Технология имплантирования наноразмерных углеродных материалов с целью повышения износостойкости поверхностей трения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.001.4

ТЕХНОЛОГИЯ ИМПЛАНТИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

А.О. Горленко

С.В. Давыдов

К перспективным направлениям решения задачи повышения износостойкости поверхностей трения деталей машин относится применение наноалмазов в качестве упрочняющих (армирующих) поверхностный слой частиц малого размера. Синтезированные в сильно неравновесных условиях наноалмазы не имеют четкой кристаллической огранки. Округлая форма наноалмазов, наряду с модификацией их поверхности при детонационном синтезе, обеспечивает эффективное их применение для повышения механических характеристик материалов и обусловливает в ряде случаев уникальные триботехнические свойства за счет образования пространственной сетки физических связей на границе раздела структуры материала с наночастицами, имеющими повышенные адсорбционные свойства.

Создание поверхностных слоев с имплантированными наноалмазами способствует повышению плотности слоев, их прочности и обеспечивает наноструктурное состояние, соответствующее повышенной износостойкости в условиях трения.

Данная технология реализуется на специальном оборудовании комбинированной электромеханической обработкой (далее - ИНЭМО), включающей модификацию поверхностей трения с применением наноалмазов детонационного синтеза и последующее упрочнение обрабатываемой поверхности.

Электромеханическая обработка (ЭМО) отличается широкими технологическими возможностями управления микро- и наноструктурным состоянием и триботехническими показателями поверхностей трения деталей машин, а также снижением себестоимости, трудоемкости и энергоемкости в 3…5 раз по сравнению с другими, наиболее распространенными технологическими методами, в частности лазерной и плазменной обработками. При этом эксплуатационные показатели деталей повышаются в 1,5…3 раза.

Технология электромеханической обработки основана на сочетании термического и силового воздействий на поверхность обрабатываемой детали, что приводит к изменению физико-механических и микрогеометрических показателей поверхностного слоя (повышению твердости и прочности, снижению высотных параметров шероховатости и т.д.) и, как следствие, к повышению эксплуатационных показателей деталей, в частности износостойкости, контактной жесткости и прочности, предела выносливости, теплостойкости, фреттингостойкости. Эффект упрочнения при ЭМО достигается благодаря тому, что реализуются высокие скорости нагрева и охлаждения и достигается высокая степень измельченности аустенитного зерна, которая обусловливает мелкокристаллические структуры закалки поверхностного слоя, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами [1; 2].

Технология ЭМО реализуется на специальной установке, представляющей собой технологический комплекс, состоящий: из универсального 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 смазывающе-охлаждающей технологической среды; блока сопряжения с ПЭВМ.

Микро- и наноструктурное состояние поверхностей трения формируется в процессе ЭМО при создании поверхностных слоев с имплантироваными высокотвердыми дисперсными частицами, состоящими из коагулированных наноалмазов. Основное влияние на износостойкость обработанных поверхностей оказывают характер распределения и морфология дисперсной упрочняющей фазы (упрочняющий композиционный эффект, реализующийся в результате распада пересыщенных твердых растворов структуры материала).

Имплантирование наноалмазов в поверхностный слой при электромеханической обработке осуществляется на определенных режимах в коагулированном состоянии (фракции порошка размером 200…250 нм). На поверхность перед обработкой наносятся обмазкой коагулянты, предварительно размешанные с консистентным графитным смазочным материалом в определенной пропорции (для лучшей токопроводимости). Частично эти коагулянты графитизируются под действием температуры, что приводит к дополнительному насыщению поверхностного слоя углеродом. Большая часть коагулянтов внедряется в формируемый поверхностный слой, армируя его.

Затем на этой же поверхности проводится ЭМО на упрочняющих режимах. В процессе высокотемпературного пластического деформирования под воздействием высоких температур и давлений происходит аустенизация поверхностного слоя стали в зоне контакта. Углерод из обмазки, состоящей из графита и наноалмазов, в твердофазном процессе насыщения диффундирует в поверхностные слои, повышая содержание углерода в аустените. Это хорошо видно на рис. 1 (структура фотографировалась на микроскопе LEICA DMIRM в лаборатории компьютерной микроскопии и анализа Брянского государственного технического университета).

С ростом содержания углерода и повышением скорости охлаждения в структуре стали увеличивается доля перлита с интенсивным снижением толщины ферритной окантовки вокруг перлитных зерен (как следствие процесса нормализации стали при интенсивном охлаждении). Во 2-м вышележащем слое (рис. 1) вследствие интенсивного охлаждения структура стали состоит из ферритной оторочки (сетки) и сорбито-троооститных зон (структуры закалки). Следовательно, в процессе упрочнения ЭМО сталь подвергается одновременно нормализации (с ускоренным охлаждением и образованием ферритно-перлитной структуры) и закалке (с образованием ферритно-сорбито-трооститной структуры).

Вследствие высокотемпературного пластического деформирования на поверхности стали образуется слой спеченного графита с имплантированными наноалмазами, состоящий в основном из спеченной массы графита и наноалмазов.

На поверхности раздела ферритно-сорбито-трооститной структуры стали и слоя спеченного графита, имплантированного наноалмазами, формируется переходный слой, структура которого состоит из металлической матрицы стали, насыщенной имплантированными наноалмазами.

Структура наноалмазного графитного слоя (рис. 2) состоит из основы, спеченного графита, наноалмазов различных размерных групп и включений карбидов различной природы, в частности цементита.

Полученный слой обладает высокими триботехническими характеристиками, так как его основа (спеченный графит) является высокоэффективным антифрикционным материалом, армированным имплантированными наноалмазами и дисперсными частицами карбидов различной природы.

Рис. 1. Многослойная структура поверхностных объемов стали 45 после формирования имплантированного наноалмазами слоя и последующего электромеханического упрочнения (х100, травление ниталем):

нижний слой - основа материала, нормализованная структура стали;

1-й вышележащий слой - нормализованная структура, образованная

высокой скоростью охлаждения; 2-й вышележащий слой - зона

с повышенным содержанием углерода, состоящая из закалочных

структур сорбито-трооститного типа; верхний слой - слой спеченного

графита, имплантированный наноалмазами

Рис. 2. Структура слоя спеченного графита, имплантированного наноалмазами (х500)

Упрочненный нижележащий ферритно-сорбито-трооститный слой имеет мелкозернистую текстурированную износостойкую структуру. Существенным компонентом данной структуры является измельченное зерно феррита, получаемое вследствие перекристаллизации сильно деформированного аустенита при электромеханическом упрочнении. Размер зерна феррита по сравнению с основой материала уменьшается в 15 раз.

Микротвердость поверхностного слоя (при обработке среднеуглеродистых сталей) достигает 1000 HV на поверхности. Глубина общего упрочненного слоя - до 1,2 мм. При этом осуществляется плавный переход твердости упрочненного слоя от поверхности к неупрочненной сердцевине детали, что не приводит к его отслоению при динамических нагрузках. Обеспечиваемые микрогеометрические параметры обработанных деталей: Ra = 0,2…3,2 мкм; Sm = 0,025…0,36 мм; tm = 50…70 %; Wz = 0,4…8,0 мкм, Hmax = 6…20 мкм.

Для комплексных сравнительных испытаний износостойкости исследовались наружные цилиндрические поверхности образцов, изготовленных из среднеуглеродистой стали 45 с применением следующих технологий:

- объемная закалка, низкотемпературный отпуск (ТО), твердость 55 HRC; деталь наноалмаз износостойкость цилиндрический

- электромеханическое упрочнение обрабатываемой поверхности (ЭМО), микротвердость 750 HV;

- нанопокрытие системы Si-O-C-N, нанесенное с использованием технологии финишного плазменного упрочнения (ФПУ) в ООО «НПФ «Плазмацентр» (г. Санкт-Петербург), нанотвердость покрытия 23 ГПа [3];

- комбинированная электромеханическая обработка (ИНЭМО) - формирование имплантированного наноалмазами поверхностного слоя и последующее упрочнение обрабатываемой поверхности, микротвердость 950 HV.

Комплексные сравнительные испытания образцов проводились в лаборатории «Триботехника» Брянского государственного технического университета на автоматизированной установке, созданной на базе машины трения МИ-1М и предназначенной для триботехнических испытаний цилиндрических образцов из металлических материалов и сплавов, позволяющих определить триботехнические показатели поверхностей в условиях трения скольжения при граничной смазке нормализованным методом с применением автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) [3; 4].

При испытаниях с установленными нагрузкой и скоростью скольжения к вращающейся цилиндрической поверхности образца, частично погруженного в смазочный материал, прижимался неподвижный цилиндрический индентор. Для установки образцов и индентора использовалась схема со сменными держателями, обеспечивающая самоустановку индентора относительно испытуемой поверхности образца на промежуточной сферической опоре для реализации линейного контакта.

В процессе испытаний с помощью системы датчиков непрерывно и синхронно регистрировались время испытания, нагрузка, температура, коэффициент трения и линейный износ. Их численные значения выводились на монитор персонального компьютера. Для измерения момента трения и нагрузки использовались тензодатчики, для измерения температуры - термопара. Для непрерывного измерения износа в процессе проведения испытаний была разработана специальная схема с применением индуктивного датчика, позволяющая исключить влияние на результаты измерений радиального биения и тепловых деформаций испытуемого образца.

По результатам анализа регистрируемых параметров определяли следующие показатели триботехнических свойств:

- время приработки t0 (ч) - время от начала испытания до момента времени выхода кривой изнашивания на участок нормального изнашивания;

- приработочный износ h0 (мкм) - величина сближения, определяемая в момент времени окончания приработки t0;

- среднее значение коэффициента трения в период нормального изнашивания f;

- f0 / f - отношение максимального значения коэффициента трения в период приработки f0 к его среднему значению в период нормального изнашивания f;

- среднее значение интенсивности изнашивания в период нормального изнашивания

,

где h - суммарная величина износа образца за время испытаний, мкм; L - путь трения, пройденный поверхностью образца за время испытаний, мкм; L0 = 3,6 · 10 9 t0 х - путь трения, пройденный поверхностью образца за время приработки, мкм;

- значение интенсивности изнашивания за общее время испытаний .

Испытания образцов проводились при следующих условиях: скорость скольжения х = 1 м/с; нормальное усилие нагружения N = 100 ± 0,5 %, Н (соответствует давлениям, рассчитанным по Герцу, порядка 150 МПа); вид первоначального контакта - пластический насыщенный; вид смазки - граничная; вид смазывания - окунанием; ведущий вид изнашивания - усталостное; смазочный материал - масло индустриальное И - 20А (ГОСТ 20799 - 88); материал индентора - твердый сплав ВК8; общее время испытаний каждого образца - 8 ч.

Таблица Результаты триботехнических испытаний образцов, изготовленных из стали 45, после различных методов обработки

Рис. 3. Результаты испытаний образца, изготовленного из стали 45, после объемной закалки и низкотемпературного отпуска

Результаты триботехнических испытаний образцов, изготовленных из стали 45, после различных методов обработки представлены в таблице, а также на рис. 3 и 4. Таблица и рис. 3 и 4 составляют основу протокола триботехнических испытаний.

Рис. 4. Результаты испытаний образца, изготовленного из стали 45, после формирования имплантированного наноалмазами слоя и последующего электромеханического упрочнения

По результатам триботехнических испытаний установлено, что износостойкость образцов с имплантированным наноалмазами слоем и последующим электромеханическим упрочнением в период нормального изнашивания повысилась по сравнению (в скобках указаны значения для общего времени испытаний):

- с термообработанными образцами - в 3,3 (3,9) раза;

- упрочненными ЭМО - в 1,1 (1,8) раза;

- обработанными ФПУ - в 1,3 (1,4) раза.

Модификация поверхности трения стали за счет образования на ней слоя спеченного графита, имплантированного и композиционно упрочненного наноалмазами и карбидами различной природы, наряду с формированием упрочненной ферритно-сорбито-трооститной и ферритно-перлитной мелкозернистой структуры нижележащих слоев материала методом ИНЭМО позволяет повысить износостойкость поверхностей трения, что подтверждается триботехническими испытаниями.

Наличие многослойной структуры, имеющей общую металлическую матрицу основы материала, обеспечивает монолитную сцепляемость упрочненных слоев без нарушения сплошности в процессе изнашивания при значительных динамических нагрузках, что также подтверждается триботехническими испытаниями.

Кроме того, экономически выгодно использовать для ответственных пар трения не дорогостоящие высокоуглеродистые и высоколегированные стали, а относительно дешевые среднеуглеродистые, на которых можно получить аналогичную микротвердость и повышенную износостойкость, чего не позволяют добиться в подобной степени другие методы термообработки и поверхностного упрочнения. В этом состоит преимущество технологии ИНЭМО. Коэффициент упрочнения достигает k = 3,5…4.

Также на среднеуглеродистых сталях с помощью методов ЭМО и ИНЭМО можно подготовить поверхность требуемого качества (не уступающую по микротвердости высокоуглеродистым и высоколегированным сталям) перед нанесением высокотвердых нанопокрытий, в частности с использованием технологии ФПУ.

Применение данной технологии возможно на машиностроительных предприятиях в качестве высокоэффективного способа обеспечения и повышения эксплуатационных показателей деталей машин на стадии их изготовления.

Список литературы

1. Горленко, А.О. Упрочнение поверхностей трения деталей машин при электромеханической обработке / А.О. Горленко // Вестн. БГТУ. - 2011. - № 3. - С. 4 - 8.

2. Горленко, А.О. Импульсная электромеханическая обработка / А.О. Горленко, О.А. Горленко // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2011. - № 6. - С. 21 - 25.

3. Горленко, А.О. Повышение износостойкости цилиндрических поверхностей трения путем нанесения упрочняющего нанопокрытия / А.О. Горленко, П.А. Тополянский, А.П. Тополянский, В.М. Сканцев, И.Л. Шупиков, А.Н. Ерохин // Вестн. БГТУ. - 2012. - № 1. - С. 4 - 9.

4. Горленко, А.О. Триботехнические испытания поверхностей деталей нормализованным методом / А.О. Горленко, М.И. Прудников // Справочник. Инженерный журнал. - Прил. 10. - 2009. - С. 22-24.

Аннотация

Описаны технология и оборудование для упрочнения поверхностных слоев деталей машин на основе применения наноалмазов детонационного синтеза с целью повышения износостойкости. Приведены результаты триботехнических испытаний цилиндрических образцов нормализованным методом с применением автоматизированной системы научных исследований.

Ключевые слова: поверхностный слой, износостойкость, наноалмазы, технология имплантирования, электромеханическая обработка, упрочнение, триботехнические испытания.

Размещено на Allbest.ru