Улучшение качества поверхности тонкостенных оболочек применением функциональных водорастворимых покрытий...

Улучшение качества поверхности тонкостенных оболочек применением функциональных водорастворимых покрытий, содержащих фрактальные нанокластеры

Одна из новых тенденций развития современного машиностроения в области обработки
материалов – создание функциональных (адаптирующихся) водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС), обеспечивающих увеличение долговечности инструмента, технологического оборудования и оснастки, улучшающих качество обрабатываемых поверхностей. Разработка таких материалов стала возможной
вследствие развития нанотрибологии, инженерии поверхности, синергетики, изучающей процессы устойчивости и распада диссипативных структур различной природы, в том числе солитонов, фононов, формирования новой парадигмы управления свойствами материалов, изменением их фрактальной структурой на наноуровне, инженерной
экологии, микробиологии и др.
Создание функциональных ВТСС при обработке материалов основывается на идеях фрактального материаловедения, базирующегося на принципах синергетики и теории фрактальной геометрии. Свойства таких материалов связывают с динамической структурой, самоорганизующейся в точках бифуркаций. Динамика трансформации старой структуры, потерявшей устойчивость, в новую контролируется принципами синергетики,
основным из которых является принцип минимума производства энтропии. Система в состоянии неравновестности способна к выбору оптимальной структуры, необходимой для дальнейшего функционирования системы как целого. Основоположником синергетики как теории, связанной с изучением процессов в сложных системах, далеких от равновесия, Г. Хакеном выделена триада, контролирующая процессы самоорганиза-
ции: нелинейность – когерентность – открытость [1]. Введенное Б.Б. Мандельбротом понятие фрактальной геометрии [2] и установленные связи фрактальности с теорией нелинейных отображений являются объективным отражением принципов синергетики.
Фракталы («fractional» – дробный) являются объектами, которые при наблюдении при различных увеличениях повторяют одну и ту же (самоподобную) форму. Фракталы, кроме свойства самоподобия, обладают свойствами универсальности, заключающимися в их инвариантности к природе объекта. Фрактальную размерность используют как единую
количественную меру разупорядоченности структур различной природы. Фрактальное материаловедение связывают с созданием материалов с заданными свойствами путем управления фрактальной структурой, возникающей в условиях нелинейной динамики. Фрактальные структуры обладают всеми свойствами биологических материалов [3], так
как они инвариантны к анализируемому объекту, обладают свойствами адаптации к внешнему воздействию, способны к самоуправлению путем перестройки структуры в критических точках. Концепция разработки функциональных ВТСС основывается на следующих положениях [4–8]: создание нанокластеров с фрактальной структурой из
компонентов с высоким уровнем неравновесности, формирование фрактальных гетерогенных структур в объеме материала, слоистых (ламеллярных) в зоне контакта трибосопряжений, обеспечивающих долговечность инструмента, оснастки, оборудования,
улучшение качества обрабатываемых поверхностей, встраивание компонентов ВТСС в пищевые цепи экосистем. ВТСС рассматривается не как вещество с заданным химическим составом, обеспечивающее при обработке материалов самоорганизацию диссипативных структур (ДС) с заданным комплексом свойств, а как интегральное понятие, объеденяющее в себе вещество, технологию его изготовления, применение в технологическом оборудовании, встраивание в пищевые цепи экосистем, утилизацию и возможность вторичного применения. Технологические процессы при обработке материалов рассмотрены как трибообъекты, а пары трения (штамповый, давильный, режущий, алмазно-абразивный инструмент – обрабатываемое изделие) – смазывание технологическими смазочными средствами (ТСС) – окружающая среда как трибосистемы. В зависимости от применяемых ТСС могут быть реализованы различные схемы технологий. Схемы технологий, применяемых в современном машиностроении, приведенные на рис. 1а, являются дискретными, так как в каждом технологическом
процессе используют свои ТСС [9–11] При обработке материалов давлением используют технологические смазочные материалы (ТСМ) для лезвийной – СОТС1 (смазочно-охлаждающее технологическое средство), алмазно-абразивной: шлифования – СОТС2, хонингования – СОТС3, суперфиниширования – СОТС4 и т.д. СОТС1 может применяться также при шлифовании. В тяжелых условиях штамповки, вытяжки, глубокой многопереходной вытяжки при получении тонкостенных оболочек применяют технологические подсмазочные покрытия (ТПП) совместно с ТСМ или покрытиями. В зоне контакта «инструмент – обрабатываемое изделие» образуются граничные смазочные
слои. Их смазочное действие улучшают присадками, различными добавками. Однако граничные смазочные слои не отвечают критериям функциональности, не являются неравновестными структурами, упорядоченными вдали от равновесия. Схемы функциональных (адаптирующихся) технологий, приведенные на рис. 1б, имеют непрерывный характер [4–8, 12, 13]. Функциональные технологии при обработках материалов давлением и механической могут быть реализованы с использованием функциональных ВТСС: универсальных водорастворимых технологических смазочных материалов (УВТСМ), водорастворимых технологических подсмазочных покрытий (ВТПП), водорастворимых технологических смазочных покрытий (ВТСП), топокомпозитов (ТК) двухслойных водорастворимых технологических подсмазочных (ВТПП) и смазочных покрытий (ВТСП). Такие ВТСС изготавливают по гибким технологиям, обеспечивающим их применение индивидуально или совместно.
ВТСС содержат фрактальные кластеры и способны формировать в зоне контакта «инструмент – обрабатываемое изделие» самоорганизующиеся диссипативные структуры (ДС), облегчающие обработку материалов и снижающие изнашивание инструмента, оснастки, оборудования, улучшающих качество обрабатываемых поверхностей. Фрактальные кластеры обладают свойствами самоподобия, адаптации к внешним воздействиям. Обработка материалов давлением, лезвийная, алмазно-абразивная могут осуществляться с использованием УВТСМ. При тяжелых условиях штамповки, глубокой вытяжки тонкостенных оболочек, когда УВТСМ не в полной мере удовлетворяют технологическим процессам, для устранения адгезионного взаимодействия между штамповым инструментом и обрабатываемым изделием используют ВТПП совместно с УВТСМ. В роботизированных комплексах применяют ВТСП совместно с ВТПП. При попадании ВТСС в почву и воду происходит встраивание их в пищевые цепи наземной и водной экосистем, не вызывая антропогенной нагрузки выше нулевой или временной «упругой» дегенерации [6]. В отличие от технологий, применяемых в промышленности, предлагаемые технологии отличаются гибкостью получения ВТСС. В своем составе
ВТСС содержат фрактальные кластеры, способные формировать в зоне контакта «инструмент – обрабатываемое изделие» самоорганизующиеся ДС. При попадании ВТСС в почву и воду происходит растворение, встраивание их компонентов в пищевые цепи наземной и водной экосистем и последующая биодеградация. Разработка новых технологий при механической обработке включает следующие этапы: системный
анализ трибосистем трибологических объектов, научное обоснование формирования диссипативных самоорганизующихся фрактальных нанокластеров ВТСС, возможности встраивания их в цепи экосистем, разработку гибких технологий получения ВТСС и непрерывных технологий использования, методик исследования, технологий повторного использования ВТСС и утилизации. Осесимметричные тонкостенные оболочки
с равномерной толщиной стенки из листовых сталей могут быть получены прямой и обратной многопереходной глубокой вытяжкой, реверсивной штамповкой-вытяжкой, фрикционно-реверсивной вытяжкой и другими способами. Вытяжка осесимметричных токостенных изделий из листовых коррозионностойких сталей представляет сложную
задачу, так как последние обладают повышенной склонностью к адгезионному взаимодействию со штамповым инструментом [9–11]. Вследствие появления налипания частиц металла, задиров, рисок, царапин и других дефектов снижается качество деформируемых изделий, а также стойкость штампового инструмента. Кроме того, при
выполнении формообразующих операций не должно происходить разрушения заготовки, потери устойчивости, приводящей к искажению заданной формы детали, изменения толщины стенки заготовки. При высоких коэффициентах предельной деформации листовой коррозионностойкой стали на ее поверхность из растворов электролитов наносят медные, цинковые покрытия [14]. Однако адгезия таких покрытий с поверхностью коррозионностойкой стали низкая и через одну – две операции их нужно снять, что представляет сложную задачу, а затем нанести заново. Для устранения налипания на инструмент наносят металлические покрытия из расплавов солей. Путем обработки корозионностойкой стали в солевых расплавах хлоридов получают медные и оловянные покрытия с высокой адгезией. В результате химической реакции на поверхности
обрабатываемого металла выделяется восстановленный металл покрытия. За счет высокой температуры расплава 400…500 °С образуется металлическая связь между заготовкой и покрытием через переходный слой. На поверхности коррозионностойких сталей наносят также оксидные покрытия при обработке листовых заготовок в расплавах нитрита натрия,
едкого натрия при температуре 430…500 °С. Для улучшения штампуемости горячекатаной листовой коррозионностойкой стали, локализации деформаций при штамповке в тонком слое производят ее плакирование алюминием. Для глубокой вытяжки коррозионностойких сталей в качестве подсмазочных покрытий рекомендуют применять полимерные покрытия, содержащие органические растворители [10], в которых
пленкообразователем является нитроцеллюлоза –НЦ-62, НЦ-134, а наполнителями –пигменты, перхлорвиниловый лак ХВ 5179 (ХВЛ-21) с добавкой трикрезилфосфата, растворенные в смеси летучих растворителей ацетона, бутилацетона, толуола. Приведенные выше технологические покрытия обладают существенными недостатками. Они не в полной мере обеспечивают долговечность штампового инструмента, оснастки, обрудования, качество обработанных поверхностей. Для их нанесения и снятия требуются агрессивные, токсичные электролиты, растворители, оказывающие вредное воздействие на организм человека. Взрывоопасность возникает в случае попадания влаги при  нанесении покрытий из расплавов солей, а пожаровзывоопасность –при нанесении покрытий из органических растворителей. Утилизация отработанных электролитов, расплавов солей затруднительна, вследствие чего происходит загрязнение окружающей среды. Разработанные топокомпозиты ТА-1 и ТБ-1–двухслойные покрытия, состоящие из подсмазочных ПВ-3 марок А и Б и смазочных ВСП-1 и ВСП-2 покрытий и содержащие фрактальные нанокластеры, лишены отмеченных недостатков. При формообразовании осесимметричной оболочки при вытяжке с прижимом фланец заготовки подвергается действию сжимающих и растягивающих напряжений [9, 11]. Максимальные растягивающие напряжения, действующие на матрицу при втягивании пуансоном заготовки, способствуют разрыхлению оксидных пленок на радиусе матрицы. При пластической деформации заготовок в данной зоне происходит сближение образовавшихся ювенильных поверхностей на расстояние действия межатомных сил и образование в зоне контакта активных дислокационных центров, интенсивное повышение
концентрации вакансий и внедренных атомов. В зонах активных дислокационных центров по вакансионному механизму происходит диффузия между контактирующими металлами с образованием металлических связей. При этом в энергетически выгодных соотношениях возможна достройка электронных уровней атомов схватываемых металлов. В результате образования металлических связей и последующего их разрушения, главным образом, на радиусе матрицы при вытяжке осесимметричной заготовки с прижимом более твердая
поверхность матрицы пропахивает канавки или царапает более мягкий металл деформируемой заготовки. Возможен также перенос некоторых частиц металла с деформируемой заготовки на твердую поверхность матрицы. Данными частицами
производится дополнительное пропахивание и царапанье поверхности деформируемой заготовки. Для устранения адгезионного взаимодействия, вызывающего появление канавок пропахивания на штамповом инструменте и деформируемом изделии вследствие недостаточности нагрузочной способности граничных смазочных слоев ТСС, необходимо дополнительное применение подсмазочных или смазочных покрытий, наносимых на
деформируемое изделие. При нанесении на деформируемую заготовку подсмазочного полимерного и смазочного покрытий и проведении технологического процесса  штамповки, вытяжки, глубокой вытяжки устраняется непосредственное контактирование штампового инструмента и деформируемого изделия, локализуются сдвиговые деформации в поверхностных слоях топокомпозитов, в результате чего повышается долговечность штампового инструмента, оснастки, оборудования и улучшается качество деформируемых изделий. Разработанные топокомпозиты ТА-1 и ТБ-1, содержащие фрактальные нанокластеры, включают полимерные водорастворимые подсмазочные покрытия ПВ-3 марки А и ПВ-3 марки Б и водорастворимые смазочные покрытия ВСП-1
и ВСП-2, которые наносят на подсмазочные покрытия ПВ-3 марки А и ПВ-3 марки Б [7]. Физико-механические свойства покрытий ПВ-3 марки А и ПВ-3 марки Б на основе дисперсий водорастворимых полимеров приведены в табл. 1. Дисперсии покрытий ПВ-3 марки А и ПВ-3 марки Б различаются по составу. Покрытие ПВ-3 марки А трудно растворяется в воде, но легко снимается в горячей воде в виде пленки после проведения технологических операций вытяжки. Покрытие ПВ-3 марки Б хорошо растворяется в горячей воде. Различные свойства покрытий марки ПВ-3 марки А и ПВ-3 марки Б расширяют область применения данных покрытий. Подсмазочные покрытия ПВ-3 марок А и Б применяют при вырубке, гибке, штамповке при получении тонкостенных оболочек из труднообрабатываемых материалов, например из коррозионностойких сталей типа 12Х18Н10Т, при низких и средних коэффициентах предельной деформации. При высоких коэффициентах предельной деформации данные подсмазочные покрытия применяют в сочетании со смазочными покрытиями ВСП-1, ВСП-2, физико-химические свойства которых приведены в табл. 2. Проводили сравнительные испытания топокомпозитов ТА-1 и ТБ-1, представляющие подсмазочные покрытия ПВ-3 марок А и Б с нанесением на
данные покрытия смазочного покрытия ВСП-1. Для сравнения выбраны покрытия на основе нитроцеллюлозного цапонлака НЦ-62 без нанесения водного раствора натриевого мыла и с нанесением 30-процентного водного раствора натриевого мыла. Испытания проводили на торцевой машине трения при следующих режимах и геометрии испытуемых образцов. Нижний образец – плашка диаметром 30 мм, высотой 12 мм из стали  12Х18Н10Т, верхний образец – цилиндр с наружным диаметром 24 мм, внутренним диаметром 16 мм, высотой 24 мм из стали 12ХМ, твердостью HRC 58…60. Покрытия из дисперсий ПВ-3 марок А и Б, а также покрытия на основе цапонлака НЦ-62 наносили на образец из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т. Испытания проводили при угловой скорости вращения образца n=40 мин-1 (линейная скорость V=0,05 м/c) при ступенчатом повышении осевой нагрузки 200...2900 Н до критической нагрузки заедания. Время испытаний 20 с. При повышении ступенчато осевой нагрузки на 200 Н испытывали один и тот же образец. Из рис. 2 следует, что испытуемые покрытия ПВ-3 марок А и Б (кривые 3, 4) обладают более низкими коэффициентами трения 0,14...0,24, выдерживают более высокие критические осевые нагрузки до заедания 2400...2450 Н по сравнению с покрытиями на основе цапонлака НЦ-62 (кривые 1, 2) – коэффициенты трения 0,18..0,33, осевые критические нагрузки до заедания 2000...2150 Н. Топокомпозиты ТА-1 и ТБ-1 (кривые 5, 6) превосходят все испытуемые покрытия по антифрикционным свойствам – коэффициенты трения 0,085…0,17, величине критической нагрузки до заедания 2780...2800 Н. Улучшение антифрикционных свойств топокомпозитов ТА-1, ТБ-1 достигается формированием в дисперсиях подсмазочных покрытий ПВ-3 марок
А и Б, смазочных покрытиях ВСП-1, ВСП-2 технологическими приемами фрактальных нанокластеров, обеспечивающих образование на контактирующих поверхностях штампового инструмента износостойких пленок. Технология с использованием топокомпозитов ТА-1, ТБ-1 была внедрена в производство при получении тонкостенных оболочек, получаемых многопереходной глубокой вытяжкой из коррозионностойких сталей типа 12Х18Н10Т. Нанесение топокомпозитов ТА-1, ТБ-1 из водных дисперсий осуществляется на конвейерных, автоматических, роторных линиях, а многопереходная вытяжка осесимметричных оболочек на роботизированных комплексах. Для нанесения и удаления топокомпозитов ТА-1, ТБ-1 используют следующую технологию. Обезжиривание листовых заготовок из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т перед глубокой вытяжкой производят в растворах МС-8, МС-15 или Лабомид-203 при массовой концентрации 15…30 кг/м3 и температуре 50...70 °С, продолжительностью 5–20 мин. Далее эти заготовки промывают в теплой воде при температуре 40...50 °С в течение 5 мин, затем в холодной воде при температуре 18…20 °С в течение 5–20 мин. Для получения подсмазочных покрытий используют водные растворы дисперсий ПВ-3 марок А и Б при рабочей условной вязкости (УВ) 30–35 с. Дисперсии покрытий ПВ-3 марок А и Б наносят на металлическую поверхность окунанием, струйным обливом или кистью. Покрытия высушивают при температуре 18...22 °С в течение 1,5–2 ч. При обдувании покрытия горячим воздухом при 40...60 °С время сушки составляет 20–30 мин. Дисперсии покрытий ВСП-1, ВСП-2 наносят на подсмазочные покрытия ПВ-3 марок А и Б из водных растворов при температуре 50...60 °С окунанием, струйным обливом или кистью. Температуры сушки те же, что и при получении подсмазочных покрытий ПВ-3 марок А и Б. Для удаления композитов с металлической поверхности по окончании технологических процессов штамповки или глубокой вытяжки изделия опускают в ванну с горячей
водой при температуре 90...95 °С. Топокомпозит ТА-1 на основе подсмазочного покрытия ПВ-3 марки А удаляется с металлической поверхности в течение 5–10 мин в виде сплошной пленки, а топокомпозит ТБ-1 на основе подсмазочного покрытия ПВ-3 марки
Б растворяется в воде в течение 5–10 мин. Водные растворы отработанных дисперсий
и топокомпозитов могут быть использованы в качестве добавок к строительным растворам. Пленки покрытий, топокомпозитов, удаленные с изделий в процессе технологических процессов, высушивают и сжигают. Таким образом, применение топокомпозитов ТА-1 и ТБ-1 позволяет заменить покрытия на основе цапонлака НЦ-62, расплавов солей, повысить долговечность штампового инструмента и оборудования,
улучшить качество поверхностей деформируемых изделий, устранить пожаровзывоопасность технологических процессов, вредное воздействие лаков,
органических растворителей на организм человека, а также загрязнение окружающей среды.