[ «ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ...»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Брянская государственная сельскохозяйственная академия
на правах рукописи
КИСЕЛЬ ЮРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ КОМПОЗИЦИОННЫХ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Специальность 05.20.03 – технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве; 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наукБрянск 2014 г.
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ ……………………………..……….………….….. 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА………………..……………….…. 1.1. Износостойкие композиционные электрохимические покрытия (КЭП) для восстановления сельскохозяйственной техники. Электротехнологии модификации износостойких КЭП.. 1.3 Проблемы электромодификации КЭП………………....… 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ …………………………….……………………..…. 2.1 Постановка задачи ……………………..…………..……. Общая методика исследований …………………….…… 2.3 Специальные методики исследования свойств КЭП …… 2.3.1 Определение объемного содержания дисперсной фазы в композите методом микротвердости ………………………………… 2.3.2 Определение параметров субмикроструктуры покрытий по их дилатации ………………………….…………………………… 2.3.3 Определение оптимальной износостойкости КЭП по их шероховатости ……………………………………………….………. 2.3.4 Расчет модуля упругости зернистых композитов методом конечных элементов ……………………..……………………… 2.4 Обработка результатов исследований ……………………
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ И
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КЭП……………… 3.1 Вопросы исследований …………………………………… Взаимосвязь прочностных свойств электролитических осадков с их структурой ………………………….……………..…… 3.3 Взаимосвязь структуры, прочности и износостойкости электролитических композитов …………………………..….………. 3.4 Формирование связи дисперсной фазы и матрицы электрохимических композитов …………………..………….…..………. 3.5 Электротермическая обработка и ее влияние на прочностные свойства КЭП...………………………………………….……. 3.6 Физико-термические процессы при электротермической обработке КЭП ……………………………...…………………….…… 3.6.1 Физико-термические процессы при обработке КЭП лазерным излучением (ЛИ) …………………………..………………… Физико-термические процессы при обработке КЭП ТВЧ Выводы…………………………………………….……………4 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
НА СТРУКТУРУ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА КЭП ……………
Вопросы исследований ….……………………………… 4.2 Порядок проведения исследований ………….………… 4.3 Результаты исследований и их обсуждение ……..……..4.3.1 Взаимодействие между компонентами КЭП при электронагреве ………..………………………………………………..… 4.3.2 Влияние электротермической обработки на структуру и некоторые свойства КЭП …………………………………………..… 4.3.3 Влияние электротермической обработки на износостойкость и другие эксплуатационные свойства деталей с покрытиями.
Выводы……………………………………………….……….
5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ, ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КЭП ………………… 5.1. Вопросы исследований ………………..……….……… Порядок проведения исследований ……..…………… 5.3. Результаты исследований и их обсуждение ……….…. 5.3.1 Повышение равномерности покрытий ….…..………… Организация восстановления и упрочнения деталей электромодифицированными КЭП ………….………..……………..5.3.3 Рекомендации по подбору и эксплуатации ЭС для КЭП с последующей электромодификацией ……………………………… 5.3.4 Особенности выбора оборудования для электромодификации КЭП ТВЧ и ЛИ ………………………………………...…..….. 5.3.5 Технологический процесс и оснастка для нанесения и электромодификации КЭП …………………..……………………….
5.4 Порядок испытания и внедрения технологического процесса ………………………..……………………………….………… 5.5 Испытания технологического процесса и опытная проверка деталей с электромодифицированными КЭП ………………..
5.6 Технико-экономическая оценка технологического процесса ………………………………….….………………..…………..
Выводы …..…………………………………………………….
Общие выводы…………………….………..………………… Список использованных источников ……….……………….
Приложения …………………………………………………… Приложение А. Методы расчета композиционных структур.. Приложение Б. Определение содержания ДФ в КЭП методом микротвердости ………………………………………………..……… Приложение В. Расчет упругих и прочностных свойств композитов ……………………………………………………………..….
Приложение Г. Зависимость шероховатости КЭП от содержания ДФ в покрытии …………………………………..…………… Приложение Д. Влияние обработки ТВЧ и ЛИ на свойства Приложение Е. Влияния состава электролита на равномерность покрытий ……………………………..………………………. Приложение Ж. Выбор оборудования для обработки ТВЧ … Приложение И. Технологический процесс упрочнения деталей нанесением КЭП с последующей обработкой ТВЧ ………..… Приложение К. Технологический процесс упрочнения деталей нанесением КЭП с последующей обработкой ЛИ …………… Приложение Л. Исследование равномерности распределения твердых частиц в электролите-суспензии при механическом и Приложение М. Расчет экономической эффективности повышения долговечности деталей электромодифицированными КЭП Приложение Н. Акты испытаний, опытной проверки и внедрения технологических процессов восстановления деталей модифицированными КЭП ………………………………………………. Приложение П. Методика оценки количественных показателей долговечности деталей сельскохозяйственной техники …….
ВВЕДЕНИЕ
Современная техника испытывает острую необходимость в материалах, способных выдерживать длительные высокие механические и тепловые нагрузки, успешно противостоять вредному воздействию износа, агрессивных сред, знакопеременных и контактных нагрузок. Для повышения долговечности и упрочнения деталей в машиностроении и ремонте широко применяются гальванические покрытия, совершенствуются способы их нанесения на детали и модификации различными способами (механической, химико-термической обработкой и другими видами). Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008…2012 годы (утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446) предусматривает инновационное развитие отрасли, ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий. Однако анализ технической оснащенности сельского хозяйства показывает, что остается низкой обеспеченность сельскохозяйственных товаропроизводителей машинами и оборудованием.Перспективным направлением развития технологии восстановления и повышения износостойкости является электроосаждение износостойких покрытий из электролитов-суспензий (ЭС) с последующей электротермической обработкой. Оно перспективно, как в области повышения качества композиционных электрохимических покрытий (КЭП), позволяющих создавать материалы с высокой износостойкостью, так и в области получения новых материалов с уникальными свойствами при полном переплавлении покрытия.
В предлагаемой диссертации разработаны технологические основы восстановления и повышения долговечности деталей сельскохозяйственной техники износостойкими КЭП с последующей электротермической обработкой с целью восполнить пробел в области теоретических и прикладных аспектов решения важнейшей народнохозяйственной проблемы экономии материально-энергетических ресурсов.
В работе впервые выполнено теоретическое обоснование получения электролитическим осаждением высокопрочного состояния металлов путем формирования их высокодисперсных неравновесных дислокационных структур, определяющих служебные свойства. Выполнен анализ экспериментальных данных на примере железа, его сплавов и КЭП на их основе. Получены закономерности изменения механических свойств износостойких покрытий в зависимости от формирующейся в процессе их получения (электролиза, в постэлектролизный период и в процессе электротермической обработки) дислокационной структуры. Показана е связь с кинетическими параметрами электродных процессов и параметрами электротермической обработки. Электротермическое воздействие приводит к изменению физико-механических свойств покрытий и их общей гетерогенной структуры (электромодификации). Установлена область применения модифицированного электролитического железа для восстановления и упрочнения деталей и предложен метод повышения износостойкости покрытий посредством формирования прочных межфазных связей и снижения остаточных внутренних напряжений.
Изучена взаимосвязь структуры, прочности и износостойкости композиционных материалов с металлической матрицей, образующей непрерывный каркас, в котором равномерно распределены дисперсные твердые частицы, и показано, что твердая дисперсная фаза (ДФ) может значительно увеличивать износостойкость материалов за счет распределения внешней нагрузки между компонентами композиции, сокращения процессов деформации и разрушения связующего. Получены расчетные уравнения для определения объемного содержания наполнителя в наиболее прочных композициях, размеров наиболее прочных частиц и расстояний между ними. Найдены зависимости износостойкости композиций от природы составляющих, размеров и объемного содержания дисперсной фазы.
Впервые теоретически обоснован и предложен механизм электромодификации КЭП. Предложены его модели, позволяющие объяснить и прогнозировать влияние факторов электротермической обработки на формирование свойств КЭП. Разработаны основы теории повышения износостойкости электротермической обработкой КЭП. Показана взаимосвязь структуры и дилатации КЭП. Вскрыты закономерности активирования физико-химических реакций межфазного взаимодействия и предложены модели управления процессом образования прочных связей между дисперсной фазой и матрицей КЭП. Показано, что температура активации взаимодействия компонентов КЭП зависит от особой структуры гальванических покрытий. Выполнена экспериментальная проверка предложенных теорий, подтверждены их основные положения и установлены закономерности получения модифицированных КЭП. Показана связь свойств композитов с их геометрической структурой, природой составляющих, размерами дисперсных частиц.
Впервые теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что для повышения износостойкости и прочности КЭП необходимо обеспечить прочную взаимосвязь между его компонентами, не допуская объемного взаимодействия ДФ с матрицей. Показано, что для повышения износостойкости необходимо сохранить гетерогенную макроструктуру материала и не допускать объемных реакций между компонентами КЭП с образованием новых фаз, что возможно при температуре до 0,3…0,4 сходственной. Превышение этой температуры нагрева КЭП приводит к увеличению внутренних напряжений и снижению работоспособности деталей с покрытиями в условиях динамического нагружения.
Вместе с тем, предложено новое направление повышения усталостной прочности восстановленных деталей (деталей с покрытиями). При этом необходимо использовать ДФ, частицы которой при взаимодействии с матрицей образуют соединения, приводящие к увеличению общего объема покрытия.
Впервые теоретически обоснованы, экспериментально изучены и внедрены в производство способы модификации КЭП электротермической обработкой лазерным излучением (ЛИ) и токами высокой частоты (ТВЧ), применяемые при восстановлении и повышении износостойкости быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники. Разработаны и апробированы технологические операции модификации КЭП ТВЧ или ЛИ. Рассмотрена классификации деталей восстановленных КЭП с последующей обработкой ЛИ или ТВЧ.
Разработаны и апробированы новые методы экспресс-оценки определения объемного содержания ДФ В КЭП методом микротвердости. Теоретически и экспериментально обоснованы методики оптимизации износостойкости композитов по их установившейся шероховатости и расчета упругих характеристик композиционных материалов с дисперсными включениями методом конечных элементов.
Основные теоретические и экспериментальные положения работы апробированы посредством издания двух монографий, 40 статей в рецензируемых журналах и материалах международных научно-практических конференций.
Разработанные при участии автора технологические процессы и оборудование внедрены на ремонтных предприятиях Брянской области для восстановления и повышения долговечности широкой номенклатуры деталей машин с суммарным экономическим эффектом более 800 тыс. рублей.
На защиту выносятся:
- теоретические и экспериментальные закономерности формирования структуры и свойств износостойких покрытий при электролизе. Обоснование субструктурного упрочнения металлов методом электроосаждения и повышения их износостойкости дисперсными включениями;
- теоретические и экспериментальные основы модификации КЭП термической обработкой ЛИ и ТВЧ, применяемые при восстановлении и повышении износостойкости быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники;
- экспериментальные закономерности влияния условий электротермической обработки КЭП на структуру, физико-механические свойства, износостойкость и другие свойства покрытий;
- новые методы определения объемного содержания ДФ в КЭП методом микротвердости, оптимизации износостойкости композитов по их установившейся шероховатости, расчета упругих характеристик композиционных материалов с дисперсными включениями методом конечных элементов;
- разработанные, апробированные и внедренные в производство технологические процессы модификации КЭП ТВЧ или ЛИ. Классификация деталей и рекомендации по их восстановлению КЭП с последующей модификацией ЛИ или ТВЧ. Технологические процессы апробированы и внедрены в производство со значительным экономическим эффектом.
Работы выполнены в период 1995 - 2011 г.г. Исследования - 1995...2002 гг.
по изучению условий получения качественных композиционных осадков, улучшения служебных свойств и работоспособности электролитического железа и его сплавов, проводившиеся на кафедре «Тракторы и автомобили» Брянской государственной сельскохозяйственной академии (БГСХА), позволили предложить ремонтному производству и машиностроению эффективный способ повышения износостойкости серийных и восстановленных деталей композиционными покрытиями на основе сплавов железа с улучшенными физико-механическими свойствами. Поиски были обобщены в кандидатской диссертации "Повышение износостойкости быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники композиционными электрохимическими покрытиями на основе сплавов железа» (Москва, РГАЗУ, 2002 г).
В работе был изучен механизм соосаждения металлов и твердых дисперсных веществ при электролизе, установлена связь между изменением свойств осадков и их структурой, экспериментально найдены условия создания износостойких покрытий на основе сплавов железа с включениями твердых дисперсных карбидов и оксидов. Показано, что изменение свойств металлической матрицы обусловлено влиянием частиц на процесс электрокристаллизации железа.
Затем в 2003...2011 гг. исследования были продолжены в БГСХА и на кафедре механики Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА). Они позволили развить и теоретически обосновать основные положения механизма электротермической обработки КЭП. Впервые было рассмотрено влияние прочности сцепления наполнителя и матрицы на износостойкость покрытий, изучены закономерности активации физико-химических реакций между матрицей и наполнителем. Необходимо отметить, что впервые изложенные автором теоретические представления нашли поддержку в независимо выполненных работах российских и зарубежных исследователей.
Экспериментальные исследования по получению КЭП и их электромодификации проводили в БГСХА и в лаборатории физики металлов и на кафедре ТКМ и ремонта машин БГИТА. Рентгеноструктурные исследования модифицированных КЭП выполняли в лаборатории физики твердого тела кафедры теоретической физики Брянского государственного университета (БГУ). Электротермическую обработку КЭП с помощью ТВЧ выполняли на Брянском экспериментальном заводе по ремонту дизельных машин. Экспериментальные исследования по влиянию лазерной обработки на свойства КЭП проводили на ОАО «Брянсксельмаш». Металлографические исследования структуры покрытий выполняли на кафедре «Трение и износ» Брянского государственного технического университета (БГТУ).
Автор благодарит за помощь и консультации по общим вопросам технологии электротермической обработки КЭП своего учителя академика РАЕН РФ, доктора технических наук, профессора Гурьянова Г.В., выражает благодарность коллективам лабораторий и кафедр Брянской ГСХА, Брянской ГИТА, Брянского ГТУ, Брянского ГУ, ГНУ ГОСНИТИ, РГАЗУ, Саратовского ГАУ, Саратовского ГТУ за поддержку при выполнении данной работы, участие в обсуждении результатов, ценные замечания и практическую помощь.
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1 ИЗНОСОСТОЙКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ (КЭП) ДЛЯ
ВОССТАНОВЛЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ
ТЕХНИКИ
Композиционные материалы находят все большее применение для восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники [1-20].Формирование износостойких слоев гетерогенного материала на поверхности углеродистых сталей, используемых для изготовления деталей, возможно за счет выделения твердых включений при последующей их термомеханической, химико-термической обработке или других видов технологий (борирование, науглероживание, карбонитрирование и другие), или нанесения покрытий, содержащих твердые включения, сцементированные пластичной матрицей (ручная сварка и наплавка, газо-плазменное, гальваника и другие) [21-28].
Наиболее эффективным, ввиду существенных преимуществ перед другими способами, является гальванический метод получения композиционных электрохимических покрытий (КЭП). Разработка данного направления, исследования свойств электрохимических композитов, вопросы теории и практики их получения и применения отражены в статьях и монографиях Л.И. Антропова, М.И. Быковой, А.И. Борисенко, А.Ф. Иванова, С.С. Кругликова, Н.Т. Кудрявцева, Т.П. Конжиной, Ю.Ю. Матулиса, М.А. Мицкуса, В.Ф. Молчанова, Ю.Н. Петрова, Г.В. Гурьянова, Р.С. Сайфулина, Ю.М. Полукарова, И.М. Федорченко, Г.А. Астахова, Е.М. Юдиной, Д.М. Кроитору и других [29-37], а также в работах зарубежных исследователей Т.У. Томашевски, Г. Брауна, Дж.К. Визерса, Н. Гуглиельми, В. Метцегра, Т. Флориана и других [38-43].
КЭП совмещают в себе положительные свойства металлов и жаропрочность, химическую стойкость, твердость, износостойкость неметаллических веществ. Гальванический способ нанесения КЭП на детали с целью их восстановления и повышения износостойкости или упрочнения имеет ряд достоинств:
возможность регулирования состава, структуры и свойств покрытий; простота нанесения равномерного слоя требуемой толщины; отсутствие термического воздействия на деталь и покрытие; возможность исключения последующей механической обработки; низкая себестоимость. Процесс получения КЭП легко управляем, относительно просто регулируется и допускает автоматизацию.
Однако внедрение КЭП в практику машиностроительных и ремонтных предприятий сдерживается ограниченностью сведений об условиях получения и свойствах композиционных покрытий.
Большинство исследований износостойкости КЭП посвящено покрытиям на основе железа и его сплавов [34,37,44-46], никеля [12,31, 47,48], меди [49-52] и хрома [53-55]. Несмотря на то, что испытания проводились при различных режимах трения и принципиально отличающихся друг от друга условиях с применением в качестве контртела различных материалов, все авторы показывают относительную износостойкость КЭП, значительно большую (в десятки раз) в сравнении с «чистыми» покрытиями. Наибольшее распространение на ремонтных предприятиях получил процесс получения КЭП на основе железа и его сплавов [56-61]. Процесс получения КЭП из таких электролитов имеет высокую производительность, экономичность, экологичность в сравнении с другими покрытиями [62-66]. Вместе с тем, ряд важнейших свойств покрытий практически не изучен. Крайне мало исследованы прочность покрытий при растяжении, ударная вязкость, внутреннее трение, электропроводность, модуль упругости, отражающие связь структуры и свойств покрытий.
Основной целью разработки КЭП являлось повышение износостойкости деталей сельхозтехники. Износостойкость КЭП на основе железа исследовали в основном при трении со смазкой [39,67], без смазки [68,69], при повышенных температурах [70, 71], тогда как работы по определению долговечности в условиях изнашивания нежесткозакрепленным абразивом практически отсутствуют. Первые поисковые исследования Г.В. Гурьянова, Е.М. Юдиной, Д.М.
Кроитору по применению КЭП на основе железа для восстановления деталей сельхозмашин работающих в массе абразива показали перспективность применения покрытий для повышения износостойкости таких деталей, как плужные лемеха, лапы культиваторов и другие [72-74].
Износостойкость КЭП зависит от природы компонентов материала и их взаимодействия, размеров ДФ, объемного содержания ДФ в КЭП. Для того, чтобы получение композиций на стадии технологического конструирования материала было доступно производству и управляемо, необходимо развитие принципов создания износостойких материалов, критериев выбора составляющих КЭП фаз и связи компонентов структуры материала с его свойствами.
В работах Р.С. Сайфулина, Г.В. Гурьянова и других авторов, посвященных износостойкости КЭП с включением частиц второй фазы различной природы, различных размеров и содержания, проведены исследования по изучению влияния дисперсных частиц на износостойкость и другие физико-механические свойства КЭП. Твердость частиц второй фазы в этих покрытиях изменялась от 1.0 до 50.0 ГПа, размер - от 0.5 до 40 мкм [9, 12, 27, 32-36, 46-48]. Для получения износостойких КЭП используют самые разнообразные химические соединения – от полимерных порошков до алмазов. В работе [53] для повышения износостойкости в условиях абразивного изнашивания использовали наночастицы.
Такое разнообразие применяемых дисперсных частиц объясняется тем, что в настоящее время нет единых критериев их выбора по физико-механическим свойствам, размерами, содержанию частиц второй фазы для получения наиболее износостойких покрытий.
Вместе с тем, для формирования износостойких КЭП, работающих в условиях абразивного изнашивания, ввиду особых требований к материалу дисперсной фазы (высокая твердость и прочность; химическая стойкость по отношению к компонентам электролитам; частицы должны смачиваться раствором;
высокая агрегативная и седиментационная устойчивостью) наибольшее применение нашли дисперсные частицы электрокорунда и карбида бора.
На стадии проектирования для априорной оценки прочности КЭП часто пользуются теориями дисперсного упрочнения, в соответствии с которыми частицы упрочняют матрицу, стабилизируя ее субструктуру и лимитируя предельный свободный путь дислокаций [75-79]. Наш опыт использования для оценки прочностных свойств дисперсно-упрочненных КЭП показал их неприемлемость (приложение А и В). Действительно, в КЭП ДФ выступает еще и как активная часть гетерогенного материала, воспринимающая основную нагрузку и распределяющая ее в матрице. Авторы работ [9, 34, 36, 37], посвященных теоретическому анализу причин высокой износостойкости КЭП и исследованиям взаимосвязи их триботехнических свойств со структурой и свойствами материалов, оптимальный состав связывают с прочностью матрицы и способностью удерживать частицы ДФ. В работе [80] предполагается, что оптимальная концентрация ДФ формируется на поверхности в зависимости от условий трения. В ряде работ в качестве первопричины выдвигается формирование твердыми включениями благоприятного рельефа поверхности контртела [9, 81].
Вместе с тем, расчеты оптимального состава КЭП на основе железа с включением электрокорунда и карбида бора, отвечающего наивысшей износостойкости, в литературе имеют очень широкий диапазон: оптимальное объемное содержание ДФ в КЭП – 10…40%(об.); оптимальный размер частиц – 1…40 мкм [9, 12, 46-48].
Таким образом, до настоящего времени не установлены теоретические зависимости, определяющие основные требования, предъявляемые и к структуре и оптимальному составу износостойких КЭП, работающих в условиях абразивного изнашивания. В связи с этим задача определения оптимального состава износостойких КЭП и установление его взаимосвязи с условиями эксплуатации деталей остается весьма актуальной.
Динамические условия работы некоторых восстановленных КЭП деталей машин не могут быть охарактеризованы только усталостной прочностью и износостойкостью. Статистика показывает, что большое количество поломок и аварий в технике является результатом непогашенных колебаний, которые упругие системы не могут погасить. Особую роль играет рассеяние энергии в процессе колебаний, связанное с явлением резонанса. По причине плохих демпфирующих свойств для изготовления валов двигателей и других ответственных деталей не нашли применения многие высокопрочные легированные стали [82]. Имеющиеся в литературе данные о влиянии пористого хрома, серебра и олова указывает на существенное влияние покрытий на демпфирование упругих колебаний [83,84]. Вместе с тем, влияние железа и композиционных электрохимических покрытий на их основе, несмотря на его широкое применение в ремонтном производстве, практически не изучено.
Упругие характеристики композиционных материалов обычно определяются в результате механических испытаний. Получение таких данных во многих случаях представляет достаточно трудоемкую задачу, что делает актуальным развитие методов расчета упругих свойств композитов. Широкое распространение получили приближенные методы, точность которых не вполне удовлетворяет исследователей (приложение А) [85-91]. В то же время вопрос о применении метода конечных элементов, который принципиально позволяет уточнить вычисление упругих характеристик и установить характер распределения напряжений в КЭП еще не нашел достаточного отражения в литературе.
Одним из ярких показателей, характеризующих процесс трения и изнашивания, является шероховатость поверхности [92-94]. Трение и изнашивание КЭП во многом определяется субмикроструктурными характеристиками.
Твердые частицы способствуют накоплению дислокационных петель, рассеиванию текстуры, что уменьшает число участков активного адгезионного взаимодействия при трении. Развитая за последние десятилетия теория контактирования, трения и изнашивания твердых тел позволяет установить связь между некоторыми параметрами шероховатости поверхности и важнейшими эксплуатационными свойствами [92-94].
Специфичность строения композиционных покрытий (высокая твердость частиц и относительно низкая твердость матрицы) должна сказываться на развитии особого эксплуатационного рельефа при трении, так как различные по твердости фазы композиций оказывают не одинаковое сопротивление деформации и изнашиванию [89-92]. В случае малого содержания ДФ в КЭП шероховатость будет определяться упруго-пластическими свойствами матрицы.
При большом объемном содержании, когда всю нагрузку воспринимают твердые включения, профиль будет формироваться за счет неровностей, образуемых твердыми включениями, разрушающимися под нагрузкой. Необходимо учесть третий случай формирования установившейся шероховатости КЭП в процессе изнашивания, когда происходит выкрашивание частиц ДФ в связи с ограниченной прочностью матрицы и недостаточным их сцеплением с матрицей. Таким образом, анализ рельефа поверхности КЭП может служить методом определения оптимального содержания частиц ДФ. Однако работы в данной области практически отсутствуют.
Микротвердость матрицы КЭП зависит от параметров субмикроструктуры, изменение которых определяется главным образом влиянием частиц дисперсной фазы (ДФ) на процесс электроосаждения металла и выделения водорода [9, 12]. Априори наличие ДФ в покрытии повышает рассеяние значений микротвердости матрицы, так как отпечатки могут попадать как в основу, так и в твердые включения, скрытые под слоем металла. Рассеяние измеряемой величины вокруг среднего значения математически выражают через коэффициент ее вариации. Представляет практический интерес исследовать влияние содержания ДФ в КЭП на коэффициент вариации микротвердости матрицы, с целью поиска связи между ним и объемным содержанием ДФ в КЭП.
Образование прочных физико-химических связей между частицами ДФ и матрицей должно изменить характер разрушения покрытий и улучшить их физико-механические свойства [9,12]. Вместе с тем, влияние прочности связи ДФ и матрицы на износостойкость КЭП практически не изучено. технология формирования связи ДФ и матрицы в износостойком покрытии практически не изучена. Методики, позволяющие определить момент формирования связи, практически отсутствуют.
Образование новых фаз, прочных химических связей между компонентами композиции возможно в случае сообщения извне материалу определенного количества энергии [95-97]. Последнее условие в связи с функциональным назначением покрытий и, как правило, некогерентностью сочетания кристаллических решеток материала матрицы и дисперсной фазы может быть выполнено различными технологическими приемами, в частности нагревом детали с покрытием, например ТВЧ, ЛИ и другими методами [96-98]. В процессе термохимических реакций между составляющими гетерогенного материала можно получить на поверхности детали новый материал с заданными свойствами [99-104]. Вместе с тем, работ, посвященных теоретическому обоснованию и практическому применению электротехнологий к формированию взаимосвязи ДФ и матрицы (для повышения физико-механических свойств композитов) и активизации диффузионных процессов на границе фаз (для получения из компонентов КЭП новых материалов на поверхности деталей), крайне недостаточно или они носят поисковый характер.
1.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ
ИЗНОСОСТОЙКИХ КЭП
В последние годы произошло значительное расширение сферы использования электротехнологий (лазерных, ТВЧ, плазменных, электроннолучевых и других) в производстве. В промышленности методы модификации поверхности с помощью таких технологий наиболее широкое распространение нашли для упрочнения деталей авиационной, автотракторной, сельскохозяйственной техники, оборудования химических, нефтехимических, металлургических и других производств [20, 98,102-104, 105-117].Электротехнологии модификации поверхностей деталей используют для улучшения их износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости и других свойств [118-122]. Основными преимуществами способа являются:
возможность получения покрытия с заданным составом; высокая скорость нанесения; возможность нанесения на детали со сложной конфигурацией; независимость конечной толщины таких покрытий от режима химико-термической обработки и возможность ее регулирования; возможность получения покрытий на металлах и сплавах, не подлежащих модификации химико-термическими методами [123].
Модификацию гальванических покрытий выполняют их насыщением легирующими элементами с последующей термической обработкой для активации физико-химических процессов между наполнителем и матрицей. Насыщение легирующими элементами покрытий осуществляют в процессе электролиза (добавлением солей легирующих металлов, органических соединений, дисперсных частиц) [102, 124-129] или последующей химико-термической обработки (азотирование, цементация, борирование и другие) [130-132]. Для активации физико-химических реакций используют большое количество разнообразных источников: ТВЧ, электронно-лучевой, лазерное излучение (ЛИ), концентрированные световые потоки, а также нагрев в жидких теплоносителях [133-139]. Ввиду существенных преимуществ наиболее широкое применение для модификации гальванических покрытий нашли обработка ТВЧ и ЛИ [140-143].
К дополнительным преимуществам применения обработки ТВЧ для модификации покрытий можно отнести широкое распространение на производстве и относительно небольшую стоимость установок [115,116]. Нагрев ТВЧ достаточно производителен, допускает автоматизацию. К недостаткам можно отнести то, что при нагреве ТВЧ решающее значение приобретают размеры, форма и материал изделия. Неравномерный зазор между индуктором и деталью часто приводит к неравномерности нагрева [114-116].
Анализ работ по модификации покрытий с применением ТВЧ показал, что для термической обработки можно использовать установки серийного изготовления со встроенными пирометрами [114-116]. Частота тока индуктора определяется из теплового расчета технологического процесса нагрева. При расчете задается глубина нагреваемого слоя равная толщине наносимого слоя покрытия, температура поверхности и температура на глубине нагрева. В приближенных расчетах параметров индуктора и глубины проникновения тока в металл можно пользовать усредненные характеристики стали [116]. Вместе с тем, при разработке технологии модификации покрытий с применением ТВЧ необходимо уточнение ряда параметров, например, необходимую температуру обработки КЭП, длительность термического воздействия и другие.
Широкое применение получил метод поверхностного нагрева с использованием лазера [97, 107, 111,112, 117]. Большинство лазерных технологических процессов основывается на тепловом воздействии лазерного излучения на поверхность металлов [97, 117]. Процесс взаимодействия излучения с различными веществами, в том числе с и электролитическим железом, изучен в работах [97, 152-157]. С помощью лазерного излучения можно осуществлять контролируемый нагрев металла, осуществляя процессы модификации в твердой фазе или с равномерным переплавлением тонкого поверхностного слоя. Лазерный луч для получения необходимой плотности мощности излучения может фокусироваться с помощью специальной оптической системы в пятно небольших размеров.
Высокая плотность лазерного излучения дает возможность избежать нагрева металла на значительную глубину и почти полностью исключает деформацию деталей. Кроме того, большая глубина фокусировки лазерного луча позволяет упрочнять изделия неправильной формы, например шейки и кулачки коленчатых и распределительных валов тракторов и автомобилей, без подстройки оптической системы [156]. Высокие скорости нагрева и охлаждения сталей с различным содержанием углерода способствуют получению модифицированного слоя твердостью выше, чем при закалке ТВЧ [158,159]. К недостаткам лазерной обработки можно отнести высокую стоимость лазерных установок. В связи с этим применение установок эффективно только в массовом и крупносерийном производстве.
Модификацию гальванических покрытий с применением ЛИ и ТВЧ изучали на примере КЭП железо-углерод [102, 103], железо-бор и железо-карбид бора [104]. Анализ работ по модификации КЭП с включением частиц ДФ показывает, что их целью было совершенствование свойств матрицы (повышение износостойкости, жаропрочности и других) без сохранения гетерофазности материала [102, 104]. В качестве ДФ использовали коллоидные (0,05…0,1 мкм) или высокодисперсные (0,1…1,0 мкм) частицы. Повышение износостойкости в разнообразных условиях составляло 1,5…2 раз в сравнении с «чистыми» покрытиями. Вместе с тем, исследования по модификации КЭП с дисперсными частицами диаметром 10…20 мкм, обеспечивающими наибольшую износостойкость в условиях абразивного изнашивания, не проводились. Не исследовано влияние методов электромодификации покрытий на важнейшие физико-механические свойства и работоспособность в условиях динамического нагружения. Хотя во всех работах отмечается, что модифицированные покрытия обладают более высоким уровнем внутренних напряжений [104,157].
Таким образом, можно сделать следующие выводы: обработка ЛИ КЭП возможна и приводит к общему изменению структуры покрытий, частичному растворению частиц ДФ и образованию новых химических соединений; позволяет повысить микротвердость основы до 9…10 ГПа, что возможно за счет образования карбидов и боридов железа, обладающих высокой твердостью; покрытия после обработки лазером не отслаиваются, в случае неполной обработки всего слоя покрытия будут иметь прочность сцепления на уровне «чистых» покрытий; лазерная обработка может быть финишной операцией, так как незначительно изменяет микрогеометрию поверхностного слоя КЭП.
1.3 ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМОДИФИКАЦИИ КЭП
Наибольшее внимание проблемам взаимодействия дисперсной фазы и матрицы в композитах уделяли внимание при изучении покрытий полученных плазменным путем и спеканием материалов [160 - 163]. Согласно теории [160], образование соединения между частицами ДФ и матрицей протекает в три последовательных стадии: образование физического контакта между частицей и матрицей; химическое взаимодействие материалов на границе раздела фаз; объемное взаимодействия, сопровождающееся релаксацией упругих сил.Физический контакт между компонентами КЭП является наиболее важным условием, определяющим дальнейшее химическое взаимодействие материалов матрицы и ДФ. Получение компактных осадков, в которых ДФ плотно окружена матрицей, зависит от природы ДФ, ионного состава электролита и его рН, условий электролиза, добавок поверхностно-активных веществ [9, 12].
Наши экспериментальные данные и опыт других исследователей показывает, что формирование КЭП с дисперсными частицами легче происходит из электролитов железнения. Режимы, при которых из электролитов железнения получают плотные гладкие осадки с заданными свойствами, широко изучены в работах [8-10, 12-16]. Наиболее гладкие покрытия получают в случае, если в качестве ДФ используют диэлектрики и полупроводники [9]. К материалу ДФ предъявляются особые требования: химическая стойкость по отношению к компонентам электролита; частицы должны смачиваться раствором; обладать высокой агрегативной и седиментационной устойчивостью. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют электрокоруд, карбид бора, карбид кремния, диоксид кремния [9, 12, 32]. Вместе с тем, необходимо изучить влияние легирующих добавок на формирование монолитных равномерных осадков железа с ДФ.
В КЭП формирование контакта между частицами ДФ и материалом основы происходит за счет микропластической деформации, обусловленной особенностями процесса электролитической кристаллизации. Существенным обстоятельством, способствующим этому, является тесная взаимосвязь компонентов покрытия, наличие структурных несовершенств поверхности раздела ДФ и матрицы. Прочность сцепления частиц с матрицей по противоречивым данным разных авторов колеблется от 1 до 10 МПа [9, 12, 32]. Вместе с тем, априори, можно утверждать, что энергии процесса электрокристаллизаци недостаточно для образования прочных связей в гетерогенном материале и активации химических реакций между ДФ и матрицей. По сравнению с энергией активации большинства металлов (1,35…1,65 эВ) или неметаллических частиц (3,5 эВ и более) значение энергии дислокаций при кристаллизации металла при электролизе составляет 0,02…0,03 эВ на атом, что недостаточно для обеспечения связи ДФ с матрицей [97,160-162].
Энергия активации зависит от природы дисперсных частиц и матрицы [160-166]. Для активации оксидов, требуется значительно большая энергия, чем для соединений металлов, а следовательно, более высокая температура начала процесса химического взаимодействия. Объемные процессы взаимодействия развиваются быстрее у тех пар металл-частица, у которых атомные диаметры металлов отличаются не более чем на 10%. В общем случае энергия активации равна половине энергии связи атомов для металлов или половине энергии сублимации для неметаллических частиц [160-162]. Развитию химического взаимодействия между ДФ и матрицей способствует так называемое контактное эвтектическое плавление, наблюдаемое при контактировании металла и карбидообразующих соединений [160]. В отличие от плазменных покрытий и порошковой наплавки КЭП имеют высокую прочность сцепления с основой (до 500 МПа), без пор, ДФ плотно окружена материалом матрицы. В КЭП формирование контакта происходит за счет микропластической деформации, обусловленной особенностью процесса электрокристаллизации. Таким образом, для образования химических связей потребуется значительно меньше энергии, что снизит температурное воздействие на упрочняемую деталь. Однако частицы ДФ могут быть покрыты различными хемсорбированными соединениями, гидроксидом железа, что может влиять на образование химических связей на границе между частицами и матрицей.
В литературе особое внимание уделяется взаимодействию ДФ и матрицы композитов при борировании [164-166]. Повышенный интерес к данному процессу обусловлен возможностью получения в поверхностной зоне изделий моно- или многофазных боридных слоев, характеризующихся уникальным комплексом физико-химических свойств при обработки широкой гаммы конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Использование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения порошковых насыщающих сред позволяет, не изменяя общей схемы процесса, в широких пределах варьировать исходными компонентами металлооксидной композиции и получать в результате насыщающие среды различных типов, требуемой активности и гранулометрического состава. Рассмотренные в литературе физико-химические аспекты образования боридов железа и экспериментальные исследования показали, что ответственным фактором получения того или иного типа боридного покрытия является главным образом вид борсодержащего вещества [165]. Так, для получения боридного слоя на железе и его сплавах, в качестве основы насыщающей среды можно использовать бор, бориды металлов, карбид бора. При осаждении КЭП из ЭС, наиболее приемлемы из них оксид и карбид бора [165,166].
В месте с тем, требуют дальнейшего изучения и вопросы структурных изменений, происходящие при высокотемпературном нагреве покрытий, так как они в значительной степени предопределяет их физико-механические свойства и износостойкость [9,47,83,167].
При протекании реакции между компонентами КЭП можно получить соединения, приводящие к изменению объема покрытий и к соответствующему изменению уровня их остаточных внутренних напряжений (ВН) [168-170]. Они будут зависеть от кристаллической структуры и удельного объема (плотности) образующихся соединений, что приведет либо уменьшению, либо к увеличению ВН. Это особенно важно учитывать при восстановлении деталей, работающих в условиях динамического нагружения [171-174]. Таким образом, необходимо рассмотреть объемные изменений покрытий при использовании в качестве ДФ соединений различной природы (например, карбида кремния, карбида ванадия и других).
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБЩАЯ МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Применение КЭП для повышения ресурса восстановленных и новых деталей сельскохозяйственной техники является актуальным и представляет большой практический интерес. Вопросы теории, исследование свойств КЭП, практика их получения и применения нашли отражение в статьях и монографиях советских ученых [1-20 и др.], а также в работах зарубежных исследователей [38-43 и др.]. Обобщение литературных данных позволяет сделать вывод, что получение композиционных покрытий является важным направлением развития современной гальваностегии, которое отвечает возрастающим требованиям современной техники к надежности к долговечности конструкционных материалов.Исследователи, создающие износостойкие КЭП, руководствуются теориями, которые недостаточно учитывают физико-химические аспекты взаимодействия материалов матрицы и ДФ при формировании общей прочности и износостойкости материалов [75-79]. Вместе с тем, свойства КЭП зависят не только от физико-химических свойств составляющих, но и от прочности связи между ними [9,12]. Максимальная прочность и износостойкость КЭП достигается, если на границе между матрицей и наполнителем происходит образование прочной химической связи, что можно обеспечить термическим воздействием на поверхность детали, например, с помощью ТВЧ или ЛИ [96-98]. Вместе с тем, термическое воздействие может привести к изменению как физико-механических свойств покрытий, так и их общей гетерогенной структуры (растворению дисперсной фазы в матрице с образованием новых фаз), что нарушит основной принцип формирования износостойкости – правило Шарпи [160-166]. Вместе с тем, в известных нам исследованиях данные вопросы модификации покрытий не рассматривали.
Все исследователи отмечают в качестве одного из главных достоинств КЭП значительное (в десятки раз) повышение износостойкости и прочности.
Однако до настоящего времени не установлены зависимости износостойкости и прочности КЭП от структурных свойств их компонентов [9,12,46-48].
Работа разнородных материалов, составляющих композит, дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого отличаются от свойств каждого из его составляющих. Вместе с тем, не определены основные требования, предъявляемые к структуре и физико-механическим свойствам материалов, используемых для их получения. Исследователи, создающие износостойкие КЭП, вынуждены руководствоваться лишь теориями дисперсного упрочнения материалов. Но эти теории в данном случае не приемлемы, так как функциональные свойства и назначение ДФ в дисперсноупрочненных и износостойких КЭП отличаются. Размеры частиц ДФ, используемых для получения КЭП варьируются от наноразмеров до 100 мкм [32-36]. Для их получения используют самые разнообразные химические соединения - от полимерных порошков и дисульфида молибдена до алмазов.
Для решения проблемы повышения качества матрицы КЭП разработаны различные технологические приемы [46-48, 56-61 и другие]. Однако их возможности раскрыты недостаточно вследствие ограниченности исследований взаимосвязи условий воздействия на обрабатываемую поверхность с физико-механическими свойствами покрытий, из которых "выпали" структурные аспекты проблемы. В большей степени вопросы поиска и анализа непосредственной зависимости механических свойств от дислокационной структуры осадков, полученных при различных условиях электролиза и других видах обработки покрытий, раскрыты на примере электролитического железа [16, 30, 37-44]. Свойства железных покрытий объяснены особенностями их структуры, возникающей в результате пластической деформации двойникованием, в процессе электрокристаллизации, роста осадков при электролизе и закрепления дефектов структуры чужеродными частицами (водородом, частицами гидроксидов и другими). Реализация природных возможностей упрочнения «чистого»
железа и его сплавов посредством его пластической деформации вплоть до предельного состояния и разрушения позволяет получить наибольшую износостойкость электролитических покрытий на уровне стали 45 закаленной до твердости 4,5...5,5 ГПа. Переупрочненные и разрушенные осадки в процессе трения и износа интенсивно диспергируются с поверхности вследствие развития и объединения субмикротрещин, возникающих при формировании покрытий.
Для устранения противоречия между широкими технологическими возможностями электрохимического метода восстановления и упрочнения деталей и ограниченной областью рационального применения железных осадков необходимо изыскать новые технологические способы и приемы повышения их качества и износостойкости.
Структурно-чувствительные свойства металлов представляют большой интерес для анализа и контроля изменений их структуры в процессе модификации [169,175]. К ним относятся электрофизические свойства: электросопротивление и термоЭДС. Наличие зависимости между такими свойствами и структурой материала, в частности полученного в форме электролитических покрытий, позволяет, с одной стороны, создавать покрытия с разными свойствами, а с другой – дает возможность изучать и контролировать процесс их модификации при различных видах обработки (например, с помощью ТВЧ, лазера и других методов). Следует заметить, что контроль электросопротивления и термоЭДС легко осуществим, не требует больших затрат и сложного оборудования. Поэтому изучение изменений электрофизических свойств композиционных электрохимических покрытий (КЭП) и определение взаимосвязи этих свойств с фазовыми и структурными превращениями при термической обработке представляет интерес.
Изучение влияния электротехнологий модификации, на примере нагрева ТВЧ и ЛИ, на работоспособность КЭП и выбор оптимального сочетания структуры и состава покрытий позволит разработать технологический процесс электромодификации покрытий на деталях машин. Вместе с тем, окончательным критерием выбора технологических параметров процесса могут быть только эксплуатационные испытания деталей с покрытиями.
Цель работы. Усовершенствовать технологию КЭП и разработать теоретические основы их электротермической обработки для восстановления деталей сельскохозяйственной техники.
В соответствии с целью были сформулированы задачи работы:
определить направление развития технологии восстановления и повышения долговечности деталей сельскохозяйственной техники износостойкими КЭП на основе анализа достижений науки в области технической эксплуатации машин и оборудования;
разработать теоретические основы электротермической обработки КЭП, обосновать возможность повышения их физико-механических свойств;
изучить особенности влияния электротермической обработки КЭП на их структуру, основные физико-механические свойства и повышение работоспособности в условиях абразивного изнашивания; разработать методы прогнозирования и экспресс-мониторинга их некоторых физико-механических свойств;
разработать технологические основы электротермической обработки КЭП, установить связь вида и параметров электротермической обработки КЭП с условиями эксплуатации и конструктивно-технологическими параметрами деталей;
усовершенствовать существующие, разработать и внедрить новые технологические процессы восстановления и повышения долговечности быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники модифицированными КЭП, выполнить их технико-экономическое обоснование.
2.2. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Для решения поставленных в работе задач была принята следующий алгоритм исследований (рис.2.1).
Установка для нанесения покрытий на образцы включала электролизеры, источник тока, термостат, приборы для регулирования и контроля параметров электролиза (рис.2.2). Источником тока служили выпрямители типа ВСА-6А и ВАК – 600(12/6). Раствор подогревался и стабилизировался по температуре с точностью 1С с помощью термостата U-7. Кислотность контролировали ионометром ЭВ-74. Анодную обработку образцов и деталей проводили в 30% растворе серной кислоты при плотности тока 70…75 А/дм2, температуре 18…23С в течении 80…90 с. Режимы проведения обработки назначались согласно рекомендациям литературы [9,29,47].
В качестве базового электролита железнения был выбран раствор железа хлористого (FeCl2*4H2O – 500 г/л) - один из самых производительных и широко применяемых в практике [9,15,16 и др.].
Образцы для исследования влияния «чистого» электролитического железа и его сплавов на механические свойства получали в стеклянном цилиндре вместимостью 3 дм3 (рис.2.2). При нанесении композиционных покрытий использовали специальную ванну объемом 5 дм3 (рис.2.3).
Конструкция ванны с вогнутым дном и перегородкой, отделяющей пропеллерную мешалку от зоны расположения электродов, позволяла создавать восходящий поток с равномерным распределением частиц во всем объеме электролита. Поток ЭС в рабочую часть ванны поступал через перфорированное дно – успокоитель. Для контроля скорости потока был разработан и установлен в отдельной секции расходомер с дифференциальным манометром типа Вентури (5). Ванну, перфорированное дно – перегородку и все детали расходомера изготавливали из винипласта, которые после сборки обрабатывали 30% раствором серной кислоты для исключения выделения составляющих материала в процессе электролиза. Струйное перемешивание осуществляли с помощью пропеллерной мешалки (4), изготовленной на базе лабораторной мешалки МЛТ-3 со ступенчатой регулировкой частоты вращения привода, которую устанавливали в отдельной секции.
Анализ литературы по вопросам формирования и - установить взаимосвязь структуры и прочностных свойств осадков от дилатации, как интегральной характеристики дефективности материала;
и износостойкости КЭП с прочностными свойТеоретические ствами компонентов и их взаимодействием;
исследования - установить возможность формирования связей между ДФ и матрицей за счет активации химического взаимодействия между матрицей и изменений КЭП в условиях электротермического нагрева на их прочностные свойства.
- установить возможность межфазного взаимодействия между компонентами КЭП при Эксперименнагреве;
тальные - установить влияние электротермической обисследования физико-механические свойства электромодифицированных КЭП;
Разработка рекомендаций и выбор технолоРазработка и опытно-производственная гических парапроверка технологий электромодификации метров электроКЭП на примере деталей сельхозтехники и модификации Изготовление лопастей пропеллера мешалки из малоуглеродистой стали позволяет исключить накопление ионов Fe3+ в электролите. Скорость потока ЭС устанавливали на основании рекомендаций [46]. Равномерность содержания ДФ в ЭС контролировали весовым анализом проб, отобранных в строго установленных точках ванны.
Рисунок 2.2 – Экспериментальная установка для нанесения Рисунок 2.3 - Устройство для нанесения КЭП, с контролируемой Для изучения влияния легирующих и буферных добавок на свойства покрытия электролитические сплавы получали введением в базовый электролит железнения солей никеля (NiSO4*7H2O ГОСТ 4465-74, NiCl2*6H2O ГОСТ 4038-79), кобальта (CoSO4*7H2O ГОСТ 4462-78, CoCl2*6H2O ГОСТ 4525-77), алюминия (Al2(SO4)3*18H2O ГОСТ 3758-75) и натрия (Na2H4C4O6*18H2O ГОСТ 22280-76). Кислотность растворов поддерживали добавлением разбавленной 1: соляной кислоты (ГОСТ 3118-77). Электролит-суспензию готовили введением в электролиты микропорошков электрокорунда белого (марок М2, М10, М14, М20, М40), карбида бора (М7, М10, М20), карбида кремния (М14), оксида кремния (М14). Содержание порошков изменяли в пределах 25…150 кг/м3. КЭП после нанесения стабилизировали в течение 10…20 суток хранения. Микропорошки перед введением в электролит предварительно не обрабатывали, навеску необходимой массы порошка смешивали с небольшим количеством раствора в отдельной емкости до полного смачивания частиц и доводили рН до рабочего значения, после чего небольшими порциями вводили в электролит при постоянном перемешивании. Рабочий раствор перемешивали в течении 0,5 часа, затем вновь контролировали по составу и корректировали по рН. Режим перемешивания во всех опытах поддерживали постоянным. Положение катодов относительно анодов и стенок электролизера строго фиксировались специальными приспособлениями.
Электролиты готовили из реактивов квалификации ХЧ и ЧДА, которые корректировали по концентрации компонентов и рН добавлением соответствующих кислот и солей. Состав электролитов поддерживали в пределах 1 г/л и контролировали с помощью количественного химического анализа по стандартным методикам [176-178].
Термическую обработку ТВЧ выполняли на установке типа ИЗ-250-66.
Температуру нагрева (Т, от 200С до 1200С) контролировали пирометрически.
Обработку ЛИ производили на установке «TRUMPF» L2530. Интенсивность термообработки изменяли мощностью ЛИ, скоростью перемещения пятна нагрева, расстоянием между параллельными дорожками. Частоту импульсов и диаметр луча лазера во всех опытах поддерживали постоянными. Режимы лазерной обработки образцов с КЭП предусматривали нагрев без оплавления покрытия (мягкий режим), с частичным оплавлением покрытия (жесткий), полным переплавлением покрытия и подложки (очень жесткий). Температуру поверхности образцов в процессе обработки устанавливали расчетным методом [97].
В работе использованы экспериментальные методы изучения морфологии, структуры и текстуры покрытий и матриц КЭП: состава покрытий - стереометрическим металлографическим анализом [179]; металлографический анализ с помощью микроскопов МБС-9, МИМ-8; ренгенографический с помощью аппарата ДРОН-3М; электронномикроскопический с помощью РЭМ «Tesla BC-300», профилографирование с помощью прибора «MarSurf PS1».
При изучении электрофизических свойств покрытий определяли их плотность (ГОСТ 20018-74), термоЭДС и электросопротивление (четырех контактная схема с помощью моста одинарного типа Р333) [49,169,175].
Основные механические методы изучения свойств покрытий включали:
измерение микротвердости (по ГОСТ 9450-76), упругих свойств (динамическим резонансным методом) [84, 180], внутренних напряжений (метод гибкого катода) [49, 171], прочности сцепления (метод кольцевого сдвига) [29, 47], прочность покрытий на растяжение (метод разрыва колец из материала покрытия) [47,84,181], демпфирующей способности (метод измерения логарифмического декремента затухания поперечных колебаний консольных образцов) [84, 182], ударную вязкость (ГОСТ 9454 – 78). Исследование износостойкости покрытий проводили по схеме ролик-колодка (ГОСТ 23.208-79). Фазовые и химические превращения в КЭП изучали рентгенофазовым [183,184], дифференциальным термическим и термографическим анализом (с помощью дериватографа типа МОМ) [185], контролем термоЭДС и электросопротивления [186].
Эксплуатационные испытания быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники с модифицированными КЭП выполняли на предприятиях Брянской области.
2.3 СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ КЭП
Одной из наиболее актуальных проблем обеспечения качества и надежности технологии нанесения КЭП является контроль состава, физико-механических и эксплуатационных свойств материала покрытия, основанный на косвенных измерениях [187-189]. В первую очередь это связано с разработкой методов и технических средств измерения и расчета, позволяющих оперативно получать требуемый объем информации. Решению этой проблемы посвящен настоящий раздел диссертационной работы, в котором предложены новые методы: определения субмикроструктуры матрицы КЭП по ее дилатации, определения содержания ДФ в покрытии по рассеянию микротвердости, оптимизации износостойкости КЭП по установившейся шероховатости и метод априорной оценки упругих свойств композитов с помощью МКЭ [229,233,234,240,241].Микротвердость матрицы КЭП зависит от параметров субмикроструктуры, изменение которой определяется главным образом влиянием частиц дисперсной фазы (ДФ) на процесс электроосаждения металла и выделения водорода [9, 12]. Априори наличие ДФ в покрытии повышает рассеяние значений микротвердости матрицы, так как отпечатки могут попадать как в основу, так и в твердые включения, скрытые под слоем металла. Рассеяние измеряемой величины вокруг среднего значения математически выражают через коэффициент ее вариации [190]. Представляет практический интерес исследовать влияние содержания ДФ в КЭП на коэффициент вариации микротвердости матрицы, с целью поиска связи между ним и объемным содержанием ДФ в КЭП.
Приступая к анализу условий происхождения и формирования дефектов структуры электролитических железных покрытий с целью установления закономерностей изменения механических свойств, не имеет смысла давать подробное описание всех встречающихся в них дефектов, которые подробно изложены в работах [9, 191,192]. Все нарушения укладки атомов в решетке (дефекты структуры) точечные, одномерные, а также трехмерные дефекты (например, микропоры), которые по определению относятся к микроструктуре и не требуют анализа на атомном уровне, неизбежно приводят к дилатации и изменению металла. Таким образом, для оценки общей дефективности материалов, на наш взгляд, при рассмотрении данной проблемы одним из параметров, характеризующих субмикроструктуру покрытий, которым можно оперировать, может являться дилатация.
Высокую износостойкость КЭП связывают с тем, что твердые частицы, выступая в процессе изнашивания из относительно мягкой матрицы, являются теми площадками контакта, которые при трении подвергаются наиболее интенсивному нагружению. Обладая высокими физико-механическими свойствами, они предотвращают адгезию металлических поверхностей и схватывание, а также способствуют лучшему распределению смазки по рабочей поверхности сопрягаемых деталей при ее недостаточной подаче в сопряжение. По моделям классической усталостной теории прочности, «лепестковой» теории изнашивания Н.П.Су, термофлуктационной теории С.Н. Журкова и В.Р. Регеля, адгезионной Е.Арчарда и Е.Хорнбогена, энергетической Г.Флейшера и Г.Грегера трение обусловлено сочетанием свойств материалов матрицы и частиц, их поверхностной энергией, структурными особенностями, внешними условиями [193,194]. В случае приложения распределенной нагрузки, напряжения в приповерхностном слое матричного материала существенно ниже, чем в приповерхностном слое твердых включений. Это происходит потому, что равномерно распределенная нагрузка одинаково деформирует как матрицу, так и включения, однако, поскольку модуль упругости матрицы ниже, чем модуль упругости включений, напряжения в матрице оказываются соответственно меньшими [195]. Таким образом, анализ условий повышения износостойкости «чистых»
покрытий и КЭП в различных условиях испытаний показал, что триботехнические свойства теснейшим образом связаны с прочностью взаимодействующих разнородных материалов, составляющих композицию. Вместе с тем, в ряде работ в качестве первопричины выдвигается формирование твердыми включениями благоприятного рельефа поверхности контртела [80, 194].
Упругие характеристики композиционных материалов обычно определяются в результате механических испытаний. Получение таких данных во многих случаях представляет достаточно трудоемкую задачу, что делает актуальным развитие методов расчета упругих свойств композитов. Теоретические оценки упругих характеристик композиционных материалов с дисперсными включениями рассматривались в ряде работ [196, 197]. Широкое распространение получили приближенные методы («правило смесей», энергетический метод, метод Рейли и др.), точность которых не вполне удовлетворяет исследователей. В то же время вопрос о применении в данном случае метода конечных элементов, который принципиально позволяет уточнить вычисление упругих свойств характеристик, еще не нашел достаточного отражения в литературе (приложение А).
изложенное выше потребовало разработки некоторых специальных методик исследования и экспресс-методов контроля свойств покрытий, которые были использованы в работе и рекомендованы производству [228,229,233, 240,241 и другие].
2.3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОГО СОДЕРЖАНИЯ
ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В КОМПОЗИТЕ МЕТОДОМ
МИКРОТВЕРДОСТИ
Если исходить из известной модели расширяющейся сферической полуплоскости, образующейся под отпечатком диаметром dH, линиями равной твердости и интенсивности деформаций (изостатами) будут семейства полусферических поверхностей с общим центром, находящимся в точке пересечения оси отпечатка с исходной поверхностью образца (рис. 2.4) [198]. В зоне отпечатка может находиться твердая частица с приведенным диаметром df, координаты расположения которой будем характеризовать диаметром изостаты DHf. Поверхность ее проходит через центр фазы при произвольном взаимном расположении фазы и отпечатка. Влияние координаты расположения фазы зависит от градиента напряжений и деформаций под отпечатком. Для оценки этого градиента приравняем микротвердость удельной работе деформации А при вдавливании [199].Рисунок 2.4 - Характерные размеры твердых частиц ДФ и Работа А связана с напряжениями, эквивалентными микротвердости H, и эффективными деформациями ее под отпечатком известным интегралом где - относительная деформация.
Модель полуполости позволяет принять, что эта работа уменьшается с увеличением диаметра изостаты DH по степенному закону (dH/DH)m, который и будет определять характер изменения микротвердости под влиянием фазы, расположенной в зоне отпечатка [198, 199]. Очевидно, что при любых значениях т сохраняется неравенство DHf>DH>(DHf—df). Это неравенство получено из суперпозиции влияния на микротвердость структурно-неоднородного материала H фактора аддитивности и степенного закона уменьшения работы А. Если встречное влияние этих двух факторов полностью компенсируется, то в интервале DHf DH >(DHf—df) влияние фазы на изменение микротвердости H будет постоянным. Поэтому можно записать, что DH=DHf-df+, где — некоторая искомая величина, пропорциональная по условиям нормирования, заложенным в степенном законе, размеру отпечатка. Величину можно оценить из граничных условий. В одном крайнем случае, когда диаметр dH мал, а, следовательно, находится на достаточном удалении от твердого включения, присутствие ДФ не сказывается на величине измеряемой микротвердости и она равна микротвердости матрицы. С увеличением нагрузки на индентор наступает момент, когда dH=DH f. При этом вся первая половина фазы оказывается перекрытой отпечатком, а влияние фазы на твердость H достигает максимума. Когда фаза расположена в районе оси вдавливания, в момент отмеченного максимума и в дальнейшем DH=dH. В другом предельном случае фаза выходит на поверхность df /DHf =1, измеряется твердость фазы Hf.
С учетом приведенных рассуждений можно принять в первом приближении, что =dH (df /DHf). Тогда для изменения микротвердости H под влиянием двух рассмотренных геометрических факторов получим следующее выражение С учетом аддитивности влияния твердостей различных структурных составляющих на суммарную микротвердость КЭП получаем следующее выражение, удовлетворяющее отмеченным граничным условиям:
где Hm и Hf — микротвердость матрицы и ДФ.
Если взять два случая измерения микротвердости, в одном из которых под отпечатком нет частицы ДФ, а в другом оказывается частица диаметром df, то коэффициент вариации () будет определяться выражением:
Для равномерно распределенных частиц ДФ по объему зависимость коэффициента вариации микротвердости от размера отпечатка и его расположения (при df/DHf=const) приобретает вид, показанный на рис. 2.5. Из характера зависимостей =f(dH/DH) видно, что с увеличением диаметра отпечатка (нагрузки на индентор) коэффициент вариации увеличивается и пропорционален диаметру частицы. Если среднее расстояние между частицами, расположенными в гексагональной решетке, принять за единицу, то объемное содержание будет определяться выражением [9]:
Рисунок 2.5 - Зависимость коэффициента вариации от размера отпечатка и расстояния между частицами ДФ при df/DHf=const Откуда следует, что максимум величины коэффициента вариации микротвердости пропорционален объемному содержанию ДФ в КЭП:
При установлении эмпирической зависимости между объемным содержанием ДФ в КЭП (Vдф,%об.) и коэффициентом вариации микротвердости (, %) использованы покрытия железо-никель-электрокорунд (порошок марки М14), полученные авторами в работе [46]. В исследованиях использовали образцы из стали 35, на которые наносили покрытия толщиной 0,50,1 мм. Объемное содержание ДФ в КЭП определяли на микрошлифах методом количественной стереометрической металлографии [179]. Микротвердость матрицы (Hср) определяли с помощью прибора ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76. Число измерений микротвердости (n) составляло от 20 до 30. Коэффициент вариации микротвердости определяли с помощью следующего выражения [190]:
где Hi, при i=1, 2,…,n – значение микротвердости при i-ом измерении; Hср среднее значение микротвердости.
Для «чистых» гальванических покрытий значения минимальны для различных отпечатков (рис. 2.6,а). Очевидно, что для «чистого» электролитического железа изменение микротвердости от глубины проникновения индентора в большей степени зависит от вида подготовки поверхности образцов. При «большой» глубине проникновения алмазной пирамиды (нагрузках на индентор 0,9806 Н (100 гc) и более) микротвердость не зависит от величины приложенной нагрузки (см. рис. 2.5,а).
При вдавливании индентора в металл в силу высокой концентрации напряжений под вершиной алмазной пирамиды сразу реализуется размножение дислокаций, происходящее практически одновременно по всем возможным системам скольжения, и последующее упрочнение.
Если считать, что подвижность дислокаций вблизи поверхности выше, чем в объеме металла, то начальные этапы деформирования при микровдавливании должны характеризоваться повышенной скоростью деформации и степенью деформационного упрочнения металла под индентором. Значит, чем меньше нагрузка, тем больше результирующее упрочнение материала в области отпечатка, что проявляется в росте коэффициента вариации микротвердости (рис. 2.6,а) и общей величины микротвердости матрицы. Исходя из представлений о субмикроструктуре нарушенного слоя при механической обработке, можно считать, что экстремумы на кривой микротвердости в зависимости от глубины проникновения индентора, в первом приближении, соответствуют границам подслоев и глубина проникновения индентора, на которой микротвердость не изменяется, соответствует общей глубине нарушенного слоя. Это отмечается в литературе по изучению глубины нарушенного слоя различными методами [97].
Наличие ДФ в КЭП приводило к увеличению рассеяния микротвердости (рис. 2.6,а). Минимальное значение коэффициента вариации микротвердости для различного объемного содержания ДФ в покрытии наблюдалось при минимальной нагрузке на индентор (рис. 2.6,а). С увеличением нагрузки связь Vдф с становилась более явно выраженной (рис. 2.6,б).
1 – Vдф=28,4%(об.); 2 – Vдф=20,2%(об.); 3 – Vдф= Рисунок 2.6 – Зависимость коэффициента вариации микротвердости:
а) от нагрузки на индентор P; б) от содержания ДФ в КЭП Изменение коэффициента вариации (при увеличении объемного содержания ДФ в КЭП (Vдф,%(об.)) от минимального значения до 28…30 % (об.) в зависимости от нагрузки на индентор, можно описать различными уравнениями регрессии II порядка, полученными на основе статистической обработки экспериментальных данных (приложение Б):
Таким образом, используя зависимости (2.8)-(2.10) и рис. 2.6, по величине коэффициента вариации микротвердости КЭП при одинаковых нагрузках на индентор можно оценить объемное содержание ДФ.
Получено согласие экспериментальных и расчетных данных, выражающееся в том, что увеличение объемного содержания частиц в КЭП, приводит к увеличению разброса измеряемой величины микротвердости. Наличие корреляции между коэффициентом вариации микротвердости и объемным содержанием позволяет оценить содержание ДФ в покрытии.
2.3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
СУБМИКРОСТРУКТУРЫ ПОКРЫТИЙ ПО ИХ ДИЛАТАЦИИ
Теоретическая плотность металла (и), имеющего идеальную кристаллическую решетку, может быть установлена довольно точно [17]. Все нарушения укладки атомов в решетке (дефекты структуры) неизбежно приводят к изменению плотности и объема металлов (дилатации). Соответственно, вклад дефекта в изменение удельного объема или плотности металла может послужить оценкой значимости вклада вида дефектов в изменение его субмикроструктуры. Например, равновесная концентрация вакансий в металлах (Св) определяется, как отношение числа вакансий в решетке (n) к общему числу узлов в (N). Концентрация вакансий зависит от температуры нагрева и достигает наибольшей величины при точке плавления [17]:где А – константа зависящая от типа решетки;
в - энергия вакансии;
пл - энергия плавления вакансии;
- сходственная температура.
Таким образом, определяемая с помощью выражения (2.11) максимальная концентрация вакансий для электролитического железа, будет равна: Cв = 10-3…10-6 (при пл = 0,019…0,04, в =0,25 [17]). Соответственно, наибольшая дилатация (изменение объема и плотности) за счет вакансий составит: B = V/V=/n/N=10-3. Избыток «замороженных» в процессе электрокристаллизации железа вакансий, стекая в петли, служат источником дислокаций [17,151,152].
Плотность дислокаций в электролитическом железе может быть чрезвычайно высокой и достигать 1012…1013 см-2 [9,37,46 и другие]. Вместе с тем, существует верхний предел возможной плотности дислокаций, ограниченный допустимым расстоянием между ними L=2r, где r = (2…3) b – радиус ядра дислокации; b – кратчайшее расстояние в решетке. Когда останутся одни ядра, решетки не будет – в веществе выделить отдельные дислокации невозможно [17]. Следовательно, дислокации существуют лишь при их плотности 1013…1014 см-2. Дилатация, обусловленная дислокациями, в соответствии с оценками Д = 1,5b2 [210], для электролитического железа при предельной плотности дислокаций порядка пр = (6 b)-2 = 4,52 1013 см-2 составит Д = 5, 10-2. Несмотря на приближенность расчетов, эта величина достаточно хорошо совпадает с относительным изменением объема железа и большинства других «чистых» металлов при изменении термодинамической температуры от нуля до точки плавления V/V 610-2 [17]. Сравнение B и Д позволяет выделить плотность дислокаций в число основных параметров субмикроструктуры железа, ответственных за дилатацию (изменение плотности и объема).
Ренгеноструктурные исследования электролитического железа показали, что линейные дефекты сосредоточены внутри границ, разделяющих отдельные фрагменты, объем которых представляет собой участки металла с довольно совершенной структурой [9]. Ужесточение режимов электролиза (увеличение перенапряжения при выделении металла) приводит к уменьшению фрагментов и увеличению угла разориентировки между ними. Следует заметить, что размеры областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей (блоки мозаики – Д), принимаемые во многих работах за основную характеристику тонкой структуры электролитических покрытий, прямо связаны с плотностью дислокаций, сосредоточенных в субзеренных границах, например, зависимостью [75]:
Для вывода зависимостей связывающих плотность дислокаций и размер блоков мозаики с дилатацией электролитического железа воспользуемся имеющимся в литературе соотношением для определения плотности дислокаций, сосредоточенных в границах субзерен [151,152]:
где K – коэффициент, зависящий от формы зерен.
Заменив в уравнении (2.13) величиной блоков по формуле (2.12), получим соотношение, непосредственно связывающее дилатацию и размер блоков мозаики:
где Kз-1 =2/9 K, а для связи плотности дислокаций с дилатацией (плотностью электролитического железа) из уравнений (2.13) и (2.14) можно получить выражение:
Для предварительной оценки значения коэффициента Kз воспользуемся уравнением Хирша, широко применяемым для экспериментального анализа дислокационной структуры электролитического железа [75]:
где – угол разориентировки, определяемый экспериментально.
Принимая во внимание, что относительное удлинение образца = [17] и =/3, произведя соответствующие замены в (2.16), получим:
Сопоставление (2.13) и (2.17) позволяет предварительно установить значение K = 1/6 и краевые условия:
Первое условие (2.18) кристаллографически соответствует идеальному материалу без дефектов (с идеальной кристаллической решеткой). Второе условие (2.19) не может быть выполнено, поскольку параметры субструктуры и дилатация металла ограничены предельными значениями Д min, max и max, отвечающими максимальной деформации, при которой металл теряет свою кристаллическую структуру (в первом приближении – это аморфный (жидкий) металл). Поэтому нижнее краевое условие (2.19) уравнений (2.12)-(2.15) следует уточнить, приняв за предельное состояние металла точку его плавления. Попытаемся это выполнить для железа, приняв минимальный размер блока равным постоянной кристаллической решетки. Если по данным литературы [17, 152] принять изменение объема осадка V=3Тпл, температуру плавления железа Тпл=18065 К, коэффициент теплового расширения =(1,02…1,43)10-5 К-1, плотность жидкого металла ж=7,0…7,13 г/см3, тогда Дmin= b =2,4810-8 см;
КЗ-1=max=(и-ж)/ и=0,064…0,113, max = (1,08…2,16) 1013 см-2. Следует заметить, что значение плотности дислокаций max с пр железа одинаковы по порядку. Зависимости плотности дислокаций (10-13 см-2) и размеров блоков (Д в А) от дилатации примут вид (рис.2.7):
Рисунок 2.7 – Зависимость размеров блоков мозаики (1) и плотности дислокаций (2) электролитического железа от дилатации Зависимость (2.21) можно уточнить в области максимальных размеров блоков и минимальной плотности дислокаций, используя ограничения ренгеноструктурного метода.
2.3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ИЗНОСТОЙКОСТИ КЭП ПО
ИХ ШЕРОХОВАТОСТИ
Анализ условий повышения износостойкости «чистых» покрытий и КЭП в различных условиях испытаний показал, что триботехнические свойства теснейшим образом связаны с прочностью взаимодействующих разнородных материалов, составляющих композит. Вместе с тем, в ряде работ в качестве первопричины выдвигается формирование твердыми включениями благоприятного рельефа поверхности контртела (см.гл.1). Проверку данных проводили экспериментально.КЭП получали из электролитов-суспензий (ЭС) на основе хлористого железа. В качестве дисперсной фазы (ДФ) служили микропорошки электрокорунда промышленного изготовления (марок М14). Исследования абразивной износостойкости проводили в соответствии с ГОСТ 23.208-79 (см.п.2.2). Профилограмму внешней части поверхности шероховатого слоя покрытий, подвергнутых износу в массе абразива, получали на приборе «MarSurf PS1».
Опытные данные обрабатывали методами математической статистики [190]. Для построения функциональных зависимостей использовали регрессионный анализ (приложение Д).
При исследовании абразивной износостойкости КЭП было установлено, что их износ в контакте с нежесткозакрепленным абразивом зависит объемного содержания дисперсных частиц в покрытии (Vдф), как на стадии приработки, так и при установившемся изнашивании. Износ КЭП на основе железо-никелевых сплавов с ростом содержания ДФ в покрытии уменьшался и проходил через минимум при содержании микропорошков порядка 18…25 % (об.) (рис.2.8). С ростом содержания ДФ в покрытии 30…35 % (об.) износостойкость КЭП снижалась.
Изучение изменения установившейся в процессе испытаний шероховатости поверхности образцов показало, что с увеличением объемного содержания ДФ в КЭП от 0 до 5…7% (об.) шероховатость несколько увеличивалась (рис.2.9).
С дальнейшим ростом содержания ДФ в КЭП до 18…20% (об.) она уменьшалась до Ra=0,7…0,8 мкм, достигая минимума при содержании частиц ДФ в покрытии, отвечающей наивысшей износостойкости гетерогенного материала, а затем относительно резко возрастала. Хотя износ покрытий при содержании в них ДФ выше оптимального увеличивался незначительно.
Рисунок 2.8 – Зависимость износа КЭП Fe-Ni-Al2O3 M Рисунок 2.9. Зависимость шероховатости КЭП от содержания ДФ в покрытии (обозначение см. на рис.2.8) Анализируя указанный характер изменения шероховатости поверхности покрытий после испытаний, его изменение можно описать следующим образом.
При испытании «чистых» покрытий неровности их контактирующей с абразивом поверхности формируются особенностями структуры и упруго-пластическими свойствами материала матрицы. Модель такой поверхности можно изобразить в виде набора сфер (рис.2.10,а).
С увеличением содержания частиц в КЭП до 5…7% неровности материала матрицы постепенно замещаются неровностями из твердых включений (рис.2.10, б). Обладая относительно высокой твердостью в сравнении с матрицей, они в процессе изнашивания выступают из изнашиваемой гетерофазной поверхности значительно выше и подвергаются значительно большему нагружению. В связи с этим, из-за ограниченной прочности связки и их связи с матрицей, происходит выкрашивание отдельных частиц ДФ (рис.2.10, б).
Рисунок 2.10 – Модель шероховатой поверхности «чистых» покрытий (а), покрытий с до оптимальным (б), оптимальным (в) и постоптимальным (г) содержанием частиц ДФ Дальнейший рост содержания частиц в КЭП до 15…22% (об.) приводил к более полному замещению неровностей матрицы «неровностями» из твердых включений (см. рис. 2.10, в). Взаимодействие неровностей твердой фазы увеличивалось, соответственно, росла прочность гетерофазного материала и шероховатость уменьшалась до минимума, отвечающего оптимальному содержанию частиц ДФ (см. рис. 2.9 и 2.10, в). С увеличением содержания ДФ в КЭП выше оптимального способность связки удерживать износостойкие частицы снижается. Они в процессе изнашивания начинают разрушаться и также выкрашиваться, что приводило к резкому увеличению шероховатости (рис. 2.10, г).
Изменения установившейся шероховатости поверхности КЭП при их изнашивании, связь износа с упруго-пластическими свойствами матрицы и прочностью связи ДФ с матрицей особенно наглядно выявляется при построении графиков зависимостей шероховатости рабочей поверхности КЭП от их износа (рис.2.11).
Рисунок 2.11 - Зависимость установившейся шероховатости поверхности от износа КЭП на основе Fe-Ni с частицами электрокорунда М14: АВ – объемное содержание ДФ содержание ДФ в КЭП более оптимального значения Изменение шероховатости при уменьшении износа до минимального значения, а затем ее рост с превышением оптимального содержания ДФ в КЭП, можно описать различными уравнениями регрессии II порядка, полученными на основе статистической обработки экспериментальных данных:
Анализ зависимостей (2.22) и (2.23) показал, что оптимальную концентрацию ДФ в наиболее износостойких КЭП можно достаточно точно установить расчетом, как точку пересечения ветвей зависимостей шероховатости от износа, соответственно, до оптимального содержания частиц ДФ и после.
Таким образом, исследование шероховатости гетерогенных материалов в зависимости от износа может служить методом определения оптимального содержания ДФ в композиционных материалах, отвечающих наивысшей износостойкости особенно в условиях абразивного изнашивания.
2.3.4 РАСЧЕТ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЗЕРНИСТЫХ
КОМПОЗИТОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Будем рассматривать естественный композиционный материал с дисперсными включениями. Считаем, что на макроуровне материал является изотропным и линейно упругим. На микроуровне разделяем композит на основу и включения, описывая их как изотропные линейно-упругие среды. При построении расчетной модели объект разбивается на конечные элементы. Сцепление дисперсной фазы с матрицей композита считаем идеальным Для анализа состава композиционного материала целесообразно представить дисперсные частицы в форме шаров с эквивалентным диаметром d [44].Переход к действительной форме частиц легко выполняется с помощью коэффициентов формы и сферичности. Рассматриваем объемное содержание Vдф и порозность частиц наполнителя в единице объема композиционной системы, которые связаны соотношением =1-Vдф.
В пределе распределение частиц дисперсной фазы в композиционном материале отвечает регулярной плотнейшей упаковке монодисперсных шаров, которая обеспечивает наиболее равномерное взаимное расположение шаров и наибольшее заполнение пространства. При условии касания частиц объемное содержание Vd=0,745. Координатное число данной плотнейшей упаковки Nк=12, а ее геометрия отвечает либо гексагональной, либо кубической гранецентрированной решетке (рис.2.12, а и б) [45].
Математическое моделирование процесса последовательной упаковки шаров под действием силы тяжести с помощью ЭВМ позволило установить, что наиболее вероятное значение случайной упаковки шаров оказывается таким же, как для регулярной ромбоэдрической укладки (объемное содержание 0,605) [46].
Наиболее вероятное среднее значение координационного числа Nк при этом составляет 8. Изучение зависимости координационного числа Nк от порозности монодисперсного слоя шаров в регулярных упаковках, а также для случайных неупорядоченных структур, полученных в математических моделях и физических экспериментах, позволило установить связь между этими параметрами, которая имеет линейный характер и описывается уравнением Nk=19-28 [47] Рисунок 2.12 - Расположение частиц дисперсной фазы в композиционном материале в узлах плотнейшей кубической гранецентрированной (а), плотнейшей гексагональной (б) и простой кубической (в) решеток При неупорядоченной укладке частиц одинакового размера правильной, но не сферической формы они образуют слои с порозностью, изменяющейся в том же интервале, что и для монодисперсных шаров. В полидисперсных моделях мелкие зерна могут теоретически располагаться в промежутках между крупными, снижая порозность композита [47].
Случайные структуры, возникающие при неупорядаченном образовании композиционных материалов и состоящие из монодисперсных шаров, частиц несферической формы и полидисперсных зернистых материалов, дают приблизительно одинаковые средние значения заполнения пространства. Тем не менее, обычно объемное содержание включений не превосходит 0,5, что позволяет для изучения принципиальных механических свойств композиционных материалов использовать наиболее простую модель с монодисперсными шарами в простой кубической решетке (рис.2.12,в), для которой максимальное заполнение пространства шарами составляет 0,52. Допустимость моделирования структуры зернистых композиционных материалов такой шаровой упаковкой при расчетах их параметров упругости, прочности и пластичности подтверждается рядом совпадений экспериментальных данных с теоретическими результатами [48].
В простой кубической решетке объемное содержание наполнителя будет определяться зависимостью где R –приведенный радиус частиц;
2L – расстояние между частицами (рис. 2.12).
Значения Vd для различных соотношений R L приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Объемное содержание включений в кубической решетке 0,052 0,41 0,45 3,35 6,54 11,31 17,96 26,81 52,35 52, В силу циклической симметрии исходной задачи будем рассматривать восьмую часть ячейки кубической формы (рис. 2.13). То есть ограничимся расчетом области композита в виде куба со стороной L, один из углов которого расположен в центре частицы.
Рисунок 2.13 – Структура композита в виде кубической решетки:
Этот куб растягивается силой Р (см. рис. 2.14), взаимодействуя с соседними объемами материала.
Рисунок 2.14 – Рассматриваемый объем композиционного материала Ввиду того, что формоизменение у соседних объемов такого вида будет одинаковым, на каждой грани куба должно иметь место равенство нормальных перемещений по всей ее площади (см. рис.2.14). Грани куба при деформации остаются плоскими, и углы между ними не изменяются.
На каждой грани ОXY, ОXZ и ОYZ устанавливаем нулевые перемещения по нормали к плоскости (рис. 2.15).
Рисунок 2.15 - Кинематические граничные условия на гранях ОXY, ОXZ и На грани X=L будем задавать перемещения Lx (рис. 2.16). На гранях Y=L и Z=L должны получаться перемещения Ly=Lz=const.
Связь между растягивающей силой Р и деформацией Lx можно представить в виде следующего выражения:
где Ек – приведенный модуль упругости композита; А=L2 – площадь грани куба.
Приведенный модуль упругости композиционного материала тогда будет определяться выражением:
Рисунок 2.16 – Условия деформации модели композита Задавая перемещение Lx и вычислив для него усилие Р c помощью метода конечных элементов, можно найти значение Ек по формуле (2.26). Коэффициент Пуассона композиционного материала к при этом будет определяться следующей зависимостью:
Создание твердотельных геометрических объектов (Solid) и выполнение операций над ними осуществляем с помощью процедур и функций твердотельного моделирования программного комплекса MSC/NASTRAN for WINDOWS версии 4 (MSC/N4W) [49].
Для создания геометрии основы без твердого включения первоначально построим сплошной куб, а затем вырежем в нем сектор шара, соответствующий включению. Куб формируем с помощью базового набора твердотельных примитивов.
В рабочей плоскости OXY создадим поверхность в виде квадрата со стороной равной 1,0 (рис. 2.17, а). Для формирования объемного тела выдавим квадрат по нормали к рабочей плоскости на 1,0 (рис. 2.17,б).
Рисунок 2.17 – Формирование модели основы: а – квадрат в рабочей плоскости ОXY; б – куб, полученный выдавливанием квадрата вдоль оси Z Для формирования выреза установим рабочую плоскость по грани куба OXY. Затем, используя команды раздела «Геометрия», создадим граничную поверхность в центре с координатами (0,0,0) и радиусом R (рис. 2.18,а). Вращением граничной поверхности на угол 90 вокруг оси Y (ребра куба OY) получим новое твердое тело, моделирующее шаровидное включение (рис. 2.18,б). Вырез в кубе выполним исключением из объема куба объема восьмой части шаровидного включения. Результат выполнения этих геометрических операций позволяет нам получить геометрическую модель основы композита без включения (рис. 2.19).
Для построения геометрической модели восьмой части включения создадим дугу с центром (0,0,0) и радиусом R. Проведем из центра отрезки к началу и концу дуги (рис. 2.20,а). Сформируем граничную поверхность, указав дугу и отрезки, соединяющие ее края с центром.
Рисунок 2.18 – Формирование основы композита без включения:
а – граничная поверхность на грани куба; б – объем включения в кубе Рисунок 2.19 – Тело, моделирующее основу без включения Тело, моделирующее восьмую часть твердого включения, получаем вращением относительно оси Y граничной поверхности на угол 90 (рис. 2.20,б). В результате выполнения данных операций получим модель включения, показанную на рис. 2.20, в.
Для создания конечно-элементной модели на основе геометрической модели рассматриваемого участка композиционного материала используем команды автоматического разбиения и редактирования сетки. Для каждой грани куба предварительно устанавливаем характерный максимальный размер конечного элемента, равный 0,2, для дуг окружности - размер элементов, равный 0,1.
Рисунок 2.20 – Формирование модели включения композита:
а – рабочая плоскость; б – каркас включения; в – тело, С помощью команд автоматического разбиения предварительно сгенерируем на поверхностях тел, моделирующих основу и шаровидное включение, узлы и плоские конечные элементы. Это позволяет предварительно проконтролировать размер элементов и расположение узлов. На соприкасающихся поверхностях включения и основы необходимо обеспечить совпадение узлов.
Для их перемещения используем команды модификации сетки конечных элементов. Затем производим окончательное разбиение твердых тел на объемные конечные элементы. Плоские элементы после этого удаляются.
В MSC/N4W для разбиения твердотельных моделей предусмотрено шесть основных типов конечных элементов (рис. 2.21). Линейные элементы (линейная функция формы) имеют только узлы при вершинах, квадратичные – узлы при вершинах и промежуточные узлы на сторонах элемента. Используем тетраэдральные конечные элементы.
Рисунок 2.21 – Объемные конечные элементы в MSC/N4W При окончательном разбиении тел на объемные конечные элементы указываем порядок аппроксимации функции формы – квадратичный и автоматический выбор способа выравнивания геометрии модели. Квадратичные функции формы обеспечивают более высокую точность решения задачи. Отказываемся от укрупнения сетки конечных элементов внутри объема тела, установив коэффициент роста размеров конечных элементов равным 1,0. Это обеспечивает сопоставимые размеры элементов вблизи поверхностей тел и на удалении от них. В результате получаем систему конечных элементов, которая показана на рис. 2.22.
Вводилось допущение, что сцепление дисперсной фазы с матрицей композита является идеальным. Узлы на поверхности, разделяющей основу и включение, автоматически не объединяются друг с другом. Для объединения этих узлов выполняем команды меню контроля совпадающих узлов. Первоначально выбираем все имеющиеся узлы. На вопрос о дополнительном диапазоне узлов для объединения указываем узлы только на соприкасающихся поверхностях. Устанавливаем максимальное расстояние между объединяющимися узлами равное 0,0001. После выполнения команды объединения узлов стыкующиеся конечные элементы шаровидного включения и основы композита должны иметь общие узлы на границе раздела. Таким образом, обеспечивается идеальное соединение матрицы и шаровидного включения (рис. 2.22).
Рисунок 2.22 – Разбиение модели композита на конечные элементы Для реализации кинематических граничных условий в узлах на грани ОXY запретим перемещения вдоль оси Z, на грани ОXZ - вдоль оси Y, в узлах на грани ОYZ - вдоль оси X. На гранях X=L, Y=L и Z=L используем элементы типа Rigid (жесткий). С помощью такого элемента объединим на каждой грани все узлы по степени свободы, связанной с перемещениями по нормали (рис. 2.23).
Рассмотрим пример определения упругих параметров композиционного материала железо – карбид ванадия. Для материала основы (ферритного железа) зададим модуль упругости Em=200000 МПа, модуль сдвига Gm=80000 МПа, коэффициент Пуассона m=0,25 [50]. Для материала включения (карбида ванадия) вводим следующие упругие константы: Ed= 430000 МПа; Gd=215000 МПа;
d =0,3 [50].
Рисунок 2.23 – Применение элемента типа Rigid для связывания Нагружение задаем в виде перемещения узлов грани X=L на L вдоль оси X (рис. 2.24).
Рисунок 2.24 – Схема приложения кинематического нагружения На основе сформированной конечно-элементной модели выполняем расчет композита. Полученный характер распределения эквивалентных напряжений экв при Vдф =6,2% (об.) показан в виде изолиний напряжений (рис.2.25 и 2.26).
Рисунок 2.25 – Изолинии относительных напряжений о Рисунок 2.26 – Цветовое изображение распределения напряжений на поверхностях модели композита Напряжения представлены величиной о=экв/м. Здесь м =P/L2 – среднее значение нормальных напряжений X. Эквивалентные напряжения при этом вычисляются в соответствии с гипотезой Мизеса [201].
Для расчет модуля упругости и коэффициента Пуассона разрабатывались модели с содержанием частиц от 0,0523 %(об.) до 52,358 %(об.) (рис. 2.27).
«