CC BY
8ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.7.09
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЯМИ МАЛОЙ ТОЛЩИНЫ ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ*
Х.М. РАХИМЯНОВ, доктор техн. наук, профессор, Ю.С. СЕМЕНОВА, аспирант, М.А. ТРЕТЬЯКОВ, магистрант (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 6 июля 2011 года
Рахимянов Х.М. - 630092, г. Новосибирск пр. Карла Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: tms-ngtu@mail.ru
Исследовано влияние ультразвукового пластического деформирования на свойства поверхностного слоя образцов с тонким покрытием из наноструктурированных порошков на примере образцов с покрытием толщиной 5 мкм из порошка ТЮ с размерами зерен -20 нм, нанесенного методом детонационно-газового напыления на стальную подложку.
Ключевые слова: наноструктурированный порошок, детонационно-газовое напыление, ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование, твердость, шероховатость поверхности.
Введение
Поверхности с газотермическими покрытиями непосредственно после напыления не обладают необходимой точностью размеров, шероховатостью и требуемой плотностью структурных элементов поверхностного слоя, поэтому после нанесения покрытий необходима последующая обработка. При обработке деталей с покрытиями следует учитывать сложные условия нагружения деталей, действия растягивающих, ударных, усталостных напряжений.
Значительные трудности механической обработки покрытий, связанные с их высокой твердостью, пористостью, хрупкостью, интенсивным абразивным воздействием на рабочие поверхности инструмента, невозможностью в большинстве случаев использовать смазочно-охлаждающие среды, могут быть настолько велики, что вызывают необходимость оценить принципиальную возможность применения метода резания для обеспечения требуемых показателей качества изделия. Средствами для достижения
необходимых свойств и структуры покрытий, понижения пористости и увеличения их адгезионной прочности являются различные виды термической и термомеханической обработки [1, 2].
Однако эти методы неприменимы при обработке покрытий из наноструктурированных материалов, поскольку повышение температуры, присущее каждому виду термической обработки, приводит к необратимым изменениям в структуре наносимых покрытий и лишает смысла использование дорогих порошков для придания особых свойств поверхности деталей с наносимыми покрытиями.
Применение ультразвукового поверхностного пластического деформирования имеет преимущества при окончательной обработке деталей с покрытиями. Ультразвуковое пластическое деформирование (УЗПД) - это метод обработки, в процессе которой поверхность детали подвергается воздействию деформирующего инструмента, колеблющегося с частотой свыше 20 кГц. При обработке каждый участок поверхности подверга-
* Исследования проведены при финансовой поддержке в рамках выполнения аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (АВЦП 2.1.2/11449)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl Режимы ультразвуковой обработки
Номер поверхности Амплитуда колебаний, А, мкм Частота, F, кГц Статическое усилие, P, H Подача, S, мм/об Число оборотов n, об/мин Скорость, V, м/мин
1 25 22,4 150 0,08 480 59
2 25 22,4 211 0,08 480 59
ТЕХНОЛОГИЯ
ется многократному воздействию деформирующего инструмента, что приводит к дополнительному упрочняющему эффекту [1].
Процессы поверхностного пластического деформирования характеризуются локальным мгновенным разогревом металла в пятне контакта и быстрым отводом тепла внутрь обрабатываемого изделия. При ультразвуковом пластическом деформировании изменение температуры в зоне обработки не превышает 120 °С [3].
Применение ультразвукового воздействия оказывает положительное влияние как на структуру кон -тактной зоны покрытия с деталью, так и на структуру покрытия. В контактной зоне активизируются диффузионные процессы. Обработка обеспечивает повышение трещиностойкости покрытия при сохранении уровня износостойкости [4].
Подготовка проведения экспериментальных исследований
Экспериментальные образцы представляли собой втулку из стали 45 диаметром 40 мм с нанесенным на ее внешнюю поверхность покрытием. Материал покрытия - нанокристаллический порошок карбида титана ТЮ, полученный методом механоактивации микропорошка. Размер зерна ТЮ в порошке составлял 20 нм, размер гранул порошка 20...55 мкм. Способ нанесения покрытия - детонационно-газовый. Толщина покрытия составила 5±1 мкм на сторону. Покрытие, сформированное из нанопорошка, более однородно, с меньшей анизотропией свойств по сравнению с аналогичным покрытием из микропорошка.
При попытке достигнуть меньшего уровня шероховатости поверхности образца, по сравнению с исходным состоянием, с помощью операции шлифования происходило удаление покрытия с вершин микронеровностей, что делало этот способ недопустимым при условии сохранения покрытия на поверхности образца.
В результате обработки образца с напыленным покрытием само покрытие не имело сколов или следов разрушения. Обработка образцов ультразвуковым пластическим деформированием производилась на токарно-винторезном станке 1А616 в специальной оправке. Во время обработки оправка с закрепленным на ней образцом устанавливалась в центра. При таком закреплении образцов радиальное биение обрабатываемой поверхности не превышало 0,01 мм.
Режимы ультразвуковой обработки для проведения экспериментов выбраны в соответствии с рекомендациями по ультразвуковой обработке твердых сплавов [3, 5]. Выбранные режимы представлены в таблице.
Исследование влияния ультразвукового пластического деформирования на физико-механические свойства поверхностного слоя
Для изучения влияния УЗПД на свойства деталей с покрытием из нанокристаллического порошка карбида титана был проведен ряд экспериментов по выявлению геометрических и физико-механических изменений в материале поверхностного слоя.
Влияние УЗПД на геометрическое состояние поверхности образцов
Исходная перед УЗПД поверхность образца с покрытием характеризуется направленным регулярным микрорельефом поверхности, полученным на операции, предшествующей нанесению покрытия - точения. Покрытие в силу малой толщины мало влияет на микрорельеф поверхности. Фотографии поверхности образца до и после обработки ультразвуковым пластическим деформированием приведены на рис. 1.
7 3
2 1
1
а б
Рис. 1. Общий вид поверхности образца до и после УЗПД:
а - 1 - исходная поверхность; 2 - обработанная поверхность при Р = 150 Н; 3 - обработанная поверхность при Р = 211 Н;
г ст у Г г г ст
б - 1 - обработанная поверхность; 2 - исходная поверхность
Изображение топографии поверхности образца до ультразвуковой обработки, полученное с помощью комплекса изучения топографии New View 7200, представлено на рис. 2. Диапазон сканирования составил 31,36 мкм.
На изображении приведена шкала высот микрорельефа в виде спектра. Максимальный размер выступов равен 12,19 мкм, максимальная величина впадин равна 19,17 мкм. Черные пятна на изображении
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
Рис. 2. Топография исходной поверхности образца
говорят о не попавших в диапазон сканирования участках. Среднее значение шероховатости составило Яа = 4,53 мкм.
На рис. 3 показан профиль обработанной поверхности образца при статической нагрузке 150 Н. Диапазон сканирования составил 13,38 мкм. Максимальный размер выступов равен 5,69 мкм, максимальная величина впадин равна 7,68 мкм. Средняя шероховатость поверхности составляет Яа 0,6 мкм, снижение по сравнению с исходной поверхностью в 7,5 раз. Вершины микронеровностей сглажены.
Рис. 3. Топография поверхности образца №2 1 после ультразвукового пластического деформирования: Р =150 Н; А = 25 мкм; / = 22 кГц
Рис. 4. Топография поверхности образца после ультразвукового пластического деформирования: Р =211 Н; А = 25 мкм; / = 22 кГц
Изменение статической нагрузки с 150 Н до 211 Н при неизменных остальных режимах обработки, заметных изменений геометрии поверхности образца не выявило (рис. 4). Средняя шероховатость при нагрузке 211 Н составила Яа 0,8 мкм. Наличие пор в структуре покрытия объясняет присутствие на изображении профиля поверхности участков с максимальной глубиной впадин (темные участки).
Исследования влияния ультразвуковой обработки на микрорельеф поверхности образца с нанесенным покрытием из нанокристаллического порошка ТЮ толщиной 5 мкм показали возможность обработки без разрушения покрытия. После обработки образца наблюдалось сглаживание вершин микронеровностей, что привело к увеличению опорной поверхности.
Влияние ультразвукового пластического деформирования на микротвердость поверхности деталей с покрытиями
УЗПД как любой другой метод поверхностного пластического деформирования приводит к упрочнению поверхностного слоя. В качестве параметра, характеризующего степень упрочнения, была выбрана микротвердость.
При изучении влияния ультразвукового поверхностного деформирования на микротвердость образцов с нанесенными покрытиями были проведены изменения микротвердости поверхности самого покрытия до и после обработки и из-
ТЕХНОЛОГИЯ
менения микротвердости подложки образцов на различной глубине от поверхности подложки до и после обработки.
Измерения микротвердости подложки образца производились на различном расстоянии от кромки с покрытием с целью определения глубины измененного слоя. Наносился ряд уколов алмазной пирамидой на равном расстоянии от кромки поверхности образца. Расстояние между уколами равнялось двойной величине диагонали одного отпечатка. В дальнейшем определялись средние значения микротвердости на различной глубине. Измерения прекращались при выравнивании значений микротвердости на следующих глубинах. На рис. 5 показана схема измерений и ряды уколов на подложке образца.
Рис. 6. Изменение микротвердости поверхности образца в результате обработки
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Влияние ультразвукового пластического деформирования на микротвердость основы под покрытием
Для оценки влияния ультразвукового пластического деформирования при обработке образцов с нанесенными покрытиями на основной металл образца, а также для определения глубины упрочненного слоя были проведены измерения микротвердости подложки на различном расстоянии от границы с покрытием. Сравнительная диаграмма микротвердости подложки представлена на рис. 7.
Увеличение микротвердости материала подложки наблюдается на расстоянии до 160.200 мкм от границы с покрытием. В этом слое значения микротвердости отличались от исходных в среднем на 23 %, максимальное изменение микротвердости наблюдалось на глубине 160 мкм и составило 1,29 раза, минимальное на глубине 80 мкм - 1,06 раза. При дальнейшем удалении от границы покрытия с подложкой микротвердость исходной поверхности подложки и поверхности подложки после ультразвукового пластического деформирования принимают равные значения.
Рис. 5. Измерение распределения микротвердости по глубине подложки образца
Измерения микротвердости поверхности покрытия образца проведены на приборе ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников».
В соответствии с полученными данными была построена диаграмма изменения микротвердости поверхности покрытия образца. Диаграмма представлена на рис. 6. Из диаграммы видно, что после операции УЗПД наблюдается повышение значений микротвердости при статической нагрузке 150 Н. Исследования влияния ультразвуковой обработки на микротвердость поверхности образца с нанесенным покрытием из ТЮ показали рост средних значений микротвердости поверхности на 30 % по сравнению с исходным состоянием.
■ Исходноесостояние ИПослеУЗПД
Рис. 7. Изменение микротвердости по глубине подложки образца
Результаты исследования
Проведенные исследования влияния ультразвукового пластического деформирования на свойства поверхностного слоя деталей с покрытием из нано-кристаллического порошка ТЮ свидетельствуют о благоприятном воздействии обработки на геометрическое и механическое состояние поверхности.
Так, после обработки УЗПД наблюдалось увеличение опорной поверхности, сглаживание вершин микронеровностей при значительном снижении шероховатости. Существенного влияния изменения статического усилия от 150 до 212 Н на шероховатость поверхности при неизменных остальных значениях режимных параметров не выявлено.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Исследования изменений микротвердости поверхности при УЗПД показали ее увеличение как на поверхности образцов (на 30 %), так и в поверхностном слое подложки на глубине до 260 мкм от границы с покрытием.
Проведенные исследования позволяют рекомендовать ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование в качестве финишной обработки после нанесения тонких слоев детонационных покрытий из нанокристаллических порошков.
Список литературы
1.Методы исследования материалов. Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий : учеб. пособие / Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. То -карев, В.И. Синдеев. - М. : МИР, 2004. - 384 с.
ТЕХНОЛОГИЯ
2. Порошковая металлургия. Вып. 2: республиканские межведомственные сборники / [редкол.: О.В. Роман (гл. ред.) и др.]; Белорусский политехнический институт. -Минск: Вышэйшая школа, 1978. - 130 с.
3. Солоненко О.П. Высокоэнергетические процессы обработки материалов / О.П. Солоненко, В.В. Марусин, Х.М. Рахимянов [и др.] ; ред.: М.Ф. Жуков, В.М. Фомин; Сиб. отд-ние Рос. акад. наук, Ин-т теорет. и прикладной механики. - Новосибирск: Наука, 2000. - 425 с. - (Низкотемпературная плазма; т. 18).
4. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.
5. Муханов И.И. Импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом: учеб. пособие для слушателей заочных курсов повышения квалификации ИТР по применению ультразвука в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1978. - 44 с.
Surface layer refinement of details with small coating thickness made of nanocrystalline powder
by ultrasonic surface plastic deformation
Kh. M. Rakhimyanov, Y. S. Semenova, M. A. Tretyakov
The effect of ultrasonic surface plastic deformation on surface layer properties of coated specimens. The detonation spraying coating has 5 ^m thickness, and vas made of TiC powder with grain size about 20 nanometers.
Key words: nanocrystalline powder, detonation spraying, ultrasonic surface plastic deformation, microhardness, surface roughness.
