Поверхность. Поверхностный слой. Способы упрочнения поверхностного слоя. Общие понятия наноинженерии

В зависимости от  места электролиза процессы делятся  на ванные и вневанные,  а  в  зависимости  от  температуры  электролита  электролиз  протекает  в горячих (> 50 °С) или холодных электролитах.

Химическим способом наносят металлические покрытия на изношенные поверхности при их восстановлении и для коррозионной защиты, а неметаллические  покрытия – для  защиты  поверхностей  от  коррозии  и  придания  им  диэлектрических и декоративных свойств. При нанесении покрытий используется химическая энергия исходных компонентов [13].

 5. Микродуговое оксидирование (МДО)

МДО  основано  на  использовании  особенностей  электрохимических  и  микроплазменных  процессов  и  позволяет  получать  на  поверхности  вентильных  металлов  (алюминия,  титана,  циркония, тантала и др.) оксидные покрытия.

Технологическая установка для нанесения МДО-покрытий (рис. 2.5) состоит из источника технологического тока (ИТТ) 6 и технологической ванны 1, соединенной с емкостью для охлаждения электролита 5 и змеевиком 4, соединительными шлангами 3. Насос 2 служит для перекачки электролита из одной ванны в другую. Деталь 7 помещается в электролит и закрепляется на токоподводной шине.

 

Рис.2.5. Схема установки для МДО

 

6. Электроэрозионный синтез покрытий (ЭЭСП)

 

Сущность  метода  электроэрозионного синтеза  покрытий (ЭЭСП) заключается в нанесении на деталь экзотермической смеси порошков металлов с неметаллами  и  органическими  связками  и  последующей  искровой  обработке.

Схема процесса представлена на рис. 2.6.

Рис.2.6. Технологическая схема процесса ЭЭСП

 

Источник импульсов тока 1 подключен к вибратору 2 и к паре электрод 3– деталь 4. Между вибрирующим электродом и деталью возникает искра, которая поджигает экзотермическую смесь 5.

В  зоне  искрового  воздействия  возникает  термический  процесс,  который приводит к химическим реакциям, преобразующим исходные компоненты смеси  в  сложные  соединения  покрытия  (например,  на  основе  карбидов  титана, хрома, вольфрама, диборида титана и других соединений) в зависимости от состава исходной смеси.

7. Магнитно-импульсная обработка

Преимуществом магнитно-импульсной обработки по сравнению с известными методами упрочнения является то, что геометрические параметры и качество поверхности упрочненных изделий не меняются, не требуются дополнительная термообработка, финишные операции, сам процесс отличается низким энергопотреблением, высокой производительностью, экологической чистотой.

При изготовлении реальных деталей в материале неравномерно концентрируется некоторое количество избыточной энергии F, с увеличением которой возрастает вероятность разрушения детали Р.

Рис.2.7. Схема электродинамических сил, действующих на тело инструмента в импульсном магнитном поле:

F - сила  инерции инструмента; F - сила воздействия  магнитного поля на образец; F - сила, сжимающая тело инструмента; N - силовые линии магнитного поля: 1 -соленоид; 2 - инструмент из стали Р6М5

 

Магнитно-импульсная обработка металлов основана на взаимодействии импульсного магнитного поля с металлической заготовкой.

Источником импульсного магнитного поля является индуктор, через который пропускается мощный импульс электрического тока.

Установка для магнитно-импульсной обработки металлов представляет собой генератор импульсного тока, состоящий из емкостного накопителя электрической энергии (высоковольтной конденсаторной батареи), рабочего органа (индуктора) и коммутирующего устройства (высоковольтного управляемого разрядника). С помощью разрядника производится разряд конденсаторной батареи на индуктор. В рабочей зоне индуктора импульсное магнитное поле наводит в находящейся в нем металлической заготовке вихревые токи. В результате взаимодействия токов индуктора и заготовки возникают мощные механические усилия, оказывающие давление как на заготовку, так и на индуктор. Под действием давления повышаются прочностные характеристики заготовки.

8. Использование трения в технологиях упрочнения поверхностей

В последние годы особое внимание привлекают к себе следующие способы нанесения защитных покрытий поверхностей:

– химическое нанесение покрытий с использованием трения;

– нанесение покрытий трением с применением щетки;

– натирание поверхности латунью;

– электростатическое нанесение покрытий трением;

– механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина;

– химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала FTP-1(ФРГ).

Указанные способы обладают такими качествами, как: исключительно малые затраты материалов и энергии [14].

9. Упрочнение при резании.

В зависимости от способа (точение, фрезерование, шлифование) и основных факторов обработки: скорости, подачи, глубины резания, СОЖ и др. формируется различное качество, (шероховатость, структура и т.д.), оказывающее то или иное влияние на эксплуатационные свойства деталей.

10. Поверхностно-пластическое  деформирование

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой.

ППД применяется с целью деформационного упрочнения металла и создания в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, а также получения благоприятного профиля шероховатости поверхности. ППД весьма эффективно для повышения сопротивления усталости, особенно для деталей, изготовленных из высокопрочных материалов, имеющих повышенную чувствительность к концентраторам напряжения. Наличие в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений снижает скорость распространения усталостных трещин.

На рис.2.8 представлена схема основных видов ППД

Рис.2.8. Схема основных видов ППД

 

ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы (ДЭ) которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой  поверхностью [13].

Например, При  обработке  по  схеме  качения ДЭ, контактируя с поверхностью детали, перемещается относительно нее, вращаясь вокруг своей оси. При внедрении в зоне контакта возникает ассиметричный очаг деформации (ОД) (рис. 2.9),  характеризуемый передней  внеконтактной  поверхностью  пластической  волны  (ABC),  поверхностью  контакта (CDE), а также задней внеконтактной поверхностью (EF).

Вследствие деформации частицы металла в ОД перемещаются вдоль некоторых  линий  тока  (ЛТ),  формируя  упрочненный  слой  некоторой  толщины. ОД перемещается вместе с инструментом, благодаря чему поверхностный слой  последовательно  деформируется  на  глубину  h,  равную  глубине  распространения ОД.

Геометрические  размеры  и  кривизна  поверхностей  ОД  определяются свойствами  обрабатываемого  материала,  а  также  параметрами  режима:  профильным  радиусом  Rпр и  величиной  действительного  внедрения  ролика  hд,  в меньшей степени подачей S и скоростью обработки V.

Рис.2.9 Схема обработки ППД

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Общие понятия наноинженерии

Там… внизу… еще очень много места…

Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике (1959 год)

 

Наноинжеиерия (англ. Nanotechnological engineering) - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, предметом которой являются исследования, проектирование и совершенствование методов производства и применения интегрированных систем, основанных на законах и принципах нанотехнологий и микро- и наносистемной техники. К ведению наноинженерии относится высокоточное приборостроение, машиностроение и биотехнологии с разрешающей способностью допусков размерных цепей объектов в десятки-единицы нанометров.

Под наноинженерией поверхностей понимаются методы и технологии формирования полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными прочностными, трибологическими и другими конструкционными или эксплуатационными свойствами.

Классификация наноориентированных технологий обработки поверхностей и формирования на них вторичных структур показана на рисунке 3.1

Важнейшим для инженерии поверхностей являются технологии получения функциональных наноматериалов. Современные наноматериалы получают следующими методами:

– порошковой металлургии,

– с использованием аморфизации,

– методами интенсивной пластической деформации,

– поверхностными технологиями,

– комплексными методами.

 

Рис.3.1 Классификационная схема наноориентированных технологий обработки поверхности [18]

Наноориентированные технологии обработки поверхности:

Методы создания на поверхности материалов модифицированных слоев достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из них могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано- и микроизделий.

Эти методы условно подразделяются на две группы:

– технологии, основанные на физических процессах,

– технологии, основанные на химических процессах.

Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности наиболее перспективными на сегодняшний день являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (так называемые РVD и СVD технологии). Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, при, как правило,  минимальном температурном воздействии на материал основы. Размер кристаллитов в пленках, полученных вакуумным нанесением, может достигать 1-3 нм.

К наиболее распространенным методам наноинженерии поверхностей в машиностроении относятся:

1. СVD – Химическое парофазное осаждение (chemical vapor deposition - CVD) – это химический процесс, который разработан для получения твёрдых покрытий, как правило, повышенной чистоты. Суть данного метода состоит в том, что конечный продукт образуется на подложке-мишени, в результате взаимодействия газообразных веществ-прекурсоров или термолиза пара вещества-прекурсора. При этом вещества-прекурсоры при нормальных условиях могут представлять собой не только газы, но и твердые вещества или жидкости, в этом случае их возгоняют или испаряют в специальной зоне реактора, а за тем транспортируют к подложке-мишени с помощью газа-носителя, который может быть как «инертным», так и участвовать в синтезе. Если в результате реакции образуются газообразные побочные продукты, они удаляются из реактора потоком газа носителя или вакуумной откачкой.

Следует отметить, что данная технология широко применяется в основном для нанесения износостойких покрытий на режущем инструменте, а также в других областях техники, где требуется получение слоев покрытия и пленок из кристаллических материалов с высокой чистотой и заданной структурой.

 

2. РVD метод  (англ. physical vapour deposition) – группу методов нанесения нанопокрытия, при которых металлы, сплавы или химические соединения осаждаются в глубоком вакууме путем подвода тепловой энергии или бомбардировки частицами. Иными словами, материал покрытия различными способами переводится из твердого состояния в паровую фазу и затем конденсируется на поверхности подложки (физическое распыление с осаждением) [16].

1- материал  для покрытия; 2- система перевода  материала в паровую фазу; 3- поток  испарившегося вещества; 4- подложка; 5- формирующееся покрытие; 6- система транспортировки материала покрытия в паровой фазе к подложке; 7- система фокусировки (и/или сканирования) потока вещества, осаждающегося на подложку; 8- система закрепления подложки и ее контролируемого перемещения; 9- система регулирования температуры нагрева подложки; 10- система управления и контроля технологическими параметрами ; 11- вакуумная камера; 12- система создания и поддержания высокого вакуума (система вакуумных задвижек, форвакуумных и высоковакуумных насосов, азотная ловушка и др.); 13- шлюзовая камера и система подачи и смены подложек; 14- смотровые контрольные окна; 15- система охлаждения.

3. Метод термического испарения (в вакууме) – заключается в испарении металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки) [15].

Рис. 3.2. Схема испарительной части вакуумной установки для получения пленок:

1- подложка,  2 - лодочка с испаряемым сплавом,  3- маска, 4 - пленка, 5 - нагреватель, 6 - корпус  вакуумной камеры

 

4. Катодное распыление – при физическом осаждении PVD  металлических покрытий материал катода переходит из твердого состояния в газообразное, затем происходит осаждение материала на подложку (образец, деталь, инструмент…). Материал переходит в газовую фазу под действием бомбардирующих ионов.

Рис.3.3. Схема катодного распыления

 

5. Магнетронное распыление представляет собой разновидность метода катодного распыления, при котором у поверхности распыляемого катода (мишени) при помощи скрещенных магнитного и электрического полей формируется слой плазмы, плотность которой на порядки больше, чем в обычных (безмагнитных) системах катодного распыления. Следовательно, значительно возрастают плотность ионного тока на катод и скорость ионного распыления. Для получения соединений к инертному газу добавляют соответствующие реакционные газы (азот, метан, ацетилен …).