерживается вакуум на уровне 10-5 мм.рт.ст.

Внутри камеры установлен кронштейн, на котором закреплен детектор с предусилителем. В центре камеры находится крестовина (которая не изображена на рисунке 2.8), на которой подвешен мишенный блок. Мишенный блок представляет собой алюминиевый диск диаметром 80 мм, установленный на стойке в центре крестовины. На этом диске можно разместить 8 различных мишеней. Смена мишеней происходит путем вращения диска вокруг его оси с использованием шагового двигателя (2880 шагов на полный оборот диска), а установка угла падения осуществляется поворотом всего диска.

Во процессе сбора данных предусмотрена возможность наблюдения за накоплением энергетического спектра и контроля интенсивность пучка протонов. По завершении измерений полученный спектр энергий рассеянных протонов сохраняется на электронном носителе.

Спектра обратного рассеяния является распределением количества рассеянных протонов по энергиям. Количественное содержание атомов легких элементов в поверхностном слое определяется в результате анализ этого спектра. Выводы о количественном содержании легких элементов делаются на основе

моделирования спектра с помощью задания концентрационных профилей, наилучшим образом воспроизводящих экспериментальный спектр.

Для этого используется компьютерная обработка с применением программы МБЗ, разработанной на кафедре ТОМПВЭ в РГТУ им. К.Э. Циолковского [3].

Рисунок 2.8 - Схема экспериментальной установки

Выводы по главе 2

1. Заявлено, описано и запатентовано (патент РФ № 124 682 Ш «Устройство

электролитного нагрева металлических изделий») устройство для электролитного нагрева металлических изделий, представляющее собой электрохимическую ячейку с добавлением горизонтальной перегородки с отверстиями. Эта конструкция обеспечивает равномерную подачу раствора электролита ко всей поверхности обрабатываемого изделия, эффективное удаление перегретого электролита, уменьшение толщины парогазовой оболочки и как следствие увеличение плотности тока через нее и повышение температуры в верхних частях изделия. Устройство позволяет сократить градиент температуры и обеспечивает равномерный нагрев всей поверхности обрабатываемого изделия.

2. Представлен защищенный патентом способ химико-термической обработки (патент РФ № 2572663 С23С 8/40. «Способ химико-термической обработки стального изделия с электролитным нагревом»).

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИНЫ ТРЕНИЯ

3.1 Анализ производственных машин трения

Для изучения влияния нанесенных покрытий или химико-термической

обработки на свойства поверхности удобно использовать образцы цилиндрической формы малых размеров, диаметр и длина которых не более 15 мм. Такие образцы с одной стороны характеризуются малой металлоемкостью, поэтому имеют невысокую стоимость, а с другой стороны их площадь поверхности достаточна для проведения различных видов анализа. Трибологические испытания необходимо выполнять, воздействуя на модифицированную поверхность образца. Для испытаний на трение образцов цилиндрической формы, подходящей является схема испытаний «вал-колодка», которая может быть реализована при использовании серийных машин для испытания материалов на трение и износ, например, таких как СМЦ-1, 2070 СМТ-1, ИИ-5018 [219]. Перечисленные машины позволяют проводить испытания по схемам «диск-колодка» и в-«вал-втулка».

Серийные машины трения предназначены для промышленных испытаний образцов, размеры которых приближены к реальным деталям машин и механизмов и не предназначены для проведения испытаний образцов с тонкими покрытиями или модифицированной поверхностью, в отношении которых обладают избыточно большим верхним пределом прилагаемых к образцам нагрузок, откуда вытекают недостатки серийных машин трения:

- большие габариты и вес, что делает возможным только стационарное применение;

- невозможность проведения испытаний на образующей поверхности малогабаритных цилиндрических образцов диаметром до 10 мм, т.к. диаметр применяемых образцов составляет не менее 24 мм.

- высокая стоимость оборудования.

Прототипом к сконструированной машине трения является машина «Kewat-4» [219], содержащая образец и контробразец, образующие пару трения, электродвигатель, ступенчатую ременную передачу, систему нагружения, динамометр для определения силы трения. Цилиндрический образец закрепляется

на ведущем валу, соединенном с электродвигателем переменного тока через ступенчатую ременную передачу. Контробразец, устанавливается во внутреннюю обойму шарикоподшипника и вместе с ним прижимается к образцу. Нагружение пары трения производится рычажной системой. За счет сил трения контробразец стремится вращаться вместе с образцом и воздействует на рычаг, связанный с динамометром, который регистрирует силу трения.

Прототип имеет ряд недостатков:

- нагружение пары трения посредством системы рычагов и грузов делает невозможным автоматизацию испытаний, в том числе испытаний со ступенчатым изменением нагрузки.

- использование двигателя переменного тока и ступенчатой передачи ограничивает выбор скорости скольжения, делает невозможным ее плавное регулирование, препятствует проведению испытаний со ступенчатым изменением скорости.

- конструкция узла трения затрудняет измерение температуры в зоне сопряжения пары трения.

- по мере изнашивания образца и контробразца в неподвижном контрообразце образуется углубление, нарушается соосность вала, несущего образец, и подшипника, с которым сопряжен контробразец. Это приводит к невозможности свободного вращения подшипника, появлению вибраций, влияющих на результат измерения силы трения.

Задачей при проектировании и изготовлении новой машины для испытания материалов на трение и износ являлось применение таких конструктивных решений, которые позволят испытывать цилиндрические образцы малого диаметра до 15 мм в паре с малогабаритными контробразцами при этом лишенной недостатков прототипа.

Помимо возможности тестирования малогабаритных образцов машина терния должна обладать следующими возможностями:

- плавное регулирование усилия, с которым контртело прижимается к образцу;

- широкий диапазон изменения скоростей вращения образца;

- малый шаг изменения скорости вращения образца;

- возможность изменения скорости вращения образца и/или прижимающего усилия в процессе испытаний;

- измерение температуры на дорожке трения;

- сохранение постоянства в процессе испытаний коэффициента взаимного перекрытия (отношения текущей площади контакта к площади всего следа трения);

- автоматизация проведения испытаний и сбора результатов измерений.

- специальная конструкция узла трения, обеспечивающая отсутствие вибраций и биений, искажающих результаты измерения момента силы трения.

Был достигнут технический результат, заключающийся в возможности проведения испытаний малогабаритных цилиндрических образцов диаметром до 10 мм с возможностью бесступенчатого задания нагрузки и скорости вращения с исключением влияния износа пары трения на результат измерения силы трения и контролем температуры в зоне трения. Созданная машина трения обладает всеми перечисленными возможностями и лишена недостатков серийных машин трения, характеризуется невысокой стоимстью, что определяет ее прикладное значение (импортозамещение, значительное снижение стоимости, портативность) для трибологических исследований.

3.2 Проектирование машины трения 3.2.1 Принципиальное устройство машины трения

Общий план машины трения приведен на рисунках 3.1, 3.2, 3.3.

На валу 3 закрепляется исследуемый цилиндрический образец 1. На валу 4, размещенном соосно валу 3, закреплен кривошип 5. На кривошип 5 установлен пневматический цилиндр 6, шток которого соединен со столиком 8. Столик состоит из двух горизонтальных параллельных пластин и свободно скользит по направляющим 7. На столике 8 закреплено контртело 2. Измерение силы прижатия контртела к образцу осуществляется с помощью тензодатчика 9, размещенного

между пластинами столика 8. Измерение момента силы трения осуществляется с помощью тензодатчика 10.

Рисунок 3.1 - Схема узла трения.

Рисунок 3.2 - ЗБ-модель машины трения

Рисунок 3.3 - Фотография машины трения

В машине реализована схема испытаний на трение «вал-колодка». Контртело имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Для охвата образующей поверхности тестируемого цилиндрического образца в контртеле предусмотрена выемка в форме полукруга диаметр которой равен диаметру образца. Тестируемый образец фиксируется на свободном конце вала, приводимом во вращение электродвигателем, соосно. Контртело устанавливается и жестко фиксируется на платформе, которая может свободно скользить в вертикальном направлении по цилиндрическим направляющим. Перемещение платформы до момента контакта контртела с образцом происходит под действием штока пневматического цилиндра. Цилиндр, и направляющие неподвижно закреплены на кривошипе, установленном на валу соосном испытываемому образцу. Кривошип может свободно вращаться, но т.к. он связан с тензодатчиком вращения в процессе испытаний не происходит, т.к. момент силы трения уравновешивается моментом силы, возникающим при упругой деформации тензодатчика. Такая схема расположения образца, контртела и системы нагружения позволяет сохранить общую ось вращения образца и контртела, и их соосность сохраняется по мере их изнашивания.

3.2.2 Описание принципа функционирования

Вал 4 вместе с установленным на него тестируемым образцом 1 приводится во вращение с помощью электродвигателя с требуемой частотой. Затем подается напряжение на электродвигатель компрессора, и в цилиндр 7 нагнетается воздух до тех пор, пока шток цилиндра не сдвинет платформу с контртелом до касания с образцом. Давление воздуха увеличивается до тех пор, пока сила прижатия контртела к образцу не достигнет заданного значения. Далее компрессор отключается и начинается отсчет времени, отведенного на испытание. В процессе испытаний из-за возникающей силы трения между контртелом и образцом, маятник 8 вместе с закрепленными на нем цилиндром, направляющими 6 и платформой 5 с контртелом 2 увлекаются во вращение.

Рисунок 3.4 - Схема трения. 1 - образец; 2 - контртело; 3 - маятник; 4 - тензодатчик

Поскольку маятник соединен с неподвижным тензодатчиком 9 балочного типа, то момент силы трения уравновешивается моментом силы, действующей со стороны упруго деформирующегося тензодатчика на маятник. Сила прижатия контртела к образцу определяется с помощью второго тензодатчика 12 установленного между штоком цилиндра и платформой с контртелом. Измеряя

я

расстояния от оси вращения до точек приложения сил в системе, а также силу прижатия контртела к образцу и силу уравновешивающую силу трения можно рассчитать коэффициент трения. На рисунках 3.4, 3.5, 3.6 изображена схема и узел трения (M = fR - момент силы трения, N - сила, с которой образец прижат к контртелу, F - сила, создающая момент силы, уравновешивающий момент силы трения, L - расстояние от оси вращения до оси симметрии тензодатчика, R - радиус образца). Т.к. механическая система находится в равновесии, то M = FL, fR = FL,

yNR = FL, откуда выражаем коэффициент трения ^ = FL.

Рисунок 3.5 - Узел трения (фотография и ЗБ-модель) вид I.

Рисунок 3.6 - Узел трения (фотография и ЗБ-модель) вид II.

3.2.3 Пневматическая система

Схема пневматической системы, использованная в машине трения, приведена на рисунке 3.7. Воздух в систему нагнетается с помощью компрессора 1. Воздух поступает в малогабаритный цилиндр, соединенный с ресивером 5, через обратный клапан и фильтр-влагоотделитель 3. Для сброса давления служит клапан 6 с электромагнитным приводом.

Рисунок 3.7 - Схема пневматической системы. 1 - компрессор; 2 - обратный клапан; 3 -фильтр - влагоотделитель с ручным отводом конденсата; 4 - манометр; 5 - ресивер; 6 -электромагнитный клапан; 7 - пневмоцилиндр.

Для плавного изменения силы, с которой контртело действует на образец, в качестве силового элемента целесообразно использовать пневматический цилиндр, давление воздуха в котором и будет определять значение прижимающего усилия. Механизм нагружения получается компактным и позволяет плавно изменять нагрузку в заданных пределах.

Основными требованиями к цилиндру являются компактность и возможность создавать усилие в заданном диапазоне. Простейшие элементы

пневматических систем (пневматические трубки, фитинги, клапаны и т.п.) рассчитаны на избыточное давление воздуха не более 1 МПа, поэтому цилиндр также должен быть рассчитан на это давление. Т.к. воздух в цилиндр планировалось нагнетать с помощью небольшого автомобильного компрессора то максимальное допустимое давление уменьшено в два раза (для уменьшения промежутка времени, требуемого для достижения максимального усилия). Т.к. сила, действующая на поршень, определяется как произведение избыточного давления на площадь поршня, то минимальный диаметр поршня определим из уравнения:

р _ Pmax (3 1)

max ^ 2 ' \ ' '

где pmax - предельно допустимое давление воздуха; dmin - минимальный диаметр поршня; Fmax - максимальное прижимающее усилие.

Тогда для минимального диаметра поршня получаем:

dmin =J (3.2)

V ^Pmax

Усилие, развиваемое системой нагружения должно лежать в диапазоне от 0 до 100 Н. Простейшие элементы пневматических систем рассчитаны на предельное избыточное давление воздуха в 1 МПа. Используя эти данные по формуле 3.2 находим, что минимальный диаметр поршня равен 11 мм. Фактически выбран цилиндр с диаметром поршня 16 мм, что больше чем 11 мм и позволяет эксплуатировать пневматическую систему при давлениях меньших, чем предельно допустимое во всем диапазоне развиваемых нагрузок.

Воздух в цилиндр подается с помощью компрессора, а удаляется из системы путем открытия клапана с электромагнитным приводом. Это позволяет автоматизировать процесс управления подачей и сбросом воздуха.

3.2.4 Электропривод и схема управления

Принципиальная схема питания и управления установкой показана на рисунке 3.8. и ее готовый вид на рисунке 3.9.

Рисунок 3.8 - Принципиальная схема питания и управления машиной трения

Рисунок 3.9 - Блок питания и управления машиной трения

Образец приводится во вращение с помощью бесколлекторного электродвигателя, частота вращения которого поддерживается постоянной

независимо от нагрузки с помощью микроконтроллерного блока управления. Управление состоянием электродвигателя осуществляется путем подачи команд посредством интерфейса RS-485. Частота вращения вала двигателя варьируется в диапазоне 1.. .50 Гц с шагом 1 Гц. Усилие от электродвигателя передается на вал с образцом посредством ременной передачи, поэтому диапазон частоты вращения образца и шаг ее изменения зависят от передаточного отношения, задаваемого диаметрами шкивов ременной передачи. Потребляемая электродвигателем мощность зависит расходуется на преодоление сил трения, возникающих между контртелом и образцом, а также в подшипниках и ременной передаче. Предельная потребляемая мощность (без учета потерь на трение в подшипниках) может быть найдена по формуле:

kF Rrn

W _ max wmax "y\

W max , I3.3 )

Л

где Wmax - максимальная потребляемая мощность; к - максимальный коэффициент трения; R - радиус образца; wmax - максимальная угловая скорость вращения вала; П - коэффициент полезного действия электродвигателя; kFmBXR - момент силы трения, действующей на образец; kFm^Ramaii - работа силы трения в единицу времени (мощность).

Следует учесть потери энергии на трение в подшипниках и увеличить максимальную потребляемую мощность на 10%:

Wmax = (3.4)

Л

Принимая следующие значения входящих в формулу величин Fmax = 100 H, к = 1, R = 5 мм, ю = 943 рад/с и п = 80% получим Wmax = 648 Вт.

Принимаем следующие значения, входящих в формулу величин: k =1, R =0.005 м, ютах = 943 рад/с (соответствует частоте вращения 150 Гц); п = 0.8 коэффициент полезного действия электродвигателя; Nmax = 100 Н, а = 1,1. Получим для максимальной потребляемой мощности электродвигателя 648 Вт.

Процесс измерения прижимающего усилия и момента силы трения реализован с помощью тензодатчиков балочного типа. Тензодатчики подключены

к аналогово-цифровым преобразователям, данные с которых считываются микроконтроллером. Для измерения температуры в зоне сопряжения образца и контртела применен цифровой инфракрасный пирометр данные с которого, поступают на микроконтроллер. Запуск и остановка электродвигателя, компрессора, открытие и закрытие электромагнитного клапана осуществляется с помощью группы реле, сигнал на которые поступает с микроконтроллера. Сбор данных с датчиков их обработка и передача на персональный компьютер производится с помощью микроконтроллера. В качестве микроконтроллера используется Atmel ATmega2560. Он оснащен тремя физических=ми интерфейсами UART. Один из них используется для обмена данными и командами с компьютером, второй необходим для связи с блоком управления электродвигателем (используется преобразователь интерфейсов с UART на ЯЗ-485). Для персонального компьютера написана программа, отвечающая за отображение и визуализацию результатов измерений, ввод параметров эксперимента и подачу команд на микроконтроллер. Таким образом процесс испытаний на трение полностью автоматизирован. Оператор отвечает только за установку образца и контртела и задание параметров испытаний.

3.3 Программное обеспечение машины трения 3.3.1 Алгоритм работы машины трения в автоматическом режиме

Оператор устанавливает и центрует образец и контртело. Затем оператор вводит числовые значения основных параметров испытания и дает команду на запуск посредством интерфейса программы управления. Микроконтроллер получает команду на запуск цикла испытаний и выполняет следующую последовательность действий (рисунок 3.10):

1. Формирует команду на пуск электродвигателя в соответствии с протоколом обмена и передает ее микроконтроллеру блока управления электродвигателем.

2. Формирует команду на установление заданной оператором частоты вращения вала электродвигателя в соответствии с протоколом обмена и передает ее микроконтроллеру блока управления электродвигателем.

3. Подает управляющее напряжение на реле управления компрессором тем самым включая компрессор в работу и нагнетая воздух в пневматическую систему.

4. После достижения требуемой силы прижатия контртела к образцу снимает управляющее напряжение с реле управления компрессором, останавливая компрессор.

5. В течение периода времени, отведенного на испытание, опрашивает датчики с периодом 0,3 с, формирует пакет данных и передает его на персональный компьютер в соответствии с протоколом обмена данными.

6. По завершении испытания подает управляющее напряжение на реле, управляющее пневматическим клапаном, и переводит клапан в открытое состояние для сброса давления воздуха в пневмосистеме.

7. Формирует команду на останов электродвигателя в соответствии с протоколом обмена и передает ее микроконтроллеру блока управления электродвигателем.

По завершении цикла испытаний оператор сохраняет полученный массив результатов измерений и расчетов на жесткий диск компьютера или иной подходящий носитель информации.

После подачи питания на микроконтроллер происходит первичная настройка с установлением исходных значений переменных inp, buff и flag. Переменная inp предназначена для сохранения данных из буфера обмена buff. Переменная flag логического типа предназначена для запуска/остановки процесса опроса датчиков и передачи данных на персональный компьютер. После первичной настройки программа входит в бесконечный цикл. На первом шаге выполняется проверка наличия данных в буфере обмена. Если данные в буфере имеются сохраняем поступивший байт в переменную inp и подвергаем анализу поступившие данные. Если значение переменной inp эквивалентно символу 'g', тогда выполняется пуск

Рисунок 3.10 - Алгоритм работы машины трения

электродвигателя, включается компрессор до достижения требуемого давления и затем выключается. Если значение переменной inp эквивалентно символу 's', тогда выполняется сброс давления воздуха в пневматической системе путем открытия сбросного клапана, остановка электродвигателя и затем сбросной клапан закрывается. Если значение переменной inp эквивалентно символу 'd', тогда происходит изменение значения логической переменной flag на противоположное. В случае отсутствия данных в буфере выполняется проверка значения переменной flag и, если ее значение равно 1, тогда выполняется опрос всех датчиков, формируется пакет данных, который отправляется на персональный компьютер. Таким образом после подачи питания на машину трения в первую очередь микроконтроллер получает команду 'd' и начинает с периодичностью 300 мс опрашивать датчики и предавать результат на персональный компьютер. Далее поступает команда 'g' приводящая к началу процесса испытаний. По прошествии требуемого промежутка времени поступает команда 's' приводящая к остановке процесса испытаний.

3.3.2 Программное обеспечение

Для автоматического выполнения цикла испытаний и регистрации результатов измерений написана программа для микроконтроллера, позволяющая управлять электродвигателем, компрессором и процессом измерений с помощью управляющих команд, поступающих с компьютера (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2 2024664847 «Программа для связи ПК с контроллером машины трения»), приложение А. Управляющие сигналы формируются с помощью программы для компьютера, специально написанной нами для этих целей и позволяющей задавать все необходимые параметры испытания (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024664848 «Программа для связи ПК визуализирующая работу машины трения для пользователя»), приложение А.

Для автоматизации процесса испытаний разработана программа для микроконтроллера, обеспечивающая выполнение микроконтроллером следующих действий:

1. Управление элементами пневматической системы (компрессор, сбросной клапан) посредством группы управляющих реле.

2. Опрос датчиков с заданной периодичностью и хранение полученных данных в памяти.

3. Формирование пакетов данных и их передача на персональный компьютер.

4. Выдача команд микроконтроллеру блока управления электродвигателем для пуска, останова и задания частоты вращения.

Рисунок 3.11 - Пользовательский интерфейс программы для работы с машиной

трения

Написана программа для персонального компьютера позволяющая:

1. Управлять частотой вращения вала электродвигателя, прижимным усилием, продолжительностью испытания.

2. Выводить на дисплей посредством графического интерфейса текущие значения измеряемых и расчетных величин.

3. Накапливать полученные данные для их последующего сохранения и обработки.

4. Отображать в реальном времени в графической форме зависимости коэффициента трения и температуры в трибосопряжении от времени.

Выводы по главе 3

Разработана машина для испытаний на трение и при этом достигается

технический результат, заключающийся в возможности проведения испытаний малогабаритных цилиндрических образцов диаметром до 15 мм с возможностью бесступенчатого задания нагрузки и скорости вращения с исключением влияния износа пары трения на результат измерения силы трения и контролем температуры в зоне трения

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТИПА КОНТАКТА ПРИ ТРЕНИИ И КОНТАКТНОЙ

ЖЕСТКОСТИ

4.1 Контакт шероховатой и гладкой твердой поверхностей

Характеристики трения и износа в значительной степени определяются свойствами фрикционного контакта. Из-за дискретности контакта касание происходит только на отдельных участках, формирующих фактическую площадь контакта. Сила трения пропорциональна площади контакта, а износ зависит от размера этой площади. Диаметр контактных участков при трении определяет время их взаимодействия. Разрушение поверхностных слоев и образование адгезионных связей зависит от фактического давления на фрикционном контакте. Свойства контакта существенно влияют на жесткость стыковых соединений деталей машин.

Для определения вида и механизма изнашивания модифицированного ЭП обработкой образца при трении по контртелу из закаленной стали или бронзы необходимо, во-первых, определить преимущественный тип деформаций в трибоконтакте: упругие, пластические либо упругопластические. Выявить вид превалирующих деформаций возможно опираясь на величину относительного внедрения шероховатой поверхности образца в поверхность контртела при трении. Для определения относительного внедрения нужно знать функцию распределения выступов шероховатого профиля по их высоте. Для этого служит кривая Аббота, аппроксимированная функцией Демкина. Она также может быть определена отношением площади фактического контакта образца с контробразцом к контурной площади [220], [221], [222], [223], [224]:

т/ = А = п- = Р = Ьеу = I

' А п Р тах т

( У ( У

с с

_У

VКР У

= Ь

У

п

V Птах У

(4.1)

где Аг - фактическая площадь контакта; Ас - контурная площадь контакта, пг -количество контактирующих выступов на фактической площади контакта, пс -количество выступов шероховатости на контурной площади, Рг - среднее фактическое давление на фрикционном контакте; Рс - контурное давление, у -

уровень сечения профиля, отсчитываемый от линии выступов; Ятах - максимальная высота неровностей; е = у/Ятах - относительная высота профиля;

О Линия проекций

111 у\ , , г\ /д 13 {й4 ( il 1 ^ ч 1Д А ^ тах т

У и 1

1 „

Рисунок 4.1 - Профиль шероховатости

Параметры опорной кривой V и Ь определяются экспериментально по результатам измерений параметров профиля шероховатого тела:

Г я. Л

у = -1 + 21

к Я ,

V а у

(4.2)

ь =

с V Я

тах

v я у

(4.3)

где Яр - высота сглаживания или расстояние от линии выступов до средней линии в пределах базовой длины, Яа - среднее арифметическое отклонение профиля; (рисунок 4.1) [225], 1т - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии:

п

УМ /,

= У_ (4.4)

т I '

где I - базовая длина, Д/г- - длины отрезков, отсекаемых средней линией в профиле. Относительная опорная длина профиля шероховатой поверхности 1т измерялась непосредственно на профилометре. На каждой дорожке трения проводилось не менее тридцати измерений, которые усреднялись для нахождения среднего

экспериментального значения 1т. Измерения проводились в паре трения, то есть как на дорожках трения на образце, так и на контртеле.

Начнем с рассмотрения наиболее простого случая фрикционного контакта, будем считать образец шероховатым, а поверхности контртела идеализируем и примем ее абсолютно гладкой.

Для определения давления на вершинах микровыступов шероховатости, то есть фактического давления Рг, нужно знать преимущественный тип деформаций в трибоконтакте. Для этих целей применяется критерий пластичности, иначе называемый критерием Гринвуда - Вильямсона:

( К 2 ©

К =

г

нв

(4.5)

где © - приведенный модуль упругости:

©=. 1

1—(4.6)

Ех Е2

где г - средний радиус шероховатости, Е и ^ - модули упругости и коэффициенты Пуассона модифицированного образца и контртела.

Если критерий пластичности по результатам расчетов принимает значения больше 1, то контакт можно считать пластическим, если меньше, то упругим [226].

Средний радиус закругления одного микровыступа шероховатости может быть рассчитан непосредственно по данным профилометра [227]:

V2 г

Г = .21 (4.7)

8К 2 ( )

где Бт - средний шаг неровностей, у! - вертикальное увеличение профилометра; у2

- горизонтальное увеличение профилометра. Либо выступы могут быть

смоделированы телами двоякой кривизны [220]:

Г = 0,07. (4.8)

(5,5Яа - Яр) ( )

Если по результатам расчетов преимущественный тип деформаций -упругие, то для расчета давления на вершине микровыступа шероховатости модно

применить решение контактной задачи Герца. В этом случае фактическое давление

на микроконтакте шероховатой поверхности можно рассчитать, как:

1 2у

Рг =(0,430)

2у ( 2N Л 2у+1 ( К Л 2у+1

2У+1 "

лА

V'"^ у

(4.9)

V г у

где N - это нормальная нагрузка, прикладываемая во время испытаний на трение. Если на фрикционном контакте превалируют пластические деформации, то можно считать, что численно Pr ~ HB.

Фактическая площадь контакта можно найти отношением нагрузки в трибологических испытаний к фактическому давлению:

А, = N.

г Р.

(4.10)

Подставим в уравнение (4.1) вместо уровня сечения у величину абсолютного внедрения образца в поверхность контртела h. Учтем, что опорная кривая имеет смысл отношения фактической площади к контурной и приравняем ее к отношению контурного и фактического давлений. Отсюда получим выражение для абсолютного внедрения поверхностей в испытаниях на трение:

и = я

г р Л

v ь-ргу

= К

' N ^

v Ьргу

(4.11)

Тогда отношение числа контактирующих выступов пг на фактической площади контакта к числу выступов на контурной площади ^ может быть определено с помощью функции (4.1).:

п„

п„

' N л

Р-1,

V-!

(4.12)

с V г т у

Под относительным внедрением поверхностей образца и контртела понимают отношение абсолютного внедрения h к среднему радиусу г микровыступа шероховатости. В случае расчета среднего радиуса закругления микронеровности согласно (4.7) и упругого контакта относительное внедрение определяется выражением:

h R

f N ^

i i

r r

Vb-Pr J

8RR

( л т W . ,2

N

v p j

S2

Sm

В случае пластического контакта (Pr ~ HB) получим:

Ъ (4.13)

У\

i

л = 8ЯаЯтах Г N V г22 (414)

г ^ ^ Ь-ИБ)

Если при пластическом контакте радиус вершины каждой шероховатости моделировать телом двоякой кривизны (4.8), то получим:

А 14 ? (- /)3 /УС, Г N V (415)

г " ' БЖ 'I Ь-ИБ) ' ^

m a

Выражение (4.15) используется в работе для анализа данных исследования. В случае сухого трения сплавов на основе железа и титана для разрушения фрикционных связей в результате упругого оттеснения необходимо, чтобы h/r < 0.01. поверхностный слой при этом будет разрушаться преимущественно вследствие усталости и для разрушения материала понадобится большое число повторяющихся циклов испытания. Если на дорожках трения после испытаний видны следы остаточной деформации и h/r > 0.1, то фрикционные связи разрушаются в результате пластического оттеснения более мягкого материала микровыступами шероховатости более твердого тела. В случае h/r > 0.1 поверхности в трибологическом контакте разрушаются в следствие микрорезания и происходит образование микростружки [228].

Для интегральной оценки трибологического качества поверхности образца после электролитно-плазменной обработки рассчитывается критерий Крагельского-Комбалова:

R

д _ max

1 rbv

f 100 Л V

V ^m J r J

(4.16)

Из всех характеристик шероховатости поверхности наиболее часто используется только среднее значение неровностей профиля Яа. Однако при одной и той же величине средней шероховатости шаговые характеристики профиля могут существенно различаться. Радиусы закруглений вершин неровностей также могут

быть острыми либо тупыми. Высота сглаживания и максимальная высота профиля шероховатости способны значительно отличаться при одинаковых значениях Ra профиля. Профили с одинаковыми средними шероховатостями, но сильно отличающимися остальными высотными и шаговыми характеристиками будут неодинаково влиять на трение и износ поверхностей. Поэтому важно привести комплексный параметр шероховатости, физическая сущность которого объясняется с позиции несущей способности. Чем меньше значение А, тем выше несущая способность шероховатой поверхности в трибологическом контакте [229].

4.1.1 Оценка контактной жесткости

Важнейшие показатели, характеризующие качество деталей (точность,

надежность и долговечность) в значительной степени зависят от эксплуатационных свойств сопрягаемых поверхностей деталей, и в частности от контактной жесткости.

Контактная жесткость определяет способность поверхностных слоев деталей, находящихся в контакте, сопротивляться действию сил, стремящихся их деформировать [230]. Контактная жесткость, как и иные эксплуатационные свойства, характеризуется состоянием поверхностного слоя детали, определяемым технологией электролитно-плазменной обработки.

Для оценки контактной жесткости у до и после электролитно-плазменного модифицирования рассчитывалась удельная нагрузка, приходящаяся на номинальную (геометрическую) площадь контакта образца с контртелом в трибологических испытаниях Л и абсолютное сближение h поверхностей образца и контртела:

1=£ • (4^7)

N л„

л = —, (4.18)

где Ла - номинальная (геометрическая) площадь контакта образца с контртелом. Применительно к контакту шероховатой поверхности с гладкой твердой (рисунок 4.1), абсолютное внедрение или сближение поверхностей h определяется

выражением (4.11). Если контакт пластический, то сближение поверхностей трения определится выражением:

1

N V

И = Я

(4.19)

Ъ-ИБ,

Подстановка выражений для абсолютного сближения (4.19) и удельной нагрузки (4.18) в (4.17) позволяет получить оценку контактной жесткости в виде:

1

= _Г Ь_ИБ у (4.20)

1 ЛаЯтах { N J

4.2 Контакт двух шероховатых поверхностей

Если реальная шероховатая поверхность входит в контакт с идеально гладкой поверхностью, то контакт начнется с наиболее высоких микровыступов шероховатости, далее с ростом нагрузки и увеличением сближения поверхностей друг с другом в контакт начнут входить выступы все меньшей высоты. При увеличении нагрузки происходит упругая деформация, и количество выступов, вступивших в контакт, увеличивается. Если гладкая поверхность характеризуется более высокой твердостью, чем шероховатая, то при контакте выступы шероховатости мягкой шероховатой поверхности будут расплющены гладкой поверхностью. В обратном случае, когда более твердая шероховатая поверхность, ее выступы будут внедряться в гладкую поверхность в результате упругой деформации.