Інженерія зносостійкої поверхні сплавів алюмінію при їх електроіскровому легуванні матеріалами на основі систем AlN–Ti(Zr)B2 та LaB6–ZrB2

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Однією з актуальних задач сучасного матеріалознавства є збільшення зносостійкості й твердості такого важливого класу конструкційних матеріалів як алюмінієві сплави, котрі широко використовують у авіабудівництві, аеронавтиці та інших галузях машинобудування. Цю задачу розв'язують шляхом нанесення захисних покриттів із використанням традиційних методів газотермічного напилення, хімічного осадження з газової фази, лазерного легування тощо. Серед перерахованих способів електроіскрове легування (ЕІЛ), яке відноситься до екологічно чистих технологій, відрізняється низькою енергоємністю, простотою процесу, малими габаритами обладнання у поєднанні з високою ефективністю збільшення рівня фізико-механічних властивостей поверхні. Однак ЕІЛ алюмінієвих сплавів традиційними компактними електродними матеріалами (металами, їх сплавами та металоподібними тугоплавкими сполуками) супроводжується інтенсивною електроерозією катоду з втратою маси деталі в результаті низької температури плавлення алюмінію. Позитивний досвід кишинівської школи дослідників (Михайлів В.В., Абрамчук А.П. та інші) ЕІЛ сплавів алюмінію порошковими сумішами показав, що досягнутий за цих умов перерозподіл енергії іскрового розряду за рахунок часткової втрати енергії у міжелектродному проміжку (МЕП) забезпечує приріст маси катоду (деталі).

У дисертації висунуто припущення щодо можливості досягнути аналогічного ефекту у процесі ЕІЛ компактним електродом і у випадку, якщо під дією іскрового розряду за умов високотемпературного окиснення матеріал електроду еродує з утворенням у МЕП пару й частинок діелектричних компонентів, які створюють екрануючу "хмару" над поверхнею алюмінієвого катоду, при цьому пригнічуючи його ерозію. Такими діелектричними компонентами можуть бути AlN, Al2O3, B2O3. У зв'язку із цим актуальним завданням є розробка нового покоління керамічних електродних матеріалів -- композитів на основі нітриду алюмінію та гексабориду лантану систем AlN--Ti(Zr)B2--Ti(Zr)Si2 та LaB6--ZrB2 для реалізації ЕІЛ алюмінієвих сплавів компактними електродами без втрати маси катоду в процесі обробки. Легування поверхні вказаними композитами за умов електропереносу й трибоокиснення супроводжується утворенням сполук (муліт, тіаліт), які відіграють роль твердої змазки тертя ковзання, що забезпечує коефіцієнт тертя 0,20 і зниження інтенсивності зношування алюмінієвих сплавів у 2--3 рази. Окрім того, в узагальненій моделі ЕІЛ, запропонованій Б.Р. Лазаренко, Б.М. Золотих і А.Д. Верхотуровим, не розглянуто можливості легування легкоплавких металів. Це потребує подальшого розвитку фізико-хімічних уявлень щодо формування легованого шару.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи -- створення зносостійких електроіскрових покриттів на алюмінієвих сплавах без втрати маси деталі у процесі обробки за рахунок легуючих матеріалів систем AlN--Ti(Zr)B2--Ti(Zr)Si2 та LaB6--ZrB2, встановлення закономірностей масопереносу, змочування, структуроутворення, фазових перетворень і фізико-механічних властивостей.

Для досягнення мети в дисертації поставлено такі завдання:

встановити особливості структурних і фазових перетворень при ЕІЛ сплавів АЛ9, АЛ25, Д16Т композиційною керамікою на підставі комплексного дослідження структури та складу як покриттів, так і легуючих електродних матеріалів;

вивчити кінетику електромасопереносу з урахуванням адгезійної взаємодії, змочування і формування вторинної структури; побудувати фізико-хімічну модель ЕІЛ алюмінієвих сплавів;

отримати композиційні електроіскрові покриття на сплавах алюмінію з великою твердістю і зносостійкістю; застосувати ЕІЛ-підшар для нанесення газотермічного покриття;

встановити особливості трибологічної поведінки ЕІЛ-покриття з урахуванням режимів тертя, способів нанесення і складу електродів;

сформулювати практичні рекомендації.

1. Огляд літератури стосовно існуючих методів нанесення покриттів на алюмінієві сплави, особливості ЕІЛ, характеристики ЕІЛ та модель формування ЕІЛ-покриттів на тугоплавких металах, мета і завдання дослідження

Зроблено висновок, що ЕІЛ алюмінію та його сплавів традиційними матеріалами супроводжується втратою маси обробляємої деталі, це робить проблематичним використання цього методу до легких сплавів. Представлено відомості щодо ЕІЛ сплавів алюмінію порошковими сумішами, які забезпечують перерозподіл енергії іскрового розряду за рахунок її часткової втрати у міжелектродному проміжку. Висунуто припущення, що аналогічний ефект можна досягти у процесі ЕІЛ компактним електродом у тому випадку, якщо у продуктах електроерозії легуючого матеріалу в МЕП утворюються діелектричні компоненти кількістю, достатньою для пригнічення ерозії Al-катоду. Представлено класифікацію ЕІЛ, яка основана на сумісному врахуванні теплового й механічного навантаження від дії іскрового розряду, й вказані області застосування методу, котрі пов'язані з локальним ущільненням поверхні. Представлена узагальнена модель процесу ЕІЛ, що запропоновано А.Д. Верхотуровим, поряд з результатами вивчення кінетики масопереносу і фазоутворення при ЕІЛ. Викладена модель формування легованого шару при ЕІЛ тугоплавких матеріалів керамічними електродами. Ця модель базується на різному змочуванні продуктів електроерозії електроду металічним сплавом підкладки. Ця модель потребує подальшого розвитку відповідно до легкоплавких сплавів з урахуванням їх низької електроерозійної стійкості. Відомості щодо структури, складу, кінетики масопереносу, триботехнічних параметрів покриттів на алюмінієвих сплавах, які формуються при ЕІЛ компактними керамічними електродами, відсутні, що потребує проведення дослідження у зазначеному напрямку й встановлення впливу на характеристики покриття режимів тертя і складу легуючого електроду. Розробка нових високоефективних електродних матеріалів, які забезпечують отримання зносостійких ЕІЛ-покриттів на Al-сплавах без втрати маси деталі, залишається до цього часу нерозв'язаною актуальною задачею матеріалознавства.

2. Методики вивчення складу, структури і властивостей електродних матеріалів та покриттів, устаткування для нанесення покриттів. Вихідні компоненти, склад електродних матеріалів і умови їх спікання

Електроди пористістю 3…5 % отримано методом гарячого пресування. ЕІЛ здійснювали на устаткуванні "Елітрон-21" і "Елітрон-24А". Кінетику масопереносу вивчали гравіметричним методом із точністю 10-4 г, вимірюючи питомий (k) та сумарний (k) приріст маси катоду, питому (a) та сумарну (a) ерозію аноду через кожну хвилину обробки 1 см2 поверхні. Плазмові покриття наносили на устаткуванні УПУ-8М. Порошки для напилення отримували методом спікання з наступним подрібненням спеків та просівом, що забезпечує гранулометричний склад 80…120 мкм. Для аналізу складу та структури робочих поверхонь використовували металографічний, рентгенофазовий (РФА), мікрорентгеноспектральний (МРСА) аналізи, скануючу електронну мікроскопію (СЕМ) з використанням приладів ПМТ-3,

Таблиця 1. Склад і режими гарячого пресування електродних матеріалів

ДРОН-3М (в CuK-випромінюванні), "Camebax SX-50", СЕМ фирмы "Tracor" із приставкою для МРСА. Електролітичну корозію зразків досліджували в 3%-ному розчині NaCl потенціодинамічним методом при використанні потенціостату П5848. Стійкість зразків до високотемпературного окиснення вивчали гравіметричним методом на дериватографі Q-1500 у неізотермічному режимі та методом безперервного зважування з автоматичною реєстрацією зміни маси зразка на стенді тривалих корозійних випробовувань (до 500 годин) Інституту матеріалів для енергосистем (м. Юліх, Німеччина). Триботехнічні характеристики (коефіцієнт тертя f та інтенсивність зношування I, мкм/км) досліджували на машині тертя МТ-68 ІПМ НАНУ за схемою вал--вкладиш в умовах сухого тертя у контакті зі сталлю 65Г (HRC 58…62) та за схемою торцевого тертя в контакті зі сталлю ШХ15 на устаткуванні М-22ПВ НАУУ. Адгезію Al-сплавів до кераміки вивчали методом лежачої краплі з наступним аналізом складу зони взаємодії.

3. Дослідження складу, структури, фізико-механічних і корозійних властивостей матеріалу електродів

Легуючі електроди характеризуються високим рівнем механічних властивостей, дрібнодисперсною структурою (розмір зерен 1…3 мкм) та рівномірним розподілом фазових складових.

При дослідженні неізотермічного окиснення та ізотерм приросту маси зразків від часу встановлена висока корозійна стійкість матеріалів на основі AlN до температур 1400…1450C та дещо нижче -- для матеріалів на основі LaB6 (ЦЛАБ-1) за рахунок гексабориду лантану, який, за даними В.В. Морозова, активно окиснюється вже при T 900C із утворенням оксидів лантану та бору. Згідно даних РФА та МРСА, в складі окалини, що утворюється на електродах при 1200С, присутні оксидні фази, які в процесі окиснення при 1400C перетворюються в тверді розчини на основі мулітів, тіаліта (ТБСАН, ЦБСАН) та оксиду цирконію (ЦЛАБ-1), виконуючі роль твердої змазки в умовах сухого тертя ковзання. Формування поліоксидних вторинних структур у зоні трибоконтакту підтверджується зменшенням коефіцієнту тертя та швидкості зношування зі збільшенням навантажувально-швидкісних параметрів.

4. Вибір легуючих матеріалів, кінетика масопереносу при ЕІЛ сплаву АЛ9 у співставленні з ЕІЛ тугоплавких сплавів, вплив матеріалу підкладки, вторинної структури й змочування на параметри масопереносу

Вибір електродних матеріалів на основі AlN (ТБСАН, ЦБСАН) і LaB6 (ЦЛАБ-1) обумовлений необхідністю: 1 -- утворення непровідних фаз у МЕП у продуктах електроерозії (AlN, Al2O3 -- у першому випадку, B2O3 -- у другому) у кількості (50 % (мас.)), яка забезпечує екранування поверхні Al-катоду від дії іскрового розряду; 2 -- наявності в складі матеріалу складових (TiB2, ZrB2, LaB6), котрі забезпечують канал провідності в МЕП і поверхневе легування твердими зносостійкими компонентами; 3 -- утворення на поверхні покриттів у процесі як ЕІЛ, так і трибоокиснення фаз, що можуть відігравати роль твердої змазки в умовах сухого тертя. Встановлено трьохстадійний механізм масопереносу (рис. 3), загальний для конструкційних матеріалів різних класів. Він включає в себе формування покриття: на I етапі при відсутності вторинної структури на поверхні електроду (t = 1 хв/см2), коли параметри масопереносу не залежать від матеріалу підкладки; на II етапі (t = 4 хв/см2) в умовах утворення вторинної структури та накопичення залишкових напруг в легованому шарі, що призводить до зниження швидкості росту ерозії та обмеження приросту маси катоду з ростом t; на III етапі (t 4 хв/см2) в умовах сформованої вторинної структури на аноді, яка стає істинним об'єктом електроерозії. Методом МРСА продемонстровано утворення вторинної структури на аноді на прикладі системи ЦБСАН/сплав ВТ1-0 за рахунок зворотнього масопереносу Ti. Встановлено відсутність прямої кореляції контактного кута змочування з коефіцієнтом масопереносу K у системах електрод-металевий сплав підкладки: при близьких (55 и 50 градусів) величина K у три рази більше при ЕІЛ сплаву АЛ9 матеріалом ЦБСАН порівняно з ТБСАН. Головна відмінність у змочуванні в цих системах полягає в більш інтенсивній взаємодії кераміки ЦБСАН із роз плавом АЛ9, котре проявляється в утворенні (із боку краплі) збагаченого кремнієм сплаву - АЛ9 зі збільшеній твердістю (13,2 ГПа) і дендритною структурою. Зроблено висновок щодо позитивного впливу на величину K адгезійної взаємодії між матеріалами анода и катода, а також теплозахисної дії на поверхню як електрода, так і покриття фази ZrO2 з низькою теплопровідністю. Ця фаза утворюється у процесі обробки за рахунок часткового окиснення боридної складової й сприяє збільшенню електро-ерозійної стійкості матеріалу. На прикладі системи LaB6-ZrB2 показано, що кількість фази LaB6 у матеріалі електроду, котра відповідає за утворення екрануючої "хмари" з парів і частинок B2O3 в МЕП, повинно бути 50 % (мас.) (ЦЛАБ-1), інакше покриття формується з втратою маси катода за будь-яких режимів ЕІЛ (ЦЛАБ-2).Ця ідея підтверджується приростом маси катоду при ЕІЛ гексаборидом лантану и силіцидом бору.

5. Склад і структура ЕІЛ-покриття на сплавах Al-Si

Згруповані фактори, котрі впливають на формування покриттів на різних етапах процесу. Виходячи з концепції утворення ЕІЛ-покриттів на тугоплавких металах і сплавах, запропонованої М.А. Тепленко та І.О. Подчерняєвою, зроблено припущення, що структура покриття на легких сплавах визначається селективністю змочування продуктів електроерозії матеріалом підкладки. Вивчено склад і структуру покриттів, які утворюються при ЕІЛ сплавів АЛ9, АЛ25 досліджуваними матеріалами. Встановлено, що ЕІЛ-покриття формується у вигляді матриці на основі алюмінію системи Al-O-N-B, легованої тугоплавкими сполуками. Фазовий склад покриттів зі збільшенням часу обробки практично не змінюється. Вже на стадії формування у покритті утворюються ті ж оксидні фази, що й в окалині на поверхні електроду. На цій підставі, з урахуванням подібності мікроструктури і спектрів МРСА покриттів і окисленої поверхні електродів, зроблено припущення, що в зоні трибоконтакту покриттів, також як і електродів, можливе утворення високотемпературних твердих розчинів на основі мулітів, тіаліту й ZrO2.

6. Результати триботехнічних випробувань ЕІЛ-покриттів, вимоги до матеріалу електрода для ЕІЛ Al-сплавів, практичні рекомендації

Встановлено, що інтенсивність зношування (I) покриттів систем ЦЛАБ-1/АЛ25 та ЦЛАБ-2/АЛ25 у 2…3 рази менше порівняно зі сплавом АЛ25 без покриття; зменшенню I сприяє як зростання часу ЕІЛ, так і наступна лазерна обробка. Коефіцієнт тертя покриття B6Si/АЛ25 зменшується від 0,24 до 0,16 зі збільшенням швидкості ковзання V (1…7 м/с). Отриманні результати розглянуто з позицій сучасної концепції, відповідно до якої у процесі тертя поверхневий шар із-за пластичної деформації переходить у нерівноважний активний стан, із котрого шляхом дифузії та хімічної взаємодії з оточуючим середовищем прагне перейти у рівноважний із утворенням нанодисперсних екрануючих поліоксидних вторинних плівок. До їх складу можуть входити оксидні фази, які утворюються при нанесенні покриттів і трибоокиснениі (розділ 5) -- тверді розчини на основі мулітів, тіаліту, ZrO2, а також магнетіт Fe3O4 за рахунок сталевого контртіла. Показано, що на відміну від покриття ТБСАН/АЛ9, величина I покриття ЦБСАН/АЛ9 і ЦЛАБ-1/АЛ9 наближується до такої керамічного електроду, що пояснюється тепловим захистом Al-сплаву діоксидом цирконію і свідчить про близькість складу вторинних структур покриття і електроду. Знайдено збільшену електрохімічну стійкість покриття ЦБСАН/АЛ9 у 3%-ному розчині NaCl. Сформульовані вимоги до матеріалу електрода для ЕІЛ Al-сплавів. На підставі дослідження складу, структури й властивостей плазмовоелектроіскрових покриттів системи ЦЛАБ-2/Д16Т, вивчення впливу технологічних схем нанесення плазмових покриттів на інтенсивність зношування у порівнянні з монолітним сплавом ВК15 запропоновано новий спосіб попередньої обробки підкладки для нанесення газотермічних покриттів, який складається у попередньому ЕІЛ підкладки матеріалом, близьким за складом до порошку, який наносять.

Висновки

адгезійний композиційний електроіскровий

1. Вперше розроблені покриття на сплавах алюмінію зі збільшеними зносостійкістю і твердістю завдяки електроіскровому легуванню (ЕІЛ) електродними матеріалами нового покоління, котрі забезпечують формування легованого шару без втрати маси деталі.

2. Вибрано та розроблено склад композиційних електродних матеріалів на основі AlN і LaB6 (на матеріал системи LaB6-ZrB2 отримано деклараційний патент України). Встановлено особливості ЕІЛ цими матеріалами Al-сплавів: взаємовплив структуроутворення в покритті зі змочуванням продуктів електроерозії алюмінієм, а також утворення в міжелектродному проміжку (МЕП) непровідних фаз, які забезпечують екранування поверхні Al-катода від дії іскрового розряду.

3. На підставі дослідження структури, фазового складу покриттів та електродних матеріалів (металографія, РФА, МРСА, СЕМ), кінетики електромасопереносу та змочування вперше встановлено такі закономірності формування ЕІЛ-покриттів на Al-сплавах:

- фазовий склад покриття, який відрізняється від складу матеріалу легуючого електроду, зі збільшенням часу ЕІЛ не змінюється;

- кінетика масопереносу при ЕІЛ алюмінієвих сплавів (коефіцієнт масопереносу дорівнює 20…60 %) має трьохстадійний характер, котрий є типовим для тугоплавких сплавів. Установлена залежність електроерозійної стійкості легуючого електроду від матеріалу катоду, яка визначається впливом зворотнього масопереносу;

- ЕІЛ-покриття являє собою матрицю на основі алюмінію системи Al--O--N--B, армовану тугоплавкими сполуками;

- встановлено наявність одних і тих самих оксидних фаз у складі покриття й окалини на поверхні електроду, а також подібність мікроструктури й спектрів МРСА покриття і окалини. Зроблено припущення, що в зоні трибоокиснення як покриття, так і електроду можливе утворення твердих розчинів на основі мулітів, тіаліту й ZrO2, які відіграють роль твердої змазки при сухому терті ковзання;

- структура покриття визначається змочуванням продуктів електроерозії електроду Al-сплавом. Глобулярна дискретна структура формується у випадку селективного змочування легуючих компонентів та реалізується при ЕІЛ матеріалами на основі AlN. Гомогенна суцільна структура формується при близьких до нулю контактних кутах змочування легуючих компонентів і реалізується при ЕІЛ матеріалами з великим вмістом бору (ЦЛАБ-1, LaB6, B6Si).

4. Покриття характеризуються градієнтним розподілом фазових складових за товщиною: кількість Al збільшується в напрямку до основи з утворенням на межі плівки оксиду алюмінію (товщиною 5…10 мкм), що передбачає плавне зменшення мікротвердості H у тому ж напрямку. Мікротвердість покриттів (4…10 ГПа) в 3…8 рази більше H сплаву АЛ9 (H = 1,2 ГПа).

5. Інтенсивність зношування (I) покриттів системи LaB6--ZrB2 у 2…3 рази менше, ніж сплаву АЛ25 при сухому терті, й зменшується з підвищенням часу ЕІЛ та при наступній лазерній обробки. Результати обговорені з позицій формування в зоні трибоконтакту вторинних оксидних плівок за участю Al2O3, La2O3, ZrO2, твердих розчинів на основі ZrO2 та оксиду бору, які відіграють роль рідкої змазки до температури 650C.

6. На відміну від покриття ТБСАН/АЛ9, інтенсивність зношування покриттів ЦЛАБ-1/АЛ9 и ЦБСАН/АЛ9 наближається до інтенсивності зношування матеріалу електрода ЦБСАН з підвищенням вантажно-швидкісних параметрів, що пояснюється тепловим захистом алюмінієвого сплаву діоксидом цирконію, багаторівневою глобулярною мікроструктурою легованого шару та свідчить про близькість складу вторинних структур покриття і електроду. При цьому покриття ЦБСАН збільшує електрохімічну стійкість сплаву АЛ9 у 3%-ному розчині NaCl.

7. Сформульовано вимоги до матеріалу електроду та фізико-хімічна модель ЕІЛ алюмінієвих сплавів компактним електродом, яка базується на виборі й співвідношенні структурних складових матеріалу електрода, котрі забезпечують утворення в МЕП екрануючої "хмари" з діелектричних компонентів продуктів електроерозії, та на змочуванні алюмінієвим сплавом легуючих компонентів, що відповідають за структуроутворення легованого шару. Кількість фаз у матеріалі електрода, що відповідають за утворення непровідникових продуктів електроерозії електрода (AlN, Al2O3, B2O3), повинно бути більше чи дорівнювати 50% (мас.).

8. Зроблено практичні рекомендації щодо використання розроблених покриттів:

- ЕІЛ-покриття можна використовувати у парах тертя ковзання, наприклад для зміцнення алюмінієвих підшипників ковзання шестеренчастих насосів;

- запропоновано спосіб попередньої обробки алюмінієвих сплавів для нанесення газотермічних покриттів, котрий полягає у попередньому ЕІЛ підкладки матеріалом, близьким за складом до композиційного порошку, який наносять. На новий спосіб подана заявка на патент України.

Література

1. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Затуловский С.С., Юречко Д.В., Варюхно В.В., Блощаневич А.М. Структурообразование и массоперенос износостойких покрытий при электроискровом легировании Al-Si сплавов композиционной керамикой LaB6--ZrB2 // Сверхтвердые материалы. -- 2003. -- №6. -- С. 50--59.

2. Тепленко М.А., Лавренко В.А., Подчерняева И.А., Юречко Д.В., Швец В. А. Повышение стойкости к коррозии и износу хромистой стали при электроискровом легировании электродом AlN--ZrB2--ZrSi2 // Порошковая металлургия. -- 2003. -- № 3/4. -- С. 25--34.

3. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Щепетов В.В., Юречко Д.В., Громенко В.Ю., Иващенко Р.К. Поверхностное модифицирование сплава АЛ9 при электроискровом легировании материалами системы AlN--Ti(Zr)B2--Ti(Zr)Si2 // Порошковая металлургия. -- 2004. -- №3/4. -- С. 54--62.

4. Подчерняева И.А., Юречко Д.В., Панасюк А.Д., Тепленко М.А. Закономерности массопереноса и адгезионное взаимодействие при электроискровом легировании (ЭИЛ) сплава АЛ9 керамическими электродами AlN--Ti(Zr)B2--Ti(Zr)Si2 // Порошковая металлургия. -- 2004. -- №9/10. -- С. 43--50.

5. Подчерняева И.А., Юречко Д.В. Кинетика электроискрового массопереноса с использованием композиционной керамики систем AlN--Ti(Zr)B2--Ti(Zr)Si2 и LaB6--ZrB2 // Электрические контакты и электроды: Сб. науч. трудов. -- Киев: ИПМ НАНУ. -- 2003. -- С. 158--167.

6. Григорьев О.Н., Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Юречко Д.В., Варюхно В.В. Жаро- и износостойкие композиционные материалы и покрытия на основе AlN-TiB2 // Новые огнеупоры. -- 2004. -- № 7. -- С. 68--74.

Размещено на Allbest.ru