Научная статья на тему 'Выбор оптимальной толщины покрытия при финишном плазменном упрочнении'

Выбор оптимальной толщины покрытия при финишном плазменном упрочнении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
382
62
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Металлообработка
ВАК
Ключевые слова
НАНОПОКРЫТИЕ / ПЛАЗМЕННОЕ УПРОЧНЕНИЕ / ТОЛЩИНА ПОКРЫТИЯ / ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ / ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА / ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ / НАПЫЛЕНИЕ ПОКРЫТИЙ / УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ / ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ / УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛА / ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ / ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ / ОКСИКАРБОНИТРИД КРЕМНИЯ / АНТИФРИКЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ / ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ / ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ / ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ / ПЛАЗМЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Тополянский Павел Абрамович, Тополянский Андрей Павлович, Соснин Николай Алексеевич, Ермаков Сергей Александрович

Обоснован выбор оптимальной толщины упрочняющего нанопокрытия в соответствии с исходной шероховатостью поверхности. Наилучшие результаты повышения эксплуатационной стойкости достигаются, если минимальная шероховатость поверхности не хуже Ra = 0,32 мкм. Для диапазона Ra = 0,08 0,32 мкм расчетная толщина покрытия должна быть 0,4-1,0 мкм, и ее можно определять в соответствии с Ra исходной поверхности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Тополянский Павел Абрамович, Тополянский Андрей Павлович, Соснин Николай Алексеевич, Ермаков Сергей Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Выбор оптимальной толщины покрытия при финишном плазменном упрочнении»

УДК 621.793

Выбор оптимальной толщины покрытия при финишном плазменном упрочнении

П. А. Тополянский, А. П. Тополянский, Н. А. Соснин, С. А. Ермаков

Ключевые слова: нанопокрытие, плазменное упрочнение, толщина покрытия, шероховатость поверхности.

Введение

В настоящее время получают широкое распространение технологии нанесения тонкопленочных покрытий методами физического и химического осаждения. В столице и региональных центрах России (Нижнем Новгороде, Туле, Электростали и др.) уже организованы центры, занимающиеся нанесением функциональных покрытий с использованием оборудования ведущих мировых фирм: Platit AG (Швейцария), Vacotec SA (Швейцария), Oe.RИkon Balze.Rs AG (Лихтенштейн), Hauze.R

Techno Coating BV (Нидерланды). К числу используемых покрытий относятся широкоизвестные материалы TiN, TiC, TiCN, TiAlN, CRN, ZRN и некоторые другие, толщина нанесенного слоя — от 0,1 до 6,0 мкм.

Износостойкость покрытий, наносимых с помощью методов физического и химического осаждения, зависит не только от их химического состава, но и от всех технологических операций, начиная с получения изделия, на поверхность которого предполагается наносить покрытие, до момента сдачи заказчику. Достаточно отметить, что стоимость современного

№ 3 (57)/2010

оборудования для нанесения покрытий методами физического и химического осаждения, изготавливаемого ведущими мировыми производителями, составляет в среднем 0,8-1,0 млн евро, для его функционирования требуется примерно равноценное вспомогательное оборудование, в том числе специальная технологическая оснастка. Эти дополнительные установки предназначены для проведения предшествующих нанесению покрытий процессов: дефектации, мойки, очистки, снятия заусенцев и равномерного скругления кромок, микроструйной обработки, финишной полировки (активации поверхности), в отдельных случаях необходимо снятие старого покрытия. После нанесения покрытия изделия обязательно проходят окончательную полировку (для уменьшения микрокапельной фазы и придания поверхности блеска) и контроль качества. Одним из важных предварительных процессов является финишная полировка непосредственно перед нанесением покрытия, которая обеспечивает оптимальные параметры шероховатости упрочняемых поверхностей.

Технология финишного плазменного упрочнения

Разработан новый способ [1] нанесения износостойкого нанопокрытия на основе оксикарбони-трида кремния. Процесс реализуется с использованием малогабаритной, мобильной и маневренной установки производства НПФ «Плазмацентр» (Санкт-Петербург). Можно использовать это оборудование для расширения номенклатуры упрочняемых изделий, в качестве дополнения к названным выше импортным станкам. В данном случае сам процесс не требует вакуума и осуществляется в обычных атмосферных условиях, для него характерны низкие трудоемкость и энергозатраты. Благодаря применению данной технологии можно обеспечить упрочнение ряда изделий, к числу которых относятся:

• детали, изготовленные из материалов с низкой температурой отпуска (порядка 150-180 °С);

• детали в сборе (например, группы пуансонов, заранее закрепленных в металлической подушке, стеклоформующая оснастка в сборе с водоохлаждаемым корпусом и т. д.);

• детали, имеющие минимальные габаритные размеры;

• паяные изделия;

• детали, обладающие повышенной газопроницаемостью;

• детали из разнородных материалов;

• длинномерные изделия;

• детали, выпускаемые единичными партиями.

Данный процесс назван финишным плазменным упрочнением (ФПУ). Он позволяет

многократно повысить долговечность деталей, инструмента и технологической оснастки за счет нанесения износостойкого покрытия толщиной от 0,01 до 3,00 мкм. В результате плазмохимических реакций между подаваемыми в дуговой плазмотрон парами специальных жидких реагентов обеспечивается формирование монослоя нанопокрытия толщиной не менее 3 нм непосредственно на упрочняемой поверхности. Циклическое нанесение покрытия при взаимном перемещении плазменной струи и упрочняемой поверхности определяет его слоистую структуру и позволяет уменьшить до минимума термическое воздействие плазмы на упрочняемую поверхность, полностью исключив разупрочняющий отпуск для всех сталей. Нагрев упрочняемого инструмента не превышает 100-150 °С. Важными характеристиками ФПУ являются локальность нанесения покрытия, сохранение или улучшение параметров шероховатости, возможность обработки труднодоступных зон и изделий любых габаритов. Антифрикционные свойства данного покрытия приводят к снижению силы резания и, соответственно, к уменьшению температуры вблизи режущей кромки инструмента, низкая теплопроводность покрытия обеспечивает отвод большей части тепла со стружкой.

Применение ФПУ существенным образом расширяет технологические возможности упрочненного инструмента и технологической оснастки. Преимуществом данной технологии является возможность обеспечить простое регулирование свойств поверхностного слоя изделий на финишном этапе изготовления, в том числе знака и величины остаточных технологических напряжений, параметров шероховатости, распределения микротвердости [1].

Толщина тонкопленочного покрытия

С точки зрения контроля и стабильности измерения наиболее информативным параметром является толщина покрытия. При этом один и тот же технологический процесс нанесения покрытия можно приспособить для производства непрозрачных («толстых») и прозрачных («тонких») покрытий. Главной отличительной особенностью непрозрачных покрытий, которые используются чаще всего, является необходимость их последующей обработки для обеспечения одинаковой толщины покрытия и уменьшения его дефектности. Прозрачные покрытия применяются для окончательной обработки поверхности, они характеризуются очень высокой твердостью, низким коэффициентом трения, коррозионной стойкостью, химической инертностью и высоким электросопротивлением.

новые материалы и технологии производства

Известно, что выбор толщины износостойкого покрытия, наносимого на инструмент, детали технологической оснастки и другие изнашиваемые детали с помощью различных методов физического и химического осаждения, основан на достижении эффекта упрочнения, обеспечивающего, например, повышение долговечности этих изделий минимум в два раза. В большинстве случаев толщина покрытия находится в диапазоне от 0,1 до 6,0 мкм [2]. Толщина упрочняющего покрытия не должна изменять геометрические (чертежные) размеры изделия и остроту кромок. Как известно, даже покрытия толщиной около 10-500 нм обеспечивают повышение долговечности различных изделий [2]. «Тонкие» покрытия имеют повышенную адгезию к поверхности основы, минимальное количество дефектов, позволяют упрочнять детали с более высокой производительностью процесса, обеспечивая износостойкость и антифрикционные свойства рабочих поверхностей. «Толстые» покрытия обеспечивают так называемые барьерные свойства, благодаря которым покрытие может обладать характеристиками термостойкого и теплоизоляционного слоя.

На первый взгляд кажется, что чем толще покрытие, тем длиннее срок эксплуатации изделия. Однако с увеличением толщины растет число дефектов в покрытии, снижается прочность адгезии покрытия к основе, ухудшается его способность сопротивляться хрупкому разрушению при упругом и пластическом деформировании [3]. В отдельных случаях для инструмента, применяемого при обработке на повышенных скоростях, то есть в условиях высоких температур резания, можно использовать увеличенную толщину покрытия для обеспечения эффекта теплового барьера в целях уменьшения микроотпуска поверхности основного материала инструмента.

В процессе вакуумного нанесения покрытия толщина последнего обеспечивается благодаря соблюдению постоянства технологических параметров режима или использованию кварцевых измерителей толщины пленок, устанавливаемых в определенных местах камеры. Толщину наносимого покрытия сложно контролировать при больших загрузках вакуумной камеры, на разнотолщинных изделиях, закрытых поверхностях и т. д. Каждая фирма, выпускающая инструмент с покрытием, сама определяет его оптимальную толщину. Данный фактор рассматривается не столько с учетом повышения долговечности, сколько с экономической точки зрения, а именно учитывается длительность процесса осаждения. Кроме того, известно, что при использовании вакуумных методов нанесения покрытия и наличии повышенной

толщины последнего возможно увеличение шероховатости поверхности [2], в большинстве случаев это является недопустимым дефектом технологии упрочнения.

Толщина тонкопленочного износостойкого покрытия принципиально соизмерима с параметрами шероховатости микрогеометрии, оцениваемыми в соответствии с ГОСТ 2789-73, поэтому она должна быть оптимизирована с учетом исходных параметров шероховатости поверхностей, подлежащих упрочнению. Все компании, занимающиеся нанесением тонкопленочных покрытий, используют вспомогательное оборудование, которое обеспечивает необходимые параметры шероховатости рабочих поверхностей непосредственно перед нанесением покрытия. Необходимость данного действия связана с тем, что подчас инструмент и детали технологической оснастки, предназначенные для нанесения покрытия, имеют неоптимальные параметры шероховатости (особенно после перезаточек инструмента).

Если наносят тонкопленочные покрытия, то их толщина может быть связана с важной характеристикой исходной поверхности — наибольшей высотой неровностей профиля Ятах. Как известно, данный параметр входит в комплексный критерий шероховатости поверхности

Д = Ятах/ЯЬ1^,

где Я — средний радиус закругления вершин микронеровностей; Ь и у — коэффициенты степенной аппроксимации 1-го участка опорной кривой профиля (для поверхностей после шлифовальной операции Ь = 1,5 -г 4,0, у = 1,6 -г 3,0; для поверхностей после полировальной операции Ь = 3 - 10, у = 2 - 3) [4]. При этом более износостойкой поверхности с повышенной несущей способностью соответствует меньшее значение указанного комплексного критерия шероховатости поверхности.

На промышленных предприятиях существует проблема оперативного измерения параметров шероховатости изготавливаемых изделий, хотя в настоящее время есть достаточное количество предложений по использованию малогабаритных импортных приборов для определения параметров шероховатости. Контроль проводится либо по эталонным образцам, либо на основании стабильности режимов шлифовальной операции.

Существуют проблемы с измерением и контролем толщины тонкопленочных покрытий на упрочненных изделиях, которая определяется как кратчайшее расстояние между поверхностью покрытия в данной точке измерения и поверхностью основного материала.

Высота, мм

-0,002

0

0,1 0,2

—I-1—

0,3 0,4

—I-1-1-1-

0,5 0,6 0,7 0,8 Длина, мм

Рис. 1. Пример профилограммы переходной зоны от исходной поверхности (слева) к поверхности с покрытием (справа). Толщина покрытия — 0,909 мкм:

Х1 — базовая длина; 1 — средняя линия

Для наноразмерных толщин покрытий замеры с помощью микрометров не эффективны. Если для измерений применяют оптические методы, то нужны видимые достаточные площади поверхностей с покрытием и их качественная предварительная подготовка. Численные значения толщины покрытий, измеренные вихре-токовыми толщиномерами, находятся в пределах погрешности измерений. При разработке технологии наиболее целесообразно определять толщину нанесенных покрытий на эталонных образцах, используя профилограммы поверхности [1]. В основу данного метода положен замер расстояния между средними линиями профило-граммы переходной зоны «участок с покрытием — участок без покрытия» при нанесении покрытия с использованием маски. На рис. 1 приведена одна из профилограмм, снятых на серии из трех образцов после ФПУ с использованием прибора MaRSuRF WS1 (MahR GmbH, Германия). В табл. 1 указаны усредненные значения среднего арифметического отклонения профиля Ra и наибольшей высоты неровностей профиля Rmax данной серии образцов до и после ФПУ.

Выбор толщины покрытия при ФПУ

Возможны следующие варианты осаждения покрытия на поверхность с известной исходной шероховатостью. Первый вариант — полное

Таблица 1

Шероховатость исходной поверхности (до ФПУ) и поверхности с покрытием (после ФПУ), мкм

Параметр Исходная поверхность Поверхность с покрытием

Среднее арифметическое отклонение профиля Яа Наибольшая высота неровностей профиля Ятах 0,169 1,034 0,122 0,785

перекрывание и заполнение всех впадин микрорельефа, второй — частичное заполнение впадин исходной шероховатости поверхности. При использовании второго варианта покрытие будет осаждаться и на выступах шероховатости поверхности, причем его толщина может быть меньше толщины покрытия во впадинах. Это связано с тем, что покрытие осаждается в большей степени во впадинах микрорельефа, так как зародышеобразование покрытия более вероятно в микрополостях [5].

Принимая, что профилограмма поверхности имеет периодический характер и приблизительно одинаковую высоту выступов и впадин, можно оценить толщину покрытия на выступах Fl и во впадинах F2 как

F1 = F + 0,5^п.: F2 = F + 0,5(R

- R-и

x);

и. max Rп.max),

где F — расчетная, заданная при ФПУ толщина покрытия, определяемая как расстояние между средними линиями профилограммы переходной зоны «участок с покрытием — участок без покрытия»; -Кп.тах — наибольшая высота неровностей профиля на участке с покрытием;

Rv

— наибольшая высота неровностей про-

филя на исходной поверхности (рис. 2).

Статистический анализ показывает, что после нанесения покрытия методом ФПУ Ятах уменьшается, составляя в среднем 68 % от тах. Тогда приведенные выше выражения можно упростить:

F1 = F + 0,5(0,68 - 1,00)R^max ;

~ F - 0,16Rи.max;

(1)

F2 = F + 0,5(1,00 - 0,68^и.г

F + 0,16RK

Завершающей технологической операцией изготовления инструмента и деталей технологической оснастки является абразивная обр ботка. При этом параметры шероховатости,

F

Рис. 2. Профиль поверхности для расчета толщины покрытия (приблизительно одинаковый масштаб по высоте и по ширине):

1 — покрытие; 2 — исходная поверхность

R

МП^ППООБ^^Ш

новые материалы и технологии производства

получаемой после шлифовальной операции, связаны соотношением [6]

Rmax ~ 7,5Ra. (2)

Принимая во внимание зависимость (2), выражения (1) можно записать:

Fx * F - 1,2Ra; (3)

F2 * F + 1,2Ra,

где Ra — среднее арифметическое отклонение профиля исходной поверхности до ФПУ, мкм.

Согласно исследованиям [7], при условии, что когезионная прочность покрытия меньше адгезионной прочности (при приложении внешних усилий разрушение происходит по покрытию), его толщина составляет единицы микрометров. При этом предельная толщина покрытия на выступах, при наличии которой возможно самопроизвольное отслаивание покрытия, превышает 0,6 мкм. Таким образом, можно предположить, что для получения максимальных адгезионных свойств оптимальная толщина покрытия на выступах Fi должна быть не больше 0,6 мкм.

На основании уравнения (1) и с учетом того, что при ФПУ покрытие наносится во впадины и на выступы и Fi < 0,6 мкм, в качестве оптимальной может быть представлена расчетная толщина покрытия F, согласованная с R^max, как

F = Fi + 0,ЖКи. max; (4)

F = F1 + 1,20Ra. (5)

Как показали исследования, при ФПУ достаточно высокая адгезия наносимого покрытия достигается при расчетной толщине покрытия F не более 2,0 мкм.

В итоге можно предложить следующую формулу (6) для выбора оптимальной расчетной толщины F упрочняющего покрытия при ФПУ (см. рис. 2):

F = (0,3 * 0,6) + 1,2Ra, (6)

где численный диапазон в скобках соответствует задаваемой толщине покрытия на выступах исходной поверхности, мкм.

Для поверхностей с Ra > 0,16 мкм рекомендуется задавать толщину покрытия на выступах в формуле (6) равной 0,6 мкм, для менее шероховатых поверхностей — 0,3 мкм. При использовании формулы (6) для поверхностей с шероховатостью в диапазоне Ra = (0,08 * 0,32) мкм расчетная толщина покрытия при ФПУ составляет

F = (0,4 -г 1,0) мкм. На поверхностях с шероховатостью Ra < 0,32 мкм впадины микрорельефа практически будут полностью заполнены упрочняющим покрытием.

Производственные испытания различных изделий после ФПУ, обеспечивающего повышение их эксплуатационной стойкости минимум в два раза, подтвердили возможность использования предлагаемой формулы (6). При этом наилучшие результаты упрочнения достигаются при минимальной шероховатости поверхности не более Ra = 0,32 мкм.

Для поверхностей после шлифовальной и полировальной операций с Ra, равной 0,08 мкм, целесообразно нанесение покрытия с расчетной толщиной F, равной 0,4 мкм, а для поверхностей с Ra = 0,32 мкм оптимальная расчетная толщина F составляет 1,0 мкм.

Таким образом, толщина наносимого упрочняющего покрытия должна быть согласована со значением параметра исходной шероховатости Ra, то есть должно соблюдаться условие (6). В этом случае покрытие, нанесенное на выступы микрорельефа, создает защитный слой, а покрытие, заполняющее исходные впадины микрорельефа, исправляет дефекты поверхности. Уменьшение любых концентраторов напряжений позволяет наиболее эффективно противодействовать образованию усталостных трещин.

Оценка износостойкости поверхности с покрытием по параметрам EN ISO 13565—2:1996

Рассмотрим влияние наносимого покрытия на параметры шероховатости, отвечающие за износостойкость деталей. В соответствии с международным стандартом EN ISO 13565-2:1996 (немецким стандартом DIN 4776) существуют параметры шероховатости поверхностного слоя, от которых непосредственно зависит повышение износостойкости деталей. В российских стандартах, которые связаны с микрогеометрией поверхности, основными параметрами являются:

• высотные параметры: среднее арифметическое отклонение профиля Ra, высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, среднеквадратичная шероховатость Rq, наибольшая высота неровностей профиля Rmax;

• шаговые параметры: средний шаг местных выступов профиля S, средний шаг неровностей профиля Sm.

В соответствии с международным стандартом EN ISO 13565-2:1996 определяются дополнительные параметры:

• высота выступов, быстро изнашивающихся в первый период эксплуатации) Rpk,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• основа профиля, которая длительное время находится в работе и является несущей

поверхностью по мере срабатывания наружных слоев, Rk;

• глубина впадин профиля, определяющая смазывающую способность поверхности, Rvk.

Данные параметры получаются в результате построения опорной линии поверхности (кривой Аббота — Файрстона), характеризующей процентное содержание материала по высоте шероховатого слоя в пределах наибольшей высоты неровностей профиля Rmax.

Аббот и Файрстон впервые использовали эту кривую для оценки износостойкости поверхности в 1933 году [8]. Данная кривая строится на основании математической обработки про-филограммы поверхности. При этом по оси абсцисс откладывается отношение суммы опорной длины профиля к выбранной базовой длине измеряемого участка (в наших экспериментах она равна 2,5 мм). По оси ординат откладывается расстояние, соответствующее выбранному уровню (на котором суммировалась опорная длина профиля) и отнесенное к Rmax. Таким образом, рассматриваемая кривая характеризует общую шероховатость поверхности на трех участках: зона выступов, зона середины шероховатости и зона впадин. Середина шероховатости в подавляющем большинстве случаев имеет вид наклонной прямой линии, в то время как зоны выступов и впадин имеют характерные ответвления. Если на кривой Аббота — Файрсто-на отсутствует верхняя зона выступов, то это означает, что у данной поверхности все максимумы расположены на одном уровне. Точно также отсутствие на кривой резко выраженного участка впадин указывает на положение всех местных углублений и царапин на одной прямой линии. На рис. 3 показана профило-грамма и кривая Аббота — Файрстона, также проведена прямая линия, определяющая ординаты точек и, соответственно, параметры Rpk, Rk и Rvk. Критерием выбора прямолинейного участка является наименьшее значение разности ординат в пределах данной кривой.

В соответствии с международным стандартом EN ISO 13565-2:1996 по кривой Аб-бота — Файрстона определяются параметры, связанные с процессом изнашивания: Rpk, Rk, Rvk, а также сумма параметров, характеризующая изнашиваемость рабочих поверхностей, Rpk + Rk.

Для анализа влияния исходной шероховатости на износостойкость поверхности исследовались образцы, изготовленные из инструментальной стали Х12М, прошедшие механическую и термическую обработку (HRC 58-62), подвергавшиеся шлифованию (полированию) и имевшие разные значения параметра Ra. При ФПУ, проводимом в условиях оптимального режима,

s...................Ж.............Р Ж rV/ 1 2

о;!

У у чу1

V 1 1 1 1 1 1 1 1 1

%

Рис. 3. Пример построения кривой опорной поверхности (справа) по известной профилограмме (слева):

1 — зона выступов; 2 — зона впадин; Мг1 — доля материала, %, отделенная линией, отделяющей зону выступов от сердцевины профиля; Мг% — доля материала, %, отделенная линией, отделяющей зону впадин от сердцевины профиля

покрытие расчетной толщиной 0,5 мкм наносилось на поверхность образца, при этом половина образца закрывалась маской. Для исследований использовался измерительно-вычислительный комплекс «Профиль», в состав которого входят стандартный профилограф-профилометр 201, 1ВМ-совместимый персональный компьютер, интерфейс связи профилографа с компьютером и пакет прикладных программ (см. рис. 1) [1].

В табл. 2 представлены значения параметров шероховатости до и после нанесения покрытия методом ФПУ (исходный параметр —а варьировали). При уменьшении исходного параметра шероховатости —а от 0,72 до 0,08 мкм после нанесения покрытия сумма параметров Rpk+ характеризующая изнашиваемость рабочих поверхностей, уменьшается почти в 5 раз (с 1,39 до 0,30 мкм). Таким образом, для получения наилучших результатов целесообразно использовать исходную поверхность, не подвергавшуюся ФПУ, с минимальной шероховатостью не более 0,32 мкм (шлифование, чистовая механическая обработка), что соответствует расчетной толщине покрытия порядка 1,0 мкм. Например, для поверхностей, имеющих —а = 0,08 мкм, расчетная толщина покрытия составляет примерно 0,4 мкм.

Пример определения толщины покрытия

Параметры исходной шероховатости упрочняемых поверхностей фактически диктуют требования к толщине наносимого покрытия. Они должны быть определены с учетом толщины наносимого покрытия.

В качестве примера рассмотрим расчеты толщины наносимого износостойкого покрытия и шероховатости исходной поверхности применительно к ФПУ формообразующей оснастки: накатного и обжимного ролика, матрицы и пуансона вытяжного штампа (рис. 4). Шероховатость исходных поверхностей рассматриваемых изделий, заданная конструктором,

Таблица 2

Параметры шероховатости исследуемых поверхностей до и после финишного плазменного упрочнения, мкм

Характеристика Образец

1 2 3

без покрытия с покрытием без покрытия с покрытием без покрытия с покрытием

Среднее арифметическое отклонение профиля Ва 0,08 0,07 0,43 0,38 0,72 0,31

Наибольшая высота неровностей профиля Втах 0,69 0,44 4,17 2,85 5,07 3,47

Высота выступов, быстро изнашивающихся в первый период эксплуатации, Врк 0,35 0,10 2,09 0,71 0,89 0,69

Основа профиля, которая длительное время находится в работе и является несущей поверхностью по мере срабатывания наружных слоев, Вк 0,22 0,20 1,25 1,00 2,66 0,69

Глубина впадин профиля, определяющая смазывающую способность поверхности, ВГк 0,12 0,14 0,83 1,14 1,52 1,27

Сумма параметров, характеризующая изнашиваемость рабочих поверхностей Врк+ Вк 0,57 0,30 3,34 1,71 3,55 1,39

составляла Ва = 0,63 мкм. С учетом изложенных выше принципов целесообразно уменьшить параметр шероховатости Ва на упрочняемых поверхностях до 0,32 мкм. При этом для эффективной работы достаточно обеспечить толщину наносимого износостойкого покрытия порядка 1,0 мкм в соответствии с формулой (6). С учетом статистических данных исследования эксплуатационной стойкости упрочненных изделий уменьшение параметра шероховатости Ва приводит к более низким значениям параметра Rpk + Вк, который характеризует изнашиваемость рабочих поверхностей (чем меньше эта сумма, тем меньше изнашиваемость).

Рис. 4. Процесс ФПУ с нанесением износостойкого тонкопленочного покрытия: а — обжимной ролик; б — накатного ролика; в — матрица вытяжного штампа; г — пуансон вытяжного штампа

Выводы

При ФПУ оптимальная толщина покрытия в значительной степени зависит от исходной шероховатости обрабатываемой поверхности. Наилучшие результаты упрочнения достигаются при минимальной шероховатости поверхности не более Ra = 0,32 мкм.

Для диапазона Ra = 0,08 -г 0,32 мкм оптимальная расчетная толщина покрытия составляет, соответственно, 0,40-1,00 мкм.

Для определения оптимальной толщины покрытия F можно использовать рекомендуемую зависимость: F = (0,30 г 0,60) + 1,20Ra, где Ra — среднее арифметическое отклонение профиля поверхности до нанесения покрытия.

Литература

1. Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии: Руководство для инженеров. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2008. 406 с.

2. Handbook oF HaRd Coatings. Deposition Technologies, PRopeRties and Applications / Ed. by R. F. Bunshah. New YoRk: LLC NoRwich, 2001. 535 p.

3. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. 336 с.

4. Комбалов В. С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. М.: Наука, 1974. 112 с.

5. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. М.: Металлургия, 1966. 196 с.

6. Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.

7. Зимон А. Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977. 352 с.

8. Abbot E. F., Firestone F. A. Specifying surface quality // Mechanical Engineering. 1933. N 9 (55). P. 569-572.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.