Масоперенесення, структурні та фазові зміни у залізі та міді при їх легуванні за умов температурних градієнтів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Масоперенесення, структурні та фазові зміни у залізі та міді при їх легуванні за умов температурних градієнтів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Важливою проблемою на сучасному етапі розвитку різних галузей загального і хімічного машинобудування, в енергетичному машинобудуванні і приладобудуванні залишається збільшення строку служби деталей машина та механізмів, в тому числі тих, які працюють в екстремальних умовах та їх реновація. Вирішити цю проблему можна зміцненням матеріалу шляхом нанесення покриттів на поверхні деталей або легуванням об'єму деталей із впровадження у них порошків різного складу.

Одним з розповсюджених способів нанесення зміцнювальних покриттів на деталі є електроіскрове легування (ЕІЛ), використання якого дозволяє забезпечити високу міцність зчеплення покриття з деталлю, отримати покриття з унікальним комплексом фізико - механічних властивостей, застосовуючи для цього будь - які струмопровідні матеріали. Низька енергоємність методу та високий процент використання матеріалів забезпечують значний економічний ефект (здешевлення виробів, економія легуючих елементів при підвищеному строку експлуатації деталей).

В наш час актуальним залишається питання побудови єдиної фізичної чи математичної моделі процесу ЕІЛ, основаної на парадигмі «умови експлуатації - склад - структура - технологія - властивості», наявність якої надасть можливість розробити критерії надійного керування процесом ЕІЛ для отримання покриттів на деталях з наперед заданими властивостями із врахуванням умов їх експлуатації. Для побудови моделі необхідно подальше систематичне дослідження впливу основних технологічних параметрів ЕІЛ, в тому числі середовища легування, на процес формування покриттів, їх структуру та властивості. В даному аспекті важливим є дослідження процесів масоперенесення при зміні основних параметрів технології ЕІЛ, в тому числі температури підкладинки. Причому необхідно враховувати наявність температурних градієнтів при ЕІЛ, які виникають внаслідок взаємодії у локальному об'ємі великих електричних полів у зоні дії іскрового розряду.

Легування об'єму деталі дрібнодисперсними порошковим матеріалами (карбіди, силіциди та інш.) широко використовується для зміцнення як поверхні так і об'єму виробу. У зв'язку з вище викладеним, розробка нових та удосконалення існуючих способів поверхневого зміцнення деталей становить безсумнівний науковий та практичний інтерес.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відділі фізики нестаціонарного масоперенесення Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за планами науково-дослідних робіт: тема «Вплив зовнішніх фізичних полів на характеристики масоперенесення у металах в умовах імпульсної деформації» (номер держреєстрації 0104U00078), «Кінетика та механізм масоперенесення в металах за умов імпульсної деформації» (номер держреєстрації 01074U00072), проект «Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології» (номер держреєстрації 29-Н) на замовлення Міністерства освіти і науки України, проект фонду Українського наукового - технічного центру «Разработка экологически безопасной технологии изготовления чистых металлов» (номер держреєстрації 3214). У процесі виконання цих робіт здобувач приймала активну участь у розробці плану досліджень, підготовці і проведенні експериментів, обробці й узагальненні результатів досліджень, написанні статей та патентів.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є вивчення закономірностей процесів масоперенесення, структуро - та фазоутворення, які відбуваються у поверхневих шарах та об'ємі металів при їх легуванні за умов температурних градієнтів.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні завдання:

· розробити фізико - технологічні засади електроіскрового легування металів у різних міжелектродних середовищах за умов температурних градієнтів та дослідити процеси масоперенесення, фазоутворення та структурні зміни у поверхневих шарах металів, які мають місце при цьому;

· дослідити вплив послідовності обробки між ЕІЛ та азотуванням на структурні зміни, фазовий склад та характеристики покриттів на технічному залізі;

· розробити фізико - технологічні засади легування металів мікропорошками при комплексній дії багатократного імпульсного ударного впливу з одночасним пропусканням через метал імпульсного струму;

· вивчити особливості фазоутворення у об'ємі легованого металу, зміну форми і розмірів частинок порошку після вказаної обробки.

Об'єкт дослідження - поверхневий шар та об'єм металів, фізико - хімічні процеси формування поверхневого шару (особливості масоперенесення, характер фазоутворення) металів та фазоутворення у об'ємі металів.

Предмет дослідження - зона фазоутворення, мікроструктура поверхневого шару та об'єму металу, коефіцієнти дифузії, глибина дифузійного шару, форма та розміри порошку.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети були використані наступні методи дослідження: експериментальні методи фізичного металознавства - світлова та просвічуюча електронна мікроскопія; рентгенівська дифрактометрія; електронна оже - спектроскопія. Для визначення швидкості та глибини проникнення атомів аноду у катод було проведено розрахунок коефіцієнтів дифузії радіоактивного ізотопу ⁶³Ni у мідь та залізо при електроіскровому легуванні у рідкому азоті та на повітрі. Для цього було використано метод зняття шарів та застосовано методику Грузіна. Для статистичної обробки результатів використовували метод Стьюдента.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено, що наявність температурних градієнтів при електроіскровому легуванні підкладинки впливає на параметри масоперенесення, в тому числі глибину проникнення атомів радіоактивного ізотопу ⁶³Ni у неї. Показано, що формування покриття більш ефективно відбувається при його нанесенні на мідну підкладинку у рідкому азоті. Виявлено, що у покритті, нанесеному на мідь міститься інтерметалід Cu_3,8Ni та сполука Ni₂CuO₃ (при обробці на повітрі, при легуванні у рідкому азоті вона не спостерігалась); при легуванні заліза - сполука (Ni, Fe), потрійне з'єднання FeNiN (при обробці на повітрі) та г-Fe (при обробці у рідкому азоті).

Встановлено, що електроіскрове легування призводить до найбільшого зміцнення легованого шару на залізі при використанні Zr аноду у пропан - бутані, а найменше - Cr на повітрі.

Вперше встановлено, що різна послідовність обробки між ЕІЛ та азотуванням дозволяє керувати розподілом мікротвердості в області легованого шару. А саме, положенням максимуму у приповерхневому шарі металу.

Вперше встановлено, що при легуванні металів мікропорошками в умовах багатократного імпульсного ударного впливу з одночасним пропусканням через них імпульсного струму густиною 1А/мм² спостерігається проникнення порошку у метали зі швидкістю 0,2-0,3 мкм/с на відстані більші, ніж при електроіскровому легуванні. Внаслідок такого проникнення відбувається часткова дисоціація матеріалу порошку, а розмір частинок порошку зменшується майже у 1.5 - 5 разів, порівняно із вихідним розміром.

Розроблені фізико - технологічні засади дозволили розробити та запатентувати відповідні способи обробки металів.

Практичне значення отриманих результатів. У дисертаційні роботі розроблено фізико - технологічні засади електроіскрового легування металів у різних міжелектродних середовищах (вуглецевмісному газоподібному, рідкому із температурою, нижчою за кімнатну). Виявлено вплив наявності температурних градієнтів при ЕІЛ на процеси масоперенесення у поверхневих шарах катоду, зокрема глибину та швидкість проникнення атомів радіоактивного ізотопу ⁶³Ni у мідну та залізні підкладинку та процеси фазоутворення у поверхневих шарах катоду. Це дозволить отримувати покриття необхідної товщини із врахуванням умов експлуатації деталей, необхідного рівня їх мікротвердості та фазового складу. Показано, що використовуючи метод електроіскрового легування можна з'єднувати метали з неметалами, без використання проміжних прошарків, що значно підвищує продуктивність процесу з'єднання. У даній роботі це продемонстровано у випадку легування міді вуглецем (при використанні графітового аноду) на повітрі. Встановлено, що найбільше зміцнення легованого шару технічного заліза при електроіскровому легуванні у середовищі пропан - бутану отримаємо при використанні цирконієвого аноду.

Встановлено, що різна послідовність обробки між ЕІЛ та азотуванням дозволяє керувати розподілом мікротвердості в області легованого шару. А саме, положенням максимуму у приповерхневому шарі металу, що дає можливість обирати послідовність стадій із врахуванням умов експлуатації деталей та забезпеченням необхідної мікротвердості легованого шару. У роботі подано рекомендації щодо технологічного застосування зазначених схем обробок.

Розроблено фізико - технологічні засади та запропоновано метод легування металів мікропорошками, у якому температурні градієнти створюються пропусканням імпульсного струму через метал, а впровадження порошку здійснюється за умов комплексного впливу багатократного імпульсного ударного впливу з одночасним пропускання через метал імпульсного електричного струму. Розроблений метод може бути використаний при легуванні деталей на глибини більші, ніж при використанні методу ЕІЛ. Для цього можна використовувати порошки різного складу, в тому числі тих, які не проводять електричний струм.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати одержано автором особисто або за його безпосередньої участі.

Нанесення електроіскрових покриттів проведено разом з Вороною С.П. (Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ); оже - спектральні дослідження проведені разом з Топала П.А. (Педагогічна академія ім. А. Руссо, Молдова, м. Бєльці); металографічні дослідження, азотування зразків - Іващенко Є.В. (Київський політехнічний інститут, м. Київ); легування металів мікропорошками, електронно - мікроскопічні дослідження - Стаценко В.М. (Інститут проблем матеріалознавства ім. Францевича НАН України, м. Київ); складання опису до патентів - Мазанко В.Ф., Погореловим О.Є, Іващенко Є.В., Бевзом В.П. (Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ).

У статті [1] ідею проведення процесу ЕІЛ у рідкому азоті запропоновано В.Ф. Мазанко. Автором розроблено контейнер для ЕІЛ у рідкому азоті, проведено дифузійні дослідження та побудовано концентраційні криві для мідного та залізного катодів після ЕІЛ нікелем. Автором проаналізовано результати експериментів та зроблено висновки.

У статті [2] ідея проведення процесу ЕІЛ у рідкому азоті належить В.Ф. Мазанко. Автором визначено фазовий склад покриттів, проведено дифузійні дослідження, побудовано концентраційні криві та зроблена оцінка коефіцієнтів масоперенесення атомів ізотопу ⁶³Ni у міді після ЕІЛ нікелем. Автором проаналізовано результати експериментів та зроблено висновки. За результатами роботи автором разом з В.Ф. Мазанко, О.Є. Погореловим, Є.В.Іващенко отримано патент на корисну модель [3].

У статті [4] автором запропоновано ідею проведення процесу ЕІЛ у пропан - бутані. Автором розроблено камеру для проведення ЕІЛ у пропан - бутані. Автором особисто проведено визначення фазового складу покриттів, виготовлено шліфи з досліджуваних зразків, фотографування структури та вимірювання мікротвердості покриттів на технічному залізі після ЕІЛ титаном та хромом. Автором проаналізовано експериментальні дані та зроблено висновки. За результатами роботи автором разом з В.Ф. Мазанко, О.Є. Погореловим, Є.В.Іващенко, В.П. Бевзом отримано патент на корисну модель [5].

У статті [6] ідея легування металів мікропорошками належить В.М. Стаценко. Ним же розроблено установку для реалізації запропонованого методу. Автором проведено визначення фазового складу заліза після легування його SiC, розраховано швидкість руху частинок порошку, проведено дослідження зміни форми частинок, визначено розмір частинок після їх впровадження у мішень, запропоновано фізичну модель процесів. За результатами роботи автором разом з В.Ф. Мазанко, О.Є. Погореловим, В.М. Стаценко, Є.В.Іващенко, В.П. Бевзом отримано патент на винахід [7].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднені на Київській конференції молодих вчених «Новейшие материалы и технологии» (НМТ - 2006), 16 - 17 листопада, 2006, Київ, Україна; Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики (ЕВРИКА - 2007), 22 - 24 травня, 2007, Львів, Україна; Міжнародній конференції «Современные проблемы физики металлов», 7 - 9 жовтня, 2008, Київ, Україна; Міжнародній конференції «Сварка и родственные технологии - в третье тысячелетие», 24 - 26 листопада, 2008, Київ, Україна.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 4 статтях у фахових наукових журналах, у 4 збірниках тез конференцій. За результатами роботи отримано 2 патенти на корисну модель та 1 патент на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Загальний обсяг дисертації складає 129 сторінок. Дисертація містить 34 рисунки та 11 таблиць. Список використаних джерел складає 127 найменувань.

Основний зміст роботи

легований метал технологічний

У вступі викладена актуальність теми досліджень, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, розкриті наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі наведено огляд літератури за тематикою дисертаційного дослідження, у якому окреслено стан сучасних уявлень про процеси масоперенесення, структурні та фазові зміни у металах при електроіскровому легуванні. Представлено принципову схему та узагальнену модель процесу електроіскрового легування (ЕІЛ), механізм формування покриттів у традиційному розумінні. Показано, що використання методу ЕІЛ дозволяє отримувати покриття з унікальним комплексом фізико - механічних властивостей, причому наноситься покриття із будь - яких струмопровідних матеріалів без нагрівання всього зразка. При цьому забезпечується висока міцність зчеплення покриття з виробом, що збільшує коефіцієнт використання виробу та підвищує строк їх служби.

Відповідно до існуючих уявлень, сформоване при ЕІЛ покриття являє собою дрібнокристалічну структуру і складається з декількох шарів: «білого», що звичайно не піддається травленню реактивами, і термодифузійного чи перехідного підшару, що представляє собою зону термічного впливу іскрових розрядів. Розглянуто результати експериментальних досліджень дифузійних процесів при дії на метал іскрових розрядів та вплив параметрів ЕІЛ на механічні характеристики покриттів, процеси масоперенесення, фазоутворення у поверхневих шарах підкладинки. Описано модель надглибокого проникнення твердих мікрочастинок у метали при вибуховій обробці та подано механізм насичення металевої матриці дисперсним частинками при ультразвуковій ударній обробці. Аналіз літературних даних приводить до висновку, що науковцями не проводилися систематичні дослідження впливу середовища обробки ЕІЛ на характеристики покриттів та їх фазовий склад. Відомості про зміну температури підкладинки, зокрема її охолодження у літературі відсутні. Доволі мало даних щодо процесів масоперенесення при електроіскровому легуванні. Наприкінці розділу зроблено постановку задачі.

У другому розділі приведені методики досліджень дифузійних процесів при ЕІЛ, фазового та елементного складу покриттів, їх мікроструктури та мікротвердості. Наведено методику електронно - мікроскопічних досліджень зміни форми та розміру частинок порошку при їх впровадженні у мішень, методику визначення фазового складу перерізу мішені після легування її порошками.

Описано устаткування, використане для нанесення покриттів у різних міжелектродних середовищах (рідкому азоті, пропан - бутані), газового азотування зразків та легування металічних мішеней мікропорошками.

У першому підрозділі наведені характеристики вихідних матеріалів для ЕІЛ та схеми обробок зразків. Матеріали для ЕІЛ: катоди (технічна мідь, технічне залізо, сталь 30); аноди (графіт марки МПГ-6, нікель, титан, хром, цирконій високої чистоти).

Застосовували наступні схеми обробок. Електроіскрове легування мідного та залізного катодів на повітрі та у рідкому азоті, залізного хромовим, титановим та цирконієвим анодами у пропан - бутані та стального і мідного катодів графітом на повітрі. Пічне азотування зразків технічного заліза до та після їх електроіскрової обробки анодами з високочистого титану та хрому у середовищі пропан - бутану. Об'ємне легування зразків алюмінію порошковими частинками потрійного сплаву Ti-Al-Zr та зразків технічного заліза силіцидом SiC.

Другий підрозділ присвячений опису устаткування і методам обробки зразків. У таблиці 1 наведено режими електроіскрового легування зразків.

ЕІЛ здійснювали на стандартній промисловій установці «ЕЛІТРОН - 22» у режимі: струм короткого замикання 3 і 5 А, частота імпульсів струму 50 Гц, енергія в імпульсі 1 Дж, питомий час обробки 1 хв/см², тривалості імпульсу 200 мкс. Для ЕІЛ у рідкому азоті та пропан - бутані було розроблено спеціальні контейнер та камеру.

Перед проведенням процесу електроіскрового легування зразків проводився їх стабілізаційний відпал у вакуумі. Зразки із заліза відпалювали при температурі 1273 К, з міді - 1073 К впродовж чотирьох годин.

Таблиця 1. Режими електроіскрового легування зразків

Газове азотування зразків проводили у камері, яка встановлювалась у електропіч шахтну лабораторну типу СШОЛ - 1. 1,6/12 - МЗ, при температурі 853 К у суміші 20% аміаку та 80% аргону. Витрати аміаку в реакційній камері при насиченні складали 8,33·10^-6 м³/с (0,5 л/хвил) та контролювалися манометром, попередньо проградуйованим за витратою обємної кількості аміаку, що надходить в камеру за одну хвилину. Похибка вимірювання витрат аміаку становила 0,167·10^-6м³/с (0,01 л/хв). Азотування зразків здійснювалось впродовж 7,2·10³секунд (2 годин).

Для легування металів мікропорошками було розроблено установку, яка складається з вузла, який забезпечує пропускання по мішені імпульсного струму густиною до 1 А/мм² та шпарністю 2, та вузла, який забезпечує імпульсний ударний вплив зі змінною частотою (у експерименті - 50 Гц) та шпарністю 5. Ударний вплив чиниться внаслідок спрацьовування двох електромагнітних пускачів, нерухомі частини яких закріплені у стальній рамі, а рухомі - з'єднані між собою та підвішені на пружині до верхньої планки рами. До цього з'єднання прикріплений ударник, який рухається сумісно з рухомими частинами пускачів. До нижньої планки рами болтами прикріплено дві стальні плити, між якими затиснуті мішень (зразок, який досліджується), порошок, який використовується для легування мішені та верхня плита, яка притискає порошок до мішені.

Третій розділ присвячено процесам електроіскрового легування у різних міжелектродних середовищах (повітрі, рідкому азоті, пропан - бутані).

У першому підрозділі досліджено вплив зміни температури підкладинки при електроіскровому легуванні на процеси масоперенесення та фазоутворення у поверхневих шарах міді та заліза.

Показано, що концентраційні криві розподілу радіоактивного нікелю ⁶³Ni як для заліза (рис. 1, а), так і для міді (рис. 1, б) являють собою експоненту, що підтверджується лінійним характером залежності , де (рис. 1). Даний факт є надзвичайно важливим, тому що він свідчить про об'ємний характер процесу масоперенесення атомів.

Поява максимуму концентрації ⁶³Ni у міді на концентраційній кривій після обробки в рідкому азоті (рис. 1, б) на відстані ~ 7 мкм від поверхні зразка може бути обумовлена утворенням на його поверхні покриття з нікелю товщиною порядку 7 мкм, що екранує радіоактивний ⁶³Ni. Поява другого максимуму (на відстані ~ 10 мкм) певно пов'язана із формуванням дефектного шару у приповерхневій області мідного зразка, внаслідок дії іскрового розряду при легуванні (рис. 1, б). Вочевидь, цей шар на залізі також існує, однак на міді, через її більшу температуропровідність порівняно із залізом, цей шар буде на більшій глибині, а на залізі він буде малої товщини через що, ймовірно не був нами зафіксований.

Оцінка значень коефіцієнтів масоперенесення (D_м) нікелю в залізі та міді показала, що рухливість атомів нікелю в міді при 77 К майже у 53 рази вище в порівнянні із його рухливістю у залізі при тій самій температурі. У той же час, при 293 К рухливість ⁶³Ni у залізі вище майже у 1,4 рази, порівняно з рухливістю ізотопу нікелю у міді при тій же температурі.

Встановлена наявність впливу температурних градієнтів при електроіскровому легуванні підкладинки на параметри масоперенесення, в тому числі глибину проникнення атомів радіоактивного ізотопу ⁶³Ni у неї. Глибина проникнення атомів ⁶³Ni у мідь майже у п'ять разів більша ніж у залізо при ЕІЛ у рідкому азоті (Т = 77 К), що можна пояснити відмінністю значень температуропровідності цих металів (1,14 см²/с для міді та 0,22 см²/с - заліза, а їх відношення складає 5,19). Таким чином, кореляція між відношенням глибини проникнення атомів ізотопу та величин температуропровідності вказаних металів, дозволяє зробити висновок, що знайдений експериментально, при ЕІЛ у рідкому азоті, ефект може бути обумовлений саме різною температуропровідністю міді та заліза.

Порівняння даних, наведених на рис. 1, свідчить, що формування покриття більш ефективно відбувається при його нанесенні на мідну підкладинку у рідкому азоті. Виявлено, що у покритті, нанесеному на мідь міститься інтерметалід Cu_3,8Ni та сполука Ni₂CuO₃ (при обробці на повітрі, при легуванні у рідкому азоті вона не спостерігалась); при легуванні заліза - сполука (Ni, Fe), потрійне з'єднання FeNiN (при обробці на повітрі) та г-Fe (при обробці у рідкому азоті). Відсутність азоту у електроіскрових покриттях на міді (при ЕІЛ заліза на повітрі спостерігається FeNiN) пояснюється тим, що розчинності азоту у твердій та рідкій міді не має.

Другий підрозділ присвячений дослідженню елементного складу поверхні мідного та стального катодів після ЕІЛ графітовим анодом на повітрі. Аналіз оже - спектрів свідчить, що внаслідок електроіскрового легування на поверхні досліджуваних зразків формуються поверхневі шари леговані азотом і киснем, які можуть потрапляти у них з повітря при іонізації молекул N₂ та CO₂ у плазмі іскрового розряду, а також вуглецем, наявність якого обумовлена використанням при ЕІЛ графітового аноду (табл. 2). Ймовірно, що вуглець знаходиться на поверхні та у міжзеренних границях катоду, крізь які він дифундує при електроіскровій обробці. На користь чого може свідчити той факт, що кількість вуглецю залишається практично незмінною після наступних сеансів протравлювання (7 ат.% на глибині 400 нм для Cu та 4,5 ат.% на глибині 400 нм для стального катоду) іонами аргону (табл. 2). Вочевидь, внаслідок електроіскрового легування міді вуглецем утворюється метастабільний твердий розчин вуглецю у міді, що є можливим зважаючи на нерівноважні умови процесу ЕІЛ (температурні градієнти, високі тиски). Кількість атомів вуглецю, які потрапляють у стальний катод внаслідок ЕІЛ є лімітованою концентрацією вуглецю у ньому.

Таблиця 2. Елементний склад стального та мідного катодів після ЕІЛ графітом на повітрі

Показано, що метод ЕІЛ може бути використаний при з'єднанні металів з неметалами без використання проміжних прошарків, що значно підвищує продуктивність процесу з'єднання.

У третьому підрозділі досліджено вплив газового середовища обробки (повітря, пропан - бутан) на фазовий склад, мікроструктуру на мікротвердість поверхневих зон технічного заліза після ЕІЛ титаном, хромом, цирконієм.

Зі співставлення наведених на рисунках кривих мікротвердості слідує, що для обох середовищ обробки мікротвердість покриттів нанесених титановим анодом, як на повітрі, так і у пропан - бутані (рис. 2, а) є вищою порівняно із покриттями, отриманими внаслідок легування хромовим анодом (рис. 2, б). Ця закономірність може бути обумовлена більшою схильністю титану до нітридо-, та карбідоутворення. Під час ЕІЛ в пропан - бутані утворюються дрібнодисперсні карбіди титану внаслідок насичення покриття вуглецем з пропан - бутану, а при ЕІЛ на повітрі - нітриди титану, що підтверджується даними рентгенофазового аналізу (табл. 3). Таким чином, підвищена мікротвердість поверхневого шару заліза при ЕІЛ титаном, вочевидь обумовлена формування у ньому дрібнодисперсних карбідів та нітридів (TiN, TiC). Найбільшу мікротвердість поверхневого шару заліза (8,5 ГПа на глибині 20 мкм) отримаємо при ЕІЛ Zr у пропан - бутані, що обумовлено більшою схильністю цирконію до карбідоутворення, аніж Ti та Cr, та відповідно утворенням більшої кількості дрібнодисперсних карбідів ZrC (табл. 3).

Щодо мікроструктури поверхневого шару технічного заліза після ЕІЛ Ti, Cr, Zr для обох середовищ обробки то вона виявилася подібною для усіх досліджених зразків: за покриттям спостерігається зона термічного впливу, яка виникає внаслідок дії іскрового розряду, після якої наявні зерна нелегованої серцевини зразка.

Таблиця 3. Фазовий склад поверхневої зони Fe при ЕІЛ Ti, Cr та Zr анодами

Розраховані значення коефіцієнту зміцнення легованої поверхні залізного катоду (табл. 4) свідчать, що найбільше зміцнення легованого шару отримаємо при ЕІЛ заліза цирконієвим анодом у середовищі пропан - бутану, а найменше - хромовим на повітрі.

Таблиця 4. Розрахунок коефіцієнтів зміцнення легованої поверхні залізного катоду в залежності від матеріалу аноду та середовища обробки

Таким чином, проведення електроіскрового легування у газовому вуглецевмісному середовищі призводить до утворення у поверхневому шарі виробів дрібнодисперсних карбідів легуючого електроду (аноду) та катоду, що обумовить підвищення мікротвердості покриття виробу, так як наслідок, підвищить його строк служби. Причому на мікротвердість покриттів також впливає вибір матеріалу аноду, зокрема схильність до карбідоутворення, при ЕІЛ у середовищі пропан - бутану.

Четвертий розділ присвячений результатам комбінованої обробки металів з різною послідовністю стадій між ЕІЛ у пропан - бутані та азотуванням. При цьому дифузія азоту при обробці за схемою (азотування + ЕІЛ) відбувалась з насичуючої атмосфери при азотуванні у покриття, а при обробці за схемою (ЕІЛ + азотування) - з попередньо азотованої матриці у покриття. Умови азотування та електроіскрового легування (аноди - титан, хром; катод - технічне залізо) для обох схем були обрані однаковими, що дало можливість визначити вплив послідовності стадій обробки на характер розподілу мікротвердості в області легованого шару.

Мікроструктура поверхневої зони технічного заліза після усіх схем обробок виявились подібною (рис. 3). Для усіх досліджених зразків у приповерхневому шарі - фази заліза спостерігались лінійчаті виділення надлишкової фази, вид яких подібний до виду виділень - фази у азотованому залізі, наявність якої у фазовому складі приповерхневого шару підтверджується даними рентгенофазового аналізу (табл. 5). При обробці заліза за схемою «ЕІЛ(Cr) + Азотування» на глибині 60 мкм маємо максимум мікротвердості 10,5 ГПа, поява якого, за нашими оцінками, обумовлена максимальними термічними напруженнями на цій глибині та підвищеною концентрацією дислокацій.

При обробці заліза за схемою «ЕІЛ(Ti) + Азотування» на глибині 10 мкм маємо максимум мікротвердості 14 ГПа, що вочевидь, пов'язано із низькою температуропровідністю титану та відповідно великими температурними градієнтами. З іншого боку, його поява може бути спричинена дефектною структурою поблизу поверхні зразка, яка виникає внаслідок дії іскри.

Враховуючи фазовий склад та мікротвердість поверхневого шару отриманого внаслідок ЕІЛ на залізі з попереднім чи наступним азотуванням, дано рекомендації щодо технологічного застосування розглянутих схем обробок (табл. 5).

Таблиця 5. Технологічне застосування комбінованої обробки в залежності від послідовності стадій та матеріалу електроду для ЕІЛ

Таким чином, дослідження показали, що комбінована обробка заліза, яка включає електроіскрове легування у середовищі пропан - бутану титановим чи хромовим анодами із азотуванням, проведеним до чи після ЕІЛ, призводить до отримання покриттів із більшою мікротвердістю порівно з електроіскровим легуванням тими же анодами у тому самому середовищі, але без додаткового азотування. Різна послідовність обробки між ЕІЛ та азотуванням дозволяє керувати розподілом мікротвердості в області легованого шару, а саме, положенням максимуму у приповерхневому шарі заліза, що дає можливість обирати послідовність стадій із врахуванням умов експлуатації деталей та забезпеченням необхідної мікротвердості легованого шару.

У п'ятому розділі наведено експериментальні дані, отримані при легуванні металів мікропорошками за умов температурних градієнтів. Цей метод був розроблений для здійснення більш глибокого легування металу, ніж досягається методом ЕІЛ, причому матеріалами які не проводять електричний струм. При розробці фізико - технологічних засад вказаного методу були використані встановлені вище закономірності при ЕІЛ у різних міжелектродних середовищах. При пропусканні електричного струму через метал амплітуда коливань атомів у вузлах його кристалічної гратки збільшується і під дією імпульсу, який передається частинці порошку внаслідок імпульсного ударного впливу вона починає рухатись у метал у напрямку, який співпадає з напрямком удару.

Експерименти з використанням розробленої технології були проведені на технічному залізі та алюмінії при легуванні їх карбідом кремнію (d = 50 мкм) та порошком сплаву Ti-Al-Zr (d = 50-150 мкм) відповідно. Тривалість обробки - 3,6·10³ с. Розрахована швидкість руху частинок складає 0,2 мкм/с (для SiC) та 0,3 мкм/с (для Ti-Al-Zr).

Фазовий склад перерізу залізної мішені після легування її SiC був наступним: силіциди FeSi₂ та Fe₃Si, - Fe та SiC. Порівняння отриманої рентгенограми з рентгенограмою для вихідного заліза засвідчило, що кількість та інтенсивність ліній для - Fe зменшується, натомість вміст силіцидів заліза у мішені збільшується. Утворення вказаних силіцидів свідчить про частковий розпад порошку SiC при його русі у залізній матриці, а відсутність рефлексів від Fe₃C, яка показано у працях Гаврилюка В.Г., Сміяна О.Д та інш., пов'язана із тим, що вуглець переважно знаходиться у твердому розчині та на дислокаціях.

За даними електронно - мікроскопічного аналізу (рис. 4, а), розміри та форма частинок SiC (частинки більшого розміру) досить суттєво відрізняються від їх вихідної сферичної форми, а частинки невеликого розміру можуть бути силіцидами заліза. Великі світлі плями (рис. 4, б) можуть бути областями скупчення кремнію, який входить до складу SiC, а невеликі за розміром білі точки можуть бути ідентифіковані як кремній, що входить до складу силіцидів заліза.

Мікроструктурним аналізом встановлено, що після обробки продовж 1,8·10³ с, у частинках порошку сплаву Ti - Al - Zr, впроваджених у алюмінієву матрицю з'явились тріщини. Після розчинення насиченої частинками сплаву Ti-Al-Zr алюмінієвої мішені у лузі КОН, отримали дрібні сферичних частинки із середнім розміром d = 30 мкм. Таким чином, розмір частинок порошку зменшується у середньому у 1,5 - 5 разів. Ймовірно, що макроскопічної деформації у мішені не буде, через те, що при даному виді обробки не відбувається деформація поверхні мішені, а буде мікроскопічна, викликана рухом частинок порошку у ній.

Отже, на основі розроблених фізико - технологічних засад запропоновано метод легування металів мікропорошками, у якому температурні градієнти створюються пропусканням імпульсного струму через метал, а глибоке проникнення порошків (на відстані більші тих, які досягаються при ЕІЛ) спостерігається при комплексному впливові імпульсного ударного навантаження у поєднанні з дією імпульсного струму. При запропонованому методі легування спостерігається часткова дисоціація матеріалу порошку SiC із утворення силіцидів заліза. Розмір порошків Ti - Al - Zr зменшується майже у 1,5 - 5 разів, порівняно з вихідним розміром.

Описані можливі механізми руху частинок порошку і їх розпаду у металевій матриці внаслідок впровадження у неї в процесі легування.

Висновки

У дисертації досліджено процеси масоперенесення, структурні та фазові зміни у залізі та міді при їх легуванні за умов температурних градієнтів. Основні результати дисертаційного дослідження полягають у викладеному нижче.

1. Наявність температурних градієнтів при електроіскровому легуванні підкладинки впливає на параметри масоперенесення, в тому числі глибину проникнення атомів радіоактивного ізотопу ⁶³Ni у неї. Формування покриття більш ефективно відбувається при його нанесенні на мідну підкладинку у рідкому азоті. У покритті, нанесеному на мідь міститься інтерметалід Cu_3,8Ni та сполука Ni₂CuO₃ (при обробці на повітрі, при легуванні у рідкому азоті вона не спостерігалась); при легуванні заліза - сполука (Ni, Fe), потрійне з'єднання FeNiN (при обробці на повітрі) та г-Fe (при обробці у рідкому азоті).

2. На прикладі міді (катод) та вуглецю (графітовий анод) показана ефективність використання методу ЕІЛ при з'єднанні металів з неметалами без додаткового використання проміжних прошарків, що значно підвищує продуктивність процесу.

3. При електроіскровому легуванні у середовищі пропан - бутану на значення мікротвердості покриттів впливає вибір матеріалу аноду, зокрема схильність до карбідоутворення. Найбільше зміцнення легованого шару на залізі отримуємо при використанні Zr аноду у пропан - бутані, а найменше - Cr на повітрі.

4. Різна послідовність обробки між ЕІЛ та азотуванням дозволяє керувати розподілом мікротвердості в області легованого шару, а саме, положенням максимуму у при поверхневому шарі металу. Враховуючи фазовий склад та мікротвердість поверхневого шару заліза дано рекомендації щодо технологічного застосування запропонованих схем обробок.

5. При легуванні металів мікропорошками в умовах багатократного імпульсного ударного впливу з одночасним пропусканням через них імпульсного струму густиною 1А/мм² спостерігається глибоке, порівняно із досягнутим при ЕІЛ, проникнення порошку у метали зі швидкістю 0,2-0,3 мкм/с. Температурні градієнти створюються пропусканням імпульсного струму через метал. Внаслідок такого проникнення частина матеріалу порошку карбіду кремнію переходить у матрицю з утворенням силіцидів заліза. Розмір порошків Ti - Al - Zr зменшується майже у 1,5 - 5 разів, порівняно з вихідним розміром.

6. Розроблені фізико - технологічні засади дозволили розробити та запатентувати відповідні способи обробки металів: а) ЕІЛ у рідкому азоті; б) ЕІЛ у пропан - бутані; в) легування металів мікропорошками.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Исследование поверхностных слоев меди и железа после электроискрового воздействия / В.Ф. Мазанко, Е.Н. Храновская, Е.В. Иващенко, С.П. Ворона // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006. - Т. 28, Специальный выпуск. - С. 263-269.

2. Поверхнева обробка міді методом електроіскрового легування / В.Ф. Мазанко, К.М. Храновська, Є. В. Іващенко, С.П. Ворона // Металознавство та обробка металів. - 2007. - №3. - С. 46-49.

3. Пат. 23145 Україна, МПК В 23 Н 9/00. Спосіб поверхневої обробки деталей / Мазанко В.Ф., Храновська К.М., Погорєлов О. Є., Іващенко Є. В.; заявник та патентовласник Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова Національної академії наук України. - № u 200613173; заявл. 13.12.06; опубл. 10.05.07, Бюл. №6.

4. Вплив газового середовища на формування покривів на залізі за електроіскрового легування / В.Ф. Мазанко, К.М. Храновська, Є. В. Іващенко, С.П. Ворона // Фізико - хімічна механіка матеріалів. - 2008. - Т. 44, №2. - С. 117-119.

5. Пат. 26227 Україна, МПК В 23 Н 9/00, В 23 Н 5/00. Спосіб електроіскрового зміцнення поверхонь деталей / Мазанко В.Ф., Храновська К.М., Погорєлов О. Є., Іващенко Є. В., Бевз В.П.; заявник та патентовласник Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова Національної академії наук України. - № u200704832; заявл. 03.05.07; опубл. 10.09.07, Бюл. №14.

6. Мазанко В.Ф. Вплив карбіду кремнію на мікроструктуру та фазовий склад залізної мішені / В.Ф. Мазанко, К.М. Храновська, В.М. Стаценко // Доповіді НАН України. - 2008. - №8. - С. 98-101.

Размещено на Allbest.ru