Варгасов Пестов_Обработка поверхности

Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал «Севмашвтуз» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

Варгасов Н.Р. Пестов Н.А

ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Учебное пособие

Северодвинск

2010 г.

2

Варгасов Н.Р., Пестов Н.А. Технологии обработки поверхности деталей. Учебное пособие. - Северодвинск: Севмешвтуз, 2010. – 107с.

Рецензенты: доцент Климов Ю.В. инженер Ветошкин О.Н.

В учебном пособии содержатся сведения об атомнокристаллическом строении поверхности металлических материалов, основах теории прочности и различных видах разрушения. Описаны методы нанесения покрытий, изменения химического состава и структуры поверхности. Приведены технологические параметры большинства известных методов упрочняющей и защищающей обработки металлических деталей. Учебное пособие рекомендовано для студентов машиностроительных специальностей технических университетов.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза

© Севмашвтуз, 2010 г

3

Введение

Работоспособность деталей машин зависит от характера и величины, прикладываемых к ним нагрузок, а также от процессов взаимодействия поверхностей деталей с окружающей средой – твердой, жидкой или газовой. Эти процессы имеют, как правило, физико-химическую природу и проявляются в виде коррозии, износа, образования трещин и т.д. От интенсивности протекания этих процессов и от сопротивления поверхности к их воздействию зависит долговечность деталей машин. Одним из направлений повышения работоспособности деталей машин является изменение химического состава и структуры их поверхности. Известные технологии отделочно-упрочняющей обработки поверхности деталей можно условно разделить на следующие основные виды: образование пленки на поверхности, изменение химического состава поверхностного слоя, изменения структуры поверхностного слоя, изменение энергетического запаса поверхностного слоя, изменение шероховатости поверхности, изменение структуры по всему объему.

Настоящее учебное пособие имеет своей целью познакомить студентов с возможностями обработки поверхности изделий и выявить проблемы, связанные с получением покрытий. При этом особое внимание уделяется формированию у студентов системного подхода к решению актуальных задач повышения долговечности деталей машин на базе современных технологий обработки поверхности изделий.

Условно учебное пособие можно разделить на две части.

В первой части пособия приводятся сведения об атомнокристаллическом строении поверхности металлов, теории прочности и разрушения.

Во второй части изложены основные технологии упрочнения поверхности и технологии защиты поверхности от воздействия окружающей среды. При этом особое внимание уделяется назначению, свойствам и работоспособности деталей.

Учебное пособие рекомендовано для самостоятельной работы и подготовке к практическим знаниям студентам специальности 150100 – Технология машиностроения.

4

Часть I. Строение поверхности материалов.

1.1. Межатомное взаимодействие.

Во всех материалах существует межатомное взаимодействие, которое приводит к образованию атомных связей. Можно выделить четыре типа межатомных связей. Первые три типа связей – ионная, ковалентная, металлическая называют первичными связями, поскольку они относительно прочны, Каждая из этих связей возникает вследствие обмена или объединения валентных электронов, находящихся на s и p – орбитах. Четвертый тип связи – вандервальсовская называется вторичной.

Ионная связь. Ионы с различными зарядами притягиваются друг к другу под действием кулоновских сил. Изменение энергии в результате сближение двух ионов описывается выражением:

	E = −	(z1e )(z2e )	,	(1.1)
		a
	где а – расстояние между ионами, z1е		и z2е	– заряды, взаимодействую-

щих ионов, которые могут быть и положительными и отрицательными. Как следует из выражения (1.1), при одинаковых зарядах необходима затрата энергии для сближения ионов, а при разноименных зарядах сближение ионов приводит к выделению энергии. Однако кроме сил притяжения между разноименно заряженными ионами возникают силы отталкивания. Энергия отталкивания Ео обратно пропорциональна межатомному расстоянию с показателем степени n (6<n<12):

E0 =	b	,	(1.2)
	n
	a

где b – константа, определяемая экспериментально.

Таким образом, полное изменение энергии при сближении пары одновалентных ионов описывается равенством:

E = − e2	+	b	,	(1.3)
		n
a		a

где е – заряд электрона.

Кривые, соответствующие уравнениям 1.1 – 1.3, представлены на рисунке 1.1

5

Рис. 1.1 Зависимость изменения энергии от расстояния между ионами.

Кривая полной энергии взаимодействия имеет минимум, определяющий величину межатомного расстояния а’, соответствующего максимальной устойчивости. Поскольку сила взаимодействия между ионами F = dE / da ,то межатомные силы, ответственные за энергию могут быть выражены уравнением

	e2			nb
F =			−			(1.4)
	a	2		a	n+1

Члены в правой части уравнения 1.4 представляют собой кулоновскую силу притяжения и силу отталкивания электронных оболочек, соответственно. Результирующая сила при различных значениях межатомного расстояния приведена на рисунке 1.2.

Рис. 1.2. Межатомные силы взаимодействия.

6

Результирующая сила равна нулю при a =a’, когда сила кулоновского притяжения Fк равна силе отталкивания электронных оболочек Fo. В связи с этим для моделирования взаимодействия атомов часто используют пружинную модель.

Рис. 1.3 Пружинная модель взаимодействия атомов.

В соответствии с пружинной моделью при изменении равновесного состояния a пружины упруго деформируются, и создается либо притяжение, либо отталкивание.

Кулоновские силы не обладают избирательностью, т.е. положительный (или отрицательный) ион будет притягивать все противоположно заряженные ионы, находящиеся в непосредственной близости от него. Число находящихся в контакте соседних ионов называют координационным числом. Из-за отсутствия избирательности кулоновского притяжения ионы обнаруживают тенденцию максимально координироваться с соседними ионами. Так, например, ион Na в соединении NaCl координируется с 6 ионами Cl.

В связи с тем, что ионная связь обладает высокой энергией связи (700 – 1000 кДж/моль), материалы с ионным типом связи имеют относительно высокую температуру плавления, высокую прочность и низкий коэффициент линейного расширения

Ковалентная связь. Термин ковалентный обозначает спаривание валентных электронов у соседних атомов. Примерами ковалентной связи могут служить связи, возникающие между атомами углерода, кремния, германия. Ковалентную связь можно рассматривать как возникающую в результате притяжения положительных ионов к, находящимся между ними электронами. Таким образом, если кулоновское

7

притяжение возникает во всех направлениях, то ковалентная связь имеет ориентировку, т.е. направлена определенным образом в пространстве. Вследствие этого координационное число, в соединениях с ковалентной связью меньше чем при ионной связи.

Высокая энергия связи (800 – 1200 кДж/моль), направленность связи и низкая плотность упаковки атомов в материалах с ковалентным типом связи приводит к очень высокой прочности, твердости и высокой температуре плавления. Типичными представителями ковалентных кристаллических материалов являются карбид кремния, алмаз, нитрид титана и др.

Металлические связи являются третьим типом первичной связи. Хотя иногда считают, что эта связь занимает промежуточное положение между ионной и ковалентной, но все же её можно рассматривать как самостоятельный вид связи, т.к. металлы образуют самостоятельный и важный класс материалов.

Атомы металлов, т.е. атомы, содержащие слабосвязанные валентные электроны, образуют при взаимодействии очень прочную структуру. В металлах множество валентных электронов способны “свободно” перемещаться, сообщая металлам такие свойства как электропроводимость, блеск, непрозрачность. Поскольку металлическая связь не обладает направленностью, координационное число, как правило, велико. У большого числа металлов координационное число равно 12.

Необходимо отметить, что выделенные три основных типа первичных связей, в “чистом” виде встречаются относительно редко. Так, например, в кремнии возникают спаренные электроны, характерные для ковалентной связи. Однако небольшое число электронов способно уходить из ковалентной связи между соседними атомами, вызывая появления незначительной проводимости. Это свойственно и германию, который служит основой для получения полупроводников.

Возможные сочетания первичных связей схематически изображены на рисунке 1.4.

Вторичные (вандервальсовы) связи обусловлены присутствием внутренних диполей. Эти диполи возникают в результате статистической неоднородности распределения электронов в атомах и молекулах, или могут представлять собой постоянные диполи в ассиметричных молекулах. Первый случай приводит к возникновению очень слабых сил, проявляющихся как силы притяжения между, например, атомами инертных газов (He, Ar) или молекулами (CH4, F2, CO2).

8

Рис.1.4 Смешанные первичные связи.

Постоянные диполи образуются в ассиметричных молекулах, когда не совпадают центры положительного и отрицательного зарядов. Из-за такого несовпадения положительный конец одного диполя будет притягиваться к отрицательному концу диполя другой молекулы, что проявляется как межмолекулярное притяжение.

Энергия взаимодействия вандерваальсовой связи весьма мала (10

– 20 кДж/моль) и поэтому температура плавления и кипения веществ с вандервальскими связями между атомами и молекулами, как правило, очень низка.

1.2. Кристаллическая структура материалов.

Технические материалы в твердом состоянии находится в высокоупорядоченном (кристаллическом), либо слабоупорядоченном (аморфном) состоянии. Например, каждый атом в алюминии имеет 12 бли-

.

жайших соседей на расстоянии 2,862 А (0, 2862 нм), а также соседей второго и третьего порядков, расположенных по строго заданным направлениям, т.е. кристаллы имеют дальний порядок. В аморфных телах в отличие от кристаллических наблюдается лишь ближний порядок, т.е. существует правильная координация первых ближайших соседей.

В зависимости от типа связи между атомами различают металлические, ковалентные, ионные и молекулярные кристаллы.

Для описания кристалла с периодически повторяющимся расположением атомов используется соответствующая система координат. Принято при этом применять систему координат x, y, z. Размеры ячейки, т.е. параметры решетки подчинены направлениям x,y,z обозначают-

9

ся a,b,c (периоды решетки), а углы между осями координат обозначаются α,β,γ. Всего типов кристаллических решеток 14, из которых 7 являются простыми (кубическая, тетрагональная, ромбическая, ромбоэдрическая, гексагональная, моноклинная и триклинная) и 7 сложных.

Сложные кристаллические решетки отличаются от простых тем, что они могут быть объемноцентрированными и гранецентрированными. Так, например, кубическая решетка может быть объемноцентрированной и гранецентрированной.

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятие координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом называется число атомов, находящихся на минимальном, равном расстоянии от данного атома. Коэффициент компактности равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки.

Многие свойства кристаллических материалов зависят от направления. Поэтому для обозначения в кристалле плоскостей и направлений применяется их обозначение (индексирование). Положение атомных плоскостей в кристалле определяется отрезками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координат x,y,z. Эти отрезки измеряются целыми числами m, n, р, равными длине ребер ячейки a, b,

c. За индексы плоскостей принято брать обратные отрезки: h = m1 , k = 1n , e = 1p . Эти числа заключаются в круглые скобки.

Рис.1.5. Примеры обозначения плоскостей в кубической решетке.

Кристаллографические направления проходят через начало координат и узлы кристаллической решетки. Приняв на единицу длину ребра элементарной ячейки, определяют координаты любой точки этого направления. Их обозначают простыми числами пропорциональными

10

координатам выбранной точки вдоль координатных осей и заключают в координатные скобки.

Рис.1.6. Индексы направлений в кубической решетке.

Большинство металлических кристаллов имеют гранецентрированную (ГЦК) или гексагональную плотноупакованную (ГП) решетки. Эти две решетки называют плотноупакованными, т.к. в кристалле из одинаковых атомов каждый атом может иметь не более 12 соседей. Таким образом, в решетках ГЦК и ГП имеют координационное число равно 12, а коэффициент компактности 0,74. ГЦК структуру имеют такие металлы как Al, Ni, Cu, Ag, Pd, а ГП структуру металлов Be, Mg, Ti, Co, Zn, Re, Os.

Однако в некоторых металлах атом может быть координирован с 8 соседями (решетка ОЦК). Несколько меньшая упаковка (0,68 по сравнению с 0,74) вызвана влиянием ковалентной компоненты атомных связей. К металлам с объемно-центрированной структурой относятся V, Cr, Fe, Nb, Mo, Ta, W.

Рис.1.7. Типы кристаллических решеток металлов. a - ГЦК; б - ГП; в - ОЦК.