Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.8

Повышение износостойкости цилиндрических поверхностей трения на основе сочетания методов нанесения нитрид-титановых покрытий и электромеханической обработки

В.П. Матлахов

Аннотация

Рассмотрена технология обеспечения износостойкости цилиндрических поверхностей трения на основе сочетания методов нанесения нитрид-титановых покрытий и последующей электромеханической обработки. Найдены коэффициенты в кинетической модели изнашивания и проведены сравнительные испытания с различными технологическими методами обработки.

Ключевые слова: износостойкость; электромеханическая обработка; нитрид-титановые покрытия; цилиндрические поверхности; трение.

Многие рабочие параметры изделия в основном определяются состоянием поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Экономически оправдывает себя применение при изготовлении машин и аппаратов материалов с различными покрытиями, обеспечивающими нужный комплекс свойств. Одной из технологий нанесения покрытий являются методы физического осаждения покрытия (ФОП), получившие в мировой практике название РVD (phisical vapor deposition). Среди методов ФОП наибольшее распространение получил метод конденсации покрытия из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности (метод КИБ), разработанный Харьковским ФТИ совместно с Мосстанкином и Всесоюзным научно - исследовательским институтом инструмента (ВНИИ) [1]. В лаборатории УНТИ БГТУ работы по нанесению покрытий в вакууме ведутся на стационарной установке «Пуск-83», с торцовым дуговым испарителем и номинально холодным катодом (рис.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы использования метода обусловлены его уникальными особенностями: универсальностью, т.е. применимостью для любых материалов; высокой производительностью, малой энергоемкостью, экономичностью, отсутствием инструментального контакта с обрабатываемым материалом; широким диапазоном удельных мощностей воздействия на деталь (от 0,1 до 10¹¹ Вт/см), возможностью ускорения ионов металла с помощью отрицательного заряда на детали (относительно корпуса), высокой управляемостью различными параметрами процесса с целью получения требуемых характеристик покрытия; малой инерционностью технологического процесса; быстротой перестройки; высокой воспроизводимостью параметров; возможностью совмещения различных операций; экологической чистотой технологии; возможностью локального и селективного воздействия на деталь[2].

Материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором могут оптимально сочетаться свойства поверхностного слоя (высокие значения твердости, теплостойкости, высокая сопротивляемость микро- и макроразрушению, пассивность по отношению к контртелу, способность к уменьшению контактных нагрузок, снижению мощности тепловых источников и благоприятному перераспределению тепловых потоков, следовательно, к уменьшению термомеханической напряженности и т.д.) и свойства, проявляющиеся в объеме детали (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т.д.).

Методы ФОП получили распространение в связи с технологическими задачами микроэлектроники и лишь сравнительно недавно начали использоваться как эффективный метод поверхностного упрочнения тяжелонагруженных деталей, эксплуатирующихся, как правило, при высоких температурах в условиях контактных взаимодействий. Такие условия эксплуатации характерны для металлообрабатывающего инструмента, рабочих элементов штампов, пресс-форм, приспособлений, деталей машин, работающих при высоких температурах в условиях адгезионного и диффузионного изнашивания[1,2]. Многочисленные исследования свидетельствуют о повышении стойкости режущего инструмента не менее чем в два раза [1-3]. Однако для данных покрытий характерны такие недостатки, как относительно низкая прочность сцепления с основой из-за сильной разности свойств покрытия и основы, невысокая трещиностойкость и наличие дефектов покрытия (капельная фаза б-Ti, открытые поры, отслоения, наплывы, структурные неоднородности), способных вызвать процесс микрорезания поверхности контртела. Следовательно, в парах трения, где износом контробразца пренебречь нельзя, например в подшипниках скольжения с втулкой из мягкого антифрикционного материала, подвергающейся сильному износу за счет процесса микрорезания о сверхтвердые неровности и дефекты TiN, необходим переход к более твердым материалам втулки и дополнительная обработка вала с целью устранения процесса микрорезания[4].

Одним из эффективных способов повышения износостойкости и антифрикционных свойств покрытий, при минимальных энергетических затратах, может стать ЭМО (электромеханическая обработка). Основными причинами улучшения механических свойств покрытий и основы при ЭМО являются стуктурно-фазовые изменения поверхностного слоя, стимулированные высокоскоростным нагревом с одновременным силовым воздействием и последующим высокоскоростным охлаждением.

Технология ЭМО реализуется на специальной установке, представляющей собой технологический комплекс, состоящий: из станка (применяемого для механической обработки заготовок) с соответствующими инструментами и приспособлениями для закрепления обрабатываемой детали и подвода электрического тока большой силы и малого напряжения; силового блока для преобразования промышленного электрического тока; блока управления режимами обработки; средств коммутации и подвода СОТС. Источник питания конструктивно выполнен в виде отдельных, сопряженных между собой блоков. Имеется панель ручного управления режимами обработки с индикацией их значений, а также гнезда для подключения ПЭВМ, РПЗУ и соответствующих датчиков. Панель содержит органы управления (и индикации) формой тока, напряжением, силой тока, частотой тока, длительностью импульсов и пауз тока. Данная установка может использоваться на базе любого токарного или фрезерного станка. В УНТИ БГТУ электромеханическая обработка цилиндрических поверхностей ведется на токарно-винторезном станке мод. 1К62 (рис. 2).

При электромеханической обработке использовалась сдвоенная инструментальная головка с вертикальным расположением роликов из псевдосплава карбида вольфрама с медью (рис. 3). Для отвода тепла оси роликов сделаны полыми. В эти полости и зону упрочнения с помощью системы охлаждения станка подводится смазывающе-охлаждающая жидкость, представляющая собой раствор электролита (NaCO₃-0,7%;Na-NO₂-2%;NaNO₃-5%;H₂O-92,3%).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Инструментальная оснастка при электромеханической обработке

Испытания на износостойкость проводились по схеме «вал - неподвижная колодка» в условиях граничной смазки с применением АСНИ для проведения испытаний на трение и изнашивание, созданной на кафедре «Триботехнология» УНТИ БГТУ на базе серийной машины трения МИ-1М с нагружающим устройством оригинальной конструкции (рис. 4)[5].

Условия проведения испытаний принимались исходя из анализа работы деталей с цилиндрическими поверхностями трения в типовых узлах трения: испытания проводятся в условиях граничной смазки; смазывание - погружением части образца в смазочный материал; смазочный материал - масло индустриальное И - 20А (ГОСТ 20799 - 75), скорость скольжения х = 1 м/с, нагрузка на индентор - 500 Н. В качестве материала индентора использовалась сталь 20Х2Н2М после цементации и закалки до твердости 61-63 HRC_э.

Рис. 4. Нагружающее устройство модернизированной машины трения МИ-1М: 1 - датчик нагрузки; 2 - контр-тело; 3 - образец; 4 - датчик температуры; 5 - датчик износа

Система позволяет контролировать и обрабатывать в реальном времени следующие параметры испытания: нагрузку на образцы, момент трения, температуру, суммарный линейный износ. Для этой цели используются соответствующие датчики, усилители, плата сбора данных, программное обеспечение. Информация, полученная с датчиков, обрабатывается с помощью ЭВМ в процессе испытаний и отображается на мониторе. После завершения испытаний программа автоматически генерирует отчёт в формате HTML.

Детали типа тел вращения (валы, оси, втулки) в основном изготовляют из конструкционных и легированных сталей, к которым предъявляются следующие требования: высокая прочность, хорошая обрабатываемость, малая чувствительность к концентрации напряжений, а также способность подвергаться термической обработке. Одной из наиболее часто применяемых для таких деталей является сталь 45 (ГОСТ 1050-88). Поэтому для проведения экспериментальных исследований на образцах использовалась эта сталь.

В результате проведения ряда предварительных исследований и на основе рекомендаций литературных источников [1-4] были выбраны оптимальные режимы нанесения нитрид-титановых покрытий.

Для выявления возможностей ЭМО было проведено исследование распределения микротвердости по глубине и значений параметров шероховатости для двух видов тока: переменного и постоянного (рис. 5, 6).

Микротвердость поверхности при упрочнении ЭМО с постоянным током достигает величины HV1000. Применение переменного тока обеспечивает аналогичную микротвердость поверхности и более плавный переход значений микротвердости от поверхности к сердцевине, но более высокие параметры шероховатости. Таким образом, применение ЭМО с постоянным током можно порекомендовать для деталей с высокими требованиями к шероховатости обработанной поверхности. Для деталей с низкими требованиями к шероховатости и высокими требованиями к глубине микротвердости целесообразно рекомендовать применение ЭМО с переменным током.

Рис. 5. Зависимость микротвердости образца с ЭМО от глубины:

Рис. 6. Параметры шероховатости цилиндрических образцов с различными видами обработки:

В результате проведения испытаний на машине трения МИ-1М при электромеханической обработке с постоянным током нитрид-титановых покрытий методами линейного регрессионного анализа установлены значения коэффициентов К_J, m и n в модели изнашивания [6, 7], которая с учетом этих значений принимает вид . Методами регрессионного анализа установлена тесная корреляционная зависимость между интенсивностью изнашивания и параметрами С_Х и С_F (множественный коэффициент корреляции R = 0,81).

При электромеханической обработке с переменным током нитрид-титановых покрытий методами линейного регрессионного анализа установлены значения коэффициентов К_J, m и n в модели изнашивания, которая с учетом этих значений принимает вид . Множественный коэффициент корреляции R = 0,83.

Сравнение значений интенсивности изнашивания, рассчитанных и полученных экспериментальным путем, позволяет считать рассматриваемый подход к определению интенсивности изнашивания как функции от параметров C_X и С_F вполне обоснованным.

Для сравнения антифрикционных свойств нитрид-титановых покрытий, обработанных ЭМО, были проведены исследования износостойкости и коэффициента трения для различных технологических методов обработки поверхностей: точение нетермообработанных образцов и образцов с объемной закалкой; шлифование после объемной закалки; алмазное выглаживание, обкатывание роликом, ЭМО переменным током после точения; нанесение нитрид-титановых покрытий без последующей обработки и с их обработкой ППД и латунированием.

Результаты измерений коэффициентов трения в процессе изнашивания образцов представлены на рис. 7а. Графики суммарного износа образцов и колодок приведены на рис. 7б.

а) б)

Рис. 7. Зависимость коэффициента трения скольжения (а) и суммарного износа (б) от времени испытаний при различных методах обработки:

Обработка результатов позволила определить интенсивность изнашивания образцов в период нормального изнашивания и коэффициенты в модели изнашивания для данных методов обработки. Анализ полученных результатов сравнительных испытаний показывает, что предложенные технологии улучшения антифрикционных свойств покрытий ЭМО с постоянным и переменным токами позволяют обеспечить высокую износостойкость цилиндрических поверхностей трения, но более предпочтительной является ЭМО с постоянным током.

Такое повышение износостойкости объясняется улучшением антифрикционных свойств покрытий и повышением твердости основного металла при ЭМО. В результате ЭМО происходит существенное увеличение микротвердости подложки и диффузионного слоя. Микротвердость подложки достигает HV 800…1200 до глубины 1 мм, т.е. исчезает резкий перепад механических свойств в переходной зоне «покрытие-основа». Оптимальные режимы ЭМО позволяют добиться параметров шероховатости Ra=0,3…1,6 мкм вследствие оплавления и сглаживания наиболее крупных дефектов покрытий. При этом существенное значение имеет увеличение радиусов закругления микровыступов и впадин, а также увеличение опорной поверхности, что приводит к повышению несущей способности поверхности профиля и уменьшению контактных давлений сопрягаемых деталей. Кроме того, этот способ позволяет получить данный результат и с применением обыкновенной углеродистой или низколегированной стали, что недоступно для других методов обработки, требующих использования высоколегированной стали основы.

Cписок литературы

1. Обеспечение качества и улучшение характеристик режущих инструментов/ В.А. Бондаренко, С.И. Богодухов.- М.: Машиностроение, 2000.- 144 с.

2. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент/Ю. Н. Внуков, А.А. Марков, Л.В.Лаврова, Н.Ю.Бердышев.-Киев: Тэхника, 1992. -143 с.

3. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме/ А.И. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко, О.Н. Соловьева. - М.: Машиностроение, 1991. - 176 с.

4. Матлахов, В.П. Зависимость физико-механических свойств нитрид-титановых покрытий от давления азота/ В.П. Матлахов // Вестн. БГТУ. - 2006.- №2.- C. 93-96 .

5. Горленко, А.О. Метод и автоматизированная установка для испытаний износостойкости цилиндрических поверхностей трения после различных технологических методов обработки/ А.О. Горленко, В.П. Матлахов, М.И. Прудников// Гидродинамическая теория смазки - 120 лет: тр. междунар. науч. симпозиума: 2 т.- М.: Машиностроение - 1; Орел: ОрелГТУ, 2006. - Т.2. - С. 240-247.

6. Горленко, А.О. Моделирование контактного взаимодействия и изнашивания цилиндрических поверхностей трения / А.О. Горленко, В.П. Матлахов // Трение и смазка в машинах и механизмах. - М.: Машиностроение, 2007. - Вып.8. - С. 3-8.

7. Горленко, А.О. Обеспечение износостойкости поверхностей трения путем управляемого технологического воздействия / А.О. Горленко, В.П. Матлахов // Вестн.БГТУ. - 2007. - №2. - С. 10-15.

Материал поступил в редколлегию 20.12.07.

Размещено на Allbest.ru