Разработка научных основ формирования измененного слоя на металлах и сплавах с заданными свойствами при низковольтной электроискровой обработке

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Разработка научных основ формирования измененного слоя на металлах и сплавах с заданными свойствами при низковольтной электроискровой обработке

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

Химухин Сергей Николаевич

Комсомольск-на-Амуре - 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие современного машиностроения не возможно без использования упрочняющих технологий. В настоящее время наибольший интерес представляют электрофизические методы нанесения и упрочнения измененных слоев на металлических поверхностях с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ) - лазерных, электронных, плазменных, и др.. К числу таких методов относится и технология получения измененных слоев путем электроискровой обработки, которая традиционно называется электроискровым легированием (ЭИЛ). Достоинства метода ЭИЛ - возможность нанесения на обрабатываемую поверхность (катод) компактным электродом (анод) токопроводящих материалов, высокая прочность сцепления наносимого слоя с материалом основы, низкая энергоемкость процесса, простота осуществления проводимых операций, улучшение физико-механических и химических свойств конструкционных материалов при нанесении на их поверхность сплавов со специальными свойствами.

Однако для метода электроискрового легирования не достаточно изучены условия возникновения, основные факторы и явления, сопровождающие протекание низковольтного электроискрового процесса; нет оценки степени их влияния на формирование структуры; не исследован механизм формирования структуры измененных слоев, его зависимость от исходной структуры электродных материалов; отсутствуют простые и эффективные методы неразрушающего контроля качества измененных слоев. Все указанные проблемы взаимосвязаны. Изучение условий возникновения и протекания электроискрового процесса позволит установить механизм формирования структуры измененных слоев в зависимости от электрических, механических и температурных параметров. Процессы структурообразования непосредственно определяют качественные характеристики измененных слоев, а их контроль в процессе формирования позволит оптимизировать свойства измененных слоев, определить необходимые параметры состава и структуры электродных материалов. Сложность исследования этих структур, обусловлена особенностями их образования посредством закалки микрообъемов расплава. Следует отметить, что при электроискровом легировании слои формируются в виде так называемых «белых слоев» (БС), которые обладают высокой стойкостью к воздействию кислот, что препятствует выявлению типа и морфологии структуры. Однако, БС на некоторых металлах (медь, алюминий) не образуется и структура слоя выявляется методами металлографии, что позволяет использовать эти металлы в качестве модельных при определении механизма структурообразования.

Традиционными анодными материалами для электроискрового легирования являются тугоплавкие дорогостоящие металлы и твердые металлокерамические сплавы на основе карбидов вольфрама и титана. Однако они не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электродным материалам для ЭИЛ, из-за высокой стоимости и эрозионной стойкости. В связи с этим, перспективным направлением в области создания покрытий на деталях из железоуглеродистых сплавов со специальными свойствами (жаростойкостью, коррозионностойкостью, износостойкостью и др.) может стать синтез комплексно-легированных белых чугунов, обеспечивающих снижение стоимости и повышение эксплуатационных свойств измененного слоя.

Необходимо отметить, что рассматривать структурообразование только в рамках метода ЭИЛ малопродуктивно. На практике работа многих технических объектов и механизмов сопровождается появлением электрической искры с параметрами близкими к ЭИЛ, например, в условиях токосъема на электрифицированных железных дорогах. При этом достаточно мощные электроискровые и электродуговые процессы в токосъемном узле изменяют структуру и свойства материалов. Для определения степени трансформации измененной структуры и свойств материалов необходимо разработать неразрушающие методы контроля.

Таким образом, диссертационная работа направлена на решение важной народно-хозяйственной проблемы - управление факторами, обеспечивающими формирование заданных свойств измененных слоев на металлических деталях, полученных в результате воздействия низковольтного электроискрового процесса.

Работа выполнялась в рамках: межрегиональной научно-технической программы «Дальний Восток России» (1997 - 1999 г.) «Синтез литейных и металлургических материалов на базе дальневосточного минерального сырья», исследований Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН (2003 - 2005 г.) по заданию ГКНТП «Разработка и получение функциональных материалов и покрытий с использованием минерального сырья и исследование их свойств» (№ гос. регистрации 01.2.00106190) и «Физико-химические и методологические основы создания функциональных материалов и покрытий с нанокристаллической и аморфной структурой с использованием концентрированных потоков энергии» (2006 - 2008 г.), (№ гос. регистрации 01.2.0010619).

Систематизация и критический анализ материалов близких по тематике к исследованиям автора проведены на основании работ отечественных и зарубежных ученых: Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, Г.В. Самсонов, А.Д. Верхотуров, А.Е. Гитлевич, Б.Н. Золотых, Ф.Х. Бурумкулов Г.П. Иванов, В.А. Ким, Л.Г. Меркулов, Л.С. Палатник, И.З. Могилевский, Р. Хольм, К.К. Намитоков, О.В. Кудряков, Ю.Е. Купцов, В.В. Клюев, Р. Хосен, В.Я. Берент и др.

Цель работы заключалась в разработке научных основ формирования структуры и свойств измененного слоя на металлах и сплавах с учетом влияния физических и технологических параметров процесса низковольтной электроискровой обработки.

Анализ путей достижения поставленной цели позволил сформулировать следующие задачи:

1. Определить условия возникновения и продолжительность стадий протекания низковольтного электроискрового процесса, влияние его основных факторов на процесс структурообразования получаемых слоев.

2. Выявить механизмы формирования структуры слоя при использовании электродов из меди, ее сплавов, железа и сталей с различным содержанием углерода в условиях различной температуры нагрева катода.

3. Разработать технологию получения и исследовать эксплутационные характеристики покрытий (износостойкость, коррозионостойкость, жаростойкость), выполненных анодными материалами на основе комплексно-легированных белых чугунов.

4. По результатам исследования влияния низковольтной электрической искры на структуру и свойства контактных проводов и вставок токоприемников железнодорожного транспорта определить механизм их разрушения и разработать методику неразрушающего контроля.

5. Разработать технологию получения покрытий на токопроводящих зажимах контактной сети, обеспечивающих уменьшение переходного электросопротивления между контактным проводом и зажимом для повышения эксплуатационной надежности.

Научная новизна.

1. Установлены и научно обоснованы механизмы формирования измененного слоя при низковольтной электроискровой обработке на катодах из меди и ее сплавов. В случае отсутствия дефектов (трещин и окисных пленок) слой состоит из столбчатых кристаллитов в нижней части и равноосных - в средней и верхней, а при наличии дефектов - из нескольких рядов столбчатых кристаллитов, нормально ориентированных к поверхности по всей его толщине.

2. Выявлен механизм образования белого слоя при использовании электродов из железоуглеродистых сплавов, который заключается в том, что в условиях постепенного наращивания слоя, за счет фазового наклепа и пластической деформации материала в подповерхностной его части возникает и расширяется зона с высокой микротвердостью и коррозионной стойкостью (БС).

3. Установлено, что для образования в слое участков, где кристаллиты основы и слоя представляют собой единое целое, перед нанесением покрытия необходимо проведение предварительной термической или химической активации поверхности катода. Увеличение размера зерна и снижение наклепа в электродных материалах из меди приводят к уменьшению толщины слоя и зоны термического влияния на катодах;

4. Впервые проведена одновременная регистрация электрических, световых и звуковых сигналов, которые «сопровождают» низковольтную электрическую искру, что позволило определить длительность стадий процесса ЭИЛ. Сравнительной оценкой факторов процесса показано, что основное влияние на увеличение твердости слоя оказывают деформации, обусловленные термоупругими напряжениями.

5. Исследовано влияние содержания углерода (от 3,2 до 5,5 мас. %, С), хрома и вольфрама (от 3,5 до 20 мас. %,) как по отдельности, так и в комбинациях на процесс структурообразования, фазовый состав, микротвердость, эрозию и массоперенос новых анодных материалов из белых чугунов для создания покрытий при ЭИЛ.

6. Исследованы механизмы разупрочнения и разрушения контактных проводов и угольных вставок, обусловленные электроискровыми и дуговыми процессами в области их контакта при токосъеме на железнодорожном транспорте, получены зависимости между микроструктурными и механическими свойствами контактирующих элементов с одной стороны и акустическими характеристиками - с другой.

Практическая значимость.

1. Впервые разработана технология получения и использования анодных материалов из доэвтектических, эвтектических, и заэвтектических комплексно-легированных белых чугунов, апробированы новые составы для нанесения покрытий, которые позволяют повысить эксплуатационные характеристики (окалиностойкость, износостойкость, коррозионостойкость) стальных и чугунных изделий.

2. Разработаны и созданы устройства и методики, которые в реальном времени позволяют проводить учет количества «рабочих» электроискровых импульсов, получать информацию о распределении температуры по длине анода, что способствует формированию сигналов обратной связи для обеспечения автоматизации процесса обработки.

3. Разработана технология получения покрытий из меди, медносеребряного и серебряноцинкового сплавов на контактных и заземляющих зажимах электрической сети железнодорожного транспорта, что позволяет снизить переходное электросопротивление и риск появления устойчивых окисных пленок в контактной области.

4. Разработаны режимы предварительного нагрева катода и финишной термической обработки покрытий, полученных методом электроискрового легирования, которые позволяют уменьшить неоднородность структуры и количество трещин в слое.

5. Разработаны и внедрены: методика неразрушающего автоматизированного контроля ультразвуковым методом мест на проводе, со структурой, измененной электроискровым и электродуговым воздействием; устройство и методика акустического контроля внутренней структуры материала контактного токопроводящего зажима; методика входного контроля угольных вставок.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается: использованием хорошо известных в материаловедении методов и методик; применением современных методик физических измерений, сертифицированной аппаратуры; применением современной вычислительной техники и программных средств автоматизации и обработки полученных результатов; согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями.

Реализация работы.

На основании проведенных исследований разработаны и внедрены составы комплексно-легированного белого чугуна для повышения жаро - и износостойкости форсунок для жидкотопливных агрегатов ТЭЦ 2, г. Хабаровск.

Для нужд ОАО РЖД разработаны и внедрены:

- устройство по оценке остаточного ресурса медных контактных проводов, ультразвуковым методом - Красноярская железная дорога;

- технология получения на питающих контактных зажимах покрытий, которые позволяют уменьшить переходное контактное электросопротивление и предотвратить появление устойчивых окисных пленок в контактной области - Дальневосточная железная дорога.

Разработано устройство по подсчету количества электроискровых процессов для использования в блоках управления автоматизированной электроискровой установки.

Предложена новая схема генератора для электроискровой установки на основе цифровых интегральных микросхем, что позволяет изменять в автоматическом режиме параметры импульса в широком интервале значений.

Полученные экспериментальные материалы по упрочнению поверхностей деталей методом ЭИЛ внедрены в учебный процесс ГОУВПО Тихоокеанского государственного университета и используются при чтении специальных разделов и курсов «Материаловедение», «Металловедение и термообработка», «Специальные чугуны» (г. Хабаровск).

Экспериментальные стенды и методики для проведения испытаний элементов контактной сети и токоприемников, а также научные результаты диссертации используются при проведении научно-исследовательских работ, научно-технических экспертиз и учебного процесса в Электроэнергетическом институте и институте повышения квалификации и переподготовки Дальневосточного государственного университета путей сообщения (г. Хабаровск).

В целом, результаты работы могут найти широкое применение в различных областях науки и техники и служить надежной базой для развития фундаментальных научных исследований в материаловедении, физике, химии, металлургии.

Личный вклад автора состоит в обобщении теоретических и экспериментальных результатов исследований проведенных автором как самостоятельно, так и в соавторстве со своими учениками и коллегами по научно-исследовательским и хоздоговорным работам. При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и постановка задач аналитических и экспериментальных исследований, научное руководство и непосредственное участие в экспериментах, обработка результатов и их интерпретация, написание большинства статей и выводов по ним, тезисов докладов, отчетов, а также разработка алгоритмов в зарегистрированных программных продуктах.

Эксперименты проводились совместно с аспирантами и соискателями ученой степени кандидата технических наук Муромцевой Е.В., Теслиной М.А., Ледковым Е.А., Гилем А.В., Титовым Е.А., Кочетовой И.В., Игнатенко И.В., научным руководителем или соруководителем которых автор являлся. Совместными являются научно-исследовательские результаты, связанные с выполнением бюджетных и договорных НИР, проводимых на Красноярской, Забайкальской отделениях железной дороги, где автор являлся ответственным исполнителем.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научно-технических конференциях: Научно-техническая конференция “Дальний Восток России” (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.); Российская конференция «Новые материалы и технологии» (г. Москва 1997 г.); Конференция «Синергетика-98 Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1998г.); Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» I Самсоновские чтения (г. Хабаровск, 1998г.); Международной научной конференции «Синергетика Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000г.); Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» II Самсоновские чтения (г. Хабаровск, 2000 г.); Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (г. Екатеринбург, 2003 г.); 18-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Казань, 2005 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные проекты» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2005 г.); Пятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2005 г.); IV Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Владивосток. 2003 г.): Международной конференции «Современные технологии и материаловедение» (г. Магнитогорск 2003 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (г. Самара 2003 г.); Третьем международном симпозиуме «Eltrans 2005» (г. Санкт-Петербург, 2005 г.); Региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения железных дорог» (г. Хабаровск, 2005г.); XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (г.Екатеринбург, 2005г.); 44-й, 45-й Всероссийских научно-практических конференциях ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (г. Хабаровск, 2005, 2007гг.); VI региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Благовещенск, 2006 г.): 95 - 96.региональных научно-технических конференциях творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006 - 2008 гг.); III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007г.); III Joint China Russia symposium «Advanced materials processing technology» (КНР, Харбин 2008 г.); VI Международной научно-технической конференции (г. Курск 2008 г.); 3-rd International conference on Manufacturing engineering (Kallithea of Chalkidiki, Grece, 2008 г.); 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008 г); I международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск 2009 г.).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 75 научных работах, в том числе в монографии, 6 патентах на изобретения, 2 программных продуктах.

2. Основное содержание работы

Во введении изложены актуальность и сущность рассматриваемых научно-технических проблем, приведена структура работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проведен обзор и анализ литературных данных по теоретическим и экспериментальным работам, посвященным электроискровой обработке, рассмотрены критерии подбора электродного материала и вопросы создания покрытий функционального назначения.

Изобретенный в 1943 году Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко метод электроискровой обработки, впоследствии разделился на два отдельных - электроэрозионная обработка (ЭЭО) и электроискровое легирование (ЭИЛ). Метод ЭИЛ в свою очередь подразделяется на высоковольтный и низковольтный (до 250 в). В данной работе рассматривается низковольтное ЭИЛ.

Основная часть известных публикаций имеет технологическую направленность и не связана с исследованием механизма протекания процесса и формированием структуры измененного слоя на электродах. В публикациях, где эти вопросы затронуты, предлагается два механизма, в основе которых контактное или бесконтактное начало процесса. Анализ результатов экспериментальных исследований по этому вопросу позволяет предположить контактное начало процесса низковольтного ЭИЛ, но до настоящего времени единого мнения не существует. Нет данных по стадиям развития процесса и степени влияния его факторов на формирование структуры и свойств измененного слоя на электродах.

В результате ЭИЛ (как и при использовании других источников КПЭ) на поверхности металлов и сплавов образуется слой, обладающий высокой стойкостью против воздействия растворов кислот, в публикациях он традиционно называется «белый слой» (БС). БС является основным препятствием для исследования структуры металлов и сплавов. Однако, структура некоторых металлов, например, меди и ее сплавов, выявляется методами металлографии, что можно использовать для исследования механизмов формирования слоя.

Основной интерес представляют исследования закономерностей формирования структуры БС железоуглеродистых сплавов, в связи с широким их использованием для нанесения покрытий. В отдельных работах структура БС исследована рентгеноструктурным методом, показана высокая степень измельчения и практически предельная (на гране деструкции материала) плотность дислокаций. Исходя из анализа результатов исследований структуры БС (где удалось ее выявить металлографически), затруднительно установить общие закономерности так как, авторами использовались различные режимы обработки, разноименные электродные материалы, зачастую содержащие легирующие элементы, что препятствует обобщению полученных результатов. Сравнительный анализ результатов исследований структуры и свойств БС полученных с использованием других источников КПЭ показал их сходство, что может способствовать лучшему пониманию процесса структурообразования БС при ЭИЛ.

Исследования в области электродного материаловедения в основном приведены в работах Самсонова Г.В. и Верхотурова А.Д., где указаны критерии выбора и принципы создания электродных материалов. Но до настоящего времени проблема выбора и синтеза новых электродных материалов с более низкой стоимостью является актуальной. Одним из перспективных анодных материалов является белый чугун, комплексное легирование которого позволит получить покрытия, обладающие рядом специальных свойств.

Перспективными являются исследования структурообразования материалов в технических объектах и механизмах, где их эксплуатация сопровождается появлением электрической искры с параметрами близкими к низковольтному ЭИЛ. Анализ показал недостаточное количество работ, в которых исследованы изменяющиеся в результате электроискрового воздействия структуры контактирующих материалов во взаимосвязи с параметрами акустического сигнала, для разработки технологии неразрушающего контроля их свойств.

Во второй главе приведена методология исследований, методы и материалы, использованные в работе. Представлена методика по выявлению структуры БС, и технология получения анодных материалов из чугунов и бронз.

К методологическим особенностям работы относится комплексный подход, заключающийся в изучении физических закономерностей протекания процесса, с определением степени влияния основных факторов, определяющих структурообразование. Основные закономерности формирования структур при ЭИЛ изучали, используя модельный материал - медь и ее сплавы. Затем исследовали закономерности структурообразования на железоуглеродистых сплавах с учетом влияния концентрации содержащегося в них углерода. Для этого была разработана методика выявления структуры БС, которая заключается в поочередном использовании травильных растворов. В процессе проведения исследований, полученные результаты сравнивались с закономерностями структурообразования, выявленными при использовании других источников КПЭ. Это позволило лучше понять механизмы структурообразования и использовать технологические приемы для решения ряда задач в исследуемом методе (рис. 1).

Рис. 1. Блок - схема проведения исследований

В качестве электродных материалов использовались: медь электролитическая, марки М00, М1, армко-железо, технически чистый и электродный вольфрам, уголь (ГОСТ - 14692-78), углеродистые стали (мас. %, С от 0,1 до 1,1), стали марок 10, 20, 30, 45, чугуны СЧ 20, СЧ 15. Методом литья были получены аноды из оловянистой бронзы (0…10% Sn) и белых чугунов доэвтектического, эвтектического и заэвтектического составов (далее по тексту обозначаемые как состав 1, 2, 3 - соответственно). Ферровольфрам для добавок в белые чугуны получали методом алюминотермии из шеелитового концентрата. Для электроискровой обработки применялись серийно производимые установки Элитрон 22, Корона 1103, Элитрон 52Б, далее по тексту - установки I, II, III - соответственно. Дополнительно использовался цифровой генератор (Пат. 66512 РФ), позволяющий получать различную длительность и энергию электроискровых импульсов.

Исследование структуры проводили с использованием оптических микроскопов МИМ 8М, Micro-200, сканирующего атомно-силового микроскопа ЗНЛ NTEGRA, растрового микроскопа «Eva» с микрорентгеноспектральной приставкой и рентгеновских дифрактометров ДРОН-3 и ДРОН-7. Микротвердость определяли с использованием микротвердомера ПМТ 3. Испытания на износостойкость проводили на машине трения МТ-22П и с помощью центробежного ускорителя ЦУК - 3М. Шероховатость поверхности измеряли профилографом модели 296, Калибр 201. Элементный состав определялся на приборе Спектроскан - V. Измерение переходного электросопротивления проводилось с использованием полуавтоматического потенциометра Р348. Исследование параметров акустического сигнала проводилось с использованием прибора А1212, УК - 10 ПМ.

Разработанная методика выявления микроструктуры белого слоя на углеродистых сталях заключается в поэтапном использовании различных травильных растворов. На первом этапе проводилась обработка в реактиве 1 (Раствор HNO3 (4%) в этиловом спирте). Материал основы должен приобрести характерный матово-серый цвет, а БС при этом остается белым. На этом этапе почти не происходит видимых изменений на поверхности слоя, однако установлено, что для получения удовлетворительного конечного результата травления БС такая обработка необходима. Далее, на втором этапе травления, образец подвергался обработке в реактиве 2 (рабочем), приготовленном из исходного раствора реактива 2' (HNO₃ -25мл, HCl - 50мл, K₂Cr₂O₇ -12г, H₂O - 25 мл) в день применения и 2" (раствор А - 2 мл, HF -1 мл, Н₂О -1 мл.). При необходимости можно провести дополнительную обработку пикриновой кислотой, что повышает контрастность структуры слоя.

В третьей главе изложены результаты по исследованию условий возникновения низковольтного электроискрового процесса и длительность стадий его развития. Определены основные факторы процесса (ударная волна, световая вспышка, импульс отдачи, термоупругие напряжения) ЭИЛ и проведена оценка величины инициируемых ими давлений на материал катода. Установлены закономерности формирования структуры ЗО (зона оплавления) на медных и стальных электродных материалах в однократном режиме.

Одновременная регистрация и исследование электрических сигналов и факторов процесса, позволила разрешить ряд неопределенностей, обусловленных условиями возникновения и стадиями протекания процесса, а также установить степень их влияния на структурообразование в измененном слое. Для проведения исследований был разработан специальный стенд, схема которого приведена на рис. 2.

Стенд был оборудован блоком, жестко закрепленным на неподвижной части корпуса вибратора с осветителем 4 и фотодиодом 5 (ФД-24). На аноде 1 закреплялась шторка 3, которая при вибрации анода модулировала световой поток, падающий от осветителя на фотодиод. Устройство позволяло фиксировать перемещение анода с точностью до 2 мкм. Регистрацию изменений электрических параметров в момент электроискрового процесса проводили с использованием осциллографов С1 - 55, TDS 2012 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки

На электроды 1,2 подавался импульс тока от генератора 7. Момент возникновения искрового процесса, сопровождающийся световой вспышкой фиксировали при помощи фотодиода 6 (ФД-3), расположенного непосредственно у места контакта, а возникающий звуковой сигнал - микрофоном 8 МДЭ - 30. С целью визуализации процесса использовали две цифровые фотокамеры (Nicon Coolpix 4500), закрепленные на окуляры бинокулярного микроскопа МБС 10. Как следует из анализа полученных результатов, первым условием искрообразования является совпадение момента физического контакта между электродами 1, 2 с импульсом генератора 7. Часть импульсов тока (U_и), не сопровождается световой вспышкой, что характеризует режим короткого замыкания.

Поэтому вторым условием появления искры является возникновение контакта поперечным сечением менее определенной величины. Фотографирование в условиях затемнения, позволило зафиксировать стадии возникновения световой вспышки, появления и расширения плазменного облака и их взаимосвязь с разлетом эрозионных частиц и остыванием капель материала. На нескольких фотографиях поверхности катода в режиме непрерывной обработки обнаружены две капли разогретого металла, свидетельствующие о возможности одновременного существования двух эрозионных мостиков. Анализ полученных осциллограмм показал (рис. 3), что начало импульсов тока (А) и световой вспышки от фотодиода (Б) не совпадают по времени. При этом время задержки световой вспышки различно, но в предельном случае начало световой вспышки совпадает с максимумом тока генератора установки. Акустический сигнал (Г), учитывая скорость распространения звука в воздухе, совпадает со световой вспышкой, характеризуя момент взрыва материала в контактном мостике с возникновением плазменного облака. Таким образом, становится возможным установить стадии развития процесса и провести оценку степени влияния факторов процесса, на формирование вторичных структур в материалах электродов.

Рис. 3. Осциллограммы сигналов

В момент возникновения контакта происходит нагрев материала в контактном мостике, с плавлением и последующим взрывом, который сопровождается ударной волной (110⁶ Па). При этом появляется световая вспышка (310 Па) от плазменного облака. Испаряющийся материал формирует импульс отдачи (6,410⁵ - 2,510⁶ Па), в зависимости от длительности импульса установки с разлетом эрозионных частиц и выделением с поверхности расплава растворенных в нем газов. Локальный нагрев металла приводит к термоупругим напряжениям (0,510⁸ Па), которые вызывают наклеп расположенного рядом материала. Используемый математический аппарат по оценке развиваемого давления в исследуемых материалах меди (М00) и стали (Ст. 3) заимствован из литературы по лазерной обработке, но с учетом экспериментально полученных данных по длительности стадий процесса и импульса отдачи.

Как следует из анализа результатов, термоупругие напряжения превалируют, что приводит к наклепу материала катода. В соответствии с установленными длительностями стадий протекания процесса ЭИЛ построена зависимость распределения температуры нагрева по поверхности и вглубь металла (рис. 4, а). Зависимость имеет «пичковый» характер, как и при импульсном лазерном воздействии. Деформации в материале распространяются аналогично распространению температурной волны. При этом упрочнение происходит только в слоях, где температура нагрева соответствует температуре холодной обработки давлением для соответствующего материала.

Процесс деформационного упрочнения при ЭИЛ моделировали в режиме однократных импульсов на стали 110Г13, которая используется в работах по исследованию взрывного воздействия на металлы. На рис.4, б видны линии скольжения расположенные в металле основы и ориентированные в направлении ЗО. Известную негомогенность свойств БС можно объяснить случайным характером распределения искровых процессов по времени и различным их количеством на конкретном участке.

Процесс электроискровой обработки всегда сопровождается нагревом электродов и особенно анода. С увеличением времени обработки со стороны рабочего края анода заметно расширение зоны с высокой температурой. Как показали металлографические исследования, нагрев анода приводит к росту количества оксидов на поверхности и внутри анодного материала.

а б

Рис. 4. Распределение температуры в зависимости от времени при различных расстояниях r от центра искрового канала до точки «наблюдения» (а) и линии скольжения в стали 110Г13 (б). 1 - r = 1 мкм, 2 - 2 мкм, 3 - 3 мкм, 4 - 4 мкм.

Методом яркостной пирометрии были установлены зависимости распределения температуры нагрева анодов от их состава, размерных параметров и режимов электроискровой обработки. Для регистрации распределения температуры в процессе электроискровой обработки использовали специальную кольцевую насадку с расположенными внутри нее рабочими спаями двух термопар. Насадка, закрепляется на определенном расстоянии от рабочего конца анода, что позволяет измерять температуру в двух точках с передачей информации посредством АЦП в ПЭВМ. Далее, используя значения температур в двух точках и ранее полученные зависимости, методом аппроксимации программный комплекс рассчитывает распределение температур по всей длине анода в режиме реального времени, включая область наиболее нагретой части анода, где аппаратурное измерение затруднено. Разработанная методика и программный комплекс (свидетельство о регистрации № 2008610770) позволяют проводить регулировку режимов обработки в реальном времени. При этом расчетным путем программа подбирает длительность и скважность электроискровых импульсов цифрового генератора (Пат. 66512 РФ), при которых температура нагрева участка электрода не превышает заданную. Так как постоянно ведутся работы по созданию новых электродных материалов, в программе предусмотрена возможность обновления параметров материала.

Таким образом, на основании полученных результатов (2 - 4 главы) разработана и опробована система автоматизированного слежения и управления процессом обработки ЭИЛ (на базе станка с числовым программным управлением). В качестве входных сигналов и сигналов обратной связи для программного комплекса использовали: звуковой сигнал, напряжения U_и и U_п, температуру нагрева анода. Регулируемыми параметрами являлись: частота следования, амплитуда и длительность электроискрового импульса генератора, сила прижатия анода к катоду, скорость перемещения анода относительно катода. Для стабилизации условий обработки сделали насадку на анод, которая позволяет охлаждать верхнюю часть анода и создавать контролируемую газовую среду в области обработки.

Одним из принципов подбора режима обработки при ЭИЛ является массоперенос. При использовании эрозионностойких электродов в начале обработки отмечается уменьшение массы катода, хотя на его поверхности металлографическим и рентгенофазовым анализами обнаруживается слой анодного материала. Проведенными исследованиями установлено, что нагрев электродов приводит к уменьшению их массы за счет снижения толщины поверхностной паровоздушной пленки. При этом величина уменьшения массы паровоздушной плёнки прямо пропорциональна росту температуры нагрева (до 100 С), площади поверхности образцов и влажности окружающей атмосферы. Установлено, что для получения достоверных кинетических зависимостей изменения массы образцов при ЭИЛ необходимо охладить образцы до температуры окружающей среды перед их взвешиванием. Кроме этого отмечается более высокая амплитуда звукового сигнала в начале приработки, что свидетельствует о наличии паровоздушной пленки на поверхности катода и о возможности установить время окончания процесса приработки на катоде.

Механизмы структурообразования при ЭИЛ исследованы не достаточно - это связано со сложностью самого процесса. В тоже время работ посвященных изучению структурообразования при воздействии на металлы других источников КПЭ лазерного, взрывного, ионоплазменного - значительно больше. Это позволяет, находя аналогии в физике процессов, формирующихся структурах, лучше понять и объяснить механизм формирования структуры при ЭИЛ. В связи с этим был проведен сравнительный анализ структур материалов, образованных электроискровым разрядом, и структур, возникающих после лазерного оплавления (ЛО). Сравнительный анализ макро - и микроструктуры эрозионных следов от ЭИЛ и лазерного воздействия (с оплавлением), имеют ряд общих размерно-геометрических и структурных параметров и свойств.

Для экспериментов в режиме однократных импульсов использовали одноименные электроды из мало-, средне- и высокоуглеродистых сталей и установки I - III. Необходимо отметить широкий интервал колебаний размеров составляющих эрозионных следов (ЗО и зона оксидов), что согласуется с ранее полученными результатами. Исследование поверхностей и сечений эрозионных следов позволило составить схему расположения структурных составляющих (на примере сталь 45), которая не зависит от установки. Исключение составляет эрозионный след, полученный на установке III, где центральная часть ЗО содержит каплеобразный выступ - всплеск (по аналогии с ЛО), что связано с большей глубиной и объемом расплава ЗО и большей длительностью импульса генератора этой установки.

Во всех экспериментах БС не образуется, а составляющие структуры эрозионного следа выявляются стандартными травильными растворами. Причем травлением может выявляться как первичная, литая структура в виде кристаллитов, так и их внутреннее микроструктурное строение.

При использовании одноименных электродов из низкоуглеродистой стали, в ЗО обнаружены равноосные зерна, причем в центре размер зерен максимален от 9 до 21 мкм, а на краю - от 1,5 до 4 мкм, что характерно для расплава, существующего более длительное время. На установке III разница между размерами зерен в центре и периферии ЗО отличается не значительно, хотя в целом размеры изменяются в большем интервале (2,5-6 мкм), что объясняется относительно большим объемом расплава и его перемешиванием.

Максимальные отличия в формировании микроструктуры эрозионных следов при использовании электродов из средне- и высокоуглеродистой стали отмечаются при использовании установки III. Центральная часть поверхности ЗО представлена только ячеистой структурой. При этом поверхность валика ЗО состоит из участков с ячеистой и дендритной структурами, причем дендриты расположены послойно. Всплеск в центре ЗО (в том случае, когда он присутствует) состоит из дендритов с преимущественной ориентировкой осей первого порядка. По периферии ЗО в отдельных эрозионных следах выявляется мартенситная структура. В сечении ЗО ниже поверхности выявляется структура, состоящая из столбчатых кристаллитов. На поверхности столбчатые кристаллы выявляются как равноосные зерна или ячейки.

Из анализа полученных результатов следует, что образование равновесных кристаллитов в низкоуглеродистой стали, определяется узким интервалом ее кристаллизации и меньшими размерами ЗО. Микроструктура в большинстве случаев определяется как мартенсит, твердость которого зависит от содержания углерода в электродных материалах. Аналогичное структурное строение ЗО приводится исследователями в работах по ЛО. Дополнительно исследовали влияние длительности импульса генератора (от 9 до 600 мкс) на размер эрозионного следа на катоде стали марки 45 (анод - медь). При этом средний диаметр эрозионного следа на отожженном катоде изменяется от 180 до 730 мкм, а на закаленном - от 70 до 300 мкм. Отсутствие прямой зависимости между размером эрозионного следа и длительностью импульса подтверждает принятый в работе механизм низковольтного ЭИЛ и влияние исходного структурного состояния катода.

Таким образом, характер образующихся кристаллитов и их структура зависит от состава сплава, параметров установки и определяется законами неравновесной кристаллизации.

В четвертой главе установлен механизм структурообразования поверхностных слоев на меди, железе и их сплавах при ЭИЛ одноименными и разноименными электродами в многократном режиме. Определено влияние нагрева и охлаждения катода, состава окружающей атмосферы на структуру и свойства слоя. Установлен механизм формирования слоя и причины его высокой коррозионной стойкости и твердости.

Медь и ее сплавы, использованные в работе как модельные, не образуют белых слоев (БС), с характерной высокой твердостью и коррозионной стойкостью, структура поверхностного слоя в этом случае выявляется стандартными для материала основы травильными растворами. Поэтому вместо БС в этом случае будет использовано понятие ЗО. При использовании электродов из меди в ЗО обнаружены участки с двумя различными механизмами формирования структуры. По первому механизму, в случае отсутствия трещин и окисных пленок, слой является сплошным, хотя на поперечных шлифах ЗО можно условно разделить на три части по количеству равноосных зерен и размерным параметрам столбчатых кристаллитов (рис. 5, а). Нижняя часть, прилегающая к основе, при условии ширины трещин между слоем и ЗТВ (зона термического влияния) менее 0,3 мкм, состоит из мелких столбчатых кристаллитов (шириной 0,5-2 мкм, длиной 4-7 мкм). В этой части ЗО находятся только столбчатые кристаллиты, ориентированные перпендикулярно к основе, на отдельных участках они расходятся веерообразно (веерообразная кристаллизация). Средняя часть ЗО представлена равноосными зернами и столбчатыми кристаллитами. Верхняя часть ЗО состоит из равноосных или столбчатых кристаллитов с меньшими размерами, чем в средней части.

На участках, сформированных по второму механизму, характерных зон не обнаружено. Слой состоит из рядов столбчатых кристаллитов, которые расположены послойно друг над другом и разделены трещинами или окисными пленками (рис. 5, б).

а б

Рис. 5. Микроструктура ЗО в зависимости от механизма структурообразования: а - по первому; б - по второму.

При этом столбчатые кристаллиты уширяются в верхней части каждого подслоя. Размерные параметры столбчатых кристаллитов, особенно в нижней части слоя, не существенно отличаются от размеров кристаллитов нижней зоны слоя образованного по первому механизму.

Исследование влияния дополнительного нагрева катода на формирование структуры медного слоя показало, что предварительный нагрев медного катода до 50 С, не влияя на толщину слоя (40-50 мкм), уменьшает количество трещин, при этом структура формируется по первому механизму. На отдельных участках наблюдается перекристаллизация в ЗТВ, в этом случае кристаллиты в основе и нижней части слоя составляют единое целое. В литературе указан способ уменьшения количества трещин в слое посредством предварительного нагрева катода, но механизм явления не изучен. Проведенные исследования показали, что при нагреве происходит активация поверхности катода, вследствие удаления при нагреве части паровоздушной пленки (см. глава 3). Активация поверхности проводится и при других методах, например, плазменных и может быть рекомендована для ЭИЛ. Повышение температуры нагрева (от 50 до 150 С) приводит к росту количества оксидов в слое вследствие увеличения времени нахождения нагретой поверхности катода при температурах оксидообразования меди.

Обработка катода, погруженного в жидкий азот, приводит к формированию слоя с минимальным содержанием трещин и оксидов, состоящего из равноосных зерен размером 0,5 мкм, что связано с наличием защитной атмосферы и высокой скорости кристаллизации.

Известно, что состав и структура материала определяют его свойства. При неизменном составе основное влияние на свойства (твердость, коррозионную стойкость и т. д.) оказывает структура. Поэтому в работе исследовалось влияние исходного размера зерна медных электродов на структуру и параметры ЗТВ и слоя. Различные структуры в электродных материалах были получены посредством нагрева и выдержки в печи при температурах от 100 до 800 С. В основном термическая обработка электродов не существенно влияет на кинетические зависимости изменения масс электродов и структуру слоя. Образование изометрической структуры (при 400С) и рост зерна при дальнейшем нагреве до 800 С в медных электродах приводят к увеличению эрозии анода и уменьшению привеса катода, толщины ЗО и ЗТВ. Наибольшая эрозия анода и наименьший привес катода отмечается при использовании электродов, термически обработанных при температуре 800 С. По-видимому, адгезия материала ЗО с увеличением размера зерна в электродных материалах уменьшается.

Наиболее существенно микроструктура электродов влияет на структуру и толщину ЗТВ. При обработке катода с исходной (линейно-ориентированной структурой) ЗТВ состоит из равноосных зерен (d = 4,4 мкм) и одного ряда вытянутых кристаллитов (длиной 17 мкм, шириной до 6 мкм). При температуре термообработки 400С ЗТВ состоит из равноосных зерен (3,5-4 мкм, в 1,5_2 раза меньше размера зерна основы). ЗТВ практически отсутствует при использовании электродов с максимальным размером зерна (800 С). Параллельно с металлографическими исследованиями влияния термической обработки на размер зерна D и твердость H₂₀ электродных материалов изучали возможность неразрушающего контроля этих параметров посредством измерения коэффициента ослабления () ультразвуковых (у.з.) колебаний. Как следует из анализа полученных результатов, параметры , D и H₂₀ связаны линейной корреляционной зависимостью, причем D и ( H₂₀). В указанных экспериментах коэффициент корреляции достигал величин порядка 0,8 и более, что говорит о тесной связи рассматриваемых характеристик. Кроме этого дополнительным экспериментом показана возможность использования акустического сигнала для оценки структуры и механических свойств медного контактного провода, используемого на железнодорожном транспорте, подвергнутого электроискровому воздействию.

Для изучения процесса рекристаллизации в слое, полученном при использовании электродов с исходной линейно-ориентированной структурой, проводили термическую обработку образцов со слоем при температурах 100, 200, 300 и 400 С и длительности выдержки в печи 600 с. Исходная микроструктура слоя состоит из большого количества зон, сформированных по второму механизму - послойно расположенных слоев столбчатых кристаллитов (шириной 1,6-3,7 мкм, длиной 5-11 мкм). Текстура в слое сохраняется до температуры термообработки, равной 300 С, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа.

В образцах, термообработанных при 100 С, изменений в структуре слоя не обнаружено. Однако по данным рентгеноструктурного анализа при этой температуре начинается процесс уменьшения напряжений. Термическая обработка при 200 С способствует увеличению толщины столбчатых кристаллитов и появлению равноосных зерен, а нагрев до 300 С приводит к резкому увеличению количества равноосных зерен размером от 1 до 1,8 мкм. Структура слоя полностью состоит из изометрических зерен (1,3-2,4 мкм) после термической обработки при 400 С. Таким образом, температуры рекристаллизации в слое и электродных материалах не отличаются, что свидетельствует об отсутствии наклепа в слое.

Исследование механизма структурообразования при использовании разноименных электродных материалов проводили с использованием электродов из оловянной бронзы (до 10% масс, Sn), алюминиевой бронзы марки БрА9Ж3Л, малоуглеродистой стали и вольфрама. Олово и алюминий образуют с медью твердые растворы. В стали и вольфраме медь практически нерастворима. Механизм формирования слоя при ЭИЛ анодами из оловянной бронзы не отличается от механизма, приведенного выше, для медных электродов.

Материал катода из алюминиевой бронзы при использовании медных анодов легко идентифицируется в слое по составу (микрорентгеноспектральный анализ) и цвету (в оптическом микроскопе). Установлено, что в большинстве случаев в верхней и средней части слоя преобладает медь, а в нижней - бронза. Часть участков в слое по цвету занимает некоторое промежуточное положение между цветом бронзы и меди. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что цвет таких участков коррелирует с содержанием в них алюминия (от 2 до 8 мас. %). Чем меньше в металле алюминия, тем он ближе по цвету к меди. Характерно отсутствие в нижней зоне слоя мелких столбчатых кристаллитов, что связано с меньшей теплопроводностью бронзы. Слой в средней части состоит из крупных вытянутых кристаллитов (ширина 2,5-6 мкм, длина 6,4-23,8 мкм), не имеющих строго вертикальной ориентировки.

Отклонение кристаллитов от вертикального положения (до 45) можно объяснить различием состава смежных участков (медь, бронза). Основное отличие микроструктуры слоя, сформированного на бронзе и на меди при использовании медного анода, заключается в размере зерна, что связано с более высокой температурой нагрева катода (рис. 6, а). В верхней части слоя формируются мелкие (ширина 0,7-2 мкм, и длина 5-13 мкм) столбчатые кристаллиты (идентичные столбчатым кристаллитам в слое со вторым механизмом структурообразования при обработке медными электродами). Структура ЗО меди формируется в соответствии с первым механизмом и не зависит от установки и используемого режима. Однако необходимо отметить наличие ряда участков в слое, где структура слоя отличается от выше описанной. На участках, которые по составу ближе к бронзе, микроструктура представлена крупными равноосными зернами (1,8-5,7 мкм). Другая часть участков с большим содержанием меди состоит из столбчатых кристаллов (ширина 2-5 мкм, длина 9-20 мкм.). Образование таких участков, по-видимому, происходит вследствие перемешивания материалов катода и анода с преобладанием одного из материалов, что и определяет форму и размеры кристаллитов.

а б

Рис. 6. Микроструктура переплавленного слоя: а,- слой, полученный на алюминиевой бронзе при ЭИЛ медью; б - слой, полученный на меди при ЭИЛ вольфрамом, 1 - участок вольфрама в слое, 2 - основа, 3 - участок меди в слое.

При обработке бронзовым анодом медного катода слой состоит из меди. Микроструктура слоя представлена вытянутыми кристаллитами, ориентированными перпендикулярно поверхности обработки. Характерное мозаичное строение слоя образуется и при использовании медных и стальных электродов. Выбор вольфрама и меди в качестве электродных материалов обусловлен тем, что эти металлы, практически не растворимы друг в друге и идентифицируются по цвету в оптическом микроскопе, что позволяет проследить характер их расположения в слое. Исследованием макроструктуры поверхности катода выявлено наличие металла анода (вольфрам). Микроструктура поверхности участков на катоде (медь), выявленная металлографическим травлением, представлена равноосным зерном размером от 1 до 2 мкм. Исследование поперечных шлифов катодов выявило наличие в слое (толщиной до 120 мкм) трех типов включений.

К первому типу относятся глобулярные и близкие к ним по форме отдельные включения меди и вольфрама. Второй тип - включения каплевидной формы, состоящие из двух половинок обоих металлов. Третий тип представлен частицами вольфрама с признаками хрупкого разрушения. Необходимо отметить, что включения третьего типа в большинстве случаев располагаются в нижней части слоя (6, б). Отмеченная особенность характеризует начальный момент формирования слоя, при котором преобладает хрупкое разрушение анода. Таким образом, экспериментально установлено, что микроструктура участка слоя определяется его составом, который изменяется в результате протекания процессов прямого и обратного массопереноса.