Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

ІНЖЕНЕРНО-ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ФІЗИКИ МЕТАЛІВ

Магістерська дисертація

на здобуття ступеня магістра

зі спеціальності 132 Матеріалознавство

на тему: «Вплив дробоструменевої та ударної обробки на структуру та властивості Cr-Ni електроіскрових покриттів на сталі 45»

Виконав:

Мелашенко Костянтин Вадимович

Засвідчую, що у цій магістерській дисертації немає запозичень з праць інших авторів без відповідних посилань.

Київ - 2018 року



Реферат

Магістерська дисертація: 103 сторінка, 32 рисунки, 17 таблиць, 56 літературних джерел.

ЕЛЕКТРОІСКРОВЕ ЛЕГУВАННЯ (ЕІЛ), УДАРНА ОБРОБКА, ДРОБОСТРУМЕНЕВЕ ЗМІЦНЕННЯ, ЛЕГОВАНИЙ ШАР, СТАЛЬ 45, ХРОМ, НІКЕЛЬ

Мета роботи: дослідження впливу ударної обробки та дробоструменевого зміцнення на структуру та мікротвердість покриттів на сталі 45, одержаних електроіскровим легуванням у послідовності Cr-Ni та Ni-Cr.

Методи дослідження: мікроструктурний, мікродюрометричний, гравіметричний та рентгеноструктурний.

Предмет дослідження: поверхневі шари сталі 45, отримані електроіскровим легуванням хромом та нікелем після ударної обробки та дробоструменевого зміцнення.

Практичне значення: отримані в роботі результати та встановлені закономірності формування структури та властивостей легованих шарів після процесу електроіскрового легування та механічної (ударної та дробоструменевої) обробки на повітрі можуть бути використані для подовження строку експлуатації деталей машин та механізмів, що працюють в умовах екстремальних навантажень.



Abstract

Мaster's dissertation: 103 pages, 32 figures, 17 tables, 56 references.

ELECTRIC - SPARK ALLOYING (ESA), SHOCK TREATMENT, SHOT-BLASTING STRENGTHING, DOPED LAYER, STEEL MARK 45, CHROMIUM, NICKEL

Purpose of study: to study of the impact of shock treatment and shot-blasting on the structure and microhardness of coatings on steel mark 45 obtained by electric-spark alloying in the Cr-Ni and Ni-Cr sequences.

Methods: microstructural, mictodyurometric, gravimetric and X-ray.

Subject of study: surface layers of steel mark 45, obtained by electric-spark alloying with chromium and nickel after shock treatment and shot-blasting strengthening.

Practical value: The obtained results in the formation and established patterns of structure and properties of alloy layers after electric-spark alloying process and mechanical treatment (shock and shot-blasting treatment) in air can be used to extend the life of the machine parts and mechanisms operating under extreme loads.

сталь хромонікелевий метал покриття



Перелік скорочень, умовних позначень, символів

ЕІЛ - електроіскрове легування

УЗУО - ультразвукова ударна обробка

ППД - поверхнева пластична деформація

НДР - науково - дослідницька робота

ГЦК - гранецентрована кубічна гратка

Дk - сумарний приріст катода

K - зміна маси катоду

? - ефективність процесу ЕІЛ

А - зміна маси аноду

УK - сумарна зміна маси катоду

УА - сумарна зміна маси аноду

ХТО - хіміко-термічна обробка

ЗПШ - змінений поверхневий шар



Вступ

Перспективним напрямком розвитку технологій зміцнення і модифікації робочих поверхонь деталей та виробів є комбінована обробка. Зокрема, електроіскрове легування і поверхневе пластичне деформування відносяться до перспективних способів обробки завдяки отриманню високої щільності дефектів кристалічної будови, що створює сприятливі умови для процесів дифузії і фазових перетворень, для утворення дрібнозернистих структур.

Електроіскрове легування дозволяє: значно підвищити зносостійкість і твердість металічних поверхонь деталей машин і технологічної оснастки з метою збільшення їх довговічності і заміни спеціальних сталей менш дефіцитними, або більш дешевими; змінити електричні властивості струмопровідних поверхонь, зменшити перехідні опори електричних контактів, їх зношення; збільшити шорсткість металічних поверхонь, наносити проміжні та перехідні шари для полегшення лужіння і процесу пайки, підвищити корозійну та вогнетривку стійкість, а також відновлювану властивість як деталей машин при ремонті, так і вимірних інструментів.

Поверхневе пластичне деформування покращує умови експлуатації деталей: досягається мінімальна шорсткість поверхні, утворюються залишкові напруження в поверхневому шарі, в результаті наклепування підвищується міцність поверхневого шару металу і виникає сприятливий розподіл залишкових напружень по перерізу деталі.

Аналіз літературних даних свідчить про недостатню кількість матеріалу для вивчення комбінованих методів обробки, а саме електроіскрового легування, ударної обробки та дробоструменевого зміцнення. Тому дослідження процесів комплексної обробки сталі є актуальним.



1. Літературний огляд

1.1 Формування покриттів на сталях методом електроіскрового легування

Конструкційна сталь є досить поширеною у промисловості оскільки має хорошу міцність, зносостійкість, стійкість до атмосферних впливів, стійкість до температурних перепадів. Але в процесі роботи такі сталеві деталі піддаються постійним навантаженням, що призводить до їх швидкого зношування та руйнування. Тому актуальним залишається питання покращення їх експлуатаційних характеристик, а саме зміцнення робочої поверхні.

До перспективних методів поверхневого зміцнення належить електроіскрове легування (ЕІЛ), в основу якого покладено електрофізичний вплив на оброблювану поверхню.

Метод ЕІЛ базується на явищі ерозії матеріалу аноду під дією іскрового розряду та спрямованому перенесенні утворених продуктів ерозії на катод (деталь). В результаті цього відбуваються суттєві структурно-фазові перетворення металевих поверхонь.

Переваги ЕІЛ полягають у створенні локальних зміцнених шарів з високою адгезією до основи при використанні провідникових матеріалів. При цьому обробка є легкою у технічному виконанні та реалізується на малогабаритному обладнанні, яке легко транспортувати [1].

ЕІЛ дозволяє: значно підвищити зносостійкість і твердість металічних поверхонь деталей машин і технологічної оснастки з метою збільшення їх довговічності і заміни спеціальних сталей менш дефіцитними, або більш дешевими; змінити електричні властивості струмопровідних поверхонь, зменшити перехідні опори електричних контактів, їх зношення; збільшити шорсткість металічних поверхонь, наносити проміжні та перехідні шари для полегшення лужіння і процесу пайки, підвищити корозійну стійкість та вогнетривкість інструментів [2].

В процесі ЕІЛ на поверхні електродів в умовах локальної дії високих тисків (210⁵- 710⁵) кг/мм² та температур (510³- 4010³)°С утворюються шари зміненої структури. Надшвидке тепловідведення призводить до того, що в невеликому підшарі (декілька мікрон), температура швидко спадає до температури плавлення металу електроду, що супроводжується відповідними фазовими перетвореннями. Процеси кристалізації, фазових перетворень, дифузії та хімічної взаємодії в твердій фазі, які супроводжують ЕІЛ, сприяють утворенню вкрай нерівноважних структур з дрібними зернами, високою гетерогенністю за складом, структурою та властивостями. В результаті процесу ЕІЛ на катоді формується змінений поверхневий шар (ЗПШ). Склад електроіскрового покриття іноді може складатися з фаз, яких немає в матеріалах аноду та катоду. Відмінність складу легованого шару від складу матеріалів електродів може бути пов'язана з різною швидкістю ерозії їх структурних складових, дисоціацією електродного матеріалу та взаємодія його з середовищем при проходженні крізь іскровий проміжок, а також їхньою здатністю закріплюватися на матеріалі основи [3]. Загальна схема процессу ЕІЛ наведена на рисунку 1.1. Структура легованого шару (покриття), одержаного методом ЕІЛ складається з трьох шарів:

· термодифузійна зона покриття та основного матеріалу;

· “білий” шар, який являє собою твердий розчин легуючих елементів або елементів, що містяться в електродному матеріалі;

· шар, сформований з фрагментів застиглого металу основи та складних хімічних сполук, інтерметалідів, нітридів, карбідів, оксидів, що утворилися в результаті взаємодії з середовищем, а також структури гартування.



ГІ - генератор імпульсів; МЕП - міжелектродний проміжок; ІР - іскровий розряд; А - анод (компактний електрод); К - катод (деталь); f_a - частота вібрації аноду; S- напрямок подавання деталі

Рисунок 1.1 - Загальна схема процесу ЕІЛ [3]

Процес електроіскрового насичення характеризується наступними показниками:

- ефект зміцнення залежить від насичення матеріалу аноду на поверхню катоду; кращі результати були отримані, коли для аноду використовували дуже твердий та зносостійкий матеріал, тобто вольфрам, титан або карбіди хрому;

- зовнішній загартований шар є результатом взаємодії елементів аноду і катоду з утворенням твердого розчину, хімічних компонентів, оксидів та нітридів;

- перенесення та взаємодія матеріалів електроду, так як і дія імпульсу при високій температурі та тиску, відповідальні за ефект зміцнення, і вони попереджають формування надзвичайно нестійких фаз [4].

У роботі [5] досліджено склад структуру хромонікелевих іскрових покритів. Електроіскрове легування здійснювалося на установці IMES 01-2, що дозволяє варіювати енергетичні параметри процесу. В даному експерименті представлені результати, отримані при енергії ЕІЛ - 0,054 Дж і 0,512 Дж. Час формування поверхневого шару становив 3 хв/см².

Матеріалом основи (катод) використовувалася сертифікована сталь 45. Легуючими електродами (анодні матеріали) нами були обрані хромонікелеві сталі і сплави: сталь 12Х18Н10Т - аустенітного, сталь 08Х22Н6Т - аустенитно-феритного, сталь 14Х17Н2 - мартенситно-феритного, сталь 20Х13 і сталь 12ХН3А - мартенситного класу і нікелевий сплав Х20Н80. Для визначення впливу складу анода на властивості покриттів, сформованих хромонікелеві сплавами, використовували чисті метали Cr і Ni, а також твердий сплав ВК8 [5].

З отриманих експериментальних даних встановлено, що сумарний приріст катода (Дk) згодом змінюється і залежить від складу легуючого матеріалу. Можна відзначити, що Дk має тільки позитивні значення для всіх хромонікелевих електродів на обох режимах, тобто відсутня поріг крихкого руйнування. У класичному поданні процесу зміцнення в часі, поріг крихкого руйнування характеризує початок руйнування сформованого шару з подальшим зменшенням маси зразка. Відсутність крихкого руйнування при ЕІЛ хромонікелеві сталі, сплавом Х20Н80 і металами пояснюється тим, що електродні матеріали в процесі легування зазнають високотемпературні фазові повні або часткові перетворення з утворенням необмежено твердих розчинів легуючих елементів Cr і Ni в б-залізі, тому що близькі кристалічні решітки та розміри атомів і іонів легуючих елементів і заліза [5].

Фазовий аналіз покриттів відображає як вплив енергії легування, так і складу легуючих матеріалів. Основний фазою при легуванні хромонікелеві сплавами залишається б-Fe, при високій енергії легування виявляється присутність елемента, зміст якого в сплаві переважає. Якщо утворюються карбідні фази, то при розвитку високої температури поверхні виникають субкарбіди. Переважання нікелю в анодному матеріалі дозволяє виявити його на легованої поверхні у вигляді кубічних металлоподобних оксидів, рідше карбідів. Їх присутність забезпечує жаростійкість покриттів, на чому і грунтується використання цих сталей в нашому експерименті. Жаростійкість не залежить від структури, а визначається хімічним складом [5].

За даними роботи [6] встановлено, що використання хрому і нікелю дозволяє сформувати покриття зі значною товщиною, щільністю і підвищеною твердістю в порівнянні з матеріалом основи. Міцність і механічні властивості деталей залежать від складу і структури поверхні металовироби. Цьому сприяє як термічне вплив, що супроводжує процес формування поверхневого шару, так і виникнення при легуванні карбідних і нітридних фаз і на поверхні катода, і у вторинних структурах поверхні анода.

Виявлено, що досліджувані матеріали за характером взаємодії з залізом можна умовно розділити на наступні групи: що утворюють необмежені тверді розчини (V, Cr, Co, Ni); обмежено розчинні в сплавах заліза (Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W). Отже, можна зробити висновок, що система Cr-Ni утворюватимуть необмежено твердий розчин [6].

На величину крихкого tх впливають кисень і азот повітря, так як через незначну теплопроводності вони сприяють утворенню оксидів і нітридів, що призводить до зміни порогів холодноломкості перехідних металів [7,8]

За зменшенням порогу крихкого руйнування tх при ЕІЛ сталі 45 перехідні метали можна розташувати в ряд:

Ni> Cr> Co> V> Hf> Ti> Mo> Nb> W> Zr> Та [7].

Крім особливостей взаємодії легуючих металів із залізом, на формування зміненого поверхневого шару значно впливають такі фізичні характеристики, як електроопір, теплопровідність, жаростійкість металу анода [8]. Для досягнення даних характеристик використовують перехідні метали (табл. 1.1).



Таблиця 1.1 - Основні характеристики процесу легування перехідними металами Ni та Сr з основою сталі 45 [8]

Легуючий елемент	tx, хв	K, %	УKЧ10-4, см3	?лсЧ10-4, см3/хв	Тх, хв	УАЧ10-4 см3	УАЧ10-4 за 10 хв см3	?іпсЧ10-4, см3/хв
Cr	10	88	35,9	315	10	41,2	41,2	315
Ni	10	86	33,8	290	10	39,5	39,5	290

t_x - час крихкого руйнування;

K - зміна маси катоду

? - ефективність процесу ЕІЛ;

А - зміна маси аноду

УK - сумарна зміна маси катоду;

УА - сумарна зміна маси аноду.

Метали, що утворюють необмежені тверді розчини з залізом, крім того, володіють ще й досить високою жаростійкістю. З таблиці 1.1 видно, що високий коефіцієнт перенесення матеріалу з анода на катод (86 %), сумарний приріст катода (33,8 см³) та ефективність процесу легування (290 см³/ хв) спостерігаються в разі використання нікелю в якості легуючого металу. Відомо, що нікель має високу жаростійкістю через міцне зчеплення його оксидів з поверхнею металу і малої іонної проникності оксидної плівки, яка гальмує дифузію [9-10].

Хром дуже стійкий до газової корозії при високих температурах [11]. Оксидні плівки досить міцні, тобто хром має високу жаростійкість, але наявність елементів впровадження призводить до деякого зниження жаростійкості. І, як наслідок, при легуванні сталі 45 хромом спостерігаються досить високі характеристики поверхневого шару (коефіцієнт перенесення 88%, ефективність процесу легування 315 см³/хв).

Для визначення структури легованого шару проведено рентгенографічний аналіз як поверхні, створеної електроіскровим легуванням на сталі 45, так і анодних матеріалів [12].

Сформовані поверхневі шари в основному складаються з карбідів і інтерметалідів заліза і легуючого матеріалу, рідше - оксидів. Рентгенографічний аналіз сталі 45 легованої анодами Cr та Ni представлено у таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 - Результати рентгенофазового дослідження електродів після ЕІЛ сталі 45 анодами Ni та Сr [12]

Легуючий метал	Катод	Анод
Cr	Cr, CrN, Cr7C3, Fe2C, - Fe	- Fe, Cr, Cr2О3, Fe2O3
Ni	Ni, NiC	- Fe, Ni, NiО, Fe4N

Наявність карбідів в поверхневих шарах зразків обумовлено, мабуть, тим, що перехідні метали на сталевий підкладці в рідкому стані активно взаємодіють з вуглецем, що містяться в сталі. Найбільш сприятливі умови формування шару виникають при ЕІЛ металами, що утворюють з матеріалом підкладки інтерметаліди - покриття характеризуються підвищеною твердістю [12].

Металографічні дослідження показали, що хром нікель мають велику щільність і мінімальну пористість шару (таблиця 1.3).

Таблиця 1.3 - Фізико-механічні характеристики електроіскрових покриттів на сталі 45 [12]

Легуючий метал	Мікротверд.ГПа	Товщина, мкм	Коефіцієнт зміцнення	Щільність,%	Пористість,%	Шорсткість, мкм
Сr	8,4	18-58	3,3	100	9,2	4,1
Ni	5,9	18-70	2,3	100	6,8	4,3

При дослідженні зразків, легованих хромом, виявлені нітрид хрому та карбід хрому, що пояснює досить високий коефіцієнт зміцнення поверхонь.

Найбільш ефективно ЕІЛ металами 4-го періоду, так як масоперенесення, товщина покриття і час крихкого руйнування для них максимальні. А тому дослідження електроіскрового легування хромом та нікелем є досить актуальним.

Фізико-хімічні характеристики покриттів дозволяють рекомендувати для легування метали, які крім необмеженої розчинність в металі підкладки володіють ще і високою жаростійкістю. Чим вище жаростійкість легуючого металу, тим кращі параметри формування зміненого поверхневого шару [12].

Електроди (аноди) з таких матеріалів як: Al, Ti, Ni, Cr, Cu, використовували автори [13] для нанесення жаростійких і тепловідвідних покриттів на твердий сплав ВК8. Після проведення експерименту автори з'ясували, що електроди з Cr і Al більше підходять для утворення жаростійких покриттів на сплаві ВК8.

Дослідження по жаростійкості сталі 45 провів автор [14] використовуючи електроди з Ni і Ni-Cr. Дослідження проводилося на сталі зпокриттям і без покриття. Нанесення покриття Ni-Cr на сталь сприяло істотному збільшеню жаростійкості сталі. В роботі [15] автор для нанесення покриття так само використав електродний матеріал Cr, тільки для збільшення зносостійкості сталі 40Х.

Досліджено у роботі [16] умови формування електроіскрових покриттів з використанням анодних матеріалів: хрому, нікелю та хромонікелевих сплавів. Було визначено, що захисні властивості жаростійких хромонікелевих покриттів визначаються формуванням аустенітної структури, здатною до утворення на поверхні змішаних оксидів на основі легуючих елементів у вигляді шпінелі. Встановлено і науково обґрунтовано, що найбільш корозійностійкі захисні покриття утворюються при двошаровому легувані, в якому перший шар - хромонікелевий сплав, а другий - чистий метал (хром або нікель), які забезпечують:

? максимальну товщину і суцільність легованої зони, що обмежує доступ деполяризатора до матеріалу основи;

? утворення аустенітної структури, що підвищує захисні властивості електроіскрових покриттів.

Тобто, використання використання двошарових Ni-Cr покриттів забезпечує стійкість легованого шару в водяних середовищах.

У роботі [17] автор проводив дослідження жароміцності наступних зразків: сталь 45 що не піддавалася подальшій обробці, і такий же зразок сталі 45, але з нанесеним за допомогою ЕІЛ покриттям з Ni-Cr. На рисунках 1.2 і 1.3 наведені результати випробування зразків на жароміцність. З наведених результатів видно, що зразок з покриттям має більш високі показники жароміцності, на відміну від зразка без покриття.

Рисунок 1.2 - Зміна маси зразків при температурі нагрівання до 900 °С [17]

Рисунок 1.3 - Зміна маси зразків під час витримки при температурі 900 °С протягом часу [17]



З наведених даних можна зробити висновок, що нанесення Ni-Cr покриття на конструкційну сталь дозволяє істотно підвищити жароміцність сталі, що в теорії дозволить здешевити виробництво деталей, що проходять експлуатацію при високих температурах [17].

У роботі [18] було досліджено вплив хромового аноду на формування поверхневих шарів сплавів Fe-Cr при електроіскровому легуванні. Для проведення експериментів в якості легуючого електроду (анод) було обрано перехідний метал високої чистоти ? хром. Катодами виступали: по- двійні модельні сплави заліза Fe + 2,5 % (мас.) Cr, Fe + 1,5 % (мас.) Cr, а також Fe-армко. Електроіскрове легування досліджуваних сплавів хромовим анодом приводить до виникнення на поверхні зразків легованого шару, мікроструктура якого являє собою нерівномірний по товщині світло-травлений шар. Під легованим шаром знаходиться зона термічного впливу та основний метал. Металографічними дослідженнями також було виявлено в легованому шарі наявність тріщин та пор. Встановлено, що мікротвердість поверхневих шарів сплавів заліза і Fe-армко після ЕІЛ Cr-анодом підвищується. Найбільша мікротвердість поверхневої зони 10,6 ГПа досягається при легуванні сплаву Fe + 2,5 % (мас.) Cr. При дослідженні кінетики перенесення при ЕІЛ хромом спостерігається збільшення маси катоду (до 2 хв. легування). Зі збільшенням часу легування відбувається зменшення маси катоду нижче початкового значення, що може свідчити про зворотнє перенесення матеріалу [18].

Підсумувавши проведений літературний аналіз можна зробити висновок, що при легуванні хромом сталі 45 відбувається зменшення маси катоду. Також, легування електродами Ni та Сr призводить до значного підвищення мікротвердості основи сталі 45. Двостадійне ЕІЛ хромом та нікелем призводить до значного підвищення жаростійкості та корозійної стійкості сталевої основи.



1.2 Вплив ударної обробки на структуру та властивості деталі

Ударну обробку в основному використовують для підвищення втомної міцності деталей. Зміцнення досягається шляхом зниження шкідливої дії концентраторів напружень за рахунок створення в поверхневих шарах деталі внутрішніх напружень стиску і подрібнення кристалічної структури. Це особливо важливо для деталей, які працюють в умовах циклічних знакозмінних навантажень і в корозійних середовищах [19].

В результаті наклепування підвищується міцність поверхневого шару металу і виникає сприятливий розподіл залишкових напружень по перерізу деталі, при якому поверхневий шар знаходиться в зоні стиску [20].

Обробка поверхонь заготовки поверхневою пластичною деформацією (ППД) забезпечує низьку шорсткість і необхідні фізико-механічні властивості. Зменшення шорсткості поверхні супроводжується зменшенням мікронерівностей з одночасним зміцненням обробленої поверхні -- наклепом. В результаті наклепу підвищуються усі характеристики металу, знижується його пластичність і збільшується твердість. Пластична деформація полікристалічного метала відбувається внаслідок деформації кожного зерна. Починається деформація в зернах, орієнтація яких співпадає з напрямком прикладених напружень. На цій стадії деформації під мікроскопом можна спостерігати сліди ковзання в вигляді прямих ліній, які однаково орієнтовані в межах окремих зерен [21].

При збільшені деформації зерна змінюють свою форму. До деформації зерно мало округлу форму, а після деформації - витягнуту в напрямку дії прикладених сил. Утворюється волокниста структура.

При великих ступенях деформації зерна мають закономірну орієнтацію кристалографічних площин. Таку будову металу називають текстурою. Текстурований метал має анізотропію механічних та фізичних властивостей.

Пластична деформація змінює не тільки структуру метала, але і його властивості: підвищується твердість, міцність, межа текучості, а пластичність зменшується. Ці зміни тим більші, чим вища ступінь деформації. Явище зміни структури, механічних та фізико-хімічних властивостей метала при холодній пластичній деформації називають нагартуванням [22].

Наклепаний метал має підвищену кількість дефектів, яка порівняно з недеформованим станом збільшується на два-чотири порядки і може сягати (10¹⁰-10¹²) см^-2 [23].

В результаті зміцнення поверхневих шарів при ППД можна забезпечити покращення фізико-механічних властивостей металу внаслідок структурних перетворень, подрібнення зерен, а також формування в поверхневому шарі залишкових напружень стиску, що виникають за рахунок розвитку нерівномірності пластичної деформації. Експлуатаційні властивості деталей визначаються цими спільними факторами. Крім того відбувається покращення якості поверхні, що проявляється в зменшенні висоти нерівностей, більш похилої їх конфігурації, що важливо, наприклад, для поверхонь пар тертя [24].

Обробка ППД тонкого поверхневого шару має ряд переваг:

-- зберігається цілісність волокон металу;

-- у поверхневому шарі утворюється дрібнозерниста структура або навіть текстура з анізотропними властивостями;

-- відсутні дефекти, пов'язані з сильним нагріванням заготовок в процесі обробки;

-- досягається мінімальна шорсткість поверхні;

-- можливість утворення мікрорельєфів із заданою площею мастильних канавок, що покращує умови експлуатації;

-- утворюються залишкові напруження в поверхневому шарі;

-- відбувається плавне збільшення мікротвердості поверхневого шару заготовки;

-- при виборі методу і режимів обробки забезпечується підвищення зносостійкості, контактної витривалості і інших експлуатаційних властивостей оброблюваних деталей на 20 %...30 %.

У роботі [25] досліджено вплив інтенсивної пластичної деформації методом рівноканального кутового пресування на трансформацію структури і зміну властивостей сталі 45. У структурі сталі 45 після пресування спостерігали виражену коміркову субструктуру із середнім розміром фрагментів (500... 800) нм (рис. 1.4, а). Оскільки температура при ППД становила 400 °С, то під час після деформаційного періоду сталася полігонізація. Внутрішні обсяги субзерен в значній мірі звільнилися від дислокацій. Після ППД пластини фериту і цементиту в перлітній складовії вигнулись і наситились дефектами (рис. 1.4, б), а чисельні полігональні стінки складаються з рівномірних сіток надлишкових дислокацій, які залишаються нескомпенсованими після анігіляції дислокацій протилежних знаків. Щільність дислокацій с приблизно дорівнює 9 Ч 10¹⁰ см^-2.

а - мікроструктура, Ч1000; б - ферито-цементитна суміш, Ч74000

Рисунок 1.4 - Структура і кристалографія зразка сталі 45 після пресування [25]

У науковій праці [26] досліджено закономірності процесів масоперенесення, утворення електромагнітних явищ в металах за умов ударного механічного навантаження з пластичною деформацією, при швидкості навантаження до 10 м/с та швидкістю деформації матеріалу в інтервалі (10-10³) с^-1. Основними матеріалами для дослідження були обрані технічно чисті метали (99,9 % чистоти) залізо, нікель, мідь та сталі (сталь 3 та 12Х18Н10Т). Для експерименту виготовлялись зразки циліндричної форми з лінійними розмірами d = (10-12) мм та h₀ = (20-25) мм, які підлягали механічній та термічній обробці (відпал (850-950) °С протягом 2 год.) для стабілізації структури. Для зняття електричних сигналів до зразків під'єднували контакти, які виготовлялись із матеріалу зразку. Встановлено, що при імпульсному ударному навантаженні з пластичною деформацією металевого зразка зі швидкістю ? = 10-10^-3 виникає імпульс струму, без наявності зовнішнього джерела. Дослідження зміни мікротвердості на серії зразків одного матеріалу показали, що відбувається зміцнення металу з ростом степені деформації (е). Цікавою особливістю стало те, що для нікелю крива залежності мікротвердості має подібну форму до залежності амплітуди електричного сигналу від степені деформації: відбувається зростання до певного значення е, а потім зменшення. Вивчення впливу багатократного навантаження на рухливість атомів в кристалічній гратці металів при імпульсному навантаженні має велике значення для з'ясування фізичної сутності явища прискореного масоперенесення в умовах швидкісної пластичної деформації. Дослідження процесу масоперенесення показали, що основний вклад у перенесення має перше навантаження. В той же час, в стаціонарних умовах без навантаження збільшення кількості дефектів в кристалі супроводжується ростом дифузійної рухливості. Значення коефіцієнтів масоперенесення (D_M) атомів заліза в залізі після попередньої деформації та у вихідному стані становили 0,6•10^-8 см²/с та 1,3•10^-8 см²/с відповідно. Як свідчать експериментальні дані, попередня пластична деформація металу, яка сприяє утворенню в ньому більшої кількості нерівноважних дефектів приводить в умовах імпульсного ударного навантаження не до зростання, а до зменшення швидкості міграції атомів заліза в заліза [26].



1.3 Дробоструменеве зміцнення металевих поверхонь

Головні переваги зміцнення сухим дробом: простота конструкції установки, оскільки використовується централізована система подачі стиснутого повітря, яка є на підприємствах; концентрований струмінь дробу, який має можливість обробити важкодоступні місця деталей; можливість отримання високих швидкостей польоту дробу; можливість сепарації дробу струменем повітря; відсутність необхідності промивки деталі після зміцнення [27].

Недоліками дробометного зміцнення є нагрів деформованої поверхні через удари твердих дробинок, які летять з великою швидкістю, невисока щільність і рівномірність потоку дробу, що відображається на однорідності і суцільності зміцнення. Ці недоліки частково ліквідовані в установках дробометного типу, які здійснюють зміцнення мікрокульками діаметром (0,1…0,2) мм. Мікрокульки подаються зверху у внутрішню порожнину валу роторного колеса і розкидаються щільним струменем через радіальні отвори або щілини, набираючи під дією відцентрових сил швидкість (40…100) м/с. Застосування мікрокульок замість дробу дозволяє більш тонко регулювати ступінь зміцнення у важкодоступних місцях, наприклад у западинах зубців [28].

На практиці застосовують дріб діаметром (0,4…2,0) мм. Чим менше діаметр дробу, тим нижча шорсткість обробленої поверхні. При зміцненні деталей з концентраторами напружень на робочій поверхні кращі результати отримують при обробці дробом, радіус якого відрізняється від радіуса концентраторів напружень типу галтелей, надрізів або канавок. При невеликих концентраторах напружень застосовують дріб з радіусом, більшим радіусу концентратора напружень. В цьому випадку зона впливу концентратора напружень не виходить за межі глибини зміцненого шару. Якщо концентратор напружень глибокий, слід застосувати мілкий дріб з радіусом, меншим радіуса концентратора напружень. Сталевий і чавунний дріб має значне розсіювання розмірів, форми і твердості, що значно впливає на якість поверхні. Цих недоліків позбавлений, наприклад, спосіб гідродробоударного зміцнення: в робочу суспензію входять стандартні сталеві кульки зі стабільними геометричними параметрами [29].

В результаті зміцнення поверхневого шару і поліпшення форми мікрорельєфу після всіх способів дробоструменевої обробки, дещо знижується інтенсивність зношування деталей машин. Всі способи дробометної обробки поліпшують характеристики міцності деталей і збільшують довговічність їх роботи в експлуатації. Так, зубчасті колеса, виготовлені із сталі марки 15ХГН2ТА, після зміцнення дробом підвищують свою довговічність на (15…20) %. Дробоструменева обробка знижує експлуатаційні поломки виробів з твердого сплаву. Так, у зміцнених різців у (1,8…2) рази зменшилась кількість руйнувань і дрібних викришувань. При цьому стійкість збільшилась у (1,1…1,8) рази. Дробоструменеву обробку можна рекомендувати тільки для нового інструмента, тобто застосувати її один раз [30].

Широко застосовується дробоструменева обробка для підвищення довговічності таких складних за формою деталей, як спіральні пружини. Середня міцність втомлення пружин, що пройшли дробоструменеву обробку з наступним відпуском, збільшується у 4 рази [31].

Дробоструменева обробка застосовується для багаторазового підвищення довговічності й надійності зварних вузлів різних машин, особливо тих, що працюють в умовах вібрації. Воно упереджує їх розтріскування, що в десятки разів підвищує довговічність їх роботи в корозійних середовищах. Перспективним є поєднання дробоструменевої обробки з іншими. Так, наприклад, за рахунок хіміко-термічної і дробоструменевої обробки колінчатих валів швидкісних двигунів межа їх витривалості збільшується на 60 % [32].

У науковій праці [33] досліджено процес поверхневого пластичного деформування алюмінієвих сплавів Д-16Т, В93-Т і сталі 30ХГСНМА методам дробоструменевої обробки. Також було досліджено величину кривих дефомації та залишоок напружень після дробоструменевої обробки (таблиця 1.4).

Таблиця 1.4 - Величина кривих деформацій і залишкових напружень в поверхневому шарі зразків [33]

Матеріал	Середня величина прогибу, мм	Напруження	Глибина залягання, мкм	Макс. глибина залягання залш. напружен., мкм
		Максим. кг/мм2	Поверх., кг/мм2
Д-16Т	2,1	15…18	10…16	70…90	300…320
В93-Т	2,2	18…22 1	10…12	100…120	310…330
30ХГСНМА	2,9	30…35	12…18	110…180	340…360

З таблиці 1.4 видно, що зі збільшенням часу «наклепу» залишкові стискаючі напруження по абсолютній величині зростають: для алюмінієвих сплавів Д-16Т і В93-Т в 1,5 рази, для сталі 30ХГСНМА- в 1,4 рази при збільшенні часу обробки з 5 до 15 хвилин. Але при цьому необхідно відзначити, що глибина залягання максимальних залишкових напружень зменшується в 1,3 - 1,5 рази, як для алюмінієвих сплавів Д-16Т і В93-Т, так і для сталі 30ХГСНМА. При цьому чистота поверхонь зміцнених зразків у порівнянні з не зміцненою поверхнею знижується незначно. Чистота залежить від марки оброблюваного матеріалу, а також від сили удару і діаметра кульок, які створюють суцільне покриття відбитків. Округлені форми западин створює сприятливий мікрорельєф і суттєво перешкоджає зародженню втомних тріщин [33].



1.4 Комбінована обробка металевих поверхонь

Останнім часом набула поширення розробка новітніх методів обробки поверхні шляхом поєднання декількох технологій зміцнення. Актуальною стала обробка деталі ЕІЛ та ударною обробкою, що значно підвищує міцність зразка.

У роботі [34] досліджувалися комбіновані методи зміцнення, а саме багатократне нанесення покриття ЕІЛ+ППД+ЕІЛ+ППД, та зміна послідовності даних процесів. Також використовувалося поєднання різних видів електроіскрового легування:

- ЕІЛ графітовим електродом, наступне ЕІЛ твердосплавним електродом, ЕІЛ графітовим електродом та ЕІЛ мідним електродом;

- нанесення покриття в декілька прошарків шляхом проведення ЕІЛ різними режимами;

- періодична обробка ЕІЛ в процесі зношування ріжучих кромок при роботі штампу.

Вплив комбінованого зміцнення, яке включає ЕІЛ та обкатування, на зносостійкість кільцевих зразків із сталі 45 приведені у вигляді графічних залежностей (рисунок 1.5), що дозволяє порівняти їх ефективність [34].

Рисунок 1.5 - Дослідження впливу комбінованого зміцнення (ЕІЛ та обкатування) на зносостійкість кільцевих зразків із сталі 45 [34]



Параметри обробки зразків та значення пластичної деформації для поверхневого зміцнення:

? зразок №1 - HV 420; ППД (1,6 кН)

? зразок №2 - HV417; ППД (2,4 кН) + обробка ЕІЛ механізоване (струм 5-6 А, 63 об/хв) + ППД (1,6 кН)

? зразок №3 - HV 420; ППД (1,6 кН) + обробка ЕІЛ механізоване (струм 7-8 А, 63 об/хв) + ППД (1,6 кН)

? зразок №4 - HV 400; ППД (2,4 кН) + обробка ЕІЛ механізоване ППД (1,6 кН).

На основі проведених досліджень був зроблений висновок, що зміцнення поверхні комбінованим покриттям за схемою ППД>ЕІЛ>ППД>ЕІЛ>ППД дозволяє створити багатошарову структуру, підвищити твердість робочих поверхонь в (2 - 2,5) рази та зносостійкість поверхонь в (1,5-5) разів. При нанесенні комбінованого зносостійкого покриття за схемою ППД>ЕІЛ>ППД>ЕІЛ>ППД виникають загартовані ділянки із багатошарової структури із загартованих та декілька разів перезагартованих об'ємів, в яких підвищений склад карбідів вольфраму та лінз [34].

При багаторазовому повторному легуванні по технології: попереднє ППД - ЕІЛ твердим сплавом - ППД - ЕІЛ твердим сплавом - ППД виникають загартовані ділянки із багатошарової структури із загартованих та декілька разів перезагартованих об'ємів, в яких підвищений склад карбідів вольфраму та лінз. При пластичному деформуванні поверхневого шару відбувається деформування, подрібнення та утворення вторинних структур, які складаються з перенесених карбідів та основного матеріалу. ППД після ЕІЛ дає можливість проведення повторного ЕІЛ, збільшує товщину зміцненого шару та його щільність. У випадку високовуглецевих сталей багаторазове ЕІЛ та ППД проводять до термообробки [34].

Отже, нанесення електроіскрових покриттів з використанням ППД збільшує експлуатаційну стійкість деталей машин в (3-6) разів.

У роботі [35] було досліджено мікротвердість, структуру, фазовий склад і корозійну стійкість низьколегованої ливарної сталі 20ГЛ у вихідному стані після стандартної термообробки, а також після електроіскрового легування (ЕІЛ) різними елементами (Ni, Cr, Mo) та ультразвукової ударної обробки (УЗУО). Великий розмір феритної іперлітної складових зумовлює суттєву різницю між значеннями мікротвердості сталі яку вихідному, так і в деформованому станах. Зростання тривалості УЗУО призводить до незначного монотонного підвищення мікротвердості, яка зростає в 1,5 раза після обробки протягом 60 секунд. Застосування ЕІЛ призводить досуттєвішого зміцнення, особливо у випадку легування хромом (в 2,0 - 3,5 раза) та молібденом (в 2,7 - 4,3 раза). Причиною цього є складні фазові та структурні перетворення, які протікають при комбінованій обробці ЕІЛ+УЗУО. При ЕІЛ легуванні хромом та молібденом у поверхневому шарі формуються ОЦК тверді розчини Fe-Cr і Fe-Mo, зміцнені інтерметалідними або карбідними фазами, а при легуванні нікелем - ГЦК твердий розчин Fe-Ni. Наступна УЗУО призводить до значного зниження шорсткості поверхонь зразків. Усі сформовані поверхневі шари на сталі 20ГЛ, леговані нікелем, хромом та молібденом, характеризується більшим потенціалом корозії та меншим струмом корозіїв порівнянні зі стальними зразками у вихідному стані, що свідчить про їх вищу стійкість до електрохімічної корозії. Згідно з аналізом морфології коронованих поверхонь найефективнішим виявилось ЕІЛ поверхневого шару нікелем, яке призводить до формування в ньому ГЦК твердого розчину залізо-нікель. Отримані дані мають практичне значення для промисловості, особливо у вагонобудуванні. При цьому доцільно обробляти ЕІЛ+УЗУО локальні ділянки виробів і конструкцій, де найвірогідніша поява осередків руйнування внаслідок корозії і втоми [35].

У роботі [36] було досліджено вплив дробоструменевої обробки на структуру та властивості Cr-Ni електроіскрових покриттів на сталі 45. Для отримання на поверхні Сталі 45 покриттів, було проведено двостадійні процеси ЕІЛ хромовим та нікелевими анодами (у послідовності Ni-Cr та Сr-Ni) на повітрі при силі струму 1,5 А та напрузі 60 В. Тривалість нанесення кожного шару 118 складає 3 хвилини. Для зміцнення легованих шарів використовувалася дробоструменева обробка. Зразки протягом хвилини бомбардували сталевими кульками розміром 0,5 мм - 1 мм при тиску 4000 Па. товщина легованого шару становить 10-20 мкм та після дробоструменевої обробки товщина суттєво не змінюється і коливається в тому ж діапазоні. Найбільша мікротвердість спостерігається для зразка з послідовно нанесеними нікелем та хромом (7 ГПа). При послідовному ЕІЛ хромом та нікелем мікротвердість покриття складає 5 ГПа - 7 ГПа на глибині 18 мкм, у той час, як на біля поверхні вона становить 2,5 ГПа. Це пояснюється тим, що хром який знаходиться під шаром нікелю має більшу мікротвердість і є карбідоутворюючим елементом, який при взаємодії з вуглецем основи утворює карбіди. Після друбоструменевої обробки мікротвердість обох легованих шарів збільшилась на 1 ГПа - 1,5 ГПа [36].

1.5 Висновки до розділу 1

1) Комбінована обробка деталей є перспективним напрямком для зміцнення деталей та підвищення їхньої зносостійкості. З отриманих літературних даних можливо зробити висновок, що цей напрямок результативним і успішним до поставлених задач зміцнення. ЕІЛ та ППД (ударна обробка та дробоструменеве зміцнення) відносяться до перспективних способів обробки завдяки отриманню високої щільності дефектів кристалічної будови, що створює сприятливі умови для процесів дифузії і фазових перетворень, для утворення дрібнозернистих структур.

2) Електроіскрова обробка поверхні сталі 45 Cr та Ni значно підвищує твердість деталі та забезпечує високу адгезію з матеріалом обробки. Також встановлено значне підвищення жаростійкості та корозійної стійкості сталі 45 після легування хромовим та нікелевим анодами. Зміцнення досягається шляхом зниження шкідливої дії концентраторів напружень за рахунок створення в поверхневих шарах деталі внутрішніх напружень стиску і подрібнення кристалічної структури.



2 Матеріали, методика експерименту та методи досліджень

2.1 Вихідні матеріали

Досліджувані зразки були виготовлені зі сталі 45, яка має такий хімічний склад: до 98 мас.% Fe; 0,42-0,5 мас.% С; 0,5-0,8 мас.% Mn; до 0,035 мас.% P; 0,17-0,37 мас.% Si; до 0,04 мас.% S; до 0,25 мас.% Cu; до 0,25 мас.% Ni; до 0,25 мас.% Cr; до 0,08 мас.% As.

Вибір конструкційної сталі 45 обумовлений її хорошою міцністю, зносостійкістю, стійкістю до атмосферних впливів, стійкістю до температурних перепадів. Сталь 45 не містить дорогих легуючих елементів та є однією з доступних.

2.2 Методика експерименту

Для виконання поставленої мети в роботі проведено комбіновану обробку, що включала попереднє електроіскрове легування хромом та нікелем з подальшою механічною обробкою, а саме дробоструменевою або ударною

2.2.1 Електроіскрове легування

Для отримання на поверхні сталі 45 покриттів, було проведено двостадійні процеси електроіскрового легування хромовим та нікелевим анодами (у послідовності Ni-Cr та Сr-Ni) на повітрі при силі струму 1,5 А та напрузі 60 В. Тривалість нанесення кожного шару складає 3 хвилини. Електроіскрове легування проводилося на установці «ЭЛИТРОН-26А», зовнішній вигляд якої представлений на рисунку 2.1.



1 - амперметр; 2 - генератор; 3 - кабель живлення; 4 - з'єднувальний кабель (на плиту); 5 - тумблер ступінчастого регулювання режиму; 6 - тумблер регулювання амплітуди коливання аноду; 7 - вмикач живлення установки; 8 -віброзбуджувач (на анод); 9 - сигнальна лампочка

Рисунок 2.1 - Зовнішній вигляд установки для електроіскрового легування «ЭЛИТРОН-26А» [37]

В якості анодів використовували хром (до 99,9 мас.% Cr) та нікель (до 99,9 мас.% Ni).

Вибір хромового аноду пояснюється тим, що він утворює необмежений твердий розчин з матеріалом основи (б-Fe), що сприятливо впливає на формування легованого шару. До того ж хром є карбідоутворюючим металом, що при взаємодії з вуглецем, який міститься у основі, утворює карбіди, завдяки чому підвищується поверхнева мікротвердість сталі 45. Нікель може утворювати необмежений твердий розчин з -Fe, а також здатен надавати поверхневому шару підвищеної пластичності та корозійної стійкості. Послідовне легування нікелем та хромом сприятиме покращенню фізико-механічних властивостей поверхневих шарів сталі 45.



2.2.2 Ударна обробка

Ударно-механічна обробка проводилась на установці УсМ-1 для імпульсної деформації металів (рис. 2.2).

1 - молот що падає на зразок; 2 - ручка для піднімання молоту на визначену висоту; 3 - установка для управління вакуумними насосами; 4 - вакуумна камера

Рисунок 2.2 - Установка для ударної механічної обробки УсМ-1

Обробку проводили за кімнатної температури (T = 293 K) падаючим вантажем, вага якого складає P = 10,5 кг.

Обробка зразків проводилася при різних енергіях. Виходячи з рівняння кінетичної енергії, висота падіння вантажу h складала 1 м та 1,75 м. Відповідно, енергія падаючого вантажу в момент удару з відстані 1 м складала Е = 103 Дж, а з відстані 1,75 м - Е = 180 Дж. В момент зіткнення зі зразком швидкість вантажу складала V_{пад.вант.} = 5,8 м/с.

За даними по початкову висоту зразків h₀, мм та кінцеву висоту зразків h_?, мм розраховували швидкість ?, с^-1 та ступінь (%) деформування.

Ступінь деформації зразків та швидкість пластичної деформації , розраховувалися за формулами (2.1) та (2.2), відповідно:

, (2.1)

, (2.2)

де h₀ - початкова висота зразка, мм;

h - висота зразка після деформації, мм;

Дh - зміна зразків по висоті після ударної обробки, мм.

Оскільки висота вільного падіння вантажу була різною 1 складала 1 метр і 1,7, то і енергія, яка діяла на досліджуваний зразок була різною. Енергія вільного падіння розраховувалася за формулою (2.3):

E= mgh, (2.3)

де m - маса вантажу, кг;

g - напруженість гравітаційного поля, м/c²;

h - висота падіння вантажу.

2.2.3 Дробоструменеве зміцнення

Принципова схема дробоструменевого пристрою наведена на рисунку 2.3. В основу пристрою ДУ-1 покладений механічний принцип розкидання дробу швидкообертовим потоком з вертикальним розміщенням осі його обертання [38]. Подача дробу і очищення його від уламків автоматизовані. Пристрій складається з трьох головних частин: робочої камери, сепаратора і елеватора. Дріб засипається в завантажувальний бункер елеватора, потім піднімається елеватором у бункер живильного пристрою ротора, з якого він попадає через дросель на лопатки ротора, котрі надають дробу швидкість до 70 м/с. Деталі, які поміщуються у струмінь дробу, зміцнюються. Відпрацьований дріб падає в нижній збірник елеватора. В процесі вільного падіння дріб зустрічається з струменем повітря, уламки дробу малої маси зносить у бункер відходів. Цей пристрій використовується для зміцнення наклепом багатьох деталей, в тому числі спіральних пружин, напівосей заднього мосту тролейбуса, прошивочних пуансонів гарячого штампування тощо.

1 - контейнер; 2 - амортизатори; 3 - віброзбуджувач; 4 - робочі тіла; 5 - деталі, що обробляються

Рисунок 2.3 - Схема віброударної обробки [38]

Дробоструменева обробка проводилася для зразків сталі 45 поверхнево легованими в послідовності Cr-Ni та Ni-Cr. Час обробки зразків складав по 1 хв. Сталеві кульки діаметром 0,5 мм - 1 мм спрямовано бомбардували поверхню зразка при тиску подачі 4000 Па.



2.3 Методи досліджень

Для визначення впливу електроіскрової обробки на структуру та властивості покриття сталі 45 було проведено гравіметричний, мікроструктурний, мікродюрометричний та рентгеноструктурний аналіз.

2.3.1 Гравіметричний метод

Гравіметричний метод оснований на вимірюванні маси аноду і катоду до обробки і після кожної хвилини ЕІЛ. Контроль маси електродів проводився з використанням лабораторних вагів «AXIS AD50» (точність вимірювання 0,0005 г).

Визначали сумарну ерозія аноду m_а та сумарний приріст маси катоду m_к:

, (2.4)

, (2.5)

де t_n- час n-го вимірювання маси зразка;

t₀ - до ЕІЛ;

За одержаними результатами будували криві m_к та m_а в залежності від тривалості обробки.

2.3.2 Мікроструктурний аналіз

Досліджувані зразки закріпляли у струбцинах (між легованою поверхнею та струбциною закладали мідну пластинку) та піддавали механічній обробці на абразивному папері різної зернистості (від 800 до 2500), змінюючи при цьому напрям шліфування на 90°. Зразок після шліфування промивали водою та полірували на дисках, вкритих сукном з використанням водного розчину з оксидом хрому, а потім на воді.

Для визначення структури зразок травили 5% розчином азотної кислоти в етиловому спирті.

Дослідження мікроструктури проводили шляхом візуального спостереження на оптичному мікроскопі «МЕТАМ РВ-21» та фотографування за допомогою камери DCM310.

2.3.3 Мікродюрометричний аналіз

Мікротвердість протравлених шліфів вимірювали на приладі ПМТ-3.

Визначення мікротвердості проводилося шляхом вдавлення стандартної алмазної пірамідки з двогранним кутом при вершині 136° при навантаженні 20 і 50 г протягом (7 - 10) секунд. За величиною діагоналі визначали мікротвердість в ГПа за формулою:

, (2.6)

Н= , (2.7)

де Н- значення мікротвердості;

Р - навантаження на індентор (точність визначення маси гирі вагою 50 г складає ±0,1 мг);

dcр- середнє значення діагоналей d1 іd2, яке розраховується за формулою:

dcр = , (2.8)

де , -- відповідно довжини діагоналей чотирьохкутного відбитка, мкм.



2.3.4 Рентгеноструктурний аналіз

Рентгенофазовий аналіз проводився для встановлення наявності фаз в досліджуваному зразку і їх ідентифікації. Дослідження проводилися на дифрактометрі Ultima IV, для отримання прямої, точної, достовірної та багатогранної інформації про фазовий склад та структуру матеріалів. Зйомку проводили при потужності 2 кВт - 3 кВт, напрузі - (20-60) кВ та силі струму 40 мА - 50 мА. Матеріалом випромінювачем виступала мідь. Діапазон вимірювання 2и: -3…162°.

За допомогою дифрактометра Ultima IV було визначено:

* фазовий склад (ідентифікація фаз), структурні характеристики та їх зміни;

* дослідження фазових та структурних перетворень;

* прецизійне визначення параметрів кристалічної решітки;

* аналіз дефектів кристалічної будови.

Визначення міжплощинних відстаней проводилося за формулою Вульфа Бреггів:

2dsinи = nл, (2.8)

де d - міжплощина відстань;

и - бреггівський кут;

л- довжина хвилі.

Період гратки a матеріалу основи (Fe) розраховувався за формулою:

(2.9)

де (HKL) - індекси площин відбиття,

л - довжина хвилі.



2.4 Висновки до розділу 2

1. Обґрунтовано вибір досліджуваного матеріалу, анодів для ЕІЛ, видів поверхневого зміцнення.

2. В роботі запропоновано режими комбінованої обробки: ЕІЛ (Cr-Ni / Ni-Cr) + ударна обробка; ЕІЛ (Cr-Ni / Ni-Cr) + дробоструменеве зміцнення сталі 45.

3. Для встановлення об'єктивних даних використовувалась комплексна методика дослідження поверхні сталі 45 після запропонованих обробок.



3. Експериментальна частина та обговорення результатів

В роботі проведено дослідження впливу комплексної обробки (ЕІЛ + ударна обробка, ЕІЛ + дробоструменеве зміцнення) на структуру та мікротвердість поверхневих шарів сталі 45.

З літературних даних [5] відомо, що при ЕІЛ сталева поверхня зазнає високотемпературних фазових перетворень з утворенням сполук на основі б-заліза та матеріалів електродів, а також елементів міжелектродного середовища. Легування перехідними металами призведе до підвищення мікротвердості сталі, оскільки вони мають здатність активно взаємодіяти з вуглецем основи з утворенням карбідів або з азотом міжелектродного середовища з утворенням нітридів. Послідовне нанесення двох металів забезпечить появу у покритті інтерметалідів. Припускалося, що подальша ударна обробка або дробоструменеве зміцнення сприятимуть покращенню фізико-механічних характеристик поверхні сталі 45. Це дасть можливість відслідкувати вплив кожної з них на структуру та властивості уже нанесених хромо-нікелевих покриттів.

3.1 Електроіскрове легування сталі 45 анодами Cr та Ni

Для створення зміцненого легованого шару в роботі проведено послідовне ЕІЛ нікелевим та хромовим анодами при різній послідовності їх нанесення. Зміна послідовності легування проводилася з метою дослідження впливу легуючого матеріалу на структуру та мікротвердість поверхневої зони сталі 45. Таким чином, матеріал, який першим наносився на поверхню, взаємодіяв з елементами сталевої основи та середовищем. Відповідно, електрод, який наносився на другій стадії легування, вже взаємодіяв з попередньо легованим шаром (його фазами) та навколишнім середовищем (повітря).

В процесі ЕІЛ проводився гравіметричний аналіз, щоб вивчити кінетику формування покриття. Відбувалося зважування зразка та легувального аноду після кожної хвилини обробки. Графіки залежності сумарного приросту маси катоду (У?m_к) та ерозії анодів (У?m_а) під час ЕІЛ сталі 45 у різних послідовностях легування (Ni-Cr та Cr-Ni) зображено на рисунках 3.1 та 3.2.

...