Многофункциональное микротекстурирование инструментальной и конструкционной керамики посредством формирования электропроводных износостойких покрытий и электроэрозионной обработки

Вопросы текстурирования рабочих быстроизнашивающихся поверхностей ответственных машиностроительных изделий - подшипников скольжения, гильз цилиндров, поршневых колец двигателей внутреннего сгорания, других гидродинамических трибосопряжений, а также режущего и штампового инструментов, предназначенных для формообразования высокотехнологичных изделий из труднообрабатываемых материалов и композитов, на протяжении последних лет являются предметом особого внимания и объектом теоретических и экспериментальных исследований ведущих научных групп, как в России, так и за рубежом. Текстурирование контактных поверхностей трибосопряжений представляет собой микропрофилирование для создания на поверхностности трехмерного специфического рельефа в виде различных вариаций канавок, насечек, лунок, выступов, формы, размеры и шероховатость которых определяются исходя из особенностей эксплуатации и физико-химических свойств текстурируемого материала. Функциональным назначением указанных микротекстур является снижение интенсивности процессов трения, адгезионного схватывания между сопряженными поверхностями, многократное повышение их износостойкости и ресурса работы в условиях действия широкого спектра эксплуатационных нагрузок. Указанное достигается за счет того, что сформированный микрорельеф способен обеспечивать значительное снижение фактической площади контакта трибосопряжений, а также служит в качестве микрорезервуаров для консистентных, микрокапсулированных смазок, антифрикционных материалов и жидкостей, способных длительное время формировать и удерживать антифрикционные пленки между контактируемыми поверхностями изделий. Для формирования микротекстур на сегодняшний разработаны и используются различные технологические подходы - механическая и электрохимическая микрообработка, воздействие на поверхность материалов ионными пучками, мощным световым потоком при лазерной обработке или электрическими разрядами при электроэрозионной обработке. В основе указанных методов лежат различные физические эффекты и механизмы, участвующие в формировании текстурированной поверхности, а за счет варьирования условий процессов имеется возможность получения текстуры различных размеров и форм. Если для широкого спектра конструкционных сталей и сплавов, а также инструментальных материалов на основе высоколегированных сталей и металлокерамики, сегодня разработаны и эффективно апробированы в лабораторных и производственных условиях разнообразные технологические методы и процессы микротекстурирования, а некоторые их них уже используются в промышленности, то конструкционные и инструментальные керамические материалы до недавнего времени не были в фокусе внимания исследовательских групп, работающих в рамках данного научного направления. При этом именно различные виды керамик сегодня являются одними из наиболее перспективных материалов, которые могут быть использованы для изготовления изделий, работающих в условиях повышенного трения и абразивного изнашивания благодаря высокой твердости керамики и фазовой устойчивости в широком диапазоне температур. В качестве успешных примеров промышленного использования изделий из керамики в машиностроении можно привести различные виды керамического металлообрабатывающего инструмента из керамики на основе SiAlON, Si3N4 и Al2O3, выхлопные клапаны, гильзы, головки поршней, гильзы цилиндров, роторов турбокомпрессоров из керамик на основе Si3N4 и SiQ подшипники высокооборотных машин из керамики на базе SiC и Si3N4, работающие при повышенной температуре и недостатке смазки, торцевые уплотнения погружных насосов и мешалок из керамики на основе ZrO2, детали поршневых двигателей и клапанных механизмов из керамики ZrO2, SiC и Si3N4, плунжеры и кольца для шахтных насосов, торцевые уплотнения и подшипники скольжения из керамики на основе Si3N4, Al2O3 и SiC. Более широкое промышленное применение керамики сдерживают ее структурные особенности (неоднородность), определяющие чувствительность керамики к циклическим нагрузкам и имеющие место случаи хрупкого разрушения контактных поверхностей в процессе эксплуатации. Даже самые современные технологии спекания и финишной поверхностной обработки не могут полностью исключить формирование в объеме и в поверхностном слое керамики определенных структурных дефектов - пор и микротрещин (технологические дефекты), которые при внешнем теплосиловом воздействии приводят к формированию критических микронапряжений по границам зерен материала, развитию трещин и хрупкому разрушению (эксплуатационные дефекты). Применение традиционных принципов микротекстурирования к изделиям из керамических материалов по большей части не только не эффективно, но в целом ряде случаев может усугубить описанные выше проблемы, «запустить» механизм ее деградации и привести к выкрашиванию микрообъемов поверхностного слоя. Именно поэтому разработка и выбор технологических методов и процессов в качестве инструментария для микротекстурирования керамических материалов должен основываться на глубоком анализе и прогнозировании влияния дополнительного внешнего воздействия на возможное зарождение и/или развитие микротрещин. Например, методы механической микрообработки, основанные на использовании абразивного инструмента, а также струйно-абразивных технологий, хорошо зарекомендовавшие себя для широкого спектра изделий из конструкционных сталей и сплавов, непригодны для текстурирования керамики, так как физика указанных процессов способствует зарождению дополнительных дефектов в поверхностном слое, снижая сопротивление поверхностного слоя действующим эксплуатационным нагрузкам. С точки зрения текстурирования керамических материалов, динамично развивающимся технологическим направлением является применение пико- и фемтосекундной лазерной микрообработки, в рамках которого работают ведущие зарубежные исследовательские группы, представляющие Школу механики, электротехники и производства и инжиниринга университета Лафборо и Кафедру машиностроения инженерного факультета университета Бирмингема, (Великобритания), Институт прикладных материалов Технологического института (Германия), Научный центр энергетики факультета машиностроения университета Куала-Лумпур (Малайзия), Кафедру машиностроения Высшей инженерной школы Осаки (Япония), Институт станкостроения и производства высшей технической школы Цюриха (Швейцария) и др. авторитетные организации. Другим совсем недавно сформировавшимся чрезвычайно актуальным научным направлением, развитие которого обеспечит определенный технологический прорыв, является воздействие электрическими разрядами на материалы из конструкционных и инструментальных керамик в процессе электроэрозионной обработки. Преимуществом этого процесса является возможность обеспечения более высокого качества обработанного поверхностного слоя (точности, чистоты, однородности), увеличение производительности за счет уменьшения времени обработки сложных текстур благодаря возможности разработки и использования электродов сложной конфигурации. Учитывая, что большинство керамических материалов обладают пониженной электрической проводимостью, а некоторые вообще являются диэлектриками, до недавнего времени эффективная эрозионная обработка таких материалов казалось невозможной. Решающим шагом в преодолении этой проблемы стало появление новых принципов создания искусственной проводимости керамического материала посредством нанесения на его поверхность электропроводных слоев на основе различных металлов. При таком подходе в начале обработки электрод-инструмент взаимодействует с токопроводящим слоем, в результате чего начинают отделяться электропроводные продукты эрозии. Их наличие в межэлектродном зазоре способствует созданию электрического разряда, который в свою очередь начинает выбивать микрочастицы материала с поверхности керамического образца. При этом для повышения стабильности процесса искрообразования между электродом-инструментом и электродом-керамическим образцом, дополнительно осуществляют подачу электропроводного мелкодисперсного порошка в рабочую диэлектрическую жидкость на основе минеральных масел. Именно описанный инновационный подход в настоящее время успешно развивается авторами настоящего проекта на кафедре высокоэффективных технологий МГТУ «СТАКНИН». Кроме того, в рамках данного научного направления работает несколько авторитетных научных коллективов из Лаборатории технологических процессов кафедры микросистемного инжиниринга Университета Фрайбурга (Германия), Технологического университета Нагаоки (Япония), Института станкостроения и производства высшей технической школы Цюриха (Швейцария), Института керамики и стекла Мадрида (Испания), Базового Центра организации научных исследований Чандигарха (Индия) и Технического университета Хемница (Германия). Научной новизной настоящего проекта, отличающей его от известных зарубежных работ, является впервые предлагаемый комплексный (системный) подход, включающий предварительное нанесение на керамический материал высокотвердых электропроводных покрытий на основе многокомпонентных термически стабильных нитридов, например, системы Ti-Al-Cr-Si, и последующее микротекстурирование поверхностного слоя посредством воздействия электрическими разрядами. Исследования будут проводиться в процессах проволочно-вырезной и копировально¬прошивной электроэрозионной обработки в рабочих масляных и водных диэлектрических средах с добавками различных наночастиц при фиксации спектра виброакустического сигнала, имеющего высокую чувствительность и информативность как в диагностике, так и в мониторинге состояния элементов системы электроэрозионной обработки, что было подтверждено авторами проекта. Предлагаемый подход должен обеспечить взаимоусиливающий эффект и не только обеспечить стабильность протекания процесса электроэрозионной обработки керамических образцов с пониженной электропроводностью (например, инструментальной керамики на базе SiAlON, Si3N4 и др.), но и одновременно обеспечить другие важные эффекты, способствующие снижению интенсивности процессов трения и адгезионного схватывания, повысить микротвердость контактных поверхностей керамических образцов и снизить коэффициент трения по контрматериалу. Кроме того, предварительное формирование нитридных покрытий, как было установлено авторами проекта, способно позитивно воздействовать на дефекты структурно неоднородных керамических материалов и служит своего рода барьером, сдерживающим развитие имеющихся технологических дефектов и зарождение эксплуатационных.