ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2015
УДК 533.924,673,621
© 2015 г. Иванов В.А.1, Коныжев М.Е.1, Куксенова Л.И.2, Лаптева В.Г.2,
Хренникова И.А.2
УПРОЧНЕНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ 45 С ПОМОЩЬЮ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
Приведены результаты экспериментальных исследований сильного локального взаимодействия микроплазменных разрядов с образцами из стали 45. В приповерхностном слое образцов формируется переплавленная область с измененными микрогеометрическими, механическими и триботехническими свойствами материала.
Источники концентрированной энергии: плазма, лазеры, пучки заряженных частиц — применяются в настоящее время для промышленной обработки металлических изделий различного назначения с простыми геометрическими формами плоскости или цилиндра [1]. В [2] предложен универсальный микроплазменный метод обработки (МПО) металлов и сплавов, основанный на новых принципах возбуждения импульсных микроплазменных разрядов (МПР), способных упрочнять металлические изделия со сложной формой поверхности.
В настоящей статье метод МПО использовался для модификации поверхности образцов из стали 45, широко применяемой в узлах трения машин и механизмов. В отличие от ранее рассмотренной технологии МПО [3, 4] в настоящей работе изучался усовершенствованный ее вариант, позволяющий проводить МПО при постоянных значениях амплитуды электрического тока в разрядах, получать стабильные результаты и значительно сокращать время обработки.
Основные цели данной работы состоят в следующем: исследовать возможность применения усовершенствованного микроплазменного метода для формирования прочного микрорельефа на поверхности стали 45; изучить свойства микрорельефа, образующегося на поверхности образцов из стали 45 в результате их взаимодействия с МПР; исследовать механические и триботехнические характеристики поверхностных слоев стали в результате обработки образцов МПР прямоугольной формы при различных постоянных значениях амплитуды электрического тока в разрядах, а именно 100, 200, 400, 650 А; исследовать влияние предварительной термической обработки на формирование диэлектрической оксидной пленки на поверхности образцов из стали 45; исследовать влияние режимов МПО на формирование прочного микрорельефа на поверхности образцов после предварительной термической обработки.
Метод микроплазменной обработки. Возбуждение импульсных МПР на поверхности металлов и измерение характеристик плазмы проводили в ИОФ РАН на установке "Сфера" (рис. 1), где 1 — сферическая вакуумная камера диаметром 50 см, 2 — плаз-
ы
5
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 2. Фотография фрагмента поверхности образца из стали 45, полученная в растровом электронном микроскопе после МПО при токе 200А
менный инжектор, 3 - образец на держателе, 4 - шток вакуумного манипулятора, 5 — вакуумный манипулятор, 6 - вакуумный насос, 7 - поток откачиваемого воздуха из камеры через лабиринт.
Плазменный инжектор коаксиального типа с водяным охлаждением создает импульсный поток плазмы в результате импульсного высоковольтного электрического разряда, возникающего на поверхности диэлектрика. В качестве плазмообразующего диэлектрического материала в инжекторе используется полиметилметакрилат. Измерения, выполненные плазменными зондами, показали, что основным ионным компонентом плазмы являются ионы водорода (90—80%) и ионы углерода (10—20%), а доля более тяжелых ионов составляет менее 1%. Основные характеристики импульсного потока водородно-углеродной плазмы: максимальная плотность плазмы в области размещения образцов 5 • 1012 см-3; величина электронной концентрации в центре вакуумной камеры достигает 5 • 1011 см-3; характерная длительность спадающего во времени импульсного потока плазмы составляет около 20 мкс. Электронная температура плазмы находится в интервале значений 1-10 эВ: вблизи переднего фронта импульса плазмы в течение первых 5 мкс температура электронов близка к значению 10 эВ, вблизи заднего фронта импульса плазмы в течение последних 5 мкс температура электронов составляет уже около 1 эВ. На расстоянии около 3 см от торца, где размещаются исследуемые образцы стали 45, величина плотности плазмы находится в интервале значений от 5 • 1012 см-3 до 1 • 1013 см-3. При этом возбуждение микроплазменных разрядов на образцах происходит с вероятностью, близкой к 100%.
При взаимодействии импульсного потока плазмы инжектора с металлическими образцами на их поверхности возбуждались МПР, которые представляли собой яркие локализованные светящиеся плазменные образования с характерными размерами от 1 до 100 мкм и с высокой плотностью плазмы, движущейся с большой скоростью (до 500 м/с) по поверхности образцов. Эти разряды инициировались в местах разрыва диэлектрической оксидной пленки на поверхности образцов или на границе оксидной пленки и металла. Инициирование микроразрядов происходило в результате возникновения разности потенциалов между поверхностью оксидной пленки и металлом, величина которой была достаточно высока для электрического пробоя по поверхно-
4 ПМ и НМ, № 4
97
№ образца Размеры образца Время отжига t, мин Температура отжига, °С Режим МПО
г, А т, мс N и, В
01-45 4 х 4 х 12 3 мм3 Без отжига Без обработки плазмой
02-45 60 400
03-45 100 20 10 450
04-45 200 400
05-45 400
06-45 650
сти тонкой пленки и инициирования плавления металла в местах локализации микроразрядов.
В местах возбуждения МПР возникало плавление металла. В результате воздействия сильного давления плазмы на расплавленный металл образовывалась впадина с выступающими краями, т.е. в расплавленном металле формировались микрократеры. Вследствие быстрого охлаждения расплавленного металла и его кристаллизации эти кратеры в значительной степени сохраняли свою форму уже в твердом виде, формируя микрорельеф с характерными размерами выступов от 1 до 20 мкм (рис. 2).
Исследуемые режимы МПО. В экспериментах использовали образцы из стали 45 с содержанием углерода 0,42—0,49%. Исходные образцы из стали 45 имели форму параллелепипеда 4 х 4 х 12 мм3 и подвергались предварительной механической обработке (фрезерование, шлифование и полирование, исходный контрольный образец 01-45). Остальные образцы после предварительной механической обработки подвергались термической обработке для формирования на поверхности образца диэлектрической оксидной пленки. Для этого образцы нагревались до температуры Тотж = 400° в атмосфере воздуха в течение 60 минут (контрольный образец после термической обработки 02-45).
После термического отжига исследуемые образцы подвергались микроплазменной обработке при следующих условиях: импульсное электрическое напряжение на образце "—400 В", длительность разрядов импульсов электрического тока 20 мс, амплитуда электрического тока микроплазменных разрядов i = 100 А (образец 03-45), i = 200 А (образец 04-45), i = 400 А (образец 05-45) и i = 650 А (образец 06-45). Все образцы подвергались воздействию 10 импульсных разрядов N = 10). Для образца 03-45 в связи с замедлением процесса формирования рельефа при i = 100 А электрическое напряжение на образце после трех циклов было повышено на 10%, а именно до "— 450 В", далее это значение поддерживалось в течение следующих семи импульсов обработки.
Режимы обработок исследуемых образцов представлены в таблице.
Методы исследования поверхности образцов. Изучение механических и триботехни-ческих свойств поверхности металлических образцов, обработанных МПР, выполняли на специализированных стендах с помощью аппаратуры и методов, разработанных в ИМАШ РАН.
Микрорельеф поверхности образцов оценивали на профилографе-профилометре (модель 201). Запись профилограмм производили при вертикальном увеличении х1000 и горизонтальном увеличении х200. С помощью профилограмм измеряли максимальные значения высоты микрорельефа среднее арифметическое отклонение профиля Rа и величины механического износа образцов при триботехнических испытаниях. Микротвердость образцов измеряли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76) при нагрузке на индентор 100 г (время выдержки 15 с). Проводили 7—10 измерений диагонали отпечатков индентора, нанесенных на одну из граней каждого образца. По зна-
чениям диагонали отпечатков оценивали их глубину и величину микротвердости. Триботехнические испытания исследуемых образцов проводили в лабораторных условиях на восьмипозиционной машине трения с возвратно-поступательным движением сопряженных образцов [5]. Средняя скорость относительного скольжения образцов 0,19 м/с. Максимальная нагрузка на образцы составляла 1250 Н. В качестве смазочного материала применяли Литол-24 (ГОСТ 21150-87).
Образец из испытуемого материала устанавливался на машине трения неподвижно, к нему прикладывалась нагрузка, и относительно него реверсивно передвигался контробразец, который был изготовлен из стали 20 с цементацией, последующей закалкой и отпуском до твердости 60 НЯС. Для определения сравнительной износостойкости материалов пары трения (образец-контробразец) испытания проводили при ступенчато повышаемых давлениях 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 7 МПа и т.д.: в течение 30 минут при давлении 0,2 МПа и далее - в течение 1 часа - при каждом из последующих давлений до достижения предельно допустимых значений, при которых происходили задир пары или катастрофический износ. Эти процессы происходят тогда, когда наступает полный износ упрочненного микрорельефа, сформированного в результате микроплазменной обработки образцов. Перед каждым новым испытанием проводили смазывание рабочих поверхностей образцов Литолом-24. После окончания каждого цикла испытаний образец вынимали из держателя машины трения, промывали в бензине и просушивали. Затем с помощью профилографа-профилометра производили регистрацию профилограммы рабочей поверхности образца.
Результаты исследований. Наличие диэлектрической пленки на поверхнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.