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

Как показали исследования для повышения окалиностойкости чугуна в катодном материале необходимо иметь феррито-графитную структуру (после полного графитизирующего отжига). В противном случае может произойти графитизация чугуна в катодном материале, вследствие чего его размер растет и наблюдается разрушение оксидной пленки, предохраняющей от дальнейшего окисления. Наиболее окалиностойкими являются многослойные покрытия, получаемые следующими анодными материалами: FeMn + Cr + состав 2 (по мас.%: 14 Cr; 21 W; 10 Al); FeMn + Cr + состав 3 (по мас.%: 21 Cr; 14 W; 10 Al); состав 2 (по мас.%: 14 Cr; 21 W; 17 Al). Скорость окисления многослойных покрытий, полученных анодными материалами 1-3 составляет соответственно 210 г/м², 100 г/м², 240 г/м² после однократного нагрева при 920 С в течение 13 часов.

Таким образом, показана возможность повышения эксплуатационных свойств покрытий с использованием анодов из комплексно-легированных белых чугунов.

катод мель термообработка электроискровой

Общие выводы

1. Научные основы структурообразования металлов и сплавов при ЭИЛ позволяют получать покрытия с заданными свойствами при: предварительной активации поверхности катода и приработке анода; проведении процесса обработки в автоматизированном режиме реального времени с регулированием температуры анода и катода; контролируемом составе окружающей газовой среды; подборе анодного материала соответствующего состава структуры и свойств; финишной термической обработке.

2. Использование электродов из меди и ее сплавов в качестве модельных материалов для изучения структурообразования позволило установить два основных варианта микроструктурного строения слоя на катодах. При отсутствии дефектов (трещин и окисных пленок) слой состоит из столбчатых кристаллитов в нижней части и равноосных - в средней и верхней, а при наличии дефектов - из слоев столбчатых кристаллитов нормально ориентированных к поверхности и разделенных дефектами. Установлено, что при использовании электродов меди, бронз, стали и вольфрама слой на катоде формируется в результате многократного переноса материала между электродами, даже в условиях монотонного увеличения массы на катоде.

3. Разработанная методика выявления структуры БС железоуглеродистых сплавов посредством поочередного использования ряда травильных растворов позволила исследовать механизм его формирования. Установлено, что в условиях постепенного наращивания слоя на катоде, в нижней его части начинает формироваться, и расширяется с увеличением толщины слоя зона с высокой микротвердостью и коррозионной стойкостью (БС) в результате деформации от термоупругих напряжений, фазового наклепа и твердорастворного упрочнения атомами кислорода и азота.

4. Одновременная регистрация световой вспышки, акустического сигнала, электрических параметров и перемещения анода позволила установить продолжительность и стадии низковольтного электроискрового процесса, а сравнительный анализ основных факторов процесса по величине давления в материале катода показал, что основное влияние на увеличение твердости слоя оказывают деформации, обусловленные термоупругими напряжениями. Разработана методика контроля распределения температуры по длине анода термопарами непосредственно в процессе обработки, на основе предварительно установленных закономерностей полученных методом яркостной пирометрии.

5. Разработана технология получения новых анодных материалов из белых чугунов доэвтектического, эвтектического и заэвтектического составов методом отбора их расплавов в кварцевые трубки. Исследовано влияние добавок (мас.%: 3,5 - 21,0) легирующих элементов (Cr, W) как по отдельности, так и в комплексе на их структуру и свойства, а полученные ЭИЛ покрытия на стальных и чугунных изделиях позволяют повысить эксплуатационные свойства (окалиностойкость, износостойкость, коррозионостойкость). Максимальные значения эрозии и массопереноса, лучшие показатели эксплуатационных свойств и качества покрытий достигаются комплексным легированием (Cr + W) белых чугунов этектического и заэвтектического составов.

6. Исследование влияния исходного размера зерна в медных электродах на структуру и параметры ЗТВ и слоя показало, что наибольшая эрозия анода и наименьшие привес катода и толщина ЗО и ЗТВ отмечаются при использовании электродов с изометрической структурой (нагрев 800 С). При использовании стальных электродов с различной исходной структурой максимальный массоперенос и высокое качество поверхности обеспечивается электродами с закалочными структурами (троостит, мартенсит), использование других структур требует приработки.

7. Для уменьшения количества дефектов в покрытии и на границе с основой необходимо проведение термической активации поверхности катода посредством нагрева, например, высокоуглеродистые стали достаточно нагревать до 50 С, а низко- и среднеуглеродистые до 100 С, более высокие температуры нагрева резко уменьшают твердость слоя. Финишная термическая обработка с нагревом до температуры 100 С и выдержкой продолжительностью не менее 600 с. позволяет существенно повысить однородность микроструктурного строения слоя по сечению.

8. Исследования измененных электроискровым и дуговым воздействием структур медных контактных проводов и угольных вставок, позволили выявить механизм разрушения проводов контактной сети, заключающийся в возникновении локальной пластической деформации вследствие электроискрового или электродугового воздействия на провод. Полученные корреляционные зависимости между изменением структуры провода от искрового воздействия с одной стороны и коэффициентом затухания ультразвукового сигнала и механическими свойствами провода с другой, позволили разработать методику определения поврежденных мест.

9. Разработаны и внедрены: методика неразрушающего автоматизированного контроля ультразвуковым методом мест с измененной электротермическим воздействием структурой и остаточного ресурса контактных проводов, устройство и методика акустического контроля внутренней структуры материала контактного токопроводящего зажима и угольной вставки. Получены покрытия из меди и медносеребряного и серебряноцинкового сплавов на контактных и заземляющих зажимах, что позволяет снизить переходное электросопротивление и риск появления устойчивых окисных пленок в контактной области. Покрытия, полученные методом ЭИЛ на рабочей поверхности форсунок котлоагрегатов с применением анода из белого комплексно-легированного чугуна эвтектического состава, позволяющие увеличить жаро-износостойкость в два раза по сравнению с форсунками без покрытия.

Основные положения диссертации опубликованы в 75 работах, наиболее значимые из которых следующие

1. Химухин С.Н Ферровольфрам из Дальневосточного сырья / С.Н. Химухин, Ри Хосен, Е.В. Попова // Литейное производство. - 1997. - № 8-9 - С.12.

2. Химухин С.Н. Электродный материал из белых чугунов, легированных хромом /С.Н. Химухин // Вопросы материаловедения. - 2005. - № 4 (44). - С.37-42.

3. Химухин С.Н. Условия возникновения искрового процесса при низковольтной электроискровой обработке / С.Н. Химухин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 1. - С. 12-15.

4. Верхотуров А.Д. Электродный материал из белых чугунов, легированных вольфрамом / А.Д. Верхотуров, С.Н. Химухин //Перспективные материалы. -2006. - № 5 - С. 49-53.

5. Верхотуров А.Д. Белый чугун в качестве электродов для электроискровой обработки / А.Д. Верхотуров, Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин // Перспективные материалы. - 2005. - № 2. - С. 61-66.

6. Химухин С.Н. Особенности структурообразования при электроискровой обработке меди / С.Н. Химухин, А.Д. Верхотуров, М.А. Теслина // Технология металлов. - 2007. - № 5. - С.14-17.

7. Теслина М.А. Формирование эрозионных частиц при электроискровой обработке / М.А. Теслина, С.Н. Химухин, А.Д. Верхотуров // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 8. - С. 45-48.

8. Кондратьев А.И. Влияние исходной структуры электродов на параметры процесса электроискрового легирования / А.И. Кондратьев, Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 6. - С.26_30.

9. Пячин С.А. Установка для исследования электрических и оптических параметров импульсных искровых разрядов / С.А. Пячин, Б.Я. Маслов, С.Н. Химухин, М.А. Пугачевский / Измерительная техника. - 2003. - № 8. - С.43_46.

10. Кондратьев А.И. Влияние термообработки на акустические характеристики материалов / А.И. Кондратьев, А.Н. Иванов, С.Н. Химухин // Дефектоскопия. - 2006. - № 3. - С. 28-36.

11. Кондратьев А.И. Построение математической модели процесса электроискрового легирования. / А.И. Кондратьев, И.В. Кочетова, С.Н. Химухин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. - № 8. - С. 6-9.

12. Ли В.Н. Механизмы разупрочнения и разрушения контактного провода / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, С.Н. Химухин, Е.В. Муромцева // Дефектоскопия. - 2003. - № 12. - С. 32-38.

13. Ли В.Н. Контроль микроструктуры контактного провода акустическим методом / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, С.Н. Химухин, Е.В. Муромцева // Дефектоскопия. - 2003. - № 12. - С. 39-45.

14. Ли В.Н. Построение математической модели нагрева контактного провода электрической дугой / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, И.В. Кочетова, С.Н.Химухин // Контроль. Диагностика. - 2005. - № 8. - С. 16-18.

15. Ли В.Н. Улучшение характеристик токопроводящих зажимов контактной сети / В.Н. Ли, С.Н. Химухин // Мир Транспорта. - 2005. - № 2. - С.52_56.

16. Ли В.Н. О механизмах разрушения угольных вставок токоприемников / В.Н. Ли, С.Н. Химухин // Мир Транспорта. - 2005. - № 3. - С. 80-82.

17. Ли В.Н. Разработка методов контроля угольных вставок токоприемников / В.Н. Ли, П.В. Костюк, С.Н. Химухин // Контроль. Диагностика. - 2006. - № 6 (96). - С.20-23.

18. Ли В.Н. Диагностика токопроводящих зажимов контактной сети / В.Н. Ли, П.В. Костюк, А.И. Кондратьев, С.Н. Химухин // Контроль. Диагностика. - 2006. - № 5.-С.27_31.

19. Ли В.Н. Неразрушающий контроль состояния контактного провода / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, Е.А. Титов, И.В. Игнатенко, С.Н. Химухин // Изв. вузов. Приборостроение. СПб: Изд-во Санкт-Петебургского гос. ун-та информ. технологий, механики и оптики, 2007. - № 9. Т. 50. - С.61_65.

20. Ли В.Н. Улучшение токопроводящих свойств зажимов контактной сети / В.Н. Ли, И.В. Игнатенко, С.Н. Химухин, М.А. Теслина // Вестник Ростовского ГУПС. - 2008. - № 4.- С. 119 - 124.

21. Davydov V.M. Improvement of coating quality obtained by electro spark alloying with nonabrasive ultrasonic finishing polishing/ V.M. Davydov, S.N. Khimukhin, E.A. Ledkov, A.V. Gil // 3-rd International conference on Manufacturing engineering. Kallithea of Chalkidiki, Grece, 1-3 October, 2008. C. 199-204.

22. Муромцева Е.В. Влияние действительного зерна анодного материала на массоперенос при электроискровом легировании / Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин // Принципы и процессы создания неорганических материалов: материалы международного симпозиума (I Самсоновские чтения). Хабаровск: Дальнаука, 1998. - С. 101.

23. Химухин С.Н. Некоторые закономерности искровой обработки электродными материалами из белых чугунов. Бюллетень научных сообщений / С.Н. Химухин, Е.Ф. Кабакова, Е.В. Муромцева // Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1999. - № 4. - 99 с.

24. Муромцева Е.В. Использование белого чугуна в качестве электродного материала для электроискрового легирования. / Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин, Е.Ф. Кабакова, Хосен Ри // Вестник Амурского государственного университета. - 2000. - Вып. 9. С. 20-21.

25. Ри Хосен Технология выплавки ферровольфрама. Создание материалов и покрытий при комплексном использовании минерального сырья / Хосен Ри, С.Н. Химухин, Е.В. Попова, Е.В. Муромцева и др. - Владивосток: Дальнаука, 1998.

26. Маслов Б.Я. Влияние энергии электроискрового импульса на размер следограммы / Б.Я. Маслов, С.Н. Химухин // Принципы и процессы создания неорганических материалов, материалы международного симпозиума (II Самсоновские чтения). Хабаровск: Дальнаука, 2000. - С. 215-216.

27. Маслов Б.Я. Исследование условий возникновения искрового разряда при низковольтной электроискровой обработке / Б.Я. Маслов, Е.В. Муромцева, Н.Ф. Бомко, С.Н. Химухин // Вестник Амурского государственного университета. - 2001. - Вып. 11. С. 50-52.

28. Ли В.Н. Использование диагностического комплекса на базе ВИКС для оценки состояния контактного провода / В.Н. Ли, Е.А. Титов, С.Н. Химухин // Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте: тр. 3-го междунар. симп. «Eltrans 2005». - СПб.: Типография Сфера-Медиа Арт, 2005. - С. 101-102.

29. Кондратьев А.И. Условия искрообразования и влияние структуры электродов на показатели процесса ЭИЛ / А.И. Кондратьев, Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин // Исследования Института материаловедения в области создания материалов и покрытий. - Владивосток: Дальнаука, 2001. - С. 231.

30. Кузьменко А.П. Механизмы микроструктурирования при лазерной обработке / А.П. Кузьменко, С.Н. Химухин, Н.А. Кузьменко // Вестник ТОГУ, - 2007. - № 4 (7). - С. 123-134.

31. Titov E.A. Investigation of loss of strength mechanisms and monitoring of contact wire characteristics / E.A. Titov, V.N. Li, S.N. Khimukhin, E.V. Muromtseva, M.A. Teslina // Modern materials and technologies 2007. Materials of international VIII Russia-China Symposium: two volumes / Khabarovsk: Pacific National University, 2007. - Vol. 2. -P.49-52.

32. Verhoturov A.D. About application of regularity of the self-organizing theory and following description of processes at electro spark alloying method / Verhoturov A.D., S.N. Khimukhin, Gill A.V. // Modern materials and technologies 2007. Materials of international VIII Russia-China Symposium: two volumes / Khabarovsk: Pacific National University, 2007. - Vol. 1. -P.49-52.

33. Ледков Е.А. Стабилизации электроискровой обработки / Е.А. Ледков, В.М. Давыдов, С.Н. Химухин и др. // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях. Материалы I международной научно-практической конференции Ч. 2. - / Курск: Изд-во КурГТУ, 2009. - С. 76 - 79.

34. Пат 2181646 РФ С2 7В23Н9/00 Электродный материал для электроискрового легирования / Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин; (РФ); заявитель и патентообладатель ИМ ХНЦ ДВО РАН (RU). - 20001022392006108337, заявл. 28.01.00; опубл. 27.04.02. Бюл. № 12.- 3 с.: ил

35. Пат. 64568 РФ, U1 МПК B60M 1/12. Испытательный стенд для образцов токоподающего провода / В.Н. Ли, С.Н. Химухин, Е.А. Титов, И.В. Игнатенко (РФ); заявитель и патентообладатель ДВГУПС (RU). - № 2007107634; заявл. 28.02.07; опубл. 10.07.07. Бюл. № 19.- 3 с.: ил.

36. Пат. 64569 РФ, U1 МПК B60M 1/24. Зажим для соединения проводов контактной подвески / В. Н. Ли, С. Н. Химухин, М. А.Теслина, И. В. Игнатенко (РФ); заявитель и патентообладатель ДВГУПС (RU). - № 2007107639; заявл. 28.02.07; опубл. 10.07.07. Бюл. № 19.- 3 с.: ил.

37. Пат. 66512 РФ, U1 МПК G01B7/00 Цифровой генератор формирования импульсов / И.В. Кочетова, Б.Я. Маслов, С.Н. Химухин (РФ); заявитель и патентообладатель ТОГУ (RU). - 2006108337, заявл. 16.03.06; опубл. 10.09.07 г. Бюл. № 25.- 3 с.: ил

38. Пат. 2328362 РФ, С2 7В23Н9/01 Электродный материал для электроискрового легирования / Химухин С.Н., Муромцева Е.В. (РФ); заявитель и патентообладатель ДВГУПС (RU). - № 2008027634; заявл. 28.02.08; опубл. 10.06.08. Бюл. № 10.- 2 с.: ил.

36. Пат. 57447 РФ, U1 МПК G01B7/00 Устройство для подсчета количества искровых процессов при электроискровом легировании / Кочетова И.В. Химухин С.Н. (РФ); заявитель и патентообладатель ТОГУ (RU). - 2006117543, заявл. 22.05.06; опубл. 10.10.06 г. Бюл. № 23.- 4 с.: ил

37. Кочетова И.В., Химухин С.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008610770 Программа для оптимизации рабочих параметров электроискровых установок для получения покрытий с заданными свойствами / Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.02 2008 г.

39. Кочетова И.В., Химухин С.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611327 Программа для исследования электроискрового процесса на механизм формирования вторичных структур материалов/ Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17.03 2008 г.

40. Ли В.Н. Неразрушающий контроль элементов контактной сети и токоприемников электроподвижного состава электрифицированных железных дорог: монография / В.Н. Ли, С.Н. Химухин. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - 266 с.

Размещено на Allbest.ru