Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Развитие современной промышленности направлено на снижение материалоемкости, по- вышение технологических свойств изделий. Изделия из дорогостоящих дефицитных металлов и сплавов целесообразно изготавливать комбинированными: основа состоит из наиболее деше- вых материалов, а на рабочие поверхности наплавляют сплавы со специальными свойствами. Такие биметаллические конструкции во много раз дешевле конструкций, изготавливаемых цели- ком из металла с требуемыми свойствами. В данной работе представлены результаты исследо- вания по получению слоистого композиционного материала. Основу композиционного материала составляет высоколегированная коррозионностойкая сталь 10Х18Н10Т и никелевый сплав 06Х15Н60М15. Перспективный метод изготовления таких конструкций - использование много- слойной наплавки. Применение высококонцентрированных источников нагрева позволяет упро- стить изготовление таких конструкций. Проведено исследование технологической возможности изготовления слоистых материалов плазменной дугой прямого действия обратной полярности. Плазменная дуга обратной полярности помогает достичь минимального проплавления или рас- творения основного металла, что позволяет получить биметалл с уникальными сочетаниями свойств. Представлены исследования структуры полученного слоистого композитного материала с использованием световой микроскопии. Показано, что применение плазменной дуги обратной полярности тока позволяет получать бездефектные слоистые материалы при наплавке сталей и сплавов разных классов. Структура наплавки мелкодисперсная, с равномерным переходом от слоя к слою однородного материала и четкой границей раздела разнородных материалов. Про- веденные механические испытания образцов-свидетелей показали, что материал обладает вы- сокими механическими свойствами. Удается сочетать такие показатели, как высокий предел прочности и сохранение высокого предела текучести, а относительное удлинение полученного слоистого материала составляет 22 %.

В процессе эксплуатации изделия из стали подвергаются различным механическим и термическим воздействиям, что вызывает рост усталостных изменений, вследствие чего происходит преждевременное старение материала, зачастую приводящее к техногенным катастрофам. В связи с этим важно контролировать свойства стали и изделий из стали. Методика, предлагаемая в качестве дополнительного средства контроля, основана на явлении магнитного гистерезиса и была опробована на стали марки 34ХН3М. Данная сталь применяется для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации высокие давления и температуры до 500 °С. Предлагается использовать петли магнитного гистерезиса ферромагнетиков, полученных путем квазистатического перемагничивания. В этом случае ток намагничивания и размагничивания, а значит, и напряженность магнитного поля описываются пилообразной функцией времени. Тогда становится возможным представить петлю гистерезиса в виде однозначной функции напряженности поля, пропорциональной времени. Для полученных функций выполнено дискретное преобразование Фурье. В данной работе исследуются корреляционные зависимости Фурье-спектра петель гистерезиса стали от структуры и механических свойств стали. К структурным изменениям в стали при ее термической обработке можно отнести, например, снятие напряжений, выделение карбидов и их изменение. Указанные превращения в стали существенно сказываются на форме петли, а так как гармонический Фурье-спектр чувствителен к изменению формы сигнала, то метод Фурье-анализа может служить дополнительным средством неразрушающего контроля структурных изменений в сталях, вместе с измерением коэрцитивной силы, твердости и некоторых других параметров.

Исследованы физико-механические свойства покрытий, нанесенных на подложку из стали 40Х. Покрытия получены с помощью вакуумной установки Unicoat 600SL, использующей магнетронное распыление в среде инертного газа. Объектом исследования являются износостойкие антифрикционные покрытия, напыляемые на детали ролико-винтового механизма, работающие в тяжелых условиях, характеризующихся отсутствием смазки или ограниченного ее применения. При изучении и реализации нанесения покрытия основополагающим фактором, влияющим на стабильность физико-механических свойств структуры, является генерирование многокомпонентной металлической плазмы. Целью исследований является создание работоспособных PVD-покрытий, обеспечивающих уменьшение коэффициента трения скольжения в кинематическом узле винт - ролик - гайка, высокую износостойкость деталей узла и увеличение коэффициента полезного действия ролико-винтового механизма. В статье выполнен анализ и описан алгоритм расчета твердости покрытий. Нанесение покрытий осуществлялось согласно схеме 2D, при которой получали структуру с чередующимися слоями Cr, TiAlN, AlTiN, Ti, TiN. Реализована также попытка получения определенного состава градиентно-слоистой структуры покрытия с плавным изменением состава компонентов по глубине поверхностного слоя, что, несомненно, улучшает механические характеристики покрытия. Однако в силу ряда специфических причин, природа которых подлежит дальнейшему изучению, положительного результата в этом направлении не получено. Экспериментально подобраны режимы напыления наиболее прочного и износостойкого нитридного покрытия алюминий-кремний-титан (AlSiTi)N, свойства которого исследованы с использованием современного нанотвердомера Micro-Combi Tester (Швейцария). В результате выполненных исследований установлено, что нитрид алюминий-кремний-титана (AlSiTi)N является наиболее прочным и износостойким покрытием, которое рекомендуется наносить на рабочие поверхности деталей ролико-винтовых механизмов.

Установлено, что особенностью магнитно-абразивного полирования является непрерывное вступление в процесс резания новых режущих кромок, что относят к эффекту самозатачивания. Но со временем необратимо происходит постепенное снижение производительности полирования, связанное с разрушением зерен и насыщением порции ферромагнитного абразивного наполнителя продуктами обработки. Длительное сохранение режущей способности порции ферромагнитного абразивного наполнителя, как особого инструментального материала, используемого в технологических операциях магнитно-абразивного полирования, является важнейшим эксплуатационным показателем, влияющим на технико-экономическую эффективность производства. Установлено, что продолжительное сохранение полирующих свойств и высокой способности к микрорезанию порции ферромагнитного абразивного наполнителя зависит от многих параметров: материала абразивного компонента, макро- и микрогеометрических параметров зерен, материала и исходных параметров шероховатости поверхности, глубины дефектного слоя, схемы полирования и других условий магнитно-абразивного полирования. Определение всех этих параметров и степени их влияния на инструментальную стойкость порции ферромагнитного абразивного наполнителя в производственных условиях не представляется возможным. В связи с этим для экспериментального определения инструментальной стойкости порции ферромагнитного абразивного наполнителя предложены критерии количественной оценки инструментальной стойкости - максимально допустимый параметр шероховатости и минимальный съем материала заготовки по истечении заданного промежутка времени. Представленная в статье методика основывается на экспериментальном установлении данных количественных критериев оценки. Предложенная методика определения инструментальной стойкости может быть использована при технологической подготовке производства операций магнитно-абразивного полирования в условиях серийного производства с целью обеспечения стабильных показателей качества обработанных поверхностей при минимизации затрат на расход наполнителя. Рассчитанная по данной методике инструментальная стойкость может являться одной из сравнительных характеристик при отборе производительных наполнителей и характеризовать их абразивные свойства.

Для защиты узлов и деталей машин оборудования от различных видов изнашивания применяют технологии поверхностной обработки, предназначенные для повышения их служебных характеристик. Для защиты от абразивного износа широко используются напыленные покрытия системы Fe-C-Cr-Ti-Al, однако их ламеллярно-пористая структура приводит к снижению износостойкости, что сужает область их применения. С целью повышения эксплуатационных характеристик покрытий используются различные методы их последующей обработки. В данной работе рассмотрено влияние плазменного оплавления на износостойкость напыленных покрытий из экономнолегированных порошковых проволок системы Fe-C-Cr-Ti-Al в условиях взаимодействия с абразивом. Для нанесения покрытий использовали аппарат активированной дуговой металлизации АДМ-10. Оплавление напыленных покрытий производили на универсальной установке для плазменной обработки материалов, разработанной на кафедре «Сварочное производство и технология конструкционных материалов» Пермского национального исследовательского политехнического университета. Обработку осуществляли на токе прямой полярности с использованием аргона в качестве защитного и плазмообразующего газа. Наплавку порошковой проволоки производили неплавящимся электродом в среде аргона. Представлены результаты исследований износостойкости, структуры и химического состава напыленных покрытий до и после плазменного оплавления, а также наплавленного металла из представленных порошковых проволок. Установлено, что в процессе плазменного оплавления, за счет интенсивных раскислительных процессов, произошло значительное изменение химического состава покрытия, что способствовало формированию твердой и трещиностойкой структуры среднеуглеродистого мартенсита. Результаты испытаний по закрепленному абразиву показали повышение износостойкости покрытий после плазменного оплавления в 2,5 раза, что в два раза выше, чем у наплавленного металла.

В представленной статье проведены исследования финишной абразивной обработки деталей из минералокерамики ЦМ-332 (HRC 90-93). В ходе исследований установлено, что производительность абразива на основе синтетического алмаза в восемь и более раз выше по сравнению с производительностью абразива на основе электрокорунда и карбида кремния зеленого. При обработке минералокерамики предпочтительней использовать чугунный притир марки СЧ-28, который показал лучшую работоспособность как по величине суммарного съема, так и по величине удельного расхода алмазов и шероховатости доведенной поверхности. Для получения необходимой шероховатости по параметру Rz = 0,8 мкм рекомендуется использовать микропорошок алмаза зернистостью 10 мкм. Оптимальное количество микропорошка на поверхности притира диаметром 220-250 мм для зернистости АСМ10 следует считать 20-40 мг, для зернистости АСМ20 - 40-80 мг. Увеличение удельного давления c 25 до 50 кПа приводит к повышению суммарного съема, при этом уменьшается удельный расход алмазов, а также снижается шероховатость обработанной поверхности. Оптимальное время доводки минералокерамики без замены алмазного микропорошка 6-8 мин. Амплитуда и частота колебаний притира являются основными параметрами режима работы плоскодоводочного станка «Растр 220». Доводку минералокерамики более предпочтительно проводить при частоте колебаний притира (инструмента) 270 двойных ходов/мин и амплитудах до 10 мм. Плоскостность доведенных поверхностей напрямую зависит от геометрической точности рабочей поверхности притира. Для обеспечения высокой плоскостности поверхности притиров необходимо периодически осуществлять их правку методом трех плит.

На современном машиностроительном производстве аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны частицами диаметром менее 0,1 мкм становится превалирующим. Такое высокодисперсное загрязнение обусловлено применением новых технологий осуществления производственных операций (например, новых видов сварки и резки металлов). Кроме того, высокодисперсное загрязнение вызвано всё более возрастающими скоростями, сложностью и точностью обработки материалов, а также всё более широким внедрением на различных производствах пластмассовых, полимерных и композитных материалов и обрабатываемых деталей из высокопрочных сплавов, в том числе полученных при помощи нанотехнологий. Изучение высокодисперсных аэрозольных частиц является технически сложной задачей, и полный мониторинг дисперсного состава аэрозольных загрязнений зачастую является невыполнимым или достаточно трудоемким. Следовательно, актуальным становится поиск новых способов оценки аэрозольного загрязнения в широком интервале размеров частиц. Отмеченная в ряде исследований стабильность дисперсного состава аэрозолей позволила разработать ряд математических моделей распределения аэрозольных частиц по размерам. Однако для определения параметров известных к настоящему моменту моделей дисперсного распределения частиц зачастую требуется проведение дополнительных, не менее трудоемких исследований. Между тем загрязнение высокодисперсными аэрозольными частицами воздуха оказывает влияние на известный параметр воздуха рабочей зоны - аэроионный состав. При осуществлении ряда производственных операций происходит модификация аэроионного состава, заключающаяся в изменении (в основном уменьшении) концентрации легких аэроионов при увеличении аэрозольного загрязнения, в особенности частицами высокодисперсной фракции. В статье представлена модель взаимосвязи распределения высокодисперсных аэрозольных частиц с концентрацией аэроионов воздуха рабочей зоны. На основе полученных решений разработан алгоритм моделирования распределения аэрозольных частиц по размерам и метод оценки высокодисперсной фракции аэрозольного загрязнения с учетом параметров аэроионного состава. Предложенный подход апробирован на примере широко распространенной производственной операции - шлифовки изделий из различных материалов. Распределение частиц при обработке деталей из стали описывается двумя модами, в случаях обработки деталей из алюминия, керамики и тефлона - тремя модами. Наибольшим высокодисперсным загрязнением характеризуется шлифовка деталей из алюминия. При обработке деталей из керамики наблюдается максимальная (по сравнению с другими исследуемыми материалами) концентрация аэрозольных частиц респирабельной фракции (диаметром более 0,5 мкм). При обработке деталей из керамики и тефлона в области высокодисперсных (менее 0,1 мкм) частиц распределение удалось свести к одной моде. Оценка характерных величин интенсивности ионообразования для производственных помещений без дополнительных источников генерации аэроионов подтверждает достоверность представленной модели «аэрозольные частицы - аэроионы» и положенного в ее основу теоретико-эмпирического аппарата.