Izhevsk, Izhevsk, Russian Federation
UDC 621.891
The paper presents the technology of diamond smoothing of a ceramic hardening coating based on boron carbide. The paper studies the effect of diamond smoothing modes on the roughness of the ceramic hardening coating. The paper determines the stable range of diamond smoothing modes that achieve the minimum roughness values, and also determines the optimal processing modes based on the roughness criterion. It has been noted that diamond smoothing reduces the roughness of the ceramic hardening coating to Ra 0.16. The depth of the hardened layer is 20 μm, with a microhardness of 21 GPa.
CERAMIC COATING, DIAMOND SMOOTHING, MICROHARDNESS, SURFACE ROUGHNESS, OPTIMIZATION OF MODES
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Формирование керамических функциональных покрытий на деталях машин является перспективным направлением современного машиностроительного производства, и к их практическому внедрению приковано пристальное внимание [1-3]. Несмотря на активное развитие технологий наращивания функциональных керамических покрытий немаловажной проблемой остаются вопросы финишной обработки поверхностей керамических покрытий с целью достижения требуемых параметров шероховатости и чистоты [4, 5]. Способы абразивной, электроэрозионной обработки не всегда эффективны, что вызвано высокой твердостью керамических покрытий и малой толщиной керамического слоя, достигающей нескольких микрометров. Поэтому разработка и исследование способов финишной обработки керамических покрытий остается крайне актуальной задачей. В данной работе предложена технология финишной обработки керамических покрытий методом алмазного выглаживания. Технология алмазного выглаживания широко апробирована в условиях упрочняющей обработки деталей машин и доказала свою эффективность при обеспечении необходимой шероховатости и твердости металлических поверхностей [6-8]. Однако в условиях обработки керамических поверхностей алмазное выглаживание практически не исследовано, и отсутствуют практические рекомендации по применению технологии алмазного выглаживания керамических поверхностей. Поэтому целью настоящих исследований является оптимизация режимов алмазного выглаживания и исследование шероховатости и микротвердости керамических покрытий на основе карбонитрида бора после алмазного выглаживания.
2 Материалы и методы
В качестве объекта исследования приняли тонкое упрочняющее керамическое покрытие на основе керамической композиции системы «В4С-BN», синтезированное методом высокоскоростного лазерного оплавления на поверхности стали 40Х (рис. 1).
а б
1 – пружинный алмазный выглаживатель, 2 – токарный станок,
3 – лабораторный образец с керамическим покрытием
Рисунок 1 – Вид процесса алмазного выглаживания керамических покрытий
на лабораторных образцах (а) и вид керамического покрытия после алмазного выглаживания
Карбонитридные покрытия, синтезируемые высокоскоростным лазерным оплавлением, активно внедряются в отечественное машиностроение и ремонтное производство. Покрытия обладают толщиной в диапазоне от 30 до 50 мкм, низкой пористостью (5 %), микротвердостью от 4,5 до 6,2 ГПа [9, 10]. Опыт реализации карбонитридных покрытий выявил их высокую износостойкость, термостойкость и возможность применения в условиях масляного голодания [11, 12].
Для лабораторных исследований керамическое карбонитридное покрытие нанесли на поверхность стального диска диаметром 180 мм, что позволяет реализовывать различные скорости выглаживания в зависимости от диаметра выбранной окружности. В качестве алмазного выглаживателя использовали пружинный выглаживатель разработанный и изготовленный на кафедре «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВО Удмуртский ГАУ. Пружинный выглаживатель обеспечивает усилие поджатия алмазного наконечника от 50 до 800 Н. Продольная подача алмазного наконечника обеспечивается поперечной подачей суппорта используемого токарного станка. В качестве инструмента для выглаживания приняли алмазный наконечник из синтетического алмаза АСК радиусом сферы 3 мм.
Технология алмазного выглаживания керамического карбонитридного покрытия реализуется следующим образом:
1. Стальной диск с керамическим покрытием фиксируется в трехкулачковом, самоцентрирующемся патроне и поджимается при помощи центров пиноли задней бабки.
2. После фиксации стального диска керамическое покрытие обильно смазывается индустриальным маслом И-20.
3. При помощи продольного и поперечного перемещения суппорта станка алмазный наконечник подводится к поверхности керамического покрытия и фиксируется необходимое значение усилия поджатия.
4. Включается привод шпинделя станка на расчетную скорость выглаживания и поперечное перемещение суппорта станка на необходимую подачу.
5. После алмазного выглаживания поверхность протирается сухой ветошью и при необходимости обезжиривается.
Выглаженные таким образом керамические карбонитридные покрытия исследовали на шероховатость и микротвердость поверхности. Анализ шероховатости проводился в Институте физики металлов (ИФМ) Уральского отделения Академии наук в г. Екатеринбург при помощи оптического профилометра модели WYKO NT9300 фирмы Veeco. Анализ микротвердости поверхности проводился при помощи микротвердомера ПМТ-3М по шкале Виккерса. Для оптимизации режимов алмазного выглаживания использовали методы однофакторных исследований, а также метод активного трехфакторного эксперимента по плану Бокса-Бенкина. Обработка результатов осуществлялась с использованием программного комплекса STATISTICA 10.
3 Результаты исследований
Поисковые однофакторные исследования были направлены на определение рациональных режимов алмазного выглаживания (рис. 2). В качестве режимов выглаживания исследовали влияние скорости выглаживания, усилия выглаживания и продольной подачи алмазного наконечника на шероховатость поверхности Ra. На основе анализа данных результатов была выявлена область режимов алмазного выглаживания, при которых достигаются минимальные значения шероховатости поверхности Ra. В данной области режимов был проведен трехфакторный эксперимент по оптимизации режимов алмазного выглаживания. В качестве уровней варьирования исследуемых факторов приняли следующие значения (табл. 1). Определение уровней факторов, при которых формируется минимальное значение шероховатости поверхности Ra, выполнено с применением функции «Критические значения, минимум, максимум» анализа эксперимента программного комплекса STATISTICA 10.
Рисунок 2 – Результаты поисковых исследований по определению
диапазона рациональных режимов
Таблица 1 – Основные факторы и уровни их варьирования
|
Фактор |
Обоз. |
Ед. изм.
|
Уровни варьирования |
||
|
+1 |
0 |
-1 |
|||
|
Скорость выглаживания |
Х1 |
м/мин |
23 |
19 |
15 |
|
Нагрузка выглаживания |
Х2 |
Н |
280 |
240 |
200 |
|
Продольная подача |
Х3 |
мм/об |
0,1 |
0,08 |
0,06 |
В качестве критерия оптимизации приняли шероховатость поверхности Ra.
Согласно полученным данным, математическая модель, описывающая влияние режимов алмазного выглаживания на шероховатость поверхности, имеет вид:
Ra = 2,28 – 0,229Х1 + 0,0041875Х2 + 0,8375Х3 + 0,1125Х1Х3 – 0,1Х2Х3 + 0,00578Х12. (1)
Выявлено, что минимальное значение шероховатости поверхности Ra в рассматриваемом диапазоне варьирования факторов для полученной математической модели достигается при следующих значениях режимов обработки: скорость выглаживания v – 21,65 м/мин;
усилие выглаживания P – 237,16 Н; продольная подача S – 0,05554 мм/об.
Учитывая паспорт станка и конструкцию алмазного выглаживателя были приняты следующие режимы обработки: скорость выглаживания v – 20 м/мин; усилие выглаживания
P – 230 Н; продольная подача S – 0,05 мм/об.
Основная задача алмазного выглаживания сводилась к формированию упрочнённого слоя. Поэтому нами была исследована микротвердость исследуемого образца по глубине от поверхности сферы при помощи микротвердомера ПМТ-3М (рис. 3).
|
|
|
Рисунок 3 – Изменение микротвердости по глубине упрочненного слоя (горизонтальной линией представлена величина микротвердости стальной основы)
Микротвердость керамического карбонитридного покрытия после алмазного выглаживания с оптимизированными режимами составляет 21,4 ГПа, ниже покрытия наблюдается упрочненный слой подложки порядка 20 мкм с постепенным снижением микротвердости
от 8-10 ГПа до 2,8 ГПа
4 Обсуждение и заключение
В результате алмазного выглаживания наблюдается понижение шероховатости керамического карбонитридного покрытия с Ra 3,2 (исходная шероховатость керамического покрытия) до Ra 0,16. Шаржирования и задиров поверхности керамического покрытия не выявлено. В процессе алмазного выглаживания отслоение и трещинообразование покрытия не наблюдается. Высокая твердость и жесткость керамического покрытия формируют интенсивное тепловыделение при деформации поверхности алмазным наконечником, поэтому в процессе обработки требуется постоянная жидкостная смазка. Отсутствие масляного слоя приводит к адгезионному разрушению покрытия. Повышение микротвердости поверхности составляет более чем в 3,3 раза. Эффективная глубина наклепанного слоя составляет 20 мкм, после которого микротвердость соответствует исходной микротвердости керамического слоя. Степень деформации керамического покрытия, при которой достигается минимальная шероховатость, составила 15 %.
1. Bolotov, A. N. Application of wear-resistant ceramic coatings in construction / A. N. Bolotov, V. V. Novikov, O. O. Novikova // Bulletin of Tver State Technical University. – 2016. – No. 2(30). – Pp. 112-114. – EDN WKOANF.
2. Mishin, M. M. Methods of applying ceramic coatings on metals / M. M. Mishin, V. M. Medvedev // Science and Education. – 2019. – Vol. 2, No. 2. – Pp. 220. – EDN YPMLLK.
3. Structure of wear-resistant plasma coatings from a nickel-ceramic mixture / Yu. S. Chesov, E. A. Zverev, N. V. Plotnikova [et al.] // Actual Problems in Mechanical Engineering. – 2015. – No. 2. – Pp. 405-409. – EDN TZDZGL.
4. Technological features of the formation of porous functional ceramic coatings on aluminum by microarc oxidation in silicate electrolytes / M. A. Markov, A. V. Krasikov, A. D. Bykova [et al.] // Welding Production. – 2020. – No. 3. – Pp. 23-29. – EDN CQLDCX.
5. Plakhotin, A. A. Hardening of wear-resistant surfaces of forestry machine parts by plasma deposition and hardening of coatings of variable composition / A. A. Plakhotin, A. M. Kadyrmetov, D. A. Popov // Voronezh Scientific and Technical Bulletin. – 2023. – Vol. 3, No. 3(45). – Pp. 34-47. – DOIhttps://doi.org/10.34220/2311-8873-2023-3-3-34-47. – EDN IFLWNN.
6. Zarubin V. P., Kiselev V. V. Application of diamond honing to increase the wear resistance of the surfaces of fire pump shafts // Hardening Technologies and Coatings. – 2022. – Vol. 18, No. 10(214). – Pp. 451-453. – DOIhttps://doi.org/10.36652/1813-1336-2022-18-10-451-453. – EDN TLSSZL.
7. Shvetsov A. N., Skuratov D. L. Influence of the parameters of the diamond honing process on the quality of the surface layer of parts in the production of aviation equipment // Bulletin of the Moscow Aviation Institute. – 2023. – Vol. 30, No. 4. – Pp. 220-231. – EDN HLALUU.
8. Domasevich V. V., Kulgeiko M. P. On the formation of surface relief during diamond hon-ing // Mechanics of Machines, Mechanisms, and Materials. – 2020. – No. 2(51). – Pp. 55-62. – EDN LUQCRN.
9. Ipatov A. G. Hardening and restoration of parts using short-pulse laser welding with ceramic materials / A. G. Ipatov // Selsky Mechanizator. – 2025. – No. 10. – Pp. 27-29. – DOIhttps://doi.org/10.47336/0131-7393-2025-10-27-28-29. – EDN NLESEH.
10. Ipatov A. G. Technology of combined laser welding of repair coatings with a ceramic hard-ening layer / A. G. Ipatov // Repair. Recovery. Modernization. – 2026. – No. 1. – Pp. 14-19. – DOIhttps://doi.org/10.31044/1684-2561-2026-0-1-14-19. – EDN NTNVSM.
11. Physical and mechanical properties of ceramic coatings obtained by short-pulse laser weld-ing of a boron-based powder mixture / A. G. Ipatov, M. N. Erokhin, S. P. Kazantsev [et al.] // Agroen-gineering. – 2023. – Vol. 25, No. 1. – Pp. 71-76.
12. Kharanzhevsky E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V. et al. On the way to eliminating friction and wear in lubrication-free plain bearings. Sci Rep 13, 17362 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-44702-6.
