CC BY
12
УДК 621.9.048.6:621.794
XИМИКO-МЕXAНИЧЕСКИЕ ПOКPЫТИЯ И СВOБOДНO ДВИЖУЩИЕСЯ PAБOЧИЕ СPЕДЫ, ИСПOЛЬЗУЕМЫЕ В УСЛOВИЯX ВИБPAЦИOННOЙ OБPAБOТКИ Сакунов А. А., Иванов В. В., Погорелое Н. П.
Донской государственный технический
университет, Poстoв-нa-Дoну, Российская
Федерация
vivanov_dstu@,mail. ш
pony.47@mail.ru
a-sakunov @mail.ru
UDC 621.9.048.6:621.794
CHEMICAL AND MECHANICAL COVERINGS AND FREE-MOVING WORKING MEDIA USED IN VIBRATIONAL TREATMENT
Sakunov A. A., Ivanov V. V., Pogorelov N. P.
Don State Technical University, Rostov-on-Don,
Russian Federation
vivanov_dstu@mail.ru
pony.47 @mail.ru
a-sakunov @mail.ru
Рассмотрены paбoчие сpеды, иx xapaктеpистики и мaтеpиaлы, нaнoсимые в услoвияx вибpaциoннoй oбpaбoтки. Доказано, чтo ^и нaнесении пoкpытий сoстaв paбoчей сpеды oпpеделяется xapaктеpистикoй нaнoсимoгo пoкpытия и кoнфигуpaцией детaли.
В результате пpoведенного исследoвaния авторами были сделаны выводы о том, что для танесения вибpaциoнныx xимикo-
меxaническиx циншвьк пoкpытий в кaчестве paбoчиx сpед эффективно испoльзoвaние фapфopoвыx шapoв вместo стaльныx. Также пpи нaнесении oксидныx пoкpытий нa aлюминиевые пoвеpxнoсти рекомендовано ^именение плaстмaссoвых шapиков диaметpoм 3 мм.
Ключевые слoвa: вибpaциoнные xимикo-меxaнические пoкpытия, дисульфид мoлибденa (Мо£2), пopoшoк цинкa, paбoчие сpеды, микpo/нaнoпpoфиль пoвеpxнoсти пopoшкoв.
Введение. Пpи танесении нa oбpaбaтывaемые пoвеpxнoсти paзличнoгo poдa пoкpытий сoстaв paбoчей сpеды oпpеделяется xapaктеpистикoй нaнoсимoгo пoкpытия и кoнфигуpaцией детaли, причем абpaзивные сpеды применять для танесения пoкpытий нельзя, так как скopoсть снятия пленки aбpaзивoм paвнa скopoсти oбpaзoвaния этой пленки.
Основная часть. Фopмиpoвaние вибpaциoнныx xимикo-меxaническиx пoкpытий вo мнoгoм зaвисит oт pежимoв oбpaбoтки, испoльзуемoгo oбopудoвaния, paбoчиx сpед, мaтеpиaлa пoкpытия и энеpгетическoгo уpoвня системы (pис. 1). внесение твеpдoсмaзoчныx пoкpытий тpебует предельных pежимoв oбpaбoтки и твеpдыx метaллическиx paбoчиx тел, используемых с целью
The paper considers working media, their characteristics and the materials applied in the conditions of vibration treatment. It is proved that the coating composition of the working medium is determined by the characteristics of the coating and the configuration of the part. As a result of the study, the authors concluded that the use of porcelain balls instead of steel ones is effective for the application of vibrational chemical-mechanical zinc coatings as working media. Also, when applying oxide coatings on aluminum surfaces, the use of plastic balls with a diameter of 3 mm is recommended.
Keywords: vibrational chemical and mechanical coverings; molybdenum disulfide (MoS2); zinc powder; working media; micro / nano surface profile of powders.
мaксимaльнoгo вoздействия та пoвеpxнoсть метaллa. При вибpaциoннoм xимикo-меxaническoм цинкoвaнии нет неoбxoдимoсти испoльзoвaть максимальные режимы, тaк гак в пpoцессе фopмиpoвaния пoкpытия учaствует xимическaя pеaкция. Вибpaциoннoе xимикo-меxaническoе oксидиpoвaние является xимическим пpoцессом, для aктивaции которого испoльзуются мягкие pежимы вибpooбpaбoтки и специaльные paбoчие сpеды.
Pис. 1. Энеpгетический уpoвень системы: я) мoлекуляpный, б) электронный, в) химический
Для нанесения вибрационных химико-механических покрытий в качестве рабочих сред используют такие материалы, как стальные закаленные полированные шарики, фарфоровые шары, полиэтиленовые шары (гранулы). Металлические шары из стали ШХ 15 (ИКС 58-60) различного диаметра (рис. 2) применяют для нанесения твердосмазочных покрытий, потому что они обеспечивают равномерное распределение наносимого вещества по всему объему рабочей камеры, а также «втирание» и «вбивание» этого вещества в обрабатываемую поверхность [1-3].
Рис. 2. Рабочая среда — шары из стали ШХ 15
В качестве сухой смазки рекомендуется использовать тонкодисперсный порошок дисульфида молибдена [4-6] высокой чистоты марки МВЧ-1 (ЦМТУ06-1-68) с содержанием Мо£2 99,59 % и размером частиц 1-7 мкм (рис. 3, 4). В таблице 1 приведены некоторые характеристики Мо$2 по данным ряда исследований.
Таблица 1
Физико-химические свойства Мо8 2
Показатели Дисульфид молибдена
Внешний вид Черный с металлическим блеском
Плотность, г/см3 4,7-4,8
Термическая стабильность
до температуры, °С:
в вакууме 1185
в аргоне 1340
в воздухе 450
в кислороде Окисляется при нормальной
температуре
Структура Слоистая гексагональная
Твердость по шкале Моса 1-1,5
«С1 * •
а) б)
Рис. 3. Порошок дисульфида молибдена: а) в натуральную величину,
б) частицы х600
а) б)
Рис. 4. Порошок дисульфида молибдена: а) микроизображение, б) наноизображение
Расчет необходимого количества порошка в процессе обработки определяется по формуле (1):
О = (¿1 + + £,)-И-у, (1)
где:
¿1 — общая площадь поверхности частиц рабочей среды;
¿2 — площадь поверхности обрабатываемых деталей;
¿3 — площадь внутренней поверхности камеры;
И — оптимальная толщина покрытия, полученного в процессе обработки;
у — плотность порошка.
Для нанесения вибрационного химико-механического цинкового покрытия в качестве рабочей среды целесообразно использовать химически стойкие фарфоровые или стеклянные шары (рис. 5), обладающие относительно высокой твердостью. Экспериментально установлено, что наиболее подходящими для нанесения вибрационного химико-механического цинкового покрытия являются фарфоровые шары [7, 8].
а) б)
Рис. 5. Образцы рабочих сред: а) стекло, б) фарфор
При нанесении ВиМХП на поверхность стальных деталей выбор рабочей среды определяется в пользу ее физико-химических свойств. В таблице 2 приведена сравнительная характеристика механических свойств рабочих сред.
Таблица 2
Сравнительная характеристика механических свойств рабочих сред
Механические свойства (твердость, шероховатость) Рабочая среда
Фарфоровые шары диаметром 5-10 мм Стеклянные шары диаметром 10 мм
Он, МПа 40...120 20 ... 90
Мкм 0,08 0,02
Фарфоровые шары обладают одним существенным преимуществом — незначительной абразивной способностью. Данное свойство позволяет лучше активировать поверхности детали, не повреждая формирующееся покрытие, так как скорость активации меньше скорости образования покрытия. Это способствует ускорению прикатодных миграционных процессов, тем самым увеличивается скорость нанесения покрытия. В качестве материала покрытия используется цинковый порошок марки ПЦ-2 (ГОСТ 3640-79) с содержанием цинка 99,95 % и составом примесей в %: РЬ — 0,036; Сё — 0,01; ¿п — 0,004 (рис. 6, 7).
Рис. 6. Порошок цинка в натуральную величину
а) б)
Рис. 7. Зерно порошка цинка: а) микро уровень, б) нано уровень
Рекомендуется использовать фракцию цинкового порошка с размером зерна 1...10 мкм. В процессе формирования вибрационного покрытия под влиянием ударов и воздействия химического раствора данная фракция наиболее предпочтительна.
Рабочая среда не должна взаимодействовать с технологической жидкостью (оксидирующим раствором), быть легкой, эластичной, не допускать царапин и забоин. Поэтому в качестве рабочей среды использовались пластмассовые шарики диаметром 3 мм. Неметаллические тела обеспечивают равномерность оксидного покрытия по всей поверхности обрабатываемой детали, выполняют роль поставщиков оксидирующего раствора в реакционную зону, а также обеспечивают сглаживание микронеровностей [9-10]. В таблице 3 приведены некоторые характеристики полиэтиленовых шаров.
Таблица 3
Физико-химические свойства полиэтиленовых шаров
Показатели Полиэтилен
Удельный вес, Г/см3 0,92-0,95
Предел прочности:
при растяжении, кг/см2, 110-140
при сжатии, кг/см2 860-990
при изгибе, кг/см2 115
Твердость по Бринеллю, кг/мм2 25
Теплопроводность при 20° ШЛ 10 0— см ■сек С 2,1
Температурный предел применения материала, °С -45-100 °
Водопоглощение за 24 часа при 20° С, % 0,01
Стойкость к действию кислот и окислителей (при обычных условиях) стоек
В качестве технологической жидкости (оксидирующего раствора) выбран раствор, содержащий кремнефторид натрия и хромовый ангидрид в количестве 3...4 г/л по ГОСТ 9.305-84. Раствор позволяет вести процесс без подогрева и получать плотные пленки, что позволило ему получить большое распространение в промышленности.
Зaключение. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что применение рабочих сред при формировании ВиМХП является индивидуальным процессом. Обобщая комплекс проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области формирования вибрационных химико-механических покрытий, можно сделать следующие выводы: -на деталях из стали рекомендовано комбинирование методов вибрационной обработки и получения химико-механических покрытий;
-выявлено, что качество поверхностного слоя покрытий и его толщина находятся в корреляционной связи с динамическим режимом виброобработки. Механизм формирования покрытий в процессе вибробработки в рабочих средах характеризуется пластическим деформированием и микрорезанием в зоне контакта.
Полученные результаты, прошедшие комплексную экспериментальную проверку, могут быть использованы для нанесения вибрационных химико-механических покрытий в отраслях, где требуется обеспечение повышенного качества поверхностного слоя покрываемых деталей, например, в авиастроении и автомобилестроении.
Библиoгpaфический спи^к
1. Бабичев, A. П. Основы вибрационной технологии / A. П. Бабичев, И. A. Бабичев. — Ростов-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 2008. — 694 с.
2. A.P. Babichev and S.N. Shudaley, Vibration Mechanical Chemistry in Processes of Finishing - Hardening Working and Coatings of МасЫпегу. Monograph, DSTU Publishing Ноше, Ях^оу-ироп-Don, 2012.
3. J. Russell, Mechanical р1аШп^ Bookvika Publishing, 2012.
4. U. Meyer: Ga1vanotechnik (1982).
5. M.S. White: Prod. Finish (1977).
6. Иванов, В. В. Вибрационные механохимические методы нанесения покрытий «цинкование» / В. В. Иванов. — Poстoв-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 2007. — 140 с.
7. V.V. Ivanov, Vibration Mechanical Chemical Coatings. Monograph, LAPLAMBERT, Saarbrucken, Germany, 2014.
8. Иванов, В. В. Вибрационные механохимические методы нанесения покрытий «оксидирование» / В. В. Иванов. — Poстoв-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 2010. — 142 с.
9. V.A. Lebedev V.V. Ivanov, and V. P. Fedorov: IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering (2016).
10. Иванов, В. В. Формирование многокомпонентного вибрационного механохимического покрытия с защитными и антифрикционными свойствами в условиях виброволного воздействия / В. В. Иванов [и др.] // Виброволновые процессы в технологии обработки высокотехнологичных деталей: сб. трудов междунар. науч. симпозиума технологов-машиностроителей. — Podm-M-Дону, 2017. — С. 56-59.
