Глава 10. Характеристики поверхностного слоя деталей приборов и технологии их обеспечения и контроля

Глава 10. Характеристики поверхностного слоя деталей приборов и технологии их обеспечения и контроля

В общем случае, качество поверхностного слоя характеризуется достаточно большим набором показателей. Например, твердостью, прочностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью и т.д., и т.п. В каждом конкретном случае та или иная характеристика качества может оказаться более или менее существенной. Рассмотрим две наименее исследованных характеристики, которые целиком реализуются только на этапе изготовления деталей.

Рис.10.1 Зависимость стоимости изготовления или ремонта изделия от точности его изготовления.

Как видно из рисунка, мы достигли такого рубежа, когда малейшее увеличение точности резко повышает стоимость изготовления. Со вторым источником пока тоже проблематично. Маловероятно, что мы в ближайшее время на Земле найдем материалы, по количеству сопоставимые с железом и известными цветными металлами, а по качеству существенно их превосходящие.
Уже давно и убедительно доказана бесперспективность параметрического подхода к оценке микрогеометрии поверхностей для ее оптимизации.
Достаточно посмотреть на два профиля, изображенных на рис. 2, для которых все стандартные параметры, кроме tp на конкретном уровне, абсолютно одинаковы, а неодинаковость эксплуатационных свойств этих микрорельефов очевидна. Что касается параметра tp, то для достаточно полного описания этих и любых других профилей его нужно задать на 10-15 уровнях, и мы упираемся в уже знакомую стенку.

Рис.10. 2 Профили двух зеркально противоположных поверхностей.

Предложен принципиально новый подход к оценке и контролю микрогеометрии поверхностей деталей, названный непараметрическим. При этом детально проработаны все аспекты проблемы оптимизации микрогеометрии - от нормирования- до технологического обеспечения и контроля.
Суть непараметрического подхода состоит в следующем:

• в качестве критериев оценки микрогеометрии поверхностей предложено использовать графические изображения функции плотности распределения ординат или углов наклона профилей, а еще лучше - сами профили или микротопографии поверхностей;
• нормировать нужно не малоинформативные параметры, а конкретные функциональные свойства, проставляя на знаках шероховатости их стандартные номера;
• при экспериментальном определении наилучшего из возможных микрорельефов для конкретного функционального свойства мы не только находим этот микрорельеф, но и фиксируем технологию его получения;
• контроль микрогеометрии серийной продукции производим наложением графического изображения функции контролируемой поверхности на эталонное изображение этой функции или профиля, или микротопографии (рис.10.3).

Рис.10.3 Плотность распределения ординат профиля оптимальной микрогеометрии поверхности.

На рис.10. 3 заштриховано <поле допуска> функции, которое можно изменять в зависимости от степени важности или ответственности деталей.
Если графическое изображение функции контролируемой поверхности не выходит за пределы поля допуска, значит его микрорельеф близок к оптимальному (эталонному).
Современные программные средства позволяют в автоматическом режиме сравнивать и устанавливать степень различия не только сравниваемых графических изображений функций, но и самих профилей и даже микротопографий поверхностей.
Непараметрический метод оценки и контроля микрогеометрии не только позволяет сравнительно просто решать задачи ее оптимизации для любого конкретного функционального свойства, но и более достоверно исследовать и устанавливать закономерности влияния микрогеометрии на эти свойства, и, что не менее важно, закономерности влияния различных факторов на формирование и изменение самой микрогеометрии. Достаточно сказать, что благодаря использованию непараметрических критериев оценки микрогеометрии поверхностей трения, удалось установить непрерывный, циклический характер ее изменения, вопреки укоренившемуся мнению о так называемой <равновесной>, стабильной и независимой от исходного состояния микрогеометрии в парах трения-скольжения [4,5,6].
       Уже несколько десятилетий практически во всех странах мира стандартизованы методы оценки микрогеометрии поверхности по ее профилю. Профили поверхностей получают с помощью приборов так называемого «ощупывающего» типа, схема работы которых представлена на рисунке 10.4. Как видно из рисунка, тонко заостренная алмазная игла датчика «Протаскивается» по поверхности, повторяя ее выступы и впадины.  

 

Рис. 10.4 Схема получения профиля поверхности.

 

Таким образом, мы получаем профиль поверхности, по которому судим о ее микрогеометрии. Из-за метрологических проблем отклонения реальной поверхности от идеальной приходиться искусственно делить на три категории: отклонения формы, волнистость и шероховатость. При измерении и контроле шероховатости длина ощупывания (профиля), в основном существенно меньше размеров всей поверхности, поэтому отклонения формы на коротких участках компенсируются установкой контролируемого участка поверхности в «горизонт» и фактически фиксируются шероховатостью на фоне волнистости (рис. 10.5).

 

 

 

Рис. 10.5 Условное разделение отклонений реальных поверхностей от идеальных на несколько составляющих.

 

Независимо от метода оценки и контроля микрогеометрии, при использовании в качестве источника информации ощупывающих приборов при записи профиля имеют место многочисленные помехи. При этом в производственных условиях изоляция контрольно-измерительной аппаратуры от внешних помех практически невозможна. Разработан новый надежный метод фильтрации профиля с использованием его амплитудного спектра. При прямом Фурье - преобразовании профиля, как реализации случайной функции, мы получаем набор гармоник различной амплитуды и частоты. Графическое представление зависимости амплитуды гармоник от их частоты и есть амплитудный спектр профиля (см. рис.10.5 а).

 

Рис.10.6 Амплитудный спектр профиля точеной поверхности.

Установлено, что самая низкочастотная гармоника содержит информацию об отклонениях формы поверхности. К этой же категории относится перекос контролируемой поверхности при установке ее на столике прибора. Вторая и третья гармоники содержат информацию о волнистости. Падающая часть спектра содержит информацию о шероховатости поверхности. Незатухающая высокочастотная часть спектра содержит информацию о помехах. Удаляя ненужную информацию, прежде всего помехи, после обратного преобразования Фурье мы получаем "чистый" профиль. Этот метод позволяет не только надежно избавляться от помех, но и исследовать любую комбинацию отклонений реальной поверхности (шероховатость с волнистостью, шероховатость с отклонением формы и т.д., и т.п.), а также любую составляющую отклонений отдельно. На рис. 10.7) показаны исходный профиль и соответствующий ему амплитудный спектр (рис. 10.7,а) и профиль с исключенными отклонением формы и волнистостью с соответствующим амплитудным спектром (рис.10.7, б).

Рис.10.7 Профили точеной поверхности с соответствующими амплитудными спектрами с  учетом (а) и без учета (б) волнистости отклонения формы.

Второй профиль (рис.10.7- б) получен путем обратного Фурье - преобразования амплитудного спектра после удаления гармоник, содержащих информацию об отклонениях формы и волнистости.

 

 

Рис. 10.11 Схема измерения остаточных напряжений по методу Давиденкова-Биргера. 1- образец, 2 – опора, 3 – индикаторы часового типа.

Путем химического травления с функциональной поверхности удаляют слой материала фиксированной толщины. Вместе с удаленным слоем материала удаляются и залегавшие в нем напряжения, что приводит к нарушению бывшего равновесия напряжений, т.е. приводит к их перераспределению, результатом которого будет деформация образца.

Величина и знак этой деформации фиксируется с помощью индикаторов часового типа. Измерив деформацию образца и, зная его геометрические характеристики и свойства материала, мы по формулам сопромата вычисляем напряжения, вызывающие эту измененную деформацию. А это именно те напряжения, которые залегали в стравленном слое материала. Последовательно повторяя стравливание слоев материала с образца и вычисляя по результатам замеренной деформации величину удаляемых при травлении напряжений мы получили так называемую эпюру распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя образца (рис. 10.12) 

 

Рис. 10.12 Эпюра распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя образца.

Операция стравливания прекращается после того, когда очередное стравливание не вызывает зафиксированной деформации образца, что означает пренебрежимо малое количество остаточных напряжений в этом стравленном слое.

Американские приборы «Стрескан», работающие на принципе фиксации изменения электромагнитных свойств материала под воздействием остаточных напряжений, во-первых, очень дороги и не очень точны, а во-вторых, неприменимы для замера остаточных напряжений в немагнитных материалах, к которым относятся все цветные металлы и сплавы. Из современных разрабатываемых методов неразрушающего контроля остаточных напряжений наиболее перспективным представляется метод, получивший название «сканирование и идентификация технологических остаточных напряжений»(СИТОН). Он основан на замерах изменения параметров электрического тока при его прохождении через «напряженные» слои материала. В настоящее время метод успешно совершенствуется группой к.т.н. Иванова С.Ю. под руководством проф. Василькова Д.В.

  

 

Таблица. 10.1

Материал	Потенциал, V	Материал	Потенциал, V
Бериллий, Be	-1,96	Олово, Sn	-0,146
Магний, Mg	-1,55	Свинец, Pb	-0,13
Алюминий, Al	-1,3	Водород, H	+/0
Марганец, Mn	-1,1	Медь, Cu	+0,343
Цинк, Zn	-0,76	Серебро, Ag	+0,799
Хром, Cr	-0,56	Ртуть, Hg	+0,854
Железо, Fe	-0,44	Платина, Pt	+0,9
Кадмий, Cd	-0,4	Золото, Au	+1,6
Никель, Ni	-0,22

 

Практический смысл этого ряда в том, что в качестве материала покрытия нужно выбирать металл, являющийся анодом по отношению к защищаемому материалу. В противном случае под материалом покрытия-катода могут происходить невидимые анодные разрушения материала изделия. Единственным исключением является использование цинка для покрытия сплавов железа. Но там играют решающую роль диффузионные процессы, в результате которых происходит уплотнение покрытия. Наиболее распространенными методами нанесения металлических покрытий являются:

• химические технологии (без внешнего подвода электрического тока); это чаще всего покрытия медью и благородными металлами;
• гальванические технологии (с подачей внешнего электрического тока); это омеднение, никелирование, хромирование и т.д.;
• механические технологии, например, плакирование - совместное прокатывание между валками покрываемого материала и материала покрытия;
• термические технологии, например, погружение в расплав, покрытие сваркой и т.п.;
• термомеханические технологии, например, плазменное напыление, покрытие взрывом и т.п.;

Самыми распространенными органическими покрытиями являются лакокрасочные. Неорганические покрытия наносятся часто путем плазменного распыления, эмалирования, анодирования и т.п. Сущность химических технологий заключается в так называемом катодном превращении металлических ионов в электролите в металлические атомы. Для поддержания процесса необходимо обеспечивать соответствующую концентрацию электролита. Покрытия получаются плотные, гладкие и очень равномерные по толщине. Чаще всего таким способ наносят медь, никель, кобальт и благородные металлы. Гальванические технологии (отложения металла при пропускании электрического тока через электролит) делят на гальваностегию и гальванопластику. Первое - отложение тонких слоев со временем операции от нескольких минут до нескольких часов. Вторая - отложение слоев толщиной более 1 мм. Время операции может длиться несколько недель. Интенсивность процесса зависит и от концентрации электролита, и от температуры, и от соответствия форм анода и катода (заготовки). Качество покрытий сопоставимо с химическими, но уступает последним по равномерности толщины слоя. В качестве электролитов часто применяют водные растворы, реже - расплавы металлов. В качестве функциональных покрытия используют цинк, кадмий, олово, медь, хром, серебро, золото, а в качестве декоративных покрытий, в основном, благородные металлы, медь, никель, хром и их комбинации. Механические технологии относятся к категории древних, однако плакирование и так называемая голтовка (вибрационное воздействие на покрываемые изделия, между которыми насыпан порошок материала покрытия), получили широкое распространение совсем недавно. К наиболее распространенным термическим технологиям относятся покрытия сваркой и окунания в расплав. К числу достоинств этих технологий относятся простота, однако равномерность толщины слоя покрытия оставляет желать лучшего. Кроме того, температура плавления покрытия не должна превышать температуру плавления материала покрываемого изделия. При использовании термомеханических технологий покрываемую поверхность рекомендуется иметь шероховатой, что обеспечивает лучшее схватывание покрытия с поверхностью изделия. Лакокрасочные покрытия и технологии их нанесения настолько распространены и хорошо известны, что не требуют дополнительных пояснений. Неорганические (неметаллические) покрытия в основном уступают по качеству металлическим покрытиям, но намного дешевле, и поэтому применяются довольно широко. Это в основном тонкие слои из оксидов, карбидов, нитридов, боридов, силицидов и т.д.

Технологии нанесения покрытий и используемое оборудование развиваются и совершенствуются. Рассмотрим несколько новых методов нанесения покрытий.

Газодинамический метод

Технология нанесения металлов на поверхность изделий, реализуемая оборудованием ДИМЕТ, использует газодинамический метод нанесения покрытий. Метод разработан на основе открытого в 80-х годах прошлого столетия эффекта закрепления твердых частиц, движущихся со сверхзвуковой скоростью, на поверхности при соударении с ней. Технология является новой, и ранее в промышленности не использовалось.

Рис.10.13 Технология нанесения покрытий с помощью газодинамического метода. Здесь  а - подача порошка за нагревателем, сменная часть отсутствует; б - подача порошка в сверхзвуковое сопло, сменная часть отсутствует; в - подача порошка в сверхзвуковое сопло, исполнение со сменной частью.

В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. Изменением режимов можно также менять пористость и толщину напыляемого покрытия.

Особенности технологии
В наиболее распространенных газотермических методах нанесения покрытий для формирования покрытий из потока частиц необходимо, чтобы падающие на подложку частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала.
В газодинамической технологии напыления (которую на практике удобно называть «наращиванием» металла), это условие не является обязательным, что и обуславливает ее уникальность. В данном случае с твердой подложкой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью. Разгон частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью разработанных в ОЦПН оригинальных установок серии ДИМЕТR, не имеющих аналогов в традиционных методах нанесения покрытий.
Привлекательность технологии нанесения металла на поверхность изделий газодинамическим методом состоит в том, что оборудование и создаваемые с его помощью покрытия свободны от большинства недостатков, присущих другим методам нанесения металлических покрытий, и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ.

Достоинства Газодинамический метод нанесения металлических покрытий обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами. Эти преимущества состоят в следующем:

• покрытие наносится в воздушной атмосфере при нормальном давлении, при любых значениях температуры и влажности атмосферного воздуха;
• при нанесении покрытий оказывается незначительное тепловое воздействие на покрываемое изделие;
• технология нанесения покрытий экологически безопасна (отсутствуют высокие температуры, опасные газы и излучения, нет химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации);
• не всегда требуется подогрев покрываемого изделия;
• при отсутствии на подложках пластовой ржавчины или окалины на металлическом изделии не требуется тщательной подготовки поверхности (при воздействии высокоскоростного потока частиц происходит очистка поверхности от технических загрязнений, масел, красок и активация кристаллической решетки материала изделия);
• поток напыляемых частиц является узконаправленным и имеет небольшое поперечное сечение. это позволяет, в отличие от традиционных газотермических методов напыления, наносить покрытия на локальные (с четкими границами) участки поверхности изделий;
• возможно нанесение многокомпонентных покрытий с переменным содержанием компонентов по его толщине;
• оборудование отличается компактностью, мобильностью, технически доступно практически для любого промышленного предприятия, может встраиваться в автоматизированные линии, не требует высококвалифицированного персонала для своей эксплуатации;
• путем простой смены технологического режима оборудование позволяет проводить микроэрозионную (струйно-абразивную) обработку поверхностей для последующего нанесения покрытий или достижения декоративного эффекта;
• возможно нанесение различных типов покрытий с помощью одной установки;
• возможно использование оборудования в полевых условиях.

Широкий спектр областей применения и высокие эксплуатационные качества различных покрытий были неоднократно подтверждены как в лабораторных условиях, так и в условиях практической эксплуатации покрытий. Некоторые из задач по нанесению покрытий, которые решаются с помощью оборудования ДИМЕТR, являются уникальными. Решение таких задач другими способами и с применением другого оборудования оказывается практически невозможным.

Рис.10.14 Специальное оборудование для нанесения покрытий импульсно- плазменным методом.

Рис. 10.16 Схема процесс нанесения покрытий с помощью вращающихся валков.

Рис.10.17 Порошки, которые используются в качестве материала покрытия.

Подготовка поверхности

Детали, на которые наносят порошковые покрытия, должны быть предварительно подготовлены, обладать ровной поверхностью, без окислов, ржавчины и т.п. Для подготовки поверхности пригодны как «сухие», так и «мокрые» способы очистки. Это обезжиривание, удаление оксидов, а при жестких условиях эксплуатации нередко дополнительно наносят конверсионные покрытия. В качестве обезжиривающих веществ применяют органические растворители, водные моющие (щелочные и кислые) растворы и эмульсии растворителей в воде (эмульсионные составы). Органические растворители (уайт-спирит, нефрас) из-за вредности и огнеопасности применяют для обезжиривания способом ручной протирки изделий ограниченно, главным образом при окрашивании небольших партий.
Основной промышленный способ обезжиривания связан с использованием водных моющих составов -концентратов. Моющий раствор получают путем растворения моющих средств-порошков (МСУ, БОК и др.) в требуемом количестве воды. Так например, в случае состава МСУ на 1кг концентрата берут 50 л воды. Обезжиривание проводят при 40-80 градусов по Цельсию продолжительностью по времени при окунании 5-20 мин, при распылении 1-5 мин. Этот способ приемлем для обработки как черных, так и цветных металлов.
Щелочное обезжиривание требует специального оборудования, предусмаривающего не только обработку изделий моющим составом, но и последующую их промывку и сушку, а также необходимы очистка и утилизация сточных вод, поэтому не для всякого покрасочного цеха это приемлемо. В этом отношении привлекают внимание способы обезжиривания, не связанные с проведением этих операций. Например пароводоструйный (обработка поверхности пароводяной струей с температурой 90-100°С и давлением 0,5-2,0 Мпа) и термический (нагревают изделия с масляными и жировыми загрязнениями до 400-450°С) способы. Термический способ обработки используют при окрашивании труб. Для удаления оксидов (очистка поверхности от ржавчины, окалины, старых покрытий) в основном используют механические (струйная абразивная обработка) и химические способы (растворение или отслаивание оксидов с помощью кислот в случае черных металлов, с помощью щелочей в случае алюминия и его сплавов).
Нанесение конверсионных покрытий преследует цель улучшить защиту изделий, сделать ее более надежной. Наиболее распространено фосфатирование черных металлов и оксидирование цветных, в первую очередь алюминия и его сплавов. Эти способы используют преимущественно для изделий, эксплуатирующихся вне помещения и в условиях переменной влажности и температуры. При фосфатировании чаще всего используют цинкосодержащие фосфатирующие концентраты (КФ-1,КФ-3 и др.) Фосфотирование обычно проводят струйным способом в агрегатах мокрой очистки при температуре 50-60°С, продолжительностью обработки 1,5-2,5мин. Химическое оксидирование обычно проводят соединениями, содержащими хром, поэтому операцию называют хроматированием. Наибольшее распространение получили концентраты "Алькон-1", "Алькон-1К", "Формихром". Химическое оксидирование проводят при 20-30°С, с продолжительностью 5-30с. Толщина оксидных покрытий обычно не превышает 1мкм. Завершающей стадией получения конверсионных покрытий, как и любых операций мокрой подготовки поверхности, является сушка изделий от воды. Ее проводят обдувкой горячим воздухом при 110-140°С.

Запекание

Запекание следует проводить при температуре 180-200°С (необходим подбор) При температуре 200 0C- 10-15 минут. Необходимо, чтобы сама деталь была нагрета до 200 0C. После чего выдерживают 10-15 минут. Время разогрева печи 0,5-4 часа (зависит от массы, теплоемкости деталей и величины температуры запекания). При запекании деталей окрашенных антикварными ППК требуется отдельный температурный режим, а именно предварительная подготовка печи. Заранее разогревают печь, желательно до 230 0C. Далее при открывании печи температура падает до200 0C. Таким образом, окрашенное изделие помещают в разогретую до 200 0C печь и выдерживают 10-15 минут. Следует учитывать, что при запекании нагрев изделия может вызвать его коробление и деформацию, поэтому при переходе на новые изделия, необходимо покрыть пробную партию с тем, чтобы выяснить наиболее оптимальный режим запекания. Температура и время запекания устанавливаются на источнике печи. После запекания изделие медленно остывает при комнатной температуре в течение примерно 10-15 минут, после чего оно готово к использованию.

Глава 10. Характеристики поверхностного слоя деталей приборов и технологии их обеспечения и контроля

В общем случае, качество поверхностного слоя характеризуется достаточно большим набором показателей. Например, твердостью, прочностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью и т.д., и т.п. В каждом конкретном случае та или иная характеристика качества может оказаться более или менее существенной. Рассмотрим две наименее исследованных характеристики, которые целиком реализуются только на этапе изготовления деталей.