Технологические и структурные закономерности ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки конструкционных и инструментальных материалов

Актуальность проблемы. Анализ литературных данных свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах хрупкого и усталостного разрушения, в процессе ползучести, в условиях износа, трения, схватывания материалов и др. Роль поверхности в формировании механических свойств материала усиливается, если по технологическим соображениям она подвергается специальному термомеханическому воздействию, в частности, операциям так называемого поверхностного упрочнения (обкатка роликами, обдувка дробью, алмазное выглаживание, ионная имплантация, лазерная обработка, цементация, азотирование и т. д.).

В связи с интенсивным развитием различных отраслей новой техники непрерывно растет потребность в материалах с высоким уровнем физико-механических свойств для работы в экстремальных условиях: воздействия высоких и низких температур, больших нагрузок, проникающих излучений, вибраций и агрессивных сред.

Проблема получения высокопрочных материалов с использованием различных видов термического и термомеханического воздействия на протяжении многих лет традиционно является актуальной для материаловедов. В последние десятилетия она решается обычно за счет реализации двух основных направлений: 1. использование быстрозакаленного метастабильного состояния материала (микрокристаллические и аморфные сплавы) — 2. компактирование микрокристаллических и нанодисперсных порошковых материалов. Однако, существует значительные трудности на пути решения указанных направлений.

В первом случае получаемые быстрой закалкой аморфные порошки или тонкие ленты (толщиной несколько десятков микрон) при компактировании резко теряют уровень своих физико-механических свойств за счет протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации. Во втором случае низкая температура рекристаллизации нанодисперсных порошковых систем является основным препятствием на пути сохранения исходной дисперсности структуры и получения соответствующего уровня физико-механических свойств. Кроме того, оба технологических подхода требуют дорогостоящего специализированного оборудования, как на стадии получения исходных материалов, так и при компактировании. Так, высокая химическая активность нанодисперсных порошков требует проведения всех технологических операций в вакуумной или контролируемой среде. Поэтому в силу указанных обстоятельств, задача получения высокопрочных массивных конструкционных материалов с использованием этих подходов практически до настоящего времени не решена и не вышла за рамки поисковых лабораторных исследований. В связи с этим, представляет интерес найти альтернативное порошковой металлургии технологическое решение и попытаться получить материал с нанодисперсной структурой, минуя стадии непосредственного получения порошков и их компактирования. Последнее возможно осуществить за счет интенсивного деформационного воздействия (многократной деформацией типа РКУ-прессования, гидроэкструэией, в наковальнях Бриджмена или в валках прокатного стана). В данной работе решение данной проблемы получения высокопрочного состояния за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры вплоть до нанокристалических размеров выполнялось с использованием метода поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент. Во всех странах мира велики материальные потери, связанные с преждевременным износом деталей машин и инструментов, а также их поломкой от действия циклических нагрузок. Применение машин и приборов, работающих со все увеличивающимися скоростями и нагрузками делает весьма актуальным проблему повышения срока службы деталей машин и инструментов. Качество поверхностного слоя и методы его улучшения как научная и практическая важная проблема уже давно привлекают внимание исследователей и производственников. Качество поверхностного слоя оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию, КПД машин, возникновение шумов и на другие параметры и характеристики машин. Поэтому качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов, определяющих долговечность деталей машин и инструментов.

Любая тщательно обработанная поверхность является носителем концентраторов напряжения. Отрицательно влияют остаточные растягивающие макронапряжения, возникающие при многих видах обработки. Эти и другие факторы при определённых условиях приводят к возникновению в поверхностном слое усталостных микрои макротрещин и других дефектов. Поэтому для повышения усталостной прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, повышающие физико-механические свойства и улучшающие структуру, напряжённое состояние поверхностного слоя и микрогеометрию поверхности. На обработку деталей машин резанием уходит около половины трудовых затрат всего технологического цикла, расходуется примерно четверть всей электроэнергии. Для улучшения качества поверхностного слоя дополнительно или взамен некоторых способов обработки резанием широко и эффективно применяется упрочняюще-чистовая обработка пластическим деформированием, которая получила распространение в последние десятилетия. Эта обработка является наиболее простым и достаточно эффективным способом улучшения эксплуатационных характеристик поверхности материалов. В настоящее время годовая экономия от применения упрочняюще-чистовых способов обработки пластическим деформированием на заводах страны исчисляется сотнями миллионов рублей.

Поверхностная упрочняющая обработка является завершающей операцией в технологическом цикле изготовления детали. Она позволяет без использования дополнительного специализированного оборудования (например, шлифовальных станков) и по сокращенному технологическому маршруту повышать чистоту поверхности деталей до уровня, предъявляемого к финишной обработке. При этом не требуется применение традиционных абразивных материалов — паст, войлока, абразивных кругов и лент и т. п. Еще одно ее важное преимущество по сравнению с традиционными способами финишной обработки металлов (хонингование, доводка, суперфиниширование) заключается в дополнительном упрочнении поверхностного слоя деталей, в результате чего улучшаются их эксплуатационные свойства (усталостная прочность, контактная выносливость, износостойкость), повышается их надежность. При выглаживании и обкатывании шероховатость обработанной поверхности и упрочнение детали зависят от параметров процесса. Увеличение предела выносливости детали после поверхностного пластического деформирования главным образом зависит от физического состояния пластически деформированного слоя детали, его глубины, величины и распределения остаточных сжимающих напряжений. При правильном выборе режимов обработки деталь приобретает высокие эксплуатационные свойства, а неудачный выбор даже одного из параметров, например давления, может вызвать частичное разрушение / поверхности и понизить долговечность изделия. Физическое состояние поверхностного слоя детали, формируемое в процессе выглаживания (обкатки), определяется конкурирующим влиянием двух протекающих одновременно процессов — физического упрочнения (наклепа), с одной стороны, и разупрочнения, обусловленного образованием и последующим развитием микродефектов в деформированном материале — с другой. Известно, что благоприятными факторами, повышающими эксплуатационные характеристики деталей являются увеличение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях и степень их физического упрочнения. Наибольшие остаточные напряжения сжатия близки к пределу текучести материала детали, который растет по мере увеличения интенсивности деформации. Отсюда следует, что в процессе поверхностного пластического деформирования необходимо стремиться к увеличению интенсивности деформации поверхностного слоя. Однако, с ростом интенсивности деформации процесс разупрочнения также постепенно усугубляется. Степень упрочнения зависит только от удельного давления, а глубина упрочнённого слоя определяется удельным давлением на контактной площади и её размерами.

Широко применяемые упрочняюще-чистовые способы (обкатывание шаром, роликом, дорнование и др.) по характеру воздействия на поверхностный слой детали являются статическими, из-за относительно малых давлений и скоростей деформации они не позволяют достаточно полно использовать способность металлов к упрочнению.

Более полное использование резерва повышения прочности металлов можно получить заменой статического способа деформирования импульсным. Наиболее перспективной является импульсная упрочняюще-чистовая обработка ультразвуковым инструментом. Научной основой для разработки этого метода явились: современная теория пластической деформации и упрочнения и результаты исследования процессов, технологии и оборудования, основанных на использовании ультразвука. При этом необходимо отметить приоритет Российских исследований по влиянию ультразвука на закономерности пластической деформации и обработки различных материалов (Марков А.И., Кудрявцев И. В., Северденко В. П., Клубович В. В., Степаненко А. В., Розенберг Л. Д., Казанцев В. Ф., Макаров Л.О.), а также работы непосредственно в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения, которые длительное время проводились под руководством профессора Муханова А. И. в Новосибирском электротехническом институте (Ан Г. Д., Голубев Ю. М., Чудинов А. В., Асанов В. Б., Куроедов Ю. Б., Исхакова Г. А., Бляшко Я. И., Гилета В. П., Безнедельный А. И., Синдеев В.И.). Следует также отметить успешные работы в области ультразвуковой упрочняющей обработки коллектива исследователей под руководством профессора Ю. В. Холопова (г. Санкт-Петербург) и П. А. Городищенского (г. Северодвинск).

Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является разработка альтернативного порошковой металлургии технологического решения процесса получения материала с нанодисперсной структурой, минуя стадию непосредственого получения порошков и их компактирования, используя динамический метод ультразвуковой поверхностной обработки. При этом в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать технологию получения нанокристалической и микрокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических свойств в поверхностных слоях массивных изделий с использованием ультразвуковой упрочняющей обработки.

2. Изучить влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УЗО) — амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст. окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала.

3. Методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения провести послойные исследования структуры после ультразвуковой упрочняющей обработки.

4. Рентгеновским методом изучить характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов.

5. Изучить влияние УЗО на усталостную прочность обработанных материалов.

6. Методом горячей микротвёрдости исследовать термическую стабильность полученной нанои микроструктуры и соответствующего высокого уровня физико-механических свойств после УЗО.

7. Учитывая резкое улучшение микрогеометрии обрабатываемой поверхности (уменьшение величины Rz) изучить изменение коэффициента трения от времени испытания на трение до УЗО и после УЗО.

Научная новизна.

• Основной акцент научной новизны данной работы заключается в том, что, как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности, приближающейся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают только в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсификации пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, равноканальноугловое (РКУ) прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующим уровнем физико-механических свойств. Поэтому предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения наноструктурных материалов, поскольку впервые с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность реализации при УЗО нанокристаллической структуры на глубине 15−20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250−300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по изменению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала.

• В настоящей работе впервые изучено влияние основных технологических параметров УЗО — амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст., окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D, на величину микрогеометрии Rz, и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f (2A, Рст., S, V, D) имеют две области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, S, V, D наблюдается обратная зависимость — увеличение микрогеометрии Rz и уменьшение Hv вследствие проявления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин.

• Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800−850 МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно падает, но сохраняет определённую величину (200−400 МПа) до глубины 250−300 мкм.

• Исследован предел усталостной прочности закаленной стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650 МПа (до УЗО) до 1150 МПа после обработки.

• Методом горячей микротвёрдости определён порог термической стабильности, полученной после УЗО нанои микрокристаллической структуры для стали 4Х5МФ1С, который составляет 450−500°С.

Практическая ценность и реализация работы.

• Разработана компьютеризированная технология поверхностной финишной упрочняющей обработки массивных изделий из конструкционных и инструментальных сталей, со сложной геометрической формой, которая апробирована на широком круге реальных промышленных деталей. Разработанная технология позволяет упрочнять закалённые стали с высоким уровнем исходной твёрдости порядка 46HRC и повышать уровень твёрдости до 60−70 HRC, а предел усталостной прочности в 2 раза за счёт создания в приповерхностных слоях нанои микрокристаллической структуры и большой величины остаточных напряжений сжатия до 850МПа.

• Изучены зависимости получаемого уровня физико-механических (Hv)h геометрических (Rz) свойств обрабатываемой поверхности от основных технологических параметров процесса, что позволяет выбрать оптимальные режимы обработки материалов.

• Показано, что рабочий ресурс отрезного круга из закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С для резки металлических материалов толщиной 0.2−2.0 мм со скоростью 900 м/мин после ультразвуковой упрочняющей обработки увеличивается в 3 раза, т. е. если до УЗО рабочий ресурс отрезного круга составлял 3000 отрезных операций, то после УЗО он увеличился до 9000.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 4 статьях научной периодической печати и доложены на следующих международных конференциях:

— Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения -2004» (г. Волгоград);

— Международный конгресс «Техника и трибология транспортных систем» .

— 2003(г, Ростов на Дону, 2003);

— XV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Тольятти, 2003г).

Публикации. По результатам диссертации в сборниках трудов международных конференций опубликовано 4 статьи. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основной части, общих выводов и списка цитируемой литературы (135 наименований) — она содержит 134 страниц машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 13 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана технология поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки (УЗО) массивных деталей из закалённых конструкционных и инструментальных сталей для получения высокой твёрдости и прочности за счёт создания нанокристаллических структур с размером зерна 5−10нм. Предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения высокопрочных материалов на больших реальных массивных изделиях, поскольку как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности приближающимся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают в основном в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсивной многократной пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, РКУ-прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующем уровнем физико-механических свойств.

2. В настоящей работе с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность получения при УЗО нанокристаллической структуры с размером зерна 5−1 Онм на глубине 15−20 мкм от поверхности обрабатываемого материала (закалённая сталь 4×5МФ1С) и получение микрокристаллической структуры на глубине 250−300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по измерению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала. При этом наблюдается возрастание твёрдости с исходного уровня 44−46 до 54−56, а в ряде случаев до 68−70HRC.

3. Технология ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки отработана на широком круге реальных промышленных деталей и изделий с различной геометрической формой поверхности — цилиндрической, сферической, тороидальной, винтовой, и другой более сложной, например, на авиационных турбинных лопатках, штампах и др.) за счёт применения компьютеризированной технологии. При этом общие размеры и вес обрабатываемых деталей в ряде случаев достигали весьма значительных величин. Так, например, УЗО был успешно обработан вал прокатного стана диаметром 800 мм, с диаметром рабочей части 1500 мм и весом 5200 кг.

4. Технология УЗО выполняет функции не только поверхностной упрочняющей обработки, но и финишной обработки поверхности, когда величину микрогеометрии Rz можно довести до сотых долей микрона, при этом весьма ценным является то обстоятельство, что данный способ позволяет получать регламентированную шероховатость поверхности, когда размер, форму и общую плотность «масляных карманов» и соответственно маслоёмкость поверхности можно целенаправленно регулировать, изменяя в соответствующих пределах технологические параметры процесса.

5. Изучено влияние основных технологических параметров УЗО-амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст, окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f (2A, Рст, S, D) имеют 2 области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума (минимальная для Rz и максимальная для Hv) наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, V, S, D наблюдается обратная зависимость — увеличение величины микротвёрдости Rz и уменьшение микротвёрдости Hv вследствие появления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин, о чём свидетельствуют экспериментальные данные полученные методом сканирующей электронной микроскопии с обработанной УЗО поверхности.

6. Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обработанных УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800−800МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно спадает, но сохраняет величину порядка 200−400МПа до глубины 250−300мкм.

7. Исследован предел усталостной прочности закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650МПа (до УЗО) до 1150 МПа.

8. Методом горячей микротвёрдости показано, что порог термической стабильности полученной после УЗО нанои микрокристаллической структуры и соответственно высокого уровня физико-механических свойств составляет 450−500°С. Выше этой температуры размер зерна структуры растёт за счёт протекания процесса рекристаллизации, а уровень физико-механических свойств соответственно падает.

9. Необходимо также отметить то обстоятельство, что способ ультразвуковой обработки, как в принципе и все другие технологии поверхностного упрочнения обладают определёнными резервами дальнейшего повышения уровня твёрдости и физико-механических свойств, которые можно реализовать уже непосредственно после проведения поверхностной упрочняющей обработки (ПУО). С точки зрения термодинамики, наличие приповерхностного градиента повышенной плотности дислокаций и соответствующего поля внутренних остаточных напряжений является движущей силой, приводящей за счёт разности химпотенциала G=-aVa=kTln (C/Co) к образованию направленного диффузионного потока собственных точечных (СТД) и примесей внедрения из объёмных внутренних слоёв металла в его приповерхностные слои. Осаждающиеся на дислокации быстродиффундирующие по междоузельному механизму примеси внедрения (C, N,0,H) приводят к более жёсткому их закреплению, т. е. к дополнительному упрочнению поверхностного слоя за счёт процесса деформационного старения (ДС). При этом в технически чистом железе и малоуглеродистых сталях наблюдается двукратный рост микротвёрдости на глубине до 1мкм. Кроме того, непосредственно в процессе ПУО при циклическом знакопеременном нагружении вследствие изменения упругого взаимодействия примесных атомов с кристаллической решёткой следует ожидать реализации механизма «диффузионной накачки» (СТД) и примесей внедрения в приповерхностные слои обрабатываемого материала. Важной особенностью в понимании физической природы и механизмов ДС является то, что в спектре стопоров, закрепляющих дислокацию по механизму Коттрелла, возможно не только наличие примесных атомов внедрения (C, N,0,H), но и собственных точечных дефектов (вакансий и междоузлий), которые осаждаясь на винтовых компонентах дислокаций образуют неконсервативно движущиеся ступеньки, являющиеся при движении дислокации не менее эффективными стопорами, чем примесные атомы. Основным аргументом в пользу предлагаемого нами подхода по учету в механизме закрепления дислокационной структуры не только примесей внедрения, но и СТД (вакансий и междоузлий) является тот факт, что, как известно, в ОЦК металлах напряжение Пайерлса для винтовой дислокации приблизительно в 103 раз больше чем для краевой, что приводит на начальной стадии деформации к быстрому истощению наиболее подвижных краевых компонент дислокационной структуры и накоплению преимущественно винтовых компонент. Поскольку при движении таких винтовых дислокаций со ступеньками требуется диффузионный подвод или отвод вакансий или междоузлий (в зависимости от знака ступеньки), такой вид закрепления дислокационной структуры является не менее эффективным, чем примесными атомами внедрения.