Експериментальні та технологічні основи формування структури і властивостей при зміцненні нанопокриттями інструмента: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук : 05.02.01 – Матеріалознавство

Abstract

У представленій до захисту дисертаційній роботі викладено результати експериментальних, теоретичних та промислових досліджень, які присвячені вирішенню науково-прикладних задач - підвищення експлуатаційної стійкості різальних інструментів у харчовій промисловості. Запропоновано методологію проведення комплексних досліджень з використанням сучасних традиційних методів та нових розроблених підходів. Для своєчасного виявлення стану інструмента використано запатентований метод неруйнівного магнітного контролю з оцінкою граничних показників, що забезпечать необхідну стабільність його в експлуатації. Проаналізовано ступінь дифузії хімічних компонентів, неоднорідність фаз та оцінено інтенсивність їх змін, які відбуваються в робочому шарі при експлуатації. Для запобігання перегріву тонкостінних дискових ножів запропоновано циклічний режим очищення поверхні та осадження зміцнюючого шару іонно-плазмовим методом. Для мінімізації неоднорідності покриття та зменшення кількості значних за розміром крапель на зміцненій поверхні в процесі осадження використовували ВЧ – розряд та криволінійний фільтр з частковою сепарацією цієї складової потоку. Для подовження терміну служби пакувального інструмента, який, крім зносу, має і корозійну пошкоджуваність, запропоновано використання багатошарового покриття ZrО2/ZrN з формуванням вторинних захисних структур. При значному зношенні робочої поверхні пакувального інструмента перед зміцненням нанопокриттями проводили його відновлення наплавленням з модифікуванням вторинною сировиною з алмазами. Виконані розробки дозволили збільшити експлуатаційну стійкість тонкостінного інструмента в 210 раз у порівнянні з вихідним станом. Використання багатошарового наноструктурного покриття ZrN/ZrO2 сприяло більш стабільній роботі пакувального інструмента в експлуатації (до 14 разів). Економічний ефект від впровадження розробок досягає 151899,2 грн на рік. Очікуваний економічний ефект складе 455697,6 грн

В представленной к защите диссертационной работе изложены результаты экспериментальных, теоретических и промышленных исследований, посвященных решению научно-прикладных задач - повышения эксплуатационной стойкости режущих инструментов в пищевой промышленности. Предложена методология проведения комплексных исследований с использованием современных традиционных методов и новых разработанных подходов. Для своевременного выявления состояния инструмента использован запатентованный метод неразрушающего магнитного контроля с оценкою граничных показателей коэрцитивной силы, обеспечивающих необходимую стабильность инструмента в эксплуатации. Проанализировано степень диффузии химических компонентов, неоднородность фаз и оценена интенсивность изменений, происходящих в рабочем слое при эксплуатации. Для предотвращения перегрева тонкостенных дисковых ножей при нанесении покрытия предложен циклический режим очистки поверхности и осаждения упрочняющего слоя ионно-плазменным методом. Для минимизации неоднородности покрытия и уменьшения количества значительных по размеру капель на упрочненной поверхности в процессе осаждения использовали ВЧ - разряд и криволинейный фильтр с частичной сепарацией этой составляющей потока. Для продления срока службы упаковочного инструмента, который, кроме износа, имеет и коррозионную повреждаемость, предложено использование многослойного покрытия Zrо2/ZrN с формированием вторичных оксидных защитных структур. При значительном износе рабочей поверхности упаковочного инструмента перед упрочнением нанопокрытиями проведено их восстановление наплавкой с модифицированием вторичным сырьем с алмазами. Проведенные разработки позволили увеличить эксплуатационную стойкость тонкостенного инструмента до 210 раз по сравнению с исходным состоянием. Использование многослойного наноструктурного покрытия ZrN/ZrO2 способствовало более стабильной работе упаковочного инструмента в эксплуатации (до 14 раз). Экономический эффект от внедрения разработок достигает 151899,2 грн в год. Ожидаемый экономический эффект составит 455697,6 грн.

The dissertation presents the results of experimental, theoretical and industrial research, which are devoted to solving scientific and applied problems - increasing the operational stability of the cutting tools used in the food industry. To increase the operational stability of the cutting tool, a methodology for conducting comprehensive research using modern traditional methods and new developed theoretical and experimental approaches has been developed. For timely detection of tool quality, a patented method of non-destructive magnetic control with measurement of coercive force and theoretical studies with evaluation of the effective level of anisotropy of properties that will ensure the necessary stability of the tool in operation has been proposed. Comprehensive approaches to theoretical studies of structure formation have been developed, which allowed to analyze the degree of diffusion of chemical components, phase inhomogeneity, structural anisotropy and to estimate the intensity of changes occurring in the working layer during operation. On the basis of the performed comprehensive researches, taking into account damage and geometrical sizes, parameters of technology of strengthening of tools which will provide increase of their consumer properties in the course of operation are offered. To prevent overheating of thin-walled disc knives, a cyclic mode of cleaning their surface and deposition of the reinforcing layer is proposed. To minimize the inhomogeneity of the coating and reduce the number of significant droplets on the hardened surface in the deposition process, RF discharge and a curved filter with partial separation of this component of the flow have been used. To extend the service life of the tool, which, in addition to wear, has corrosion damage, it is proposed to use a multilayer coating architecture consisting of alternating nitride and zirconium oxide layers to ensure the formation of secondary protective structures. With significant wear of the tool surface made of high-carbon chrome-alloy steel before hardening nanocoatings, it was restored by surfacing with modification of the applied layer by a non-magnetic component of the detonation charge, which contains fine and nanoscale diamonds and various compounds. It is established that the wear resistance of the tool largely depends on the homogeneity of the working surface, as well as structural components that correspond to unstable phases and undergo the greatest changes. The practical significance of the research work is to develop effective parameters for hardening coatings of thin-walled tools, which increased its service life up to 210 times compared to the initial state, provided the use of quality metal in their manufacture. The use of a multilayer nanostructured zirconium coating contributed to a more stable operation of the tool in operation (up to 14 times) made of X12 steel, which is used to cut the metallized film during packing candies. The economic effect from the implementation of the proposed developments, which were based on the actually achieved increase in the stability of the tool in operation, reaches 151899.2 UAH. The expected economic effect when using the developed technology to strengthen such a tool on the scale of three large Ukrainian enterprises with similar equipment will be 455697.6 UAH.