Ультразвуковая обработка поверхностей перед нанесением газотермических покрытий на детали горной техники

© К. В. Зайцев, 2012

К. В. Зайцев

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ДЕТАЛИ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ

Проведены исследования по ультразвуковой модификации поверхности основы перед нанесением покрытий высокоскоростным газотермическим напылением. На основе проведенных исследований разработан способ подготовки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний. Ключевые слова: ультразвуковая модификация, газотермическое напыления, покрытия, подготовка поверхности.

Российские машиностроительные заводы по заказам угледобывающих компаний с каждым годом изготавливает все более мощную технику, например, крепи предназначенные для механизации процессов поддержания и управления кровлей в призабойном пространстве лавы при отработке пологих пластов мощностью до 4,1 метров и более. В конструкции этих изделий используется большое количество гидроцилиндров. При производстве штоков гидроцилиндров для упрочнения поверхности и повышения коррозионной стойкости применяется гальванический метод нанесения покрытий. С увеличением габаритов гидроцилиндров возникает необходимость в модернизации гальванических участков. Необходимо либо увеличивать размеры гальванических ванн, расходы на электроэнергию и закупку химикатов, либо искать современный и экономичный метод нанесения покрытий. Кроме того гальваническое хромирование имеет ряд недостатков: наличие токсичных отходов, которые создают проблемы для окружающей среды; низкая производительность; высокая стоимость нанесения толстых покрытий; высокое потребление электроэнергии.

Использование для этих целей передовой мировой технологии высокоскоростного газопламенного напыления лишено указанных выше недостатков и к тому же внедрение данной технологии способствует улучшению экологической ситуации на предприятиях. Процесс высокоскоростного газотермического напыления является наилучшей альтернативой гальваническому хромированию, так как экологически чистый, экономичный и более производительный по сравнению с гальваническим хромированием [1].

Преимущества высокоскоростного газотермического напыления определяется высокой скоростью частиц и отличным качеством покрытий. По сравнению с другими методами напыления такие покрытия обладают более высокой плотностью, низким содержанием оксидов и высокой прочностью сцепления с основой. В зависимости от используемого напыляемого материала возможно получение сжимающих остаточных напряжений в покрытии. Напыление позволяет существенно продлить жизненный цикл деталей и изделий в целом за счет создания на их поверхности слоя с необходимыми служебными характеристиками: высокой твердостью и износостойкостью, коррозионной стойкостью и др. Н—Зкачество формируемых покрытий первостепенное влияние оказывает метод подготовки поверхности основы [4]. В настоящее время для подготовки поверхностей деталей используются следующие методы: термические, механические, химические и другие методы [3]. Не смотря на их известные преимущества им свойственны такие недостатки, как: снижение усталостной и циклической прочности изделий с покрытиями, шаржирование абразивных частиц, низкая производительность, невозможность применения при нанесении тонких покрытий [3]. Поэтому разработка новых методов подготовки способных устранить перечисленные выше недостатки и обеспечить экономическую эффективность технологии является важной научно-технической проблемой.

В этом отношении особенно перспективным является исследование способов подготовки поверхности посредством ультразвуковой обработки, поскольку последняя не только устраняет указанные выше недостатки, но и положительно влияет на процессы формирования покрытий [5—7]. На основании вышеизложенного целью работы является: разработка способа подготовки поверхностей деталей с использованием ультразвуковой обработки перед нанесением газотермических покрытий на детали горной техники.

В работе для напыления применялся порошок системы №СгВСБ1. В качестве материалов основы использовались стали 20 и 40Х. В качестве способов обработки основы для подготовки под напыление и сравнении адгезионного взаимодействия использовались: струйно-абразивная обработка, обработка шлифованием, ультразвуковая обработка. Ультразвуковая обработка производилась с использованием ультразвукового тех-

нологического комплекта УЗГТ-02 [8]. Для напыления применялось оборудование, позволяющее наносить покрытия с высокими скоростями движения частиц напыляемого порошка (до lOOO м/с). Использовались высокоскоростной газопламенный (HVAF-SB^OO, ООО «ТСЗП») и детонационный (комплекс «Дракон», ИГиЛ СО РАН) методы напыления. Металлографические исследования композиций «покрытие-основа» проводились на оптических микроскопах «МЕТАМ РВ^», «Olympus GX-7l» и растровом электронном микроскопе «Philips SEM Б1Б». Измерение микротвердости покрытий и основы проводилось на приборах «Nano Hardness Tester»; «ПМТ-З» [9]. Исследование микрорельефа и определение шероховатости поверхностей осуществлялось с помощью профилографа «Micro Mesure 3D station». Для определения адгезии покрытия использовалась оригинальная методика качественной оценки адгезии по топографии поверхности перед нанесением покрытия и после его отрыва.

Исследование основных технологических параметров ультразвуковой обработки на величину микрорельефа и микротвердости обрабатываемого материала проводились при следующих режимах: диаметр сферы индентора Б мм; статическая сила прижатия индентора Б0 Н; частота колебаний индентора 24 кГц; мощность обработки З00 Вт; подача индентора от 0,04 до 0,28 мм/об; окружная скорость образцов от l7 до Б0 м/мин. Проведенные исследования показали, что в исследованном диапазоне зависимость шероховатости поверхности от подачи носит линейный характер. Зависимость шероховатости поверхности от окружной скорости носит выраженный нелинейный характер и удовлетворительно аппроксимируется полиномом второй степени. Сравнение зависимостей на графиках (рис. l и 2) позволяет заключить, что режимы обработки, обеспечивающие увеличение шероховатости, приводят к снижению микротвердости. Изменение шероховатости и микротвердости поверхности обусловлено двумя основными факторами. Первый фактор связан со степенью перекрытия деформационных канавок образующихся в результате перемещения индентора по обрабатываемой поверхности. Чем больше перекрытие деформационных канавок, тем ниже шероховатость и выше микротвердость поверхности. С уменьшением степени перекрытия деформационных канавок шероховатость поверхности возрастает, а микротвердость снижается вследст-

вие снижения степени деформации поверхности. Вторым фактором является количество ударов индентора на единицу площади поверхности, которое также оказывают влияние на степень деформации поверхности. С увеличением окружной скорости вращения образцов, уменьшается количество ударов индентора на единицу площади обрабатываемой поверхности, вследствие чего снижается степень деформации поверхности.

Для качественного определения адгезии между покрытием и основой проводился профилометрический анализ поверхностей в местах отрыва покрытий с целью оценки площади поверхности основы, на которой закрепились частицы покрытия.

мкм мкм

о 0,05 0,1 0,15 0.2 0,25 в, мм/об 0 10 20 30 40 50 V, м/мин

а) Скорость 23 м/мин б) Подача 0,1 мм/об.

Рис. 1. Влияние подачи индентора (а) н окружной скорости образца (б) на шероховатость поверхности после ультразвуковой обработки: • — сталь 20;  — сталь 40Х

а) Скорость 23 м/мин. б) Подача 0,1 мм/об.

Рис. 2. Влияние подачи индентора (аи окружной скорости образца (б) на микротвердость поверхности после ультразвуковой обработки: • - сталь 20;  - сталь 40Х

р„ —I—

Рис. 3. Схема способа: 1 - патрон токарного станка; 2 - деталь; 3 -резец; 4 - ультразвуковой инструмент; 5 - горелка

На всех полученных профилограммах наблюдалось увеличение совокупного значения шероховатости в сравнении с исходными за счет выступов, сформированных напыленными частицами, которые закрепились на поверхности основы.

С помощью профилометрического комплекса «Micro Mesure 3D station» и программного обеспечения «Mountains Map» была определена площадь поверхности основы, на которой закрепились частиц покрытия после его отрыва. Площадь поверхности основы относительно исходной, на которой закрепились частицы покрытия после его отрыва, при обработке шлифованием составила не более 18 % для используемых методов напыления. При ультразвуковой обработке основы и высокоскоростном газопламенном напылении, площадь на которой закрепились частицы покрытия, составила 38 %. При детонационном напылении на основу, подготовленную ультразвуковой обработкой, площадь поверхности, на которой закрепились частицы покрытия после его отрыва, практически сравнима с площадью покрытия, закрепившегося на основе подготовленной струйно-абразивной обработкой при напылении высокоскоростным газопламенным методом: 47 % и 53 % соответственно.

При нанесении покрытия на поверхность, подготовленную ультразвуковой обработкой, закрепление покрытия происходит вследствие того, что ультразвуковая обработка изменяет структуру и энергетическое состояние поверхностного слоя обрабатываемого металла и снижает активационный барьер [10, 11]. В результате ультразвуковой обработки происходит образование на поверхности пластически деформированного слоя с большой концентрацией дислокаций. Исходная микроструктура металла интенсивно разрушается, при

этом происходит измельчение микроструктуры. Возрастает плотность дислокаций, резко активизируются процессы диффузии и массопереноса [10, 11]. Эти процессы стимулируют диффузию атомов материала покрытия, особенно по дислокациям в поверхность основы при напылении. Формируется благоприятный для растекания частиц первого слоя покрытия волнообразный микрорельеф основы. При ударе частиц о такую поверхность формируются хорошо растекшиеся и затвердевшие частицы с большим количеством активных центров в пятне контакта [3, 12].

На основе проведенных исследований разработан способ подготовки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний (патент РФ на изобретение №2010121657). Способ заключается (рис. 3) в предварительной токарной обработке поверхности, подлежащей напылению, с целью формирования регулярного микрорельефа с необходимыми параметрами для последующей ультразвуковой обработки.

Далее производится ультразвуковая обработка, реализующая пластическое деформирование и формирование микрорельефа с регулярными параметрами за счет изменения режимов ультразвуковой обработки и последующие нанесение покрытий высокоскоростным газотермическим напылением.

Заключение

1. Определены, параметры величины подачи индентора и скорости вращения при ультразвуковой обработке изделий из сталей 20 и 40Х, которые позволяют формировать минимальную шероховатость Н2=1—2 мкм и максимальную микротвердость 3200—4200 МПа для данных условий обработки.

2. Установлено, что ультразвуковое воздействие на поверхность сталей 20 и 40Х при последующем газотермическом напылении обеспечивает снижение скачка микротвердости между покрытием и основой на 20 % в сравнении со струйно-абразивной обработкой при незначительном снижении площади адгезионного взаимодействия (с 53 % до 47 %).

3. Разработаны технологические рекомендации для ультразвуковой обработки сталей 20 и 40Х и способ подготовки поверхности деталей с использованием ультразвуковых колебаний под нанесение покрытий высокоскоростным газопламенным и детонационным напылением (патент РФ на изобретение №2010121657 «Способ подготовки поверхности детали с ис-

пользованием ультразвуковых колебаний»). Разработан и запатентован способ ультразвукового упрочнения конструкционных материалов (патент РФ на изобретение №2354715 «Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов»).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балдаев Л.Х. Газотермическое напыление: учеб. пособие / кол. авторов; под общей ред. Л.Х. Балдаева. — М.: Маркет ДС, 2007. — 344 с.

2. Бартенев С.С., Федько Ю.П., Григорьев А.И. Детонационные покрытия в машиностроении. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. — 215 с., ил.

3. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовская E.H. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник «Науко-ва думка», 1987. — 544 с., ил.

4. Гарбер М.И. Прогрессивные методы подготовки поверхности // Жур. Всесоюз. хим. Общества им. Д.И. Менделеева — 1980. — Т. 25. — №2. — С. 129-137.

5. Клименов Б.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Толмачев А.И. Исследование адгезии покрытий, полученных высокоскоростным газопламенным напылением. Известия Томского политехнического университета 2007г.

— Т.310 — № 3. — С. 57-61.

6. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Ульяницкий В.Ю., Зайцев К.В., Борозна В.Ю. Влияние ультразвуковой обработки основы на формирование покрытия при детонационном напылении. Технология машиностроения 2008г. — № 7. — С. 22-26.

7. Клименов В.А., Нехорошков O.H., Уваркин П.В., Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф. Структура, фазовый состав и свойства стали 60, подвергнутой ультразвуковой финишной обработке // Физическая мезомеханика. — 2006.

— Т.9. — Спец. выпуск — С. 173-176.

8. Ультразвуковой технологический комплект УЗТК-02. Руководство по эксплуатации.

9. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. — М.: Наука, 1976. — 230 с.

10. Абрамов О.А., Добаткин В.И., Казанцев В.Ф. и др. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. М.: Наука, 1986.

— 227 с.

11. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов / Под ред. О.В. Абрамова. — М.: Машиностроение, 1984. — 280 с., ил.

12. Солонеко О.П., Смирнов А.В., Клименов В.А., Бутов В.Г., Иванов Ю.Ф. Роль границ раздела при формировании сплэтов и структуры покрытий. //Физическая мезомеханика. — 1999. — Т.2. —№1—2. — С. 123—140. НЗШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Зайцев К.В. — старший преподаватель, е-mail: zaitsev81@rambler.ru, Юргинский технологический институт (филиал) Национальный исследовательский Томский политехнический университет