Оценка влияния шероховатости поверхности на коррозионную стойкость изделий машиностроения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.81.004.17:620.191.355.001.5

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

А.Ю. Иванов, Д.Б. Леонов

Обосновывается необходимость повышения качества изделий путем оптимизации микрогеометрии их поверхностей. Предлагается решение задачи технологического обеспечения коррозионной стойкости изделий машиностроения на основе применения непараметрического метода оценки и контроля микрогеометрии поверхности. Представлены параметры технологии обработки, гарантирующие получение наилучшей из возможных в конкретных производственных условиях шероховатости поверхности, обеспечивающей минимальное значение глубины проникновения коррозии в поверхность деталей из сплава Д16Т.

Ключевые слова: шероховатость поверхности, непараметрический метод, коррозионная стойкость, глубина проникновения коррозии.

Введение

Шероховатость поверхности является существенным фактором, влияющим на ряд функциональных свойств деталей машин. Среди этих свойств особое место занимает коррозионная стойкость [1].

Коррозия обусловлена протеканием химических или электрохимических реакций и является следствием термодинамической неустойчивости металлов в свободном состоянии [2]. Термодинамическая стабильность любого материала зависит от ряда факторов, которые описываются комплексом параметров качества поверхностного слоя, включающим геометрические и физико-механические параметры состояния поверхностного слоя, формируемые в процессе изготовления детали. В этой связи целесообразными являются исследования технологического обеспечения коррозионной стойкости изделий машиностроения на основе рационального выбора качества поверхностного слоя, технологического метода и режимов обработки.

Данной проблемой занимался ряд российских и зарубежных ученых, среди которых Ю.Г. Шней-дер, Э.В. Рыжов, В.В. Романов, М. Фонтан [3-6]. В своих исследованиях они рассматривали шероховатость поверхности деталей как набор различных параметров - радиусов заострения вершин и впадин неровностей (г, г), коэффициентов заполнения профиля (кзап), среднего шага неровностей по вершинам (5) и параметрических критериев оценки шероховатости поверхности (Яа, Яг).

В дальнейшем исследования взаимосвязи функциональных свойств изделий с шероховатостью их поверхности проводились на базе предложенного профессором В. А. Валетовым непараметрического метода оценки и контроля микрогеометрии поверхности [7-10]. В настоящей работе приведены результаты исследования влияния шероховатости поверхности на коррозионную стойкость деталей из алюминиевого сплава Д16Т с использованием непараметрических критериев - плотности распределения ординат и плотности распределения тангенсов углов наклона профиля.

Постановка эксперимента

Исследования проводились с использованием детали из сплава Д16Т (рис. 1).

[ С7> - -

г

Ь * -►

Рис. 1. Чертеж детали: 0 = 68 мм, = 130 мм

Технологический процесс изготовления детали включает холодную штамповку и строгание при разных режимах резания.

Для оценки влияния шероховатости поверхности на коррозионную стойкость детали были изготовлены 4 группы образцов с разной шероховатостью поверхности (табл. 1). Режимы технологической обработки процесса строгания выбраны с учетом возможностей технологического оборудования на конкретном производстве. При этом образцы в 3 группе изготовлены по принятой на конкретном производ-

9

стве технологии для обработки этой детали. Профиль поверхности каждого образца был снят с использованием профилометра МГГОТОУО 8.Т-201Р. В табл. 1 приведено значение только для одного параметра шероховатости поверхности Яг, (параметрический критерий оценки шероховатости поверхности), поскольку именно этот параметр используется для нормирования шероховатости на рабочем чертеже детали.

Номер группы образцов Вид обработки Режимы обработки Rz, мкм

1 Строгание S=0,3 мм/мин, /=0,8 мм, V=650 м/мин 3,24

2 Строгание S=11 мм/мин, /=0,8 мм, V=125 м/мин 5,38

3 Строгание S=20 мм/мин, /=0,8 мм, V=150 м/мин 15,54

4 Строгание S=33 мм/мин, /=0,8 мм, V=175 м/мин 34,56

Таблица 1. Значения параметра Иг (высота неровностей профиля по десяти точкам) при различных режимах обработки детали: Б - подача; t - глубина резания; V - скорость резания

Изготовленные образцы исследованы на коррозионную стойкость. Проверка проводилась металлографическим способом согласно ГОСТ 9.021-74 [11], регламентирующему методы ускоренного испытания алюминия и алюминиевых сплавов на межкристаллитную коррозию. Испытание проводилось в растворе, содержащем 3%-ный раствор хлористого натрия и 1%-ный раствор соляной кислоты при температуре раствора 18-25°С. Продолжительность эксперимента составляла 24 ч.

При проведении эксперимента фиксировались характер коррозии и максимальное значение глубины коррозии. Для этого изготавливались шлифы по ГОСТ 1778-70 [12]. Последовательность изготовления шлифа:

- шлифование (абразивная шкурка Р400);

- притирка (бумажный круг с пастой, содержащей шлифовальный порошок М28);

- полирование (алмазные пасты зернистостью 28/20, 14/10 и 7/5).

Для выявления микроструктуры сплава проводилось травление образцов в следующем составе:

- кислота азотная (70%) - 2,5 мл;

- кислота соляная (концентрированная) - 1,5 мл;

- кислота фтороводородная (48%) - 1,0 мл;

- вода дистиллированная - 95,0 мл.

Результаты исследования

Исследования (фиксация и замеры глубин коррозии) проводились на микроскопе МИМ-7 при увеличении 200х. Фотографии микроструктур образцов, изготовленных при разных режимах, после обработки приведены на рис. 2.

а б в г

Рис. 2. Фотографии микроструктур образцов групп 1-4 (а)-(г) соответственно (см. табл. 1).

Замеры глубины проникновения коррозии показали:

- для образцов в группе 1 - наличие участков с глубиной до 25 мкм;

- для образцов в группе 2 - наличие участков с глубиной от 22 мкм до 30 мкм;

- для образцов в группе 3 - наличие участков с глубиной от 28 мкм до 41 мкм;

- для образцов в группе 4 - наличие участков с глубиной от 40 мкм до 45 мкм.

Полученные результаты говорят о существенном влиянии шероховатости поверхности на глубину проникновения коррозии в поверхность исследуемых образцов. Однако задача оптимизации шероховатости не может быть достоверно решена с использованием стандартных параметров шероховатости, так как изменение параметров Ra или Rz не характеризует фактического изменения структуры микрорельефа [7].

Для обеспечения экспериментально найденного и заданного на чертеже предпочтительного параметра шероховатости может использоваться либо разное оборудование, либо разные инструменты, что приводит к изменению структуры микрорельефа поверхности и, как следствие, к изменению их свойств. С целью более полного и точного описания шероховатости обработанных поверхностей для каждого об-

разца были получены графики непараметрических критериев (графические изображения функций плотностей распределения тангенсов углов наклона профилей, ординат профилей и кривые Аббота).

Учитывая случайную составляющую при формировании микрорельефа поверхности образцов [7, 10], на основе теории случайных функций можно предположить, что предложенные графические изображения этих функций практически однозначно определяют характер микрогеометрии исследуемых поверхностей. На рис. 3 приведены графики непараметрических критериев, где номер графика соответствует номеру образца.

0,20 0,15 ^ 0,10 0,05 0

Рис. 3. Графики (номер графика соответствует номеру образца) непараметрического критерия «Плотность

распределения ординат профиля» для исследуемых образцов: У/Иц - отношение величины /-ой ординаты профиля к среднеквадратическому отклонению профиля; Н - частота появления ординаты

Полученные графики доказывают иррегулярность и хаотичность микрорельефа поверхностей с неоднородными по форме и размерам неровностями [3], которые формируются при обработке поверхности строганием.

Определение наилучшей шероховатости поверхности, обеспечивающей наименьшую глубину

проникновения коррозии

Учитывая, что режимы обработки поверхностей образцов непосредственно влияют на шероховатость, можно сделать вывод о том, что полученные результаты свидетельствуют о влиянии микрогеометрии поверхности на глубину проникновения коррозии. Это позволяет продолжить исследование в направлении оптимизации процесса получения оптимальной шероховатости поверхности, позволяющей обеспечить наилучшую коррозионную стойкость детали из сплава Д16Т в конкретных производственных условиях.

На этом этапе была использована теория планирования эксперимента [13]. Оптимизация проводилась путем определения наименьшего возможного значения глубины проникновения коррозии в поверхность детали из сплава Д16Т (параметр оптимизации) при различных режимах обработки поверхности образцов (факторы оптимизации). В табл. 2 приведены основные факторы и диапазоны их варьирования, исходя из технических возможностей использованного оборудования.

Кодовое обозначение Интервалы варьирования Уровень факторов

Фактор Нижний (-1) Основной (0) Верхний (+1)

Подача 5", мм/мин Х ±0,2 0,1 0,3 0,5

Скорость резания V, м/мин Х2 ±20 670 690 710

Глубина резания t, мм Хэ ±0,1 0,8 0,9 1

Таблица 2. Основные факторы и диапазоны их варьирования

Поскольку факторы процесса неоднородны и имеют различные единицы измерения, а числа, выражающие величины факторов, имеют различные порядки, они были приведены к единой системе счисления путем перехода от действительных значений факторов к кодированным [13]:

X _ Х, ~ Х,осн

где X, - кодированное значение фактора; Х, - действительные значения фактора; Х,осн - значение фактора на основном уровне; АХ, - интервал варьирования текущего фактора; , - номер фактора. Проведенный статистический расчет позволил получить:

Плотность распределения ординат

1 2

3 / \ 4

Г

V/ .......................

. ...................................

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

У/Яд

- адекватную (по критерию Фишера) математическую модель процесса, описывающую связь между параметром и факторами оптимизации,

К = 36,5 + 95 -3,75К + 2/ + 1БУ . Модель показывает характер влияния каждого из параметров обработки поверхности образцов на глубину проникновения коррозии;

- технологические режимы обработки, при которых обеспечивается наименьшее значение глубины проникновения коррозии в поверхность деталей из сплава Д16Т на конкретном производстве (табл. 3);

- наилучшую из возможных в конкретных производственных условиях (эталонную) шероховатость поверхности (рис. 4), обеспечивающую минимальное значение глубины проникновения коррозии в поверхность деталей из сплава Д16Т.

Подача 5, мм/мин Скорость резания V, м/мин Глубина резания /, мм

0,1 700 0,8

Таблица 3. Параметры технологической обработки поверхности строганием для получения «эталонной»

микрогеометрии

Плотность распределения ординат

У/Яд

Рис. 4. Эталонный график «Плотность распределения ординат профиля» с допуском на возможные

отклонения

Приведенный график (рис. 4) показывает, что оптимальное распределение ординат профиля является асимметричным, с одним ярко выраженным экстремумом. Такое распределение неровностей на поверхности детали из материала Д16Т будет гарантировать наименьшее значение глубины проникновения коррозии.

Заключение

Применение непараметрического метода оценки и контроля микрогеометрии поверхности позволяет:

- показать влияние шероховатости поверхности исследуемого образца на коррозионную стойкость;

- экспериментально получить наилучшую из возможных в конкретных производственных условиях шероховатость поверхности деталей из сплава Д16Т, позволяющую обеспечить наилучшую коррозионную стойкость;

- получить параметры технологической обработки деталей, позволяющей обеспечить данную шероховатость поверхности;

- осуществить быстрый и качественный контроль шероховатости поверхности деталей для серийного производства путем сравнения ее с эталонной.

Выполнение этих условий позволяет повысить качество производимой продукции для конкретного предприятия.

Литература

1. Рудзит Я. А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. - Рига: Изд-во РПИ, 1975. - 216 с.

2. Рыбальченко В.С. Основы общей химии: Учебное пособие для студентов нехимических специальностей высших учебных заведений. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011. - 408 с.

3. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей машин с регулярным микрорельефом. - Л.: Машиностроение, 1982. - 248 с.

4. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. - М.: Машиностроение, 1979. - 176 с.

5. Романов В.В. Методы исследования коррозии металлов. - М.: Металлургия, 1965. - 280 с.

6. Фонтан М.Н., Стейл Р. Достижения науки о коррозии и технологии защиты от нее. Коррозионное растрескивание металлов: Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1985. - 488 с.

7. Мусалимов В.М., Валетов В.А. Динамика фрикционного взаимодействия. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 191 с.

8. Иванов А.Ю., Леонов Д.Б. Технологические методы обеспечения качества изделия // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 5 (75). - С. 111-113.

9. Ivanov A.Y., Leonov D.B. Methodology for optimization, evaluation and control of products surface roughness // Journal of the Technical University. - Sofia, Plovdiv branch, Bulgaria «Fundamental Sciences and Applications». - 2012. - V. 17. - P. 19-23.

10. Валетов В.А., Третьяков С.Д. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей: Учебно-методическое пособие. - СПб: СПб ГУИТМО, 2005. - 28 с.

11. ГОСТ 9.021-74. Единая система защиты от коррозии и старения. Алюминий и сплавы алюминиевые. Методы ускоренных испытаний на межкристаллитную коррозию. Введ. 01.01.75. М.: Изд-во стандартов, 1978. 6 с.

12. ГОСТ 1778-70. Металлографические методы определения неметаллических включений. Введ. 01.01.72. М.: Изд-во стандартов, 1970. 35 с.

13. РДМУ 109-77. Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов. - М.: Изд-во стандартов, 1978. - 48 с.

Иванов Андрей Юрьевич

Леонов Димилян Божидаров

Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]

Болгария, Сопот, ВМЗ АО Сопот, заместитель директора; Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант; [email protected]