Инженерия поверхности и технологии повышения эксплуатационных свойств изделий из металлических сплавов


А. Г. Соколов













ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

Учебное пособие

















Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621

ББК 34.43

     С59



Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор, Ж. М. Бледнова;
                 Заместитель генерального директора по развитию ООО «Южный завод тяжелого станкостроения», А. Ф. Коновалов








     Соколов, А. Г.
С59 Инженерия поверхности и технологии повышения эксплуатационных свойств изделий из металлических сплавов: учебное пособие / А. Г. Соколов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 304 с.
         ISBN 978-5-9729-0573-7


    Приведены основные сведения о современных и перспективных способах инженерии поверхности. Рассмотрены технологии, применяемые в машиностроении, анализ и классификация технологий и их влияние на работоспособность изделий. Даны рекомендации по выбору конструкционных и инструментальных сплавов, а также методов и способов формирования на поверхностях изделий функциональных покрытий.
    Для студентов и аспирантов машиностроительных специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам предприятий машиностроительного профиля.


УДК 621

ББК 34.43








ISBN 978-5-9729-0573-7

     © Соколов А. Г., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................7

Глава 1. Классификация конструкционных и инструментальных материалов......................................................9
1.1. Металлические материалы...................................10
1.2. Неметаллические материалы.................................11
1.3. Композиционные материалы..................................12
1.4. Наноматериалы.............................................13
1.5. Маркировка конструкционных и инструментальных материалов...14
  1.5.1. Маркировка сталей.....................................14
  1.5.2. Маркировка чугунов....................................17
  1.5.3. Маркировка сплавов меди...............................19
  1.5.4. Маркировка сплавов алюминия...........................20
  1.5.5. Маркировка сплавов магния.............................21
  1.5.6. Маркировка сплавов титана.............................21

Глава 2. Выбор материала изделия...............................23
2.1. Критерии выбора материала изделия.........................23
2.2. Конструкционная прочность. Критерии оценки эксплуатационных свойств конструкционных материалов............23
2.3. Инструментальные материалы................................31
  2.3.1. Анализ причин потери работоспособности инструмента....31
  2.3.2. Понятие о работоспособности инструмента. Основные требования, предъявляемые к инструментальным материалам...................................................41

Глава 3. Основные материалы, применяемые для изготовления конструкционных изделий........................................48
3.1. Конструкционные материалы на основе железа................48
  3.1.1. Конструкционные стали, их классификация и применение...51
  3.1.2. Конструкционные чугуны................................58
3.2. Цветные конструкционные материалы.........................62
  3.2.1. Сплавы на основе меди.................................62
  3.2.2. Сплавы на основе алюминия.............................64
  3.2.3. Сплавы на основе магния...............................66
  3.2.4. Сплавы на основе титана...............................66


3

Глава 4. Основные материалы, применяемые для изготовления инструмента, их классификация и применение......................71
4.1. Стали, применяемые при обработке резанием и давлением......71
4.2. Твердые и сверхтвердые инструментальные материалы, применяемые при обработке резанием и давлением..................75
  4.2.1. Классификация твердых сплавов по составу...............75
  4.2.2. Классификация твердых сплавов в зависимости от обрабатываемого материала и типа снимаемой стружки.........82
  4.2.3. Керамико-металлические материалы.......................83
  4.2.4. Минералокерамические материалы.........................84
  4.2.5. Сверхтвердые материалы (СТМ)...........................86

Глава 5. Технологии повышения эксплуатационных свойств материала изделий...............................................93
5.1. Общие методы повышения эксплуатационных свойств материала изделий...............................................93
5.2. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе железа................................................97
5.3. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе меди.................................................109
5.4. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе алюминия.............................................110
5.5. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе титана...............................................112
5.6. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе магния..............................................1113

Глава 6. Повышение эксплуатационных свойств изделий способами инженерии поверхности. Роль поверхностных слоев материала изделий в обеспечении их работоспособности.....................116
6.1. Коррозионно-стойкие покрытия...............................118
  6.1.1. Защита от коррозии металлическими покрытиями..........120
  6.1.2. Неметаллические коррозионно-стойкие покрытия..........124
6.2. Жаростойкие покрытия......................................129
  6.2.1. Требования, предъявляемые к жаростойким покрытиям......130
  6.2.2. Материалы для жаростойких покрытий....................131
6.3. Износостойкие покрытия....................................136
  6.3.1. Общие сведения о видах изнашивания....................136
  6.3.2. Материалы для износостойких и антифрикционных покрытий.139


4

Глава 7. Технологии нанесения покрытий........................152
7.1. Критерии оценки прогрессивности технологических процессов нанесения покрытий..................................152
7.2. Основные методы и способы нанесения покрытий.............153

Глава 8. Основные способы нанесения покрытий, применяемые в машиностроении..................................161
8.1. Электрохимические покрытия...............................161
  8.1.1. Способы получения покрытий из водных растворов.......162
  8.1.2. Электрохимические покрытия из расплава...............165
  8.1.3. Способы получения покрытий из газовой фазы...........166
  8.1.4. Электроисковой способ формирования покрытий..........167
8.2. Химические покрытия......................................168
  8.2.1. Способы нанесения химических покрытий из растворов...168
  8.2.2. Химическое осаждение из паровой фазы.................171
  8.2.3. Применение CVD покрытий в машиностроении.............175
8.3. Физические способы получения покрытий....................176
  8.3.1. Способы термического испарения и конденсации.........177
  8.3.2. Способы получения покрытий ионным распылением........185
  8.3.3. Способ ионного осаждения.............................190
  8.3.4. Способ ионной имплантации (ионного легирования)......194
  8.3.5. Применение PVD покрытий..............................197
8.4. Химико-термические методы получения покрытий.............199
  8.4.1. Цементация...........................................200
  8.4.2. Азотирование.........................................206
  8.4.3. Способы одновременного насыщения азотом и углеродом..211
  8.4.4. Борирование..........................................213
  8.4.5. Силицирование........................................217
  8.4.6. Диффузионная металлизация............................220
    8.4.6.1. Диффузионная металлизация из твердой фазы........224
    8.4.6.2. Диффузионная металлизация из жидкой фазы.........227
    8.4.6.3. Диффузионная металлизация из пары фазы...........233
    8.4.6.4. Диффузионная металлизация из газовой фазы........235

Глава 9. Термомеханические способы изменения свойств поверхности изделий...........................................241
9.1. Напыление................................................241
  9.1.1. Газотермическое напыление............................241
  9.1.2. Газопламенное напыление..............................242
  9.1.3. Электродуговое напыление.............................245


5

  9.1.4. Высокочастотное напыление..............................246
  9.1.5. Плазменное напыление...................................248
  9.1.6. Детонационное напыление................................249
9.2. Наплавка...................................................251
  9.2.1. Газопламенная наплавка.................................252
  9.2.2. Электродуговая наплавка................................253
  9.2.3. Наплавка покрытым электродом...........................253
  9.2.4. Дуговая наплавка под слоем флюса.......................254
  9.2.5. Электродуговая наплавка порошковой проволокой (лентой).256
  9.2.6. Наплавка в среде углекислого газа......................257
  9.2.7. Наплавка в среде инертного газа........................258
  9.2.8. Плазменная, электронно-лучевая и лазерная наплавки.....259
9.3. Плакирование...............................................263
9.3.1. Механический способ плакирования.........................263
9.3.2. Плакирование взрывом.....................................265

Глава 10. Нанопокрытия и способы их получения...................268
10.1. Понятие нанообъекта, наноматериала........................268
10.2. Нанопокрытия..............................................270
10.3. Способы получения нанопокрытий............................273
  10.3.1. Химические способы....................................273
  10.3.2. Электрохимические способы.............................274
  10.3.3. Способы физического осаждения PVD.....................275
  10.3.4. Метод наноструктурирования предварительно нанесенных макропокрытий интенсивным пластическим
        деформированием.........................................282

Глава 11. Общие принципы выбора материала покрытий и способа его нанесения.........................................287

Заключение......................................................292
Библиографический список........................................294


6

            ВВЕДЕНИЕ


     Разработки в области создания новых материалов и технологий, повышения их эксплуатационных свойств позволили значительно повысить работоспособность машин и механизмов при одновременном снижении их материалоемкости, энергозатратности. Однако существующее в настоящее время многообразие материалов и технологий их упрочнений зачастую затрудняет их выбор для конкретных условий эксплуатации. Для совершения правильного выбора материала и технологий, обеспечивающих повышение их эксплуатационных свойств при одновременном снижении затрат на переработку их в изделия, требуется наличие знаний о свойствах этих материалов и о технологиях, которые могут быть применены для их упрочнения. В соответствии с этим в данном учебном пособии приведены классификация конструкционных, инструментальных материалов и их маркировка. Описаны критерии, которые являются основой при выборе конструкционных и инструментальных материалов, а также понятия о работоспособности конструкционных и инструментальных материалов. Кроме этого, рассмотрены основные материалы, применяемые для изготовления конструкционных изделий и инструмента различного назначения, а также технологии повышения эксплуатационных свойств материала изделий.
     Все возрастающая в настоящее время нагруженность изделий машиностроения предопределяет использование сложно- и высоколегированных сталей и сплавов. Однако такие сплавы обладают пониженной обрабатываемостью, а использование для их легирования дорогих и дефицитных химических элементов приводит к постоянному повышению их стоимости. Кроме этого, в большинстве случаев эти сплавы не обеспечивают изделию требуемую работоспособность. Учитывая то, что в большинстве случаев при эксплуатации изделий их работоспособность определяется механическими и физико-химическими свойствами поверхностных слоев изделий (износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.) наиболее эффективными являются технологии поверхностного упрочнения деталей машин путем нанесения на них покрытий.
     Применение различных по составу и свойствам металлических или металлоподобных и неметаллических покрытий для деталей из стали, чугуна, спеченных материалов, тугоплавких и цветных сплавов сокращает затраты до минимума при достижении требуемых эксплуатационных свойств.
     При этом, также как и при выборе материала основы, выбор технологии поверхностного упрочнения требует наличия знаний об этих технологиях.

7

     Для получения таких знаний в учебном пособии рассмотрены различные способы инженерии поверхности изделий, позволяющие придавать поверхностным слоям изделий новые служебные свойства. В частности, рассмотрена роль поверхностных слоев материала изделий в обеспечении их работоспособности в условиях воздействия различных коррозионных сред, окисления при нагреве, износа, а также технологии, обеспечивающие повышение работоспособности изделий в этих условиях эксплуатации.
     В пособии описаны технологии химического и электрохимического (гальванического) осаждения, химического и физического способов получения покрытий, химико-термической обработки, диффузионной металлизации, термомеханические способы нанесения покрытий - напыление, наплавка, плакирование, технологии формирования на изделиях нанопокрытий, а также общие принципы выбора материала покрытий и способа его нанесения.
     Пособие предназначено для студентов, магистров и аспирантов машиностроительных специальностей, а также для инженерно-технических работников предприятий машиностроительного профиля.

8

ГЛАВА 1



            КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ



     Конструкционные материалы (КМ) - это материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, испытывающих в процессе эксплуатации механические нагрузки и воздействие рабочей среды.
     Инструментальные материалы (ИМ) - материалы, предназначенные для изготовления режущего инструмента, инструмента для обработки давлением, литейных форм, а также измерительного и разметочного инструмента.
     В качестве конструкционных и инструментальных материалов очень редко применяются чистые химические элементы, так как они обычно имеют невысокие механические свойства и не обеспечивают требуемые эксплуатационные свойства. Вследствие этого, конструкционные и инструментальные материалы - это сплавы.
     Сплав - это материал, получаемый путем сплавления (нагрева до жидкого состояния), или методами порошковой металлургии (спекания) основного химического элемента с легирующими элементами.
     Наиболее часто применяемыми являются конструкционные материалы.
     По основе конструкционные материалы делятся на металлические, неметаллические, композиционные, наноматериалы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема классификации конструкционных материалов

9

    1.1. Металлические материалы


     Основой металлических материалов являются металлы. Под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью.
     В зависимости от внешнего вида металлические материалы делятся на черные и цветные (рис. 1.2).
     Черные металлы характеризуются темно-серым цветом, к ним относятся, прежде всего, сплавы на основе железа - стали и чугуны, являющиеся сплавами железа с углеродом, в которые при необходимости вводятся легирующие элементы.
     К черным конструкционным материалам также относятся тугоплавкие металлы (металлы, имеющие температуру кристаллизации выше, чем у железа), к таким конструкционным материалам относятся: сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия, циркония, титана и др.


Рис. 1.2. Схема классификации металлических материалов

      Цветные металлы - металлы, имеющие окраску - красную (медь), жёлтую (золото) либо белую.
      Цветные металлы - это, в основном (за исключением титана), легкоплавкие металлы, они подразделяются:


10

     легкие металлы - обладающие малым удельным весом. Это - алюминий, бериллий, магний;
     благородные металлы - золото, серебро, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Эти металлы обладают высокой устойчивостью против коррозии;
     легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, индий, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и др.

    1.2. Неметаллические материалы

     Неметаллические материалы - материалы, в основе которых лежат вещества, не обладающие металлическими свойствами.
     В основе неметаллов лежат полимеры.
     Полимеры - неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями.
     Неметаллические материалы делятся на пластмассы, резины и неметаллические неорганические материалы (рис. 1.3).
     Пластмассы - материалы, в основе которых лежат органические полимеры. По отношению к нагреву пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные.
     Термопластичные пластмассы при нагреве переходят в вязкотекучее состояние (жидкого состояния они не имеют), а при охлаждении твердеют с восстановлением исходных свойств. К числу таких пластмасс относятся: полиэтилен, полипропилен, полиуретан и др.
     Термореактивные пластмассы при нагреве переходят в вязкотекучее состояние, затем твердеют и далее своих свойств не теряют. Основой термореактивных пластмасс являются термореактивные смолы - фенолформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, кремнеорганические.
     Резины - это неметаллические материалы, получаемые путем вулканизации (сшивания макромолекул) органического полимера каучука.
     Каучуки - натуральные или синтетические эластомеры, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами.
     В зависимости от состава каучука получаемые из него резины делятся на резины общего назначения и специальные резины. Резины общего назначения -это резины, от которых требуется эластичность, изолирующие свойства. Специальные резины - это резины, дополнительно обладающие особыми свойствами: маслобензостойкостью, светоозоностойкостью, износостойкостью и др.


11

Неорганические неметаллические материалы

      К неорганическим неметаллическим материалам относятся: неорганические стекла, ситаллы, керамика. Основой этих материалов могут быть силициды, оксиды, карбиды, нитриды, бориды и др. соединения металлов.
      Неорганическое стекло - затвердевший раствор сложного расплава высокой вязкости кислотных и основных оксидов, имеющий аморфную структуру. Основные используемые свойства: светопрозрачность, химическая стойкость, стойкость к абразивному износу.


Рис. 1.3. Схема классификации конструкционных неметаллов

      Ситаллы - кристаллические стекла. Получаются путем кристаллизации стеклянной массы. Более высокие по сравнению с аморфными стеклами характеристики прочности, химической стойкости, износостойкости.
      Керамика - неорганический материал, получаемый из оксидных, карбидных, нитридных, боридных, силицидных соединений материалов и минералов в процессе высокотемпературного обжига, не вызывающего его полного расплавления. Перспективный материал, обладающий высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью.


    1.3. Композиционные материалы

     Композиционный материал (композит) - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более веществ (компонентов) с чёткой границей раздела между ними.


12

     Композиционные материалы состоят из матрицы и уплотнителя. Матрица - это связующее и формообразующее вещество.
     Упрочнителъ - это упрочняющее вещество.
     Матрица может быть металлической и неметаллической (рис. 1.4).
     Упрочнитель также может быть металлическим и неметаллическим, но основная классификационная категория упрочнителя - его форма, по этому показателю упрочнители могут быть порошковыми, волокнистыми и слоистыми.
     Композиционные материалы обладают самой высокой удельной прочностью, которая определяется как отношение его прочности к плотности.


Рис. 1.4. Схема классификации композиционных материалов


    1.4. Наноматериалы


     Наноматериалы - это материалы, состоящие из нанообъектов (наночастиц) или содержащие их, созданные посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале.
     Нанообъектом называется объект с размером менее 100 нм хотя бы в одной из трех пространственных измерений.
     Конструкционные наноматериалы бывают объемными и композиционными (рис. 1.5).
     Объемные наноматериалы классифицируются по способу их получения:
     • порошковые - материалы, полученные методами порошковой металлургии;


13

     •  наноструктурированные - материалы, полученные методами интенсивной пластической деформации;
     •  нанокристаллизованные - материалы, полученные методами контролируемой нанокристаллизации из аморфного состояния.
     Композиционные конструкционные наноматериалы имеют те же классификационные признаки, как и макроматериалы. То есть они могут иметь металлическую и неметаллическую матрицы. Отличительной особенностью композиционных наноматериалов является то, что упрочнитель в них имеет наноразмер - это нанопорошок, нановолокна (нанотрубки), нанослои.


Конструкционные наноматериалы

Рис. 1.5. Схема классификации конструкционных наноматериалов

--------------Композиционные

Нанослои


    1.5. Маркировка конструкционных и инструментальных материалов


        1.5.1. Маркировка сталей

     Стали в зависимости от назначения делятся на конструкционные, инструментальные и с особыми физико-химическими свойствами, по качеству стали делятся на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные, по составу - на углеродистые и легированные (табл. 1.1).
     Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом. Кроме железа и углерода данные стали содержат случайные и постоянные примеси, количество которых определяет их качество.


14