Разработка нанотехнологий для упрочнения деталей судовых механизмов

новые материалы и технологии производства

МЕТ^^БРД^К)!

УДК 530

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.