Управление качеством поверхностей технических изделий.
© к.т.н. В.В. Луговский
Статья для тех, кого интересует мир металлов. Графика по ссылкам.
Lib.ru : Луговский Виктор Васильевич. Управление качеством поверхности
Мир металлов, №2 1999.
Обеспечение качества поверхностей технических изделий всегда является особой заботой их разработчиков, так как качество изделий в большинстве случаев определяется свойствами поверхностей используемых материалов, к которым предъявляются различные эксплуатационные требования. Так, например, технические поверхности должны надежно передавать нагрузки, обеспечивать герметичность соединений, обладать устойчивостью к воздействию внешней среды (коррозия, адгезия) и, кроме того, иметь привлекательный внешний вид. Примерно 50% повреждений деталей машин вызваны их некачественной поверхностью. Внешний вид изделий, в частности из нержавеющих сталей, всегда был серьезной проблемой для производства. Достаточно было посетить выставки оборудования для тонких биохимических технологий, чтобы увидеть значительно худшее качество отделки нашего оборудования по сравнению с зарубежными аналогами.
В аппаратах и установках, используемых в атомной энергетике, космосе, биотехнологии, химической промышленности качество поверхности определяет ресурс оборудования и качество выполняемых процессов.
В космических аппаратах плохое качество обработки поверхностей приводит к коррозионному растрескиванию деталей, а в биотехнологии - к недопустимому загрязнению получаемого продукта и разрушению поверхностей вследствие локальной коррозии.
Во всех развитых странах разрабатываются методы отделочной обработки поверхностей. Аэрокосмическая промышленность США является лидером в развитии методов для лучшего качества отделки металлических поверхностей. Затраты на проведение отделочных операций часто составляют более 5% от стоимости изготовления изделий, а при изготовлении аппаратов для тонких технологий затраты превышают 10%.
Основные усилия разработчиков отделочных технологий сводятся к автоматизации и повышению производительности процесса уменьшения шероховатости поверхности до величины микронеровностей в десятые и сотые доли микрона. Наибольшее распространение имеют процессы многоступенчатого шлифования и полирования деталей. Однако, как все процессы резания, данные отделочные операции вызывают неоднородную пластическую деформацию, а также не устраняют физико-химические неоднородности от предыдущей обработки (точение, сварка). Широко распространенное электрохимическое полирование также не устраняет неблагоприятную технологическую наследственность от предварительной механической обработки и сварки, но придает поверхностям характерный блеск, сохраняя при этом довольно развитый микрорельеф.
Наиболее распространенные физико-химические неоднородности при механической обработке и сварке связаны с неравномерным распределением дислокаций на поверхности, выпадением карбидов металлов (соединение типа MemCn) по границам зерен в виде сплошной цепочки и их неоднородного распределения по зерну в структуре металла.
Современные исследования влияния качества поверхностей на сопротивление воздействию окружающей среды выявили решающее значение физико-химического состояния поверхностного слоя в этом процессе и вторичность влияния микрогеометрических характеристик, в частности высотных параметров шероховатости поверхности. Какая бы корреляция между шероховатостью поверхности и ее эксплуатационными свойствами не рассматривалась, эта корреляция справедлива в большинстве практических случаев лишь в той мере, в какой изменение шероховатости сопутствует соответствующему изменению физико-химического состояния поверхностного слоя в данном технологическом процессе. Позитивным процессом во всех случаях эксплуатации является повышение степени физико-химической однородности поверхностного слоя.
В деталях американского космического корабля многоразового использования в качестве мер защиты от коррозионного растрескивания применяются методы снижения шероховатости и понижения остаточных растягивающих напряжений в поверхностном слое. Снижение шероховатости сопровождается некоторым уменьшением физико-химической неоднородности поверхности, а понижение уровня растягивающих напряжений далеко не радикальный путь, так как очевидно, что лучше иметь в поверхностном слое сжимающие напряжения. В данном случае не применяются какие либо методы контроля упорядочивания физико-химического состояния поверхностного слоя. Такая ситуация характерна для технологии производства многих ответственных технических изделий различного назначения.
В большинстве случаев отделочные технологии имеют целый ряд серьезных недостатков : высокая трудоемкость получения низкой шероховатости поверхности, ограниченные возможности управления физико-химическим состоянием поверхностного слоя, неблагоприятное воздействие процесса обработки на человека .
Производства, где применяются отделочные обработки полированием, шлифованием весьма неблагоприятны в экологическом отношении, они загрязнены пылью и характеризуются повышенным шумом. Электрохимические методы отделки также характеризуются высокой вредностью и опасностью для человека.
Давно известен метод отделочной обработки практически свободный от указанных недостатков. Метод поверхностного пластического деформирования (ППД) был известен еще в начале века, но развитие получил лишь в шестидесятых годах. В это время он начинает применяться в автомобилестроении, тракторостроении, авиастроении. Срок службы деталей, обработанных ППД, возрастал на порядок, а их прочность - на 50-200%.
В ряде случаев была установлена высокая термическая устойчивость упрочненного слоя, что позволяло сохранять его усталостную прочность при повышенных температурах.
Технология ППД позволяет улучшить 32 свойства металлической поверхности, в том числе коррозионную стойкость, очищаемость от технологических загрязнений при мойке, очищаемость при вакуумировании, гидроплотность.
Однако широкого внедрения прогрессивного метода обработки в нашей стране в различных отраслях промышленности так и не произошло. Значительную роль в этом играли экономические причины, но в ряде отраслей (космическое, биологическое, химическое, энергетическое машиностроение) отсутствовали научно-обоснованные рекомендации заводским технологам и разработчикам оборудования по применению технологии ППД. Научные исследования влияния ППД на физико-химическое состояние поверхностного слоя, развивавшиеся в восьмидесятых годах, по понятным причинам сейчас существенно сократились.
В то же время тенденции к расширению использования ППД во всем мире сохранилась. Наибольшее практическое использование методов ППД имеет место в Германии, где традиционно уделяется серьезное внимание повышению надежности и ресурса деталей. с помощью внедрения новых технологий. Например, хорошо известны разработки фирмы Hegensheidt, которая выпускает широкую гамму инструмента и оборудования для обработки ППД в автомобильной промышленности. Инструмент для комбинированной обработки резанием и ППД производит фирма Boehringer, а в США -- фирма Madison . В то же время можно твердо утверждать, что возможности метода по управлению качеством поверхностного слоя использованы далеко не полностью.
Сущность метода ППД поверхностного слоя заключается в подавлении исходной шероховатости с помощью деформирующего элемента (шара, алмазного наконечника), прижимаемого к поверхности с помощью силового элемента ( пружина, гидропласт). На рис. 1 схематично представлен процесс поверхностного пластического деформирования.
Деталь вращается, установленная, например, в патрон токарного станка, а деформирующий инструмент движется с малой подачей вдоль поверхности детали. За один проход высота микронеровностей снижается в десятки раз по Ra (средне-арифметическая высота микронеровностей). На значительную глубину (свыше 0,5 мм) наводятся сжимающие напряжения, которые затем переходят в растягивающие.
Как установлено автором, для снижения воздействия внешней среды на поверхность, несущую какую либо эксплуатационную нагрузку, в большинстве случаев необходимо при обработке ППД установить режимы, которые обеспечивают достижение высокой микротвердости и высокие степени однородностей по микротвердости и твердости. Высокая микротвердость характеризует выпадение упрочняющей фазы в поверхностном слое, однородность микротвердости -- равномерность распределения упрочняющей фазы по зерну металла, например распределение карбидов. Контроль однородности по твердости обеспечивает устранение неблагоприятной технологической наследственности от предыдущей обработки точением или сварки в виде скоплений дислокаций, а также однородность пластической деформации при обработке ППД.
Установлено что, поверхности легированных сталей, обработанные ППД и имеющие высокую степень однородности по данным параметрам имеют более низкую вероятность возникновения локальной коррозии, чем полированные поверхности.
Однородное распределение карбидов в поверхностном слое металла сварного шва, возникающее при соответствующей оптимизации режимов обработки, устраняет склонность металла к межкристаллитной коррозии (коррозия по границам зерен металла в случае выпадения на них карбидов в виде сплошной цепочки при сварке). На рис.2 изображено распределение критерия склонности стали к межкристаллитной коррозии
(Кр) вблизи сварного шва после обработки шлифованием (а) и ППД (b). Металл, находящийся в области, где Кр>К1, является склонным к коррозии. Данная склонность устраняется полностью при обработки поверхности сварного шва ППД, что отражается соответствующими величинами Кр в области сварного шва. Подобный эффект не может быть получен при обработке сварных швов шлифованием или электрополированием, хотя именно эти технологии чаще всего применяются в качестве заключительных операций.
Имеются также экспериментальные данные, свидетельствующие о диффузии легирующих элементов (Cr, Ti, Mo) к поверхности в процессе обработки ППД, что приводит к устранению в поверхностном слое зон, обедненных легирующими элементами вследствие сварки или интенсивного нагрева металла при шлифовании.
Наряду с повышением химической однородности поверхностного слоя металла в зоне сварного шва, в результате обработки ППД в нем устраняются растягивающие напряжения, сформированные в результате сварки. Возникающие при этом сжимающие напряжения увеличивают коррозионно-механическую прочность соединения.
Таким образом, обработка ППД позволяет создавать поверхностные слои с весьма полезными свойствами для аппаратов и установок, используемых во многих современных технологиях.
Условие оптимизации для процесса обработки аппаратов и установок различного назначения
