Особенности протекания в поверхностном слое механохимических процессов нанесения покрытия в условиях виброволнового воздействия

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2 УДК 621.9.048.6:621.794

ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕКАНИЯ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ В УСЛОВИЯХ ВИБРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

С.Ю. Штынь, В.В. Иванов

Рассмотрены особенности протекания механохимических процессов при нанесении покрытий различного функционального назначения в условиях виброволновых технологических систем. Представлены экспериментальные данные, подтверждающие зависимость образования покрытий от механической составляющей процесса. Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ №16-38-00276.

Ключевые слова: механохимическое покрытие, виброволновая система, технологические режимы, амплитуда, механическая активация.

Принципы развития современной техники обуславливают новые требования к качеству продукции. Одним из вариантов решения задачи повышения физико-механических и эксплуатационных свойств деталей машин являются совершенствование и разработка новых методов нанесения функциональных покрытий. В число таковых входят механохимиче-ские покрытия, наносимые нетрадиционными способами.

Приоритетное направление для реализации технологических процессов получили комбинированные методы обработки, позволяющие производить на обрабатываемые поверхности одновременно несколько энергетических воздействий, протекаемых по своему физико-химическому механизму. В связи с этим является перспективным разработка способов, обеспечивающих получение покрытий путём комбинированного протекания механохимических процессов. Наиболее эффективно эти условия могут быть реализованы с использованием виброволновых технологических систем, которые позволяют создавать на поверхности деталей более качественные покрытия различного функционального назначения.

Сущность вибрационной обработки заключается в том, что рабочей среде и обрабатываемым деталям сообщаются механические колебания, значительно превышающие ускорение силы тяжести. Под действием этих колебаний рабочая среда приобретает энергию, достаточную для деформации поверхностного слоя детали.

ВиМХП является частным случаем механохимических явлений, то сам процесс нанесения покрытий состоит из двух составляющих: механической активации и сплавления. В первом случае имеет место деформационное воздействие на твёрдое тело, что приводит к накоплению в структурных составляющих материала детали дефектов и влияет на их

химическую активность. В случае физико-химического сплавления имеет место массоперенос и химическое взаимодействие чистых металлов, соединений и сплавов [1].

На базе кафедры «Технология машиностроения» ДГТУ проведено большое количество работ по исследованию вибрационных механохими-ческих покрытий (ВиМХП). Особое внимание было уделено раскрытию механизма формирования поверхностных защитных слоев из наносимого материала, а также выявлению связи между режимами обработки и свойствами технологических сред с получаемыми показателями качества образовавшегося покрытия.

Так, в работе [2] было исследовано влияние амплитуды колебаний рабочей камеры на толщину оксидной пленки.

Испытания проводились на образцах из алюминия марки АДО и сплава АЛ9, частота колебаний рабочей камеры /=33,3 Гц; продолжительность обработки т = 30 мин (рис. 1). Определение толщины оксидной пленки проводилось капельным методом.

Рис. 1. Зависимость толщины оксидной пленки от амплитуды колебаний рабочей камеры: I - алюминий АДО (НВ 28);

2 - сплав алюминия АЛ-9

Увеличение амплитуды колебаний до значений А = 2,5 мм не влияет на рост оксидной пленки. При амплитуде колебаний, равной 3 мм наблюдается некоторое снижение толщины оксидной пленки. Дальнейшее увеличение амплитуды ведет к плавному снижению толщины покрытия. Характер изменения толщины покрытия в зависимости от амплитуды колебаний одинаков для алюминия и алюминиевого сплава. С увеличением амплитуды колебаний повышается скорость движения частиц рабочей среды и, следовательно, увеличиваются усилия микроударов о поверхность обрабатываемой детали.

Увеличение амплитуды колебаний выше оптимального значения 2,5 мм, вероятно, приводит к повышению скорости движения и сил микроударов частиц рабочей среды, при которых наблюдается разрушение поверхностного слоя, образовавшегося покрытия, т.е. скорость разрушения оксидной пленки преобладает над скоростью ее роста, и как результат падает толщина покрытия.

Этот вывод согласуется с теорией механизма образования оксидной пленки, где отмечается, что рост оксидной пленки возможен тогда, когда скорость роста пленки опережает скорость ее растворения.

Аналогичная зависимость толщины ВиМХП от амплитуды колебаний выявлена и при исследовании образования твердосмазочного покрытия на основе дисульфид молибдена MoS2 [3]. Установлено, что максимальный рост покрытия наблюдается при амплитуде до 3 мм (рис. 2). При обработке с амплитудами более 3 мм толщина покрытия снижается.

0

1 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

А,тт

Рис. 2. Зависимость толщины покрытия Мо82 на стали 45 от амплитуды колебаний (А) рабочей камеры: 1 - отожженной;

2 - закаленной

Влияние продолжительности обработки на толщину оксидной пленки исследовалось при амплитуде А = 2,0 мм и частоте колебаний /= 25 Гц [2]. Общая продолжительность обработки т =60 мин. На рис. 3 представлена зависимость толщины покрытия от времени обработки. Хотя состав сплава покрываемых деталей влияет на толщину оксидной пленки, характер кривой остается неизменным.

В течение первых 5 мин наблюдается линейный рост толщины покрытия, происходит взаимодействие между рабочей средой и оксидной пленкой. В этот момент скорость роста толщины пленки опережает скорость ее разрушения. Затем, через 10 мин обработки, толщина оксидной пленки стабилизируется. Есть все основания полагать, что на этом этапе процесс оксидирования завершается, то есть наступает равновесие, при котором скорость роста пленки равна скорости ее разрушения.

Рис. 3. Зависимость толщины оксидной пленки от времени обработки: I — алюминий марки АДО; 2 — сплав алюминия АМг; 3 — сплав

алюминия Д16

При дальнейшем увеличении времени обработки после некоторой стабилизации толщины покрытия наблюдается незначительное ее снижение за счет растворения поверхностного слоя оксидной пленки, подвергающегося активному воздействию.

При нанесении твердосмазочного ВиМХП дисульфида молибдена активный рост покрытия происходит, в пределах 30 минут далее происходит стабилизация толщины покрытия и его уплотнение [3]. При увеличении времени обработки более 120 мин толщина покрытия незначительно уменьшается вследствие его разрушения (рис. 4).

б, мкн

— Т

1

0 50 100 200

Г, МШ1

Рис. 4. Зависимость толщины покрытия Мо82 на стали 45

от времени обработки

С целью установления влияния механических свойств стали 40 на толщину формируемого цинкового ВиМХП были проведены исследования по обработке отожженных и закаленных образцов при одном и том же ре-

197

жиме вибрационной обработки [4]. На графике (рис. 5) приведены результаты исследований по определению толщины цинкового покрытия во времени.

Следует отметить, что по способу формирования на поверхности металла рассмотренные процессы нанесения ВиМХП подразделяются на три основные группы с учетом их энергетического уровня.

1. Покрытия формируются на поверхности металла без взаимного проникновения, связь покрытия с металлом происходит за счет механического сцепления (твердосмазочное покрытие дисульфида молибдена).

2. Покрытия формируются на поверхности матрицы с участием ионных процессов и диффузионных явлений, поверхность защищаемого металла участвует в формировании покрытия на уровне окислительно-восстановительных процессов (вибрационное цинкование).

3. Покрытия образуются за счет химического присоединения к основному металлу компонентов внешней среды (оксидирование алюминия).

Время, ч

Рис. 5. Изменение толщины цинкового покрытия в зависимости от продолжительности обработки: 1 - закаленная сталь;

2 - отожженная при 750 0С

Проведенные исследования в НИИ « Вибротехнология» Донского государственного технического университета позволили установить следующие отличительные особенности механохимических процессов нанесения покрытий в вибрационных технологических системах от других способов нанесения покрытий.

1. Формирование ВиМХП происходит в условиях механического ударно-импульсного воздействия свободно движущихся частиц рабочей среды (металлических, фарфоровых, стеклянных сферических инденторов) на обрабатываемую поверхность. В результате динамического контакта частиц рабочей среды с поверхностью детали обеспечивается активация

198

химических процессов протекающих в поверхностном слое при формировании покрытий, а также происходит изменение геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя.

Из вышеприведённой классификации следует, что одни покрытия формируются путем механического сближения поверхности металла с покрываемым материалом, другие формируются в условиях химической реакции, а при наличии в граничном слое электростатических сил, процесс усложняется с образованием двойного электрического слоя, гидратацией, диффузией.

Однако для всех механохимических процессов нанесения покрытий, не зависимо от сложности химических процессов, механическая энергия неизменно остается главной активирующей силой.

В результате механического воздействия внешних сил происходит увеличение внутренней энергии системы, увеличивается энергия поступательного движения молекул, энергия внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп входящих в состав молекулы, энергия вращения электронов в атомах, энергия ядра атомов и другие виды энергии. Кроме того, механическая энергия инициирует тепловые и обменные процессы, а также ускоряет образование и рост покрытия за счет конвекционных потоков, увеличивающих концентрацию активных ингредиентов в граничном слое.

2. Механохимические процессы нанесения покрытий имеют каталитический характер, что подтверждается высокой адсорбцией, активацией, миграцией заряженных частиц, полем микроэлементов, возрастанием доли успешных столкновений.

3. Для механохимических процессов нанесения покрытий, протекающих в условиях высокой активности измельчения порошка и повышенных контактных и температурных нагрузок возможно, проявление электростатических сил, обусловленных высоким сродством некоторых элементов, в частности к электрону.

4. В зависимости от вида технологической среды, применяемой для нанесения покрытия, механохимические процессы имеют свои особенности.

Так, механизм формирования твердосмазочного покрытия, имеет следующую закономерность: слой с внедренными, нано и микрочастицами дисульфида молибдена, удерживается силами адсорбции; выше этого слоя формируется тонкая пленка покрытия с ориентацией частиц базовыми плоскостями параллельно поверхности трения. Увеличение толщины покрытия происходит путем дробления кристаллитов дисульфида молибдена в зоне контакта индентора сферической формы и образовавшегося граничного слоя, уплотнения частиц порошка, заполнение микро и нано частицами пор и вакантных центров металла с образованием сплошного слоя смазки.

Адсорбированные частицы твердой смазки не имеют определенной ориентации, но в зоне контакта, благодаря сближению и скользящим ударам шаров, частицы ориентируются базовыми плоскостями параллельно обрабатываемой поверхности. Надо отметить, что поверхность покрытия имеет как микрочастицы дисульфида молибдена, так и нано частицы.

Образование цинкового покрытия состоит в следующем; образуется поле микроэлементов, по мере изоляции, свободной от цинка, поверхности основы, ЭДС будет ослабевать, и преобладающая роль в осаждении покрытия будет принадлежать механической составляющей процесса.

Анализ механизма формирования оксидного покрытия выявил, что участки поверхности обрабатываемого металла с высокой активностью адсорбируют гидроксил-ион, взаимодействуют с ним с образованием гидро-ксида алюминия.

5. Качество формируемого механохимическим способом в вибрационных технологических системах покрытия во много зависит от технологических условий его нанесения, таких как амплитуда и частота колебаний, размер и материал рабочих сред, количество и концентрация технологических растворов, продолжительности обработки.

6. Исследования профиля и морфологии поверхности показали, что при механохимическом способе нанесения покрытия (например, цинкового) происходит как изменение глубины впадин, так и изменение параметров микро/нано профиля поверхностного слоя. При этом достигается уплотнение покрытия и некоторое снижение шероховатости поверхностного слоя за счет деформации гребешков и увеличения радиуса закругления вершин микронеровностей.

В заключение следует отметить, что происходящие на макроуровне изменения в результате нанесения покрытия механохимическм способом зарождаются и являются следствием механохимических преобразований протекающих на наноуровне в локальных объёмах.

Список литературы

1. Бабичев А.П., Бабичев И. А. Основы вибрационной технологии. 2-е изд., перераб. и доп. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008, 694 с.

2. Иванов В.В. Вибрационные механохимические методы нанесения покрытий (оксидирование): монография. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2007. 140 с.

3. Иванов В.В., Селеменев М.Ф., Марченко Ю.В. Формирование вибрационных механохимических твердосмазочных покрытий на основе дисульфида молибдена // Журнал «Известия Орел ГТУ» №2 (286). Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. С. 73-79.

4. Иванов В.В. Вибрационные механохимические методы нанесения покрытий. Цинкование: монография. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. 143 с.

Штынь Сергей Юрьевич, асп., sshtyn@bk.ru, Россия, Ростов-на-Дону, КЗ «РОСТСЕЛЬМАШ»,

Иванов Владимир Витальевич, канд. техн. наук, доц., sshtyn@bk.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской Государственный Технический Университет

THE BEHAVIOR CHARACTERISTICS IN THE SURFACE LAYER OFMECHANOCHEMICAL PROCESSES OF COA TING IN TERMS OF VIBROWA VE

IMPACT

S. Y. Shtyn, V. V. Ivanov

Considers the features of mechanochemical processes in Nan-seniya coatings of various functional purposes in terms of vibrava-new technological systems. Experimental data is presented confirming the dependence of the formation of coatings on mechanical components ofa process. Researches are executed within a grant of the Russian Federal Property Fund No. 16-38-00276.

Key words: mechanochemical coating, vibrowave system, techno-logical modes, amplitude, mechanical activation.

Shtyn Sergey Yuryevich, postgraduate, sshtyn@,bk.ru, Russia, Rostov-on-don, «ROSTSELMASH»

Ivanov Vladimir Vitalievich, candidate of technical sciences, professor, sshtyn@,bk.ru, Russia, Rostov-on-don, Don State Technical University