CC BY
88
6. висновки
1. Запропоновано комбінований метод
оздоблювально-зміцнювальної обробки з використанням імпульсних джерел енергії лазерного променя та ультразвукових коливань;
2. Визначено вплив імпульсних лазерно-ультразвукових джерел енергії на зміну структури,
параметрів шорсткості, ступеня нагартування та мікротвердості поверхневого шару бронзи БрАЖ9-4;
3. Визначено оптимальну величину енергії лазерного імпульсу для зміцнювальної обробки деталей із бронзи БрАЖ9-4 після лазерної обробки.
Література
1. Григорьянц, А. Г. Технологические процессы лазерной обработки [Текст] / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров. -М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - 664 с.
2. Головко, Л. Ф. Лазерні технології та комп’ютерне моделювання [Текст] / під ред. Л. Ф. Головка, С. О. Лук’яненка. - К.: Вістка, 2009. - 296 с.
3. Полевой, С. Н. Упрочнение машиностроительных материалов [Текст] : Справочник / С. Н. Полевой, В. Д. Евдокимов. - М. : Машиностроение, 1994. - 496 с.
4. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием [Текст] / Л. Г. Одинцов. - М. : Машиностроение, 1997.
5. Вероман, В. Ю. Ультразвуковая обработка материалов. [Текст] / В. Ю. Вероман, А. Б. Аренков. - Л. : Машиностроение, 1971.
6. Киселёв, М. Г. Ультразвук в поверхностной обработке материалов [Текст] / М. Г. Киселёв, В. Т. Минченя, В. А. Ибрагимов. -Мин. : Тесей, 2001.
7. Спосіб лазерно-ультразвукової фінішної обробки [Текст] : пат. 60662 U України: МКП В 24 В 39/00, / Джемелінський В. В., Джемелінська Л. В., Лесик Д. А. - заявл. 01.12.10 ; опубл. 25.06.11, Бюл. №12. - 2 с.
8. Mordyuk, B., & Prokopenko, G. (2006). Mater. Sci. Eng., А Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process, 437, 396.
9. Mordyuk, B., Prokopenko, G., Vasylyev, M., & Lefimov. (2007). Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process, 458, 253.
10. Mordyuk, B., & Prokopenko, G. (2007). J. Sound Vib, 308, 855.
11. Peyre, P., Fabbro, R., Merrien, P., & Lieurade, H. (1996). Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process, 210, 102.
12. Devaux, D., Fabbro, R., Tollier, L., & Bartnicki, E. (1993). J. Appl. Phys, 74, 22-68.
13. Bugayev, A., Gupta, M., & Payne, R. (2006). Opt. Lasers Eng, 44, 102.
-----------------□ □--------------------
У даній роботі показані результати поверхневого зміцнення деталей в умовах саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу, які використовуються для деталей ракетно-космічної техніки. Приведені фотографії зміцнених матеріалів, результати фазового аналізу та виміру мікротвердості
Ключові слова: саморозповсюджува-
ний високотемпературний синтез, дифузія, поверхневе зміцнення, мікроструктура, поверхневий шар, мікротвердість
□--------------------------------□
В данной работе показаны результаты поверхностного упрочнения деталей в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, использующихся для деталей ракетно-космической техники. Приведены фотографии упрочненных материалов, результаты фазового анализа и измерения микротвердости
Ключевые слова: самораспространяющий-ся высокотемпературный синтез, диффузия, поверхностное упрочнение, микроструктура, поверхностный слой, микротвердость -----------------□ □--------------------
УДК 621.793.6:669.35
ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕй
из высокоуглеродистых МАТЕРИАЛОВ в условиях самораспространяющегося высокотемпературного СИНТЕЗА
С. Н.Ткаченко
Младший научный сотрудник Кафедра материаловедения и обработки металлов Запорожская государственная инженерная академия пр. Ленина, 22, г. Запорожье, Украина, 69006 Е-mail: [email protected]
© .
В последнее время интерес к космической промышленности постоянно растет. Высокоуглеродистые материалы - наилучшие и главные конструкционные материалы для изделий космической индустрии, их масса составляет больше чем 90 % от других материалов [1]. Перспективные решения в производстве новых материалов должны обеспечить материалы с максимально оптимальными свойствами, позволяющими использование их в космосе. Весь комплекс свойств упрочненных материалов должен оказать чрезвычайное влияние на те области промышленности, которые занимаются космическим машиностроением, и отыграть важную роль в дальнейшем освоении космоса. Одним из наиболее эффективных технологических путей повышения надежности работы деталей из высокоуглеродистых материалов используемым в космической промышленности является нанесение на их рабочую поверхность различных покрытий [2]. Покрытие представляет поверхностный слой детали, целенаправленно создаваемый воздействием окружающей среды на поверхность детали, и характеризующийся конечной толщиной, а также химическим составом и структурно-фазовым состоянием, качественно отличающимися от аналогичных характеристик материала основы [3]. Незначительный расход материала покрытия и высокие характеристики поверхности детали обеспечвают повышенный интерес к разработке новых методов нанесения покрытий целевого назначения и широкое внедрение покрытий в космическую промышленность. На сегодняшний день актуальным является вопрос получения покрытий большей толщины с заданным химическим составом. Одним из методов повышения жаростойкости, адгезионной прочности, коррозионной стойкости и износостойкости является химико-термическая обработка (ХТО) в условиях са-мораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) представляет собой высокоинтенсивное экзотермическое взаимодействие химических элементов в конденсированной фазе, способное к самопроизвольному распространению в виде волны горения [4]. Благодаря высоким технологическим и физическим (тепловые свойства, электрические и магнитные характеристики) свойствам высокоуглеродистых материалов, используемых в качестве материала в ракетостроении применяется поверхностное упрочнение кремнием деталей в условиях теплового самовоспламенения, заключающегося в совмещении химических транспортных реакций с процессом теплового самовоспламенения порошковых смесей.
3. Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является разработка технологии поверхностного упрочнения деталей из высо-
коуглеродистых материалов применяемых в космической промышленности в условиях СВС, исследование микроструктуры, исследование жаростойкости, адгезионной прочности, коррозионной стойкости и износостойкости упрочненных деталей, а также определение микротвердости и толщины поверхностного слоя.
4. Экспериментальные данные и их обработка
В качестве исследуемых материалов были выбраны высокоуглеродистые материалы марки АСЧ-1 (ГОСТ 1585-85), СЧ-20, СЧ-25 (ГОСТ 805-95), ВЧ 45-5, ВЧ 38-17, ВЧ 42-12 (ДСТУ 3925-99), композиционные материалы марки УУКМ на основе углеродной ткани “Урал НШ-215” и электродный графит ЭГ. В качестве источника тепла для протекания процесса диффузионного насыщения были использованы окислы Сг2Оз и Si02. Газотранспортными реагентами были хлористый аммоний ^Н4С1) и хлористый натрий (№С1). Дисперсность порошков составляла 100-350 мкм. Поверхностное упрочнение образцов в условиях СВС осуществляли в реакторе открытого типа. Температуру СВС-смеси контролировали вольфрам-рениевой термопарой ВР-5 в защитном чехле, введенной непосредственно в ее объем.
Микроструктура упрочненного слоя исследовалась на световом микроскопе “№орЬо^21”. Фазовый анализ осуществляли на рентгеноспектральном микроанализаторе MS-46, оснащенного приставкой электронного микроскопа МЕ 76. Испытание на жаростойкость осуществляли согласно ГОСТ 6130-71, испытание на адгезию — согласно методу вдавливания конического индентора, испытание на коррозионную стойкость определяли по изменению массы образцов до и после испытаний, испытание на износостойкость проводили по ГОСТ 23.224-86. Микротвердость измеряли на приборе “ПМТ-3” при нагрузке на индентор 1Н. Для расчета равновесного состава продуктов системы был использован прикладной пакет программ «АСТРА».
5. результаты и их обсуждение
Толщина упрочняющих слоев зависит главным образом от температуры процесса и времени выдержки. Увеличение содержания кремния в шихте, способствует незначительному росту диффузионных слоев. Также увеличению слоев способствует добавление в реакционную шихту №Е Толщина диффузионного слоя в зависимости от продолжительности процесса при определенной температуре выражается параболической зависимостью, т.е. с течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается, а толщина диффузионного слоя, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла. Увеличение времени выдержки деталей в реакционной шихте с 2 до 4 ч увеличивает глубину слоя с 80-100 мкм до 300-350 мкм. При дальнейшем увеличении времени выдержки, толщина слоя растет менее интенсивно из-за снижения активности насыщающей среды в результате обеднения ее кремнием. Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит
Е
от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов вглубь металла состава обрабатываемого металла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса. Результаты фазового состава показали, что слои с содержанием кремния на поверхности состоят из фаз FeSi, FeSi2, Fe3Si и Fe5Si3 которая обладает чрезвычайно высокой износостойкостью.
испытание жаростойкости защитных покрытий. Легирование слоя высокоуглеродистого материала алюминием и оксидом никеля в условиях СВС приводит к образованию интерметаллидных фаз №3А1, №А1, №2А13, №А13, что увеличивает его жаростойкость в 3-4 раза. Данные интерметаллиды обладают высокой твердостью и высокой химической стойкостью к коррозионным средам при повышенных температурах, также имеют более высокую температуру, чем исходные металлы.
Адгезионная прочность защитных покрытий. Улучшено сцепление покрытия с подложкой, благодаря образованию переходной зоны на основе карбидов титана и хрома. Для достижения высокой адгезии формировали специальные слои, обладающие высоким потенциалом воздействия как с подложкой, так и со слоем. Для формирования таких слоев использовали титан и хром. Суть метода повышения адгезии заключалась в том, чтобы осуществить перемешивание атомов слоя и подложки непосредственно в процессе нанесения покрытий и сформировать переходной слой с градиентом концентраций. При легировании шихты титаном и хромом фазовым анализом на подложках с металлической основой были выявлены и исследованы следующие карбидные фазы: ТЮ, Сг23С6 и на материалах с графитовой подложкой образуется дополнительно фаза Сг7С3 благодаря большой концентрации углерода в подложке. Установлены закономерности формирования переходной зоны многокомпонентных поверхностных слоев, на основе карбидов титана и хрома, полученных в режиме теплового самовоспламенения и приводящих к увеличению адгезионной прочности в 1,8-2,0 раза.
коррозионная стойкость защитных покрытий. С целью повышения коррозионной стойкости защитные покрытия легировали никелем и бором. При осаждении легирующих элементов получаются плотные, бес-пористые, эластичные покрытия, легированные М-В, болщиной до 200 мкм, с содержанием бора 1,5 %.
Свойства защитных покрытий, содержащих никель и бор:
1. Устойчивость к коррозии;
2. Повышенная поверхностная твердость;
3. Высокая устойчивость к окислению при повышенных температурах.
В результате установлена зависимость коррозионной стойкости поверхности упрочняемых деталей от содержания кремния, бора и никеля в шихте. Выявлено и экспериментально доказано, что силицирование чугуна, при содержании кремния в шихте в количестве 10 % приводит к увеличению коррозионной стойкости в 3,2-3,5 раз, а добавка дополнительно бора в количе-
стве 15 % в шихту и оксида никеля, в количестве 0,5%, приводит к увеличению коррозионной стойкости чугуна в 3,8-4,2 раза.
износостойкость защитных покрытий. В ходе проделанной работы видно что наибольшей износостойкостью обладают упрочненные образцы, легированные 14 % Сг. В силу того, что хром входит в состав хромистой составляющей, которая отвечает за температурный фактор, то дальнейшее увеличение содержания хрома (при содержании ХС 20%) в данной технологии не представляется возможным. Введение бора в шихту, способствует равномерному распределению мелкодисперсных карбидов по сечению слоя и является активным аусте-низатором. Наружный борированный диффузионный слой представляет собой FeB, а внутренний — Fe2B. В результате установлена зависимость изностойкости поверхности упрочняемых деталей от содержания хрома в шихте. Выявлено, что благодаря содержанию хрома в шихте в количестве 14 % удалось повысить износостойкость поверхностного слоя в 2,4-2,7 раза.
физико-механические свойства защитных покрытий. Анализ результатов исследования физико-механических свойств многокомпонентных защитных покрытий высокоуглеродистых материалов, показал, что они отличаются в зависимости от микроструктуры и технологического режима процесса насыщения. Различие в прочности высокоуглеродистых материалов с разными покрытиями объясняется отличиями в структуре, фазовым составом и распределением элементов покрытия. Максимальная микротвердость Щ00 силицированного образца (рис. 1) составила 6500 МПа при содержании кремния в поверхностном слое 13 %. Значительно увеличивается микротвердость поверхностного слоя при содержании в шихте легирующих элементов Сг и А1. Фотографи исследованных образцов предоставлены на рис. 2-5.
6500 1 пг
6000 - ^
5500 -§! 5000 -:£ 4500 -
4000 - у/
3500 - /
й /
3000 - /
2500 - /
2000 -Р----------1--------------1-----------1-----------1-----------1------------.
2 4 6 В 10 12 14
Содержание Б К % масс.
Рис. 1. Зависимость микротвердости силицированного слоя на УУКМ от содержания Si в поверхностном слое
а б
Рис. 2. Фотографии силицированного чугуна марки ВЧ 45-5, полученные на растровом микроскопе РЭМ 106 У, соответственно во вторичных (а) и в отраженных (б) электронах, х500
б
Рис. 3. Фотографии силицированного чугуна марки ВЧ 38-17, полученные на растровом микроскопе РЭМ 106 У, соответственно во вторичных (а) и в отраженных (б) электронах, х200
6. выводы
1. Легирование слоя высокоуглеродистого материала алюминием и оксидом никеля в условиях СВС приводит к образованию интерме-таллидных фаз №3А1, №А1, №2А13, №А13, что увеличивает его жаростойкость в 3-4 раза.
2. Установлены закономерности формирования переходной зоны многокомпонентных поверхностных слоев, на основе карбидов титана и хрома, полученных в режиме теплового самовоспламенения и приводящих к увеличению адгезионной прочности в 1,8-2,0 раза.
3. Выявлено и экспериментально доказано, что силицирование чугуна, при содержании кремния в шихте в количестве 10 % приводит к увеличению коррозионной стойкости в 3,2-3,5 раз, а добавка дополнительно бора в количестве 15 % в шихту и оксида никеля, в количестве 0,5%, приводит к увеличению коррозионной стойкости чугуна в 3,8-4,2 раза.
4. В результате установлена зависимость изно-стойкости поверхности упрочняемых деталей от содержания хрома в шихте. Выявлено, что благодаря содержанию хрома в шихте в количестве 14 % удалось повысить износостойкость поверхностного слоя в 2,4-2,7 раза.
5. Максимальная микротвердость Н100 силицированного образца составила 6500 МПа при содержании кремния в поверхностном слое 13 %. Значительно увеличивается микротвердость поверхностного слоя при содержании в шихте легирующих элементов Сг и А!.
Рис. 4. Микроструктура силицированных покрытий на высокоуглеродистом композиционном материале УУКМ, х 200 (а, в) и х 500 (б, г)
Рис. 5. Микроструктура силицированных покрытий на электроде графитном ЭГ, х 200 (а, г) и х 500 (б, в)
Литература
Космос и технологии [Текст] I Ф. Санин [и др.]. Д: АРТ-ПРЕСС, 2007. - 456с.
Удовицкий, В. И. Антифрикционное пористое силицирование углеродистых сталей [Текст] I В. И. Удовицкий II М.: “Машиностроение”, 1977. - 191с. Ворошнин, Л.Г. Антифрикционные диффузионные покрытия [Текст] I Л. Г.Ворошнин II Минск: Наука и техника, 1981. - 295 с.
Мержанов, А. Г. Процессы горения и синтеза материалов [Текст] I А.Г.Мержанов II Черноголовка: ИСМАН, 1998. - 512 с.
International Journal of Self-Propagating High-Tempera-ture Synthesis, Alletron Press, Inc. 150, Fifth Avenue, New York, 10011, USA.
Scherbakov, V. A. SHS Welding of Reractory Materials. [Текст] I V. A. Scherbakov, A. S. Shteinberg II International Journal of Self-Propagation High-Temperature Synthesis. 1993. - Vol.2. - N4. - P.357-369.
Merzhanov, A. G., в кн.: Combustion and plasma synthesis of high-temperature materials [Текст] I A. G. Merzhanov II ed. by Z. Munir, J. Holt, N.Y.. - 1990. - P. 1-53. Krishenik, P. M. Modeling of Combustion Wavе Propagation in a Carbon Dust [Текст] I P. M. Krishenik, E. N. Rumanov, K. G. Shkadinskii II Gas Mixture. Combustion and Flame. - 1994. - V.99. - P.713-722.
а
б
а
в
г
б
а
в
г
...юГ
9. Krishenik, P. M. Stability of Thermal Front with Heat Conductivity Dependent on Temperature [Текст] / P. M. Krishenik, K. G. Shkadinskii // Inernational Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2004. V.13. - №4. - P.253-261.
10. Krishenik, P. M. [Текст] / P. M. Krishenik, A. I. Mamedov, S. I. Khudayev, G. V. Shkadinskaja, G. B. Manelis //Mathematical Modeling of Nonadiabatic Combustion in a Stream. 1993. Nato Advanced Study Institute. Unsteady Combustion. - 1993. - P.17.1-17.7.
----------------□ □------------------
Розглянуто питання впливу електрофізичної обробки бензину А-92 і авіапалива ТС-1 на формування зносостійкості пар тертя паливних систем. Експериментально встановлені закономірності впливу електромагнітної обробки бензину А-92 і авіапалива ТС-1 на його протизносі властивості, на формування зносостійкості поверхонь тертя, яке базується на особливостях зміни щільності і рівномірності вторинних структур
Ключові слова: надійність,
електрофізична обробка, електромагнітне поле, паливо, паливні системи, зносостійкість, протизносні властивості
□----------------------------□
Рассмотрен вопрос влияния электрофизической обработки бензина А-92 и авиатоплива ТС-1 на формирование износостойкости пар трения топливных систем. Экспериментально установлены закономерности влияния электромагнитной обработки бензина А-92 и авиатоплива ТС-1 на его противоизносные свойства, на формирование износостойкости поверхностей трения, которое базируется на особенностях изменения плотности и равномерности вторичных структур Ключевые слова: надёжность, электрофизическая обработка, электромагнитное поле, топливо, топливные системы, износостойкость, противо-износные свойства ----------------□ □------------------
УДК 667.637.22:629.7.065(045)
влияние
электромагнитной
ОБРАБОТКИ ТОПЛИВ НА ФОРМИРОВАНИЕ
износостойкости пар
трения
Е. Л. Матвеева
Кандидат технических наук, доцент* Е-mail: [email protected] И. Л. Трофимов Кандидат технических наук, доцент* Е-mail: [email protected] М. Н. Свирид Кандидат технических наук, доцент Кафедра технологий изготовления и восстановления
авиационной техники** Е-mail: [email protected] А. П. Андриевский Кандидат военных наук Исследовательский центр Научно-исследовательский институт военных сил Украины пр. Воздухофлотский, 6, г. Киев, Украина 03168
Е-mail: [email protected] К. В. Бзенко Кафедры химической технологии** Е-mail: [email protected] *Кафедра экологии **Национальный авиационный университет пр. Космонавта Комарова 1, г. Киев, Украина 03058
1. введение
Исследования, о которых идет речь в статье, относятся к отрасли машиностроения. В связи с резким подорожанием природных ресурсов, повышения эксплуатационных свойств смазочных сред (СС) становится актуальной научно-технической проблемой. Поэтому вопрос относительно повышения эксплуатационных свойств рабочих жидкостей, в частности путём воздействия электромагнитным полем (ЭМП), является одним из составляющих при рассмотрении приори-
тетных направлений обеспечения надежности работы моторной техники и узлов трения.
2. Постановка проблемы. Цель и задачи исследования
Современная техника оснащена сложными гидросистемами, исполняющими важные функции в работе управления летательными аппаратами и наземной техники. Надежность топливных и гидравлических агрегатов в значительной степени зависит от работоспособности прецизионных пар трения. В результате
© Е. л. Матвеева. И. Л. і рсифимюв. М. н. Свирид н. П. Индриевскиц к. В. Ьзенкд 2013
