Диссертация (1137132), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Суть технологии заключается в создании модифицированногоповерхностного слоя, обычно толщиной 5 – 30 мкм, путем его пластическогодеформирования с помощью ультразвукового и механического воздействий,активирующих вхождение ультрадисперсных частиц минералов в объемметалла, а также процессов, пока охраняемых в режиме ноу-хау [14].Базовая процедура модификации поверхности металла по технологииминеральных покрытий состоит из четырех этапов [14]: электроискроваяобработкаповерхности;текстурированиеповерхности;внедрениеультрадисперсных частиц в поверхностный слой при помощи ультразвуковойустановки; использование шариковых и роликовых накаток при обработкеповерхности.
В результате формируется поверхностный слой, имеющийвысокие антифрикционные, износостойкие, противозадирные свойства [4].8Базовая технология служит основой для дальнейшей разработки маршрутныхи рабочих технологий, в том числе являющихся ноу-хау, для получениянеобходимых характеристик поверхностных слоев [14].При практическом применении также важно, что технология не меняетгеометрические размеры деталей, минеральные слои могут быть созданылокально, все технологические операции проводятся на воздухе прикомнатной температуре, локальный нагрев не превышает 80 0С [4, 13].Здесь нужно подчеркнуть, что в работах [15-17] нами былоустановлено, что технология минеральных покрытий не создает покрытиякак такового, а создает модифицированный слой глубиной до 30-50 мкм.Учитывая, что термин «минеральное покрытие» является достаточнораспространеннымиустоявшимся,мырешилииспользоватьего,подразумевая под этим термином поверхностный слой металлическогообразца или детали, обогащенный частицами минералов.Очевидно,чтозаисключениемтехнологическихпроцессов,охраняемых в режиме ноу-хау, технология минеральных покрытий являетсякомбинацией нескольких известных технологических методов упрочненияповерхности:электроискровойобработки,ультразвуковойобработки,пластической деформации (накатки).
Сочетание этих методов обработкиповерхности в одном технологическом цикле приводит к изменениюфизического и структурного состояния поверхностного слоя, изменению егофизических параметров. Другой частью технологии являются смесиминералов ультрадисперсного помола, частицы которых внедряются вприповерхностное пространство при помощи некоторых из этих методов.Смеси минералов (состав и степень помола), используемые для различныхслучаев, в настоящее время также охраняются в режиме ноу-хау.Кратко охарактеризуем указанные выше элементы технологииминеральных покрытий.1.
Электроискровая обработка поверхности9Механизм воздействия представляет собой совокупность процессовконтактного переноса материала электрода, эрозионного и термохимическогопроцессов. Сущность процесса электроискрвого легирования состоит вразрушении материала анода при искровом разрядеи переносе его наупрочняемую поверхность – катод.
При импульсном воздействии тока,локальномнагревеипереносематериалапроисходитобразованиесопутствующих химических соединений, новых фаз материала, оксидов и пр.Доминирование одного из вышеперечисленных процессов зависит отрежимов обработки и материала легирующего электрода [5]. В зависимостиот задачи, для материала анода могут быть использованы графит, сталь, хроммарганец, карбиды вольфрама и титана.2. Изменение структуры и свойств металлической поверхности припомощи ультразвуковой обработки.Технически метод представляет собой совокупность устройств попередачеультразвуковыхколебанийрабочемуинструменту(обычноиндентору). Физически состояние поверхностного слоя детали определяетсякак результат двух конкурирующих процессов: упрочнения (наклепа) иразупрочнения,происходящегоиз-заразвитиямикродефектоввповерхностном слое.
Применение ультразвуковой обработки приводит квозрастанию поверхностной твердости на 10-30%, создает возможностьповышения твердости таких крупных и массивных деталей, как валыпрокатного стана, авиационные лопатки, штампы [7]3. Пластическое деформирование поверхности при помощи ударноимпульсной упрочняющей обработки (накатки).Одним из способов воздействия на поверхность металла в технологииминеральных покрытий является использование метода виброударныхнакаток,являющегосяоднимизспособовударно-импульсногомеханического воздействия на поверхность [6]. При этом воздействиииндентор деформирует микронеровности обрабатываемой поверхности.10Величина воздействия ограничивается величиной силы, которую можноприложить от инструмента (в связи с тем, что это усилие в качестве реакциицеликом передается на механизмы станка).
Силы сцепления материалапокрытия с материалом основы здесь получаются ниже, чем приультразвуковой обработке. Подобный метод формирования покрытия можноиспользовать в случаях, когда силысцепления покрытия с основой неявляются критичными и в случаях, когда под действием рабочего давления впаре трения происходит дополнительное упрочнение материала покрытия.Для одновременного образования микрорельефа (ямок/углублений)индентор может дополнительно оказывать воздействие вдоль своей оси ивдавливаться в поверхность более или менее перпендикулярно ей. Такоевоздействие может осуществляться с помощью электромагнитных приводов,пьезоэлектрических приводов и рычажных систем.
Материал вдавливающегоиндентора - твердые сплавы на основе карбида вольфрама или карбидатитана.Врезультатеполучаетсябеспорядочноераспределениеямок/углублений, которые заполняются измельченными минералами.В совокупности создается эффект объемного сжатия основного металлаи минерала в зоне пластической деформации, и, как следствие этого,упрочнение данного объема.Режимы формирования покрытий, инструмент и приспособлениявыбираются, ориентируясь на физико-механические свойства поверхностиметалла, требуемые конечные характеристики покрытия, параметры режимовработы машин и механизмов.В совокупности, такая «холодная» обработка создает тонкий слой свключеннымивметаллминералами,образуетмикроструктуруспроизвольным распределением внедренных частиц.
Эффект внедрениячастиц зависит от условий внедрения (вида обработки), и параметров образца[15].11Исследование минеральных материаловВ настоящее время используются около 80-ти видов минеральныхматериалов для создания многофункциональных минеральных покрытий [11,13, 18].Таблица 1. Основные виды минеральных материалов, используемых присоздании покрытий [11, 18]Наименование веществКоличестворазновидностейСерпентиниты Mg6[Si4O10](OH)828Ряд SiO218Ряд Al2O310Жадеит NaAlSi2O64Графит2Алмазы3Слюды, например KMg3AlSi3O10(OH)24Циркон Zr[SiO4]2Бадделеит ZrO21Эвдиалит1Оливин Mg1,8Fe0,2[SiO4]3Ряд форстерита Mg2SiO44Комбинированные вещества10Фундаментальной базой прикладных исследований по использованиюминеральных материалов для создания покрытий являются работы покристаллохимии и кристаллографии д.г.-м.н.
В.В. Зуева, д.т.н. Ю.В.Холопова, к.т.н. С.Ю. Лазарева [11-13, 18-19]. Виды используемыхматериалов определяют по составу и количеству примесей, структурнофазовому состоянию входящих в смеси компонентов и другим признакам.12Представлениеосоставепородминеральныхматериалов,применяемых в технологии минеральных покрытий, можно получить напримере серпентинита, добавляемого в смеси минералов для получениянизкого коэффициента трения при трении металла о металл без смазки.Таблица 2.
Вещественный состав серпентинитов [11, 19]НаименованиеХимическая формулаСодержание, масс%СерпентинMg6[Si4O10](OH)860-80МагнетитFe3O45-20Хлориты(Mg, Fe2+, Fe3+)[Al Si2O16](OH)80-10СлюдыAB2-3 [T4O10](OH,F)20-10(A=K, Na, Ca и др. B=Al, Mg, Fe T=Si,Al)ФорстеритMg4[SiO4]0-5ДиопсидCa Mg [Si2 O6]0-5АвгитCa (Mg, Fe, Al) [Si, Al)2 O6]0-5АмфиболыA2-3 B5 [(Si, Al)4 O11]2 (OH)20-5(A=Mg, Fe2+, Ca или Na, B=Mg, Fe2+,Fe3+, или Al)ГидроталькитMg6Al2 (OH)16 [CO3]4H2O0-12КарбонатыCaCO, CaMg(CO3)2 и др.0-12ПолевыеK[AlS3O10]0-9CuFeS20-2(Mg, Fe)2[SiO4]0-3шпаты(ортоклаз)Сульфиты(халькоперит)Оливин13ПироксенAB [Si2O6]0-3(A=Li, Na, Ca, Mg или Fe2+, B=Mg, Fe3+или AlПрочие смесиАсбест,платина,золото, 0-5редкоземельные металлы и т.д.Серпентиниты (класс слоистых силикатов) имеют ряд кристаллическихмодификаций, незначительно отличающихся друг от друга: антигорит,лизардит, лизардит-Т, хризотил-асбест, клинохризотил и другие.
Всемодификациииспользуютсядляизмененияпараметровповерхностиметаллических деталей. За последние 15 лет выполнены работы поисследованию параметров минералов, оптимизации их состава и свойств длярешения конкретных триботехнических задач [12, 19, 20].Необходимо отметить, что классификация природных минеральныхматериалов, используемых для улучшения параметров поверхности деталей,узлов и механизмов,пока не устоялась и ждет своего исследователя,владеющего системным подходом и имеющего доступ к информации осоставах смесей.Исследование свойств покрытийИсследование свойств покрытий из минеральных материалов итехнологии их формирования были начаты с момента создания базовыхпроцессных шагов технологии минеральных покрытий.
Своего пикаколичество публикаций с исследованием минеральных покрытий достигло ксередине 2000-х годов и связано с исследовательскими работами профессора,д.т.н. Ю.В. Холопова, к.т.н. С.Ю. Лазарева, профессора, д. геол.-минерал. н.В.В. Зуева, профессора, д.т.н. В.Н. Половинкина, профессора, д.т.н. В.П.Алехина и других исследователей работавших с минеральными покрытиямии ультразвуковым воздействием на поверхность материала [3, 11-13, 19-20].Большинство работ посвящено прикладным исследованиям свойств и14параметров покрытий конкретных деталей и механизмов, в частности, узловуправления турбин для геотермальных станций [21], подшипников,работающих на водяной смазке [11], деталей двигателей внутреннегосгорания [13], деталей турбин [22], зубчатых колес [23] и других.
Былиисследованы механизмы износа конкретных деталей с минеральнымипокрытиями,изменениякоэффициентатрениядеталей,величиныадгезионных чисел ряда материалов с минеральным покрытием [13],стойкость покрытий в некоторых агрессивных средах [21] и т.д. Спецификаминеральных материалов привела некоторых исследователей (С.Ю. Лазарев,Ю.В. Холопов, например работы [11-13, 20, 24]) к предложению новогоподходаприописаниинекоторыхсвойствматериаловнаосновеэнергетических параметров.
Так для оценки триботехнических свойстввещества был сформулирован ряд критериев и введены энергетическиепараметры, такие как энергоплотность вещества, удельная объемная энергияпластической деформации, коэффициент дефектности вещества и другиепараметры [11-13], которые были использованы, в том числе, для созданияавторами теории безызносности [24].Однако до настоящего времени, вопросы теоретического объясненияэффектов, возникающих при легировании металлов ультрадисперснымичастицами минералов природного происхождения, пока носят характерпредположений. Возможно, что причиной изменения свойств минералов приизмельчении является проявление одного или нескольких эффектов [11], вчастности:- увеличение удельной поверхности, повышение поверхностной активностичастиц малого размера;- переход вещества в новую модификацию;- аморфизация кристаллических веществ;- дегидратация и гидратация.15Например, измерение удельной поверхности измельченного кварца взависимости от времени измельчения дало следующий результат, таблица 3.Таблица 3 [25]Время125101520256024,5-60,0-112,6- 209,5- 240,0- 266,0- 279,0- 317,0-81,0117,0измельченияУдельнаяповерхность, 28,0239,0278,5285,0334,0436,0м2/гОчевидно, что увеличение удельной поверхности приводит к ростуинтенсивностивзаимодействиясокружающимиобъектдругимиповерхностями, в частности, увеличивается величина адгезионных сил приформировании покрытий.При измельчении вещество может переходить в другое фазовоесостояние, сохраняя свой химический состав, таблица 4.Таблица 4 [26]Исходный минералВремяОбразование новых фазистирания, чпо даннымрентгенографическогоанализаИсландский шпат CaCO36Не обнаружено24Арагонит(CaCO3)внебольшом количестве48АрагонитвбольшомколичествеСинтетический CdCO35Не обнаружено1622CdO (образец пожелтел)19Гаусманит Mn3O442Только браунит Mn2O3Смитсонит ZnCO323Преимущественно ZnOДоломит24Деградация структурыРодохрозит MnCO3Динамическое давление при измельчении также может приводить каморфизации поверхностного слоя дисперсных частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
