2.2. Состояние поверхностного слоя и его влияние на эксплуатационные свойства деталей и узлов

2.2.1. Строение поверхностного слоя

Наружный слой детали, граничащий с окружающей средой, называется поверхностным. Поверхностный слой, толщина которого может составлять от десятков ангстрем до десятых долей миллиметра, характеризуется иной структурой и свойствами, чем основной материал.

Это обусловлено тремя основными причинами:

• особым состоянием атомов на поверхности, обусловленным наличие свободных связей, следствием которых является свободная поверхностная энергия и большая адсорбционная активность;

• изменениями структуры, фазового и химического состава, происходящими в результате технологического воздействия на поверхностный слой;

• повторными механическими, тепловыми и физико-химическими воздейст­виями в процессе эксплуатации.

В поверхностном слое можно выделить следующие зоны (рис. 2.11).

1. Зону адсорбированных из окружающей среды молекул органических и неорганических веществ (масла, воды, растворителей). Ее толщина составляет 1...10²нм.

2. Зону химического взаимодействия металла с окружающей средой (обыч­но окисная пленка) толщиной 1...10 мкм.

3. Зону толщиной в несколько межатомных расстояний с измененной кри­сталлической и электронной структурой.

4. Зону с измененными структурой, фазовым и химическим составом тол­щиной 0,01...0,1 мм.

5. С ердцевину материала.

На поверхностях деталей могут создаваться специальные слои и покрытия, обеспечивающие те или иные свойства (твердость, износостойкость, жаростой­кость, сопротивление коррозии и эрозии). Строение таких поверхностей оказы­вается еще более сложным.

Состояние поверхностного слоя характеризуют множеством параметров, ко­торые могут быть выделены в две основные группы: неровности поверхности и параметры физико-химического состояния.

2.2.2. Неровности поверхности

Неровности поверхности нормируются и количественно описываются пара­метрами шероховатости и волнистости.

Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей с относи­тельно малыми шагами, образующих рельеф поверхности детали и рассматри­ваемых в пределах базовой длины .

Периодически чередующиеся неровности, шаг которых существенно пре­вышает базовую длину, принятую для измерения шероховатости, называют вол­нистостью.

Волнистость поверхности — совокупность периодически повторяющихся неровностей, расстояние между которыми значительно превышает их высоту (рис. 2.12). Она занимает промежуточное положение между шероховатостью и отклонениями формы поверхностей. Для шероховатости характерно отношение шага к высоте неровностей S/H<50, для волнистости S/H= 50... 1000, а для от­клонений формы S/H>1000. При оценке шероховатости учитывают не только высотные и шаговые параметры неровностей, но и их форму, так как она оказы­вает большое влияние на эксплуатационные свойства деталей.

Г ОСТ 2789-73 и 25142-82 устанавливают множество параметров шерохова­тости, сущность которых может быть объяснена на основе анализа профилограммы поверхности (рис. 2.13).

Базовая длина l — длина базовой линии, используемая для выделения не­ровностей, характеризующих шероховатость поверхности, и количественного определения ее параметров. Числовые значения шероховатости отсчитывают от базовой линии, за которую принята средняя линия профиля т, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, чтобы в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение его по этой линии было минимально. Основными параметрами шероховатости являются:

• среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм;

• высота неровностей профиля Rz, мкм;

• наибольшая высота неровностей профиля R_max, мкм;

• средний шаг неровностей S_m;

• средний шаг неровностей по вершинам S;

• относительная опорная длина профиля t_p;

• опорная кривая профиля.

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra— среднее арифметиче­ское абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины

где п— число выбранных точек профиля в пределах базовой длины l; у_i,- — откло­нение профиля — расстояние между точкой профиля и базовой средней линией. В интегральном виде выражение для Raможно записать как

Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz— сумма средних абсо­лютных значений высоты пяти наибольших выступов профиля и глубины пяти наибольших впадин в пределах базовой длины

где y_pi— высота i-го наибольшего выступа профиля, определяемая расстоянием от средней линии профиля (m) до высшей точки его выступа; у_vi — глубина i-й наибольшей впадины профиля, определяемая расстоянием от средней линии профиля до низшей точки впадины.

Наибольшая высота неровностей профиля R_max — расстояние между лини­ей выступов профиля и линией его впадин в пределах базовой длины.

Средний шаг неровностей профиля S_m— среднее значение шага неровно­стей профиля в пределах базовой длины,

Средний шаг местных выступов профиля S— среднее значение шагов ме­стных выступов профиля, находящихся в пределах базовой длины,

Относительная опорная длина профиля t_p— отношение опорной длины профиля к базовой длине:

где η_p — опорная длина профиля на его заданном уровне сечения р. Уровень сечения задается в процентах от R_mах, начиная с линии выступов. Запись t₁₀ озна­чает, что параметр t_pопределен для уровня сечения 10 %;

Параметр t_pхарактеризует распределение материала в шероховатом слое. Можно представить модели шероховатости, которые имели бы одинаковые вы­сотные и шаговые параметры, но разную форму неровностей (рис. 2.14).

Очевидно, эксплуатационные свойства деталей с такими неровностями мо­гут быть различными. Наглядное представление о распределении материала в шероховатом слое и усредненной форме неровностей дает построение опорной кривой. При ее построении по оси абсцисс откладывают значения параметров t_pна различных уровнях сечений р, в процентах от R_max(рис. 2.15).

П араметры шероховатости поверхности измеряют бесконтактными методами с помощью приборов светового сечения (ПСС), приборов теневого сечения (ПТС), оптических растровых импульсных микроскопов (ОРИМ) и микроинтерферометров (МИИ), а также контакт­ными методами с помощью щуповых приборов (профилографы и профилометры). Профилометры предназначены для непосредственного определения перечисленных выше параметров шероховатости, а профилографы — для записи профиля поверхности в виде профилограммы. В настоящее время на производстве широко ис­пользуют профилографы-профилометры, выполняющие обе описанные функции. Просматривается тенденция использова­ния компактных переносных приборов для оценки шероховатости непосредст­венно на рабочих местах. Один из таких приборов (рис. 2.16) позволяет оцени­вать 19 параметров шероховатости по разным системам стандартов.

П араметры шероховатости в труднодоступных местах измеряют иммерсионно-репликовым интерферометром МИИ-10. Для этих целей используют также метод слепков. Непосредственно на рабочих местах для контроля шероховато­сти применяют специальные эталоны или аттестованные детали. При этом ше­роховатость оценивают визуально-осязательным методом, с помощью лупы или специального микроскопа сравнения, который позволяет одновременно наблю­дать поверхности образца и детали с 80-кратным увеличением. Эталоны изго­тавливают для контроля шероховатости при различных методах механической и физико-химической обработки (точения, растачивания, круглого и плоского шлифования, электроэрозионной обработки).