4.Формирование микрогеометрии рабочих поверхностей

Малая разность электрических потенциалов на вершинах и впадинах микронеровностей усложняет решение задач повышения точности и формирования рабочего микрорельефа. Например, для получения традиционными методами ЭХО шероховатости мкм при исходной мкм необходимый припуск под обработку достигает 0,8 - 0,9 мм. Отсюда обычно следует вывод о невозможности использования электрохимических методов для изготовления зубчатых колес, прошедших химико-термическую обработку, т.к. в зависимости от модуля толщина улучшенного слоя составляет0,3-0,7 мм. Для решения задачи получения рабочей микрогеометрии необходимо изучить закономерности ее формирования и обеспечить избирательный съем металла с вершин неровностей.

4.1. Разработка математической модели и исследование механизма формирование микрорельефа

Общепризнано, что износ деталей машин характеризуется разрушением контактного поверхностного слоя, в котором происходят различные изменения, приводящие к накоплению повреждений и в итоге к разрушению. Наряду с параметрами, характеризующими по ГОСТ 25142-82 (СТ СЭВ 1156-78) микрогеометрию рабочей поверхности, важной характеристикой поверхностного слоя является средний радиус кривизны вершин (впадин) неровностей . Установлено, что он определяет различные физические и химические процессы, протекающие на поверхностях; особо важную роль этот параметр играет в процессах теплопередачи, формирования электросопротивления контактов, вопросах контактной жесткости, трения и изнашивания, качества посадок, коррозионной стойкости, усталостной прочности и ряда других.

На рис. 32 изображена идеализированная шероховатость перед началом электрохимической размерной обработки (а) и после нее (б). В процессе ЭХО остаются неизменными базовая длина шероховатости и шаг неровностей. При механическом методе формообразования они являются переменными величинами и уменьшаются в 100 раз от мкм до мкм.

Рис. 32. Идеализированная шероховатость: а) до ЭХО, б) после ЭХО.

Постоянство исходной базовой длины и шага неровностей в процессе электрохимической обработки позволяет вычислить величину конечных параметров, характеризующих рабочую поверхность детали.

Для анализа особенностей формирования микрорельефа в процессе электрохимической обработки предлагается исходную микронеровность представить в виде полушара радиусом , а после ЭХО в течение времени эту же микронеровность величиной - в виде шарового сегмента радиусом и высотой (рис. 33). Тогда при постоянном базовом размере , между изменением высоты микронеровности и изменением радиуса модели будет существовать следующая зависимость:

(25)

Рис. 33. Расчетная схема для определения изменения кривизны микронеровностей в процессе ЭХО.

Дифференциальное уравнение электрохимической размерной обработки плоскоступенчатой модели шероховатости имеет вид

(26)

где - припуск под обработку; - высота микронеровности; - удельное сопротивление электролита; - тангенс наклона поляризационной кривой в точке с заданным режимом; - текущий зазор.

Когда поляризация меняется мало, а является постоянной величиной, после интегрирования получаем

. (27)

Подставив из 25 в уравнение 26, получим математическую модель изменения кривизн микронеровностей в зависимости от величины припуска на обработку электрохимическим методом

. (28)

В ходе электрохимической обработки форма реальной микронеровности будет приближаться к полусфере, и тем самым достоверность модели будет возрастать.

Уравнение (28) позволяет вычислить припуск на обработку для достижения заданного радиуса кривизны микронеровностей. Для удобства вычислений оно может быть приведено к виду

, (29)

где - коэффициент изменения приведенных радиусов кривизны неровностей; - рабочий межэлектродный зазор.

Количественные соотношения проверялись в ходе натурных исследований изменения приведенного радиуса микронеровностей в зависимости от величины припуска на обработку при нескольких составах электролита. Приведенный радиус определялся как среднее геометрическое продольного и поперечного радиусов. Теоретическая зависимость для тех же условий вычислена по формуле (28). Рис. 34 показывает удовлетворительное совпадение расчетной и экспериментальной кривых, позволяющее рекомендовать (28) и (29) для инженерных расчетов.

Рис. 34. Зависимость изменения приведенного радиуса от величины снимаемого припуска при разных составах электролитов: 1 - расчетная; 2 -экспериментальная

Увеличение кривизны при вершинах неровностей в процессе СГДЭ - кривая 1 (рис. 34) идет более интенсивно, чем расчетное 2. Данное отклонение объясняется механическим удалением продуктов анодного растворения с вершин неровностей диэлектрической проставкой электрода инструмента.

Экспериментально установлено, что геометрия микронеровности в процессе анодного растворения модифицируется, и уравнение кривой, описывающее геометрию неровности в динамике, также претерпевает изменение. В момент времени, когда профиль неровности описывается симметричной кривой, биссектриса угла между касательными становится нормальной к базовой средней кривизне, и профиль шероховатости рабочей поверхности выбранного направления принимает форму, близкую к синусоидальной, и может быть описан периодической функцией.

В процессе электрохимической обработки наследственный шаг неровностей поверхности остается постоянным, при этом большим по относительной высоте неровностям соответствуют и большие кривизны при их вершинах. Но так как интенсивность съема металла с неровностей подчиняется тому же закону, что и формообразование, интенсивность съема с поверхностей, имеющих разную кривизну, будет различна. Благодаря более интенсивному съему металла с неровностей, имеющих большие кривизны, происходит, наряду с модифицированием микрогеометрии неровностей, и их нивелирование по высоте. Таким образом, создаются реальные условия по снижению до минимума периода приработки в парах трения.

4.2 Управление формированием рабочего микрорельефа

Преимущественный съем с вершин микронеровностей можно обеспечить применением пассивирующих электролитов, добавок поверхностно-активных веществ, механическим удалением продуктов анодного растворения с вершин неровностей с наложением при необходимости ультразвуковых колебаний. Например, для стали 12ХН3А (рис. 35) при исходной мкм шероховатость мкм получается при припуске на обработку от 0,22 мм (электролит – 15% ) до 0,1 мм (электролит – 5% + наложение на инструмент ультразвуковых колебаний). Для получения мкм обычный водный раствор 15% непригоден, т.к. припуск на обработку превышает 0,3 мм при исходной глубине цементации 0,8 мм.

Рис. 35. Зависимость шероховатости поверхности от величины снимаемого припуска при электрохимической размерной обработке для стали 12ХНЗА:

1 - раствор 15% ; 2 - раствор 5% ; 3 - раствор 5% с добавкой 2% керосина; 4- раствор 5% с наложением ультразвука; термообработка-цементация

Применение добавок поверхностно - активных веществ (в частности керосина) является эффективным, экономичным и доступным способом повышения избирательности процесса электролиза. Сопоставление графиков на рис. 36 показывает, что при одинаковой длительности обработки в течение 15 мин разность высоты большей и меньшей микронеровностей на образцах уменьшилась от 80 до 50 мкм (электролит без добавок) и от 125 до 30 мкм (электролит с 15% ПАВ).

Рис. 36. Изменение высоты микронеровностей и в течение ЭХО: а) в электролите без добавок ПАВ; б) в электролите с добавкой 15% керосина.

При взаимообкатывании электродных поверхностей диэлектрическая проставка, контактируя с анодной поверхностью непосредственно в активной зоне электролиза, удаляет с нее продукты анодного растворения. Депассивация анодной поверхности в основном происходит по вершинам микронеровностей, способствуя повышению избирательности процесса электролиза. Применение механического удаления продуктов анодного растворения в сочетании с ультразвуковыми колебаниями вращающегося электрода-инструмента или в сочетании с добавкой в электролит поверхностно-активного вещества обеспечивает преимущественный съем металла с вершин микронеровностей. Положительный результат достигается и при применении всех трех способов одновременно. Вместе с тем существенное усложнение технологического оборудования для введения ультразвука в технологический процесс не всегда экономически оправдано. Наиболее перспективным является способ, сочетающий механическое удаление продуктов анодного растворения с применением добавок ПАВ в электролит.

Контроль параметров шероховатости зубчатых колес после электрохимической обработки можно вести на профилометрах-профилографах, а также методами атомно-силовой микроскопии, дающими четкую визуализацию 3D-микрорельефа. На рис. 37 и 38 приведены сканы поверхностей зуба зубчатого колеса из цементированной стали 12ХНЗА после механической обработки (шлифование) и шлифования + СГДЭ.

Анализируя данные сканы, становится очевидным, что СГДЭ формирует гораздо более благоприятный микрорельеф, растворяя высокие пики микронеровностей и выравнивая радиусы при вершинах и впадинах, что положительно сказывается на износостойкости зубчатого колеса.

Рис. 37. Участок поверхности зуба зубчатого колеса из цементированной стали 12ХНЗА после механической обработки (шлифование)

Рис. 38. Участок поверхности зуба зубчатого колеса из цементированной стали 12ХНЗА после шлифования + СГДЭ

4.3 Оптимизация состава электролита и режимов обработки сталей, прошедших термическую и химико-термическую обработку.

Применение известных электролитов для обработки некоторых легированных сталей, используемых для изготовления ответственных тяжелонагруженных деталей, приводит к резкому ухудшению качества поверхностного слоя вследствие растравливания металла по границам зерен. Данный дефект наиболее отчетливо проявляется, если заготовка предварительно прошла термическую или химико-термическую обработку.

В связи с тем, что в литературе отсутствовали данные по составу электролита, которые можно было бы применить в обработке азотированных и хромокремнемарганцовистых сталей, была проведена серия экспериментов по подбору специального раствора. В случае неудачного подбора электролита наблюдалось точечное растравливание поверхности, появлялись труднорастворимые и смываемые пленки и снижалось производительность процесса, особенно - при обработке легированных сталей.

Отклонение от оптимальной анодной плотности тока также порождало электроэрозию и межкристаллитное растравливание. Это - следствие жесткого режима с наличием искрообразований или межкристаллитной коррозии. Оно объясняется преобладанием гальванических процессов в прианодном слое, где создаются дополнительные гальванические пары и потенциалы, обусловленные структурой металла.

В серии предварительных экспериментов использовался водный раствор поваренной соли концентрацией 15% и 5% . Режим работы был принят следующий: температура электролитов – 20-24°C, , напряжение В, которому соответствует постоянный ток А (усредненная анодная плотность тока на образец .

Эксперименты показали:

1. Закаленная (5ХНВ) и цементированная (12ХН3А) стали хорошо обрабатываются при данном режиме и наилучший результат по шероховатости поверхности дают с 5% водным раствором и добавкой керосина (по весу 2%). Производительность остается на одном уровне или незначительно снижается по сравнению с производительностью, полученной при использовании 10 и 15-процентных растворов.

2. Цементированная хромомарганцевая с титаном сталь (18ХГТ) лучше обрабатывается при более высоких плоскостях тока и концентрациях электролита. Предполагается, что на более высоких плоскостях тока процесс анодного растворения металла превалирует над растравливанием. Растравливание обуславливается наличием в составе стали марганца и титана, которые образуют в продуктах анодного растворения активные комплексные соединения.

3. Азотированная сталь (38ХМЮА) в примененных электролитах подвергалась сильному растравливанию и неравномерному съему. Сталь 38ХМЮА в составе имеет 1,1% , на который активно действует хлор-ион. Эксперименты показали, что электролиты на водном растворе не пригодны для обработки азотированных сталей, содержащих алюминий.

4. Закаленная сталь 30ХГСА, содержащая в составе кремний, в указанных выше электролитах обрабатывалась очень неравномерно. Поверхность получалась пятнистой со светлыми и темными пятнами. Шероховатость поверхности высокая, но размывов не наблюдалось. С изменением плотности тока характер поверхности оставался прежним. Кремний способствует образованию труднорастворимых и механически трудноудаляемых пленок, которые препятствуют нормальному течению электрохимического процесса. Кроме того, в зоне обработки создаются значительные местные сопротивления.

Таким образом, электролиты, имеющие в своем составе для обработки сталей типа 30ХГСА, содержащие кремний, не пригодны.

В связи с этим было предпринято целенаправленное исследование воздействия различных по составу электролитов на стали 38ХМЮА и 30ХГСА и создание на этой основе электролитов оптимального состава.

Опыт показал: размерная электрохимическая обработка азотированных поверхностей в среде электролитов на основе солей, образованных сильными кислотами и сильными основаниями, невозможна из-за значительного растравливания и ухудшения качества азотированной поверхности. Получаемый результат объясняется тем, что в присутствии анионов водных растворов солей сильных кислот происходит избирательное анодное растворение стали вследствие различий в величине электродных потенциалов основного металла, легирующих элементов и присутствующих фаз (нитридов, карбонитридов, карбидов, интерметаллических соединений).

Размерная обработка оказалась возможной при применении электролитов на основе водных растворов солей, образованных слабой кислотой и сильным основанием, например, на основе растворов сернистокислого натрия и уксуснокислого натрия [23]. Эти соли имеют гораздо большую растворимость, чем соли сильных кислот. При умеренных концентрациях электропроводность их вполне приемлема для электрохимических процессов.

При размерной обработке стали 38ХМЮА в реакциях с алюминием и железом уксуснокислый натрий образует с ионом среднюю уксуснокислую соль , которая в ходе дальнейшего гидролиза преобразуется в основную соль , выпадающую в осадок. Аналогично протекает реакция с ионами железа . Другие металлы этой группы - хром, марганец, никель и молибден - такой реакции не имеют, а вступают в реакцию с гидроксильным анионом . Анионы появляются в некотором избытке в результате гидролиза и образуют труднорастворимые осадки. Кроме того, многоосновная соль сернистокислого натрия при гидролизе на первой ступени реакции образует анионы кислых солей , которые диссоциируют очень трудно и в электролите появляется избыток гидроксильных ионов, принимающих активное участие в анодном процессе. Рассмотренные химические превращения выравнивают скорость анодного растворения азотированной поверхности по всем составляющим сплава. Обработанная поверхность имеет шероховатость в пределах мкм, обладает более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со шлифованной.

Дальнейшие исследования проводились с добавкой анионов . Составы этой группы электролитов приведены в табл. 7.

Таблица 7

Состав электролитов

Номер электролита	Содержание компонентов, масса в процентах
1	12-14	3-5	6	-	-
2	12-14	3-5	-	6	-
3	12-14	3-5	-	-	6

. На рис. 39 приведены вольт-амперные кривые при анодном растворении стали 38ХМЮА в различных электролитах. Как видно из данных графиков, в растворах с добавками , наибольший ток пассивации наблюдается в электролите . В растворе с добавкой пассивация анода в исследованном диапазоне плотностей тока не наблюдалась.

Рис. 39. Вольт-амперные кривые при анодном растворении стали 38ХМЮА: 1,2,3-соответсвенно при обработке в электролитах № 1,2,3

Электрохимическое растворение в электролитах № 1 и 3 (табл. 7) приводит к резкому увеличению шероховатости поверхности стали, при этом наблюдается сильное структурное травление. После обработки стали в электролите № 2 ее поверхность становится светло-серой, без следов травления.

На рис. 40 приведена зависимость изменения высоты микронеровностей при электрохимической обработке стали в электролите № 2 с различной плотностью тока. Как видно из рис. 40, с увеличением плотности тока происходит интенсивное уменьшение высоты микронеровностей. После снятия азотированного слоя в дальнейшем отмечено значительное растравливание. Поверхность быстро ухудшается как по шероховатости, так и по виду.

Рис. 40. Зависимость изменения высоты микронеровностей при электрохимической обработке стали 38ХМЮА от плотности тока

По полученным экспериментальным данным можно сделать следующие выводы:

1. Ионы сильных кислот очень агрессивны по отношению к алюминию и поверхности, насыщенной азотом.

2. Ионы слабых кислот, образующиеся в водных растворах солей сернистокислого натрия и уксуснокислого натрия не агрессивны к азотированному слою и алюминию. Такие электролиты пригодны для электрохимической обработки азотированных сталей типа 38ХМЮА.

3. Поверхность после электрохимической размерной обработки в электролите № 2 имеет шероховатость в пределах мкм и обладает более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со шлифованной.

4. В работе с электролитом № 2 необходима максимально возможная плотность тока.

5. Агрессивность электролитов с применением солей слабых кислот в большей мере определяется степенью насыщенности азотом обрабатываемого слоя.

Для проверки влияния азота на электрохимическую обработку проведен эксперимент со сталью 40ХМА. Из двух партий образцов одна прошла закалку, а вторая - азотирование. Установлено, что присутствие азота сильно влияет на обрабатываемость поверхности. Специфическое влияние азота на электрохимическую обработку дает возможность контролировать качественное состояние азотированной поверхности. Некачественная азотированная поверхность при электрохимической обработке приобретает осповидный характер в местах отсутствия азота.

Обработка стали 30ХГСА дала наилучший результат по всем контролируемым параметрам при использовании комплексного электролита следующего состава:

хлористый калий - 10%

азотнокислый калий - 4,5%

лимоннокислый калий - 4,5%

калий-натрий виннокислый - 4,5%

керосин - 2,0%

Температура электролита – 56 - 65°С. Хромокремнемарганцовистые стали в этих случаях приобретают низкую шероховатость.

Рекомендуемые составы электролитов обеспечивают заданный рабочий микрорельеф поверхности без растравливания границ зерен в результате оптимизации химического состава электролита (параметр оптимизации - шероховатость поверхности) с учетом свойств обрабатываемого материала и его поверхностного слоя после термической и химико-термической обработки.

4. Износостойкость и контактная выносливость поверхностей после электрохимической обработки

Формирование рабочей микрогеометрии основано на анодном растворении металла поверхностного слоя заготовки и происходит в пределах этого слоя. В первую очередь удаляется верхний слой - зона резко выраженной деформации, характеризующаяся наличием прижогов, микроскопических и субмикроскопических трещин (см. рис. 2), неконтролируемых остаточных напряжений и т. п. Таким образом, решение задачи формирования рабочей микрогеометрии обычно сопровождается решением задачи удаления дефектного слоя заготовки. Получаемый в результате избирательного съема металла в ходе электрохимической обработки микрорельеф (рис. 41) обеспечивает значительное увеличение площади фактического контакта и, следовательно, снижение удельных нагрузок в зоне контакта сопрягаемых поверхностей и уменьшение работы трения. Это, в свою очередь, приводит к повышению износостойкости и контактной выносливости рабочих поверхностей.

Рис. 41. Формирование микрорельефа боковой поверхности зуба зубчатого колеса мм с искусственно нанесенными микронеровностями: а) исходный рельеф; б) микрорельеф после электрохимической обработки в течение 15 мин.

В результате исследований на роликах, имитирующих эвольвентную поверхность, установлено (рис. 42), что образцы, обработанные электрохимическим способом (кривая 2), имеют в период приработки интенсивность износа примерно в 2 раза меньше; а время приработки сократилось в 1,5 - 2 раза. Долговечность по износу увеличилась в 1,2 - 1,5 раза. Условная степень заедания (схватывания) в начале приработки для механически обработанных поверхностей (кривая 1) больше в среднем в 1,5 раза, чем у образцов, прошедших электрохимическую размерную обработку. По мере приработки условные степени заедания образцов становятся близкими по значению и остаются такими же на протяжении всего цикла испытаний.

Рис. 42. Износ поверхностей: I-период приработки; II-период установившегося износа; III-период усиленного износа. 1- шлифование; 2-электрохимическая размерная обработка.

Рис. 43. Зависимости контактной выносливости зуба зубчатого колеса от вида обработки: 1-электрохимическая размерная обработка; 2-шлифование

Ограниченность сведений в области применения констант контактной выносливости материалов в зависимости от вида обработки заставляет во многих случаях определять их экспериментально. Для этого в ходе длительных испытаний определяются три параметра кривой контактной выносливости (предел выносливости , базовое число циклов и коэффициент в уравнении левой ветви , которые и используются в различных расчетах на контактную прочность.

На рис. 43 оценка контактной выносливости представлена в виде зависимости показателя от величины повреждений испытуемой поверхности , принятой за опасную [23]. Контактная выносливость боковых поверхностей зубьев, прошедших электрохимическую обработку, выше, чем у зубьев после шлифования.