CC BY
14
новые материалы и технологии производства
МЕТ^^БРД^К)!
УДК 530 (075.8)
Разработка нанотехнологий
для упрочнения деталей судовых механизмов
В. Б. Хмелевская, д-р техн. наук, профессор, С. Б. Алексеев, аспирант, М. Б. Мяконьков, аспирант Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций
Ключевые слова: нанотехнологии, нанопокрытия, ультразвук, трибология, трение.
Приведены данные процессов получения нанотехнологий и данные исследований получения наноструктурированных покрытий.
Мелкодисперсные частицы на поверхности повышают триботехнические характеристики сопряженных пар — это показано в исследованиях, начиная с Кулона (1736-1806). В настоящее время в биологии, медицине и других научных направлениях установлено, что мелкодисперсные частицы повышают качество изделий. На основании этих данных было создано новое направление в науке — наноструктурирование. Введение мелкодисперсных частиц на наноуров-не в электрод при электроискровом легировании позволило использовать этот процесс в космической технике. Введение мелкодисперсных частиц в углепластиках дало возможность для более широкого их использования в судовом машиностроении. Основное направление нанотехноло-гии в технике — получение мелкодисперсных порошков, паст, пленок.
В табл. 1 приведены основные разновидности процессов.
В. Б. Хмелевской с сотрудниками Томского физико-технического института д-ром техн. наук Паниным, Клименовым и Ковалевским
проведены работы по исследованию плазменного напыления с послойной ультразвуковой обработкой напыленного слоя. В результате была получена аморфизированная структура. При различной подаче индентора среди аморфизи-рованных частиц иногда наблюдались мелкодисперсные частицы. Покрытия создавали низкий коэффициент трения и высокую усталостную прочность детали. Анализ литературных источников и работа Института стали показали, что УЗО влияет на процесс образования мелкодисперсных частиц в расплавах. Нами были проведены исследования триботехнических характеристик и структуры покрытий с использованием различных конструкций волноводов и их введения в различные области покрытия. На рис. 1 приведена установка УЗГ и конструкция индентора.
Характеристики УЗ: частота — 25 кГц, прижим — 0,2 кг. Режимы плазменной струи зависят от дисперсности напыленного слоя Пд = = 70 * 220 В, I = 100 * 400 А.
Плазменная установка приведена на рис. 2.
Рис. 1. Установка УЗГ
Рис. 2. Установка плазменного напыления с УЗО
новые материалы и технологии производства
а)
Рис. 3. Схемы ввода УЗ
о о Si
Sí
®а 53
3 <■
ja м,
Si i?
о Si
Sí
3
и
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 Угол отражения, °
Рис. 4. Фрактограмма введения индентора в неза-твердевший слой
На рис. 3 приведены схемы (1-5) ввода УЗ, а на рис. 4 — фрактограмма при введении индентора в незатвердевший слой.
Расчет уширения показывает размер частиц 1-10 нм.
На рис. 5, а—в приведены фрактограммы, показывающие повышение размеров частиц, воспроизведенных схемами 2—4 200—250 нм.
На рис. 6 представлена фрактограмма РСА, показывающая образование аморфизированной структуры при подаче индентора с прижимом 6 кг.
В табл. 1 приведены данные триботехничес-ких характеристик. Исследования проводились на машине трения СМЦ2. Из образца 0 100 мм вырезался образец, вставлялся в ролик, который устанавливался для испытания на машине СМЦ2 (рис. 7).
Известно, что при длительном процессе трения Ктр повышается. Однако исследования Костецкого показали, что в определенной среде происходит изменение структуры при трении. Он утверждал, что при различных свойствах среды физико-химические превращения поверхности могут влиять на трение. На поверхности соединений в узлах трения доминирует тот или иной процесс трения. Нагрузка схватывания уменьшается или увеличивается — в зависимости от типа структуры.
Значительный интерес для объяснения вторичных структур и их влияния на износ представляют данные о взаимодействии элементов основы с элементами среды и сопряженной пары. Кинетика совместного взаимодействия элементов зависит от дисперсности частиц основы.
Отн. ед.
4 3
2 1
0
Ni
Cr
Ni
Cr
Al
/ЛУЛ^/V
FeM, Al
UaAj
/wJ
J
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40
б)
4*
Отн. ед.
Ni Cr Ni F
Ni Cr Al ЛЛД \A/Vn л
FeAl Al
и
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40
в).
Отн. ед. Ni NiCr FeCr Ni
4 3
Al FeAl Al
J
LwN
U-v-J
лл/j
í/sj
i-1-i-i-i-1-i-1-1-
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 Угол отражения, °
Рис. 5. Фрактограммы при подаче индентора:
а —по варианту 2; б — по варианту 3; в — по варианту 4
На рис. 8 показаны структуры взаимодействия элементов при испытании через 20 ч с элементами 1—10 нм и 250 мкм.
Для оптимального получения результатов нужно провести большее количество исследований.
¡JtiflfyfW«»""
И.
iii
I ! .1 н шя
Рис. 6. Фрактограмма РСА по варианту 5
1
2
2
0
2
148
№ 2 (50)/2009
новые материалы и технологии производства
Таблица 1
Основные разновидности процессов
Группа процессов Название процесса Объект
Порошковая технология Метод Гейтера, газофазное осаждение. Электроразрядное спекание. Высокие статические и динамические давления. Равнокапельное дуговое прессование Металлы и сплавы, химические соединения
Интенсивная пластическая деформация Деформация кручением. Обработка давлением многослойных компонентов Металлы и сплавы
Контролируемая кристаллизация Фазовый наклеп Аморфные и кристаллические покрытия
Технологии Химическое осаждение покрытия из газовой фазы СУБ. Физическое осаждение из паровой фазы РУБ. Электроосаждение. Зольгель-технология Материалы, сплавы, химическое осаждение
Таблица 2
Данные триботехнических характеристик
Материал покрытия Сопряженная пара Способ ввода индентора Ктр через 1 ч Ктр через 9 ч Нагрузка, кг Частота вращения шпинделя, об/мин
ПН55Т45 Ст65г 1-й 0,066 0,05 200 300
3-й 0,085 0,09
4-й 0,09 0,12
а)
Рис. 7. Машина трения СМЦ2
б) в)
Рис. 8. Структуры взаимодействия по 3, 1, 4 вариантам соответственно: а — напыление через 20 часов по 3-му варианту; б — напыление через 20 часов по 1-му варианту; в — по 4-му варианту
Выводы
При исследовании плазменного напыления с послойной ультразвуковой обработкой получены аморфизированные структуры, среди которых наблюдались мелкодисперсные частицы. При исследовании таких покрытий на машине трения СМЦ2 они создавали низкий коэффициент трения и высокую усталостную прочность. Получение наночастиц зависит от режимов плазменного напыления, а также от места введения ультразвука и силы прижима индентора.
Литература
1. Абрамов О. В. Ультразвуковая обработка. М.: Машиностроение, 1987. 230 с.
2. Эскин Г. И. Ультразвуковая обработка расплавов. М.: Машиностроение, 1965. 200 с.
3. Бергман Л. Ультразвук в технике. М., 1997. 140 с.
4. Абрамов О. В. Измельчение зерна при обработке стали ультразвуком. Литейное производство. СПб., 1992. 180 с.
5. Ангелов Г. С. Влияние ультразвука на кристаллизацию чугуна. М.: Техника, 1969. 80 с.
6. Хмелевская В. Б. Методика выбора технологии восстановления деталей. СПб.: Транспорт, 2003. 200 с.
7. Васильков Д. В. Комплексное исследование поверхностного слоя. СПб., 1998. 220 с.
8. Погодаев Л. И. Структурноэнергетическая модель изнашивания. Л., 1979. 350 с.
