Исследование морфологии и шероховатости поверхности тугоплавких металлов при их проволочной электроэрозионной обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Омский государственный технический университет

Исследование морфологии и шероховатости поверхности тугоплавких металлов при их проволочной электроэрозионной обработке

Бобков Н.В., Фёдоров А.А.,

Блесман А.И., Полонянкин Д.А.

Аннотация

электроэрозионный обработка металл покрытие

Для создания многофункциональных покрытий методом магнетронного распыления используются катоды из тугоплавких металлов, таких как ниобий и ванадий и др. Высокая стоимость этих металлов обусловливает актуальность проблемы экономичной обработки и минимизации отходов при производстве изделий. В статье представлены результаты исследования морфологии и шероховатости поверхностного слоя ниобия и ванадия после их проволочной электроэрозионной обработки (ЭЭО) соответственно методами растровой электронной микроскопии и профилометрии. Для производства изделий с высокими требованиями к качеству поверхностного слоя предложены рекомендации по финишной механической обработке шлифованием или полированием ниобия и ванадия после их ЭЭО.

Ключевые слова: тугоплавкие металлы, ниобий, ванадий, электроэрозионная обработка, морфология поверхности, шероховатость поверхности.

Введение

В машиностроении помимо традиционных материалов (сталей, алюминиевых и латунных сплавов) используются тугоплавкие металлы, в том числе ниобий и ванадий, используемые, например, в качестве мишеней в установках магнетронного распыления для получения многофункциональных покрытий. В то же время высокая стоимость тугоплавких металлов обусловливает необходимость минимизации отходов при изготовлении деталей из них. Например, можно уменьшить ширину реза, сократив тем самым количество стружки. Хорошие результаты в решении проблемы минимизации отходов были достигнуты на проволочном электроэрозионном станке, так как при диаметре проволочного электрода 0,2 мм ширина реза не превышает 0,3 мм. Электроэрозионное оборудование позволяет обрабатывать любые электропроводные металлы, однако производители оснащают станки набором режимов обработки только для наиболее распространенных материалов. В случае необходимости обработки металлов, не входящих в базу данных станка (таких как ниобий и ванадий), подбор режимов осуществляется экспериментально, что приводит к снижению производительности. В стандартной комплектации станки оснащаются только режимами для обработки стали, меди, алюминия, твердого сплава и графита (ISO 63). При обработке материалов на несоответствующих им режимах возникает ряд проблем. Во-первых, в ходе эксперимента необходим постоянный контроль работы станка, фиксация результатов, а так же анализ и исправление ошибок выявленных опытным путем. Во-вторых, при завышенных режимах, электрод-инструмент (латунная проволока) быстрее изнашивается. Так же стоит отметить, что при заниженных режимах уменьшается скорость обработки, что приводит к увеличению машинного времени и, как следствие, увеличение себестоимости детали.

Для мишеней, используемых в установках магнетронного распыления, важным критерием их качества является чистота поверхностного слоя. Электроэрозионная обработка тугоплавких металлов достаточно широко освещается в научно-технической литературе. Моделирование процесса электроэрозионной обработки для получения оптимальных режимов обработки представлено в исследовании Barenji R. V.[1], однако расчеты проводились для сталей различных марок, поэтому требуется верификация модели для обработки тугоплавких металлов. В исследовании, проведенном Sharakhovsky L. I. [2], установлена зависимость режимов ЭЭО от теплофизических свойств материала.

Как отмечается в работе Marashi H. [6], наряду с диффузией материала электрода-инструмента в приповерхностный слой детали, существует проблема образования трещин на поверхностном слое. По мнению автора [6] растрескивание происходит в результате вытягивания зёрен в направлении сдвига и образования ламеллярной, а не равноосной структуры. Исследование, проведенное Rona N. [7]., демонстрирует положительный эффект образования трещин на поверхностном слое, который заключается в увеличении адгезии покрытия к матрице. Malek O. [3] описывает электроэрозионную обработку карбидов с содержанием оксидов циркония и сообщает что поверхность, подвергнутая обработке, становится менее прочной на изгиб из-за растрескивания (до обработки 1536±131MPa, после обработки 926±160MPa). Fukuzawa Y. [4] также отмечает снижение прочности на изгиб циркониевой керамики, обработанной ЭЭО. В то же время использование финишного полирования после электроэрозионной обработки приводит к восстановлению прочности.

Возможность формирования биосовместимых покрытий из гидроксиапатита посредством нанесения его на изделия, полученные электроэрозионной обработкой технически чистого циркония, представлена в работе Aktuр S. L. [5]. В исследовании [5] формирование поверхности циркония производится за один проход, что позволяет не использовать доводочные операции, повышающие себестоимость изделия.

Таким образом, обзор литературы показывает, что качеству поверхностного слоя деталей, подвергнутых ЭЭО, уделяется значительное внимание, вследствие прямого его влияния на служебные характеристики изделия. Целью данной работы является исследование морфологии и шероховатости поверхности ниобия и ванадия при их проволочной электроэрозионной обработке.

1. Эксперимент

Заготовками в данной работе являлись прутки из ниобия (Нб-1П, ТУ 48-4-241-73) и ванадия (ВнП-1, ТУ 48-4-374-76). Для более детального изучения был проведен ряд экспериментов по обработке ниобия и ванадия на проволочном электроэрозионном станке SodickVZ300L. В качестве электрода-инструмента использовалась твердая латунная проволока (Cu 60%, Zn 40%) диаметром 0,2 мм. В качестве диэлектрической жидкости использовали дистиллированную воду. В ходе эксперимента были подобраны режимы обработки для одного, двух, трех и четырех проходов. Полученные режимы показали стабильную обработку без обрывов проволоки. После электроэрозионной обработки проводили исследование морфологии и шероховатости поверхности образцов после 1,2,3 и 4-х проходов. Морфологию поверхности образцов исследовали методом растровой электронной микроскопии на приборе JEOL JCM-5700, в режиме высокого вакуума. Тип сигнала - вторичные электроны (SEI). Параметр SpotSize (размер пятна) - 50, величина ускоряющего напряжения 10 - 20 кВ, увеличение от 1000 до 5000 крат. Профилометрию проводили на приборе TR-220 (TimeGroup) на базовых длинах 0,8 и 0,25 мм.

2. Результаты эксперимента

2.1 Морфология поверхности

Анализ микрофотографий поверхности (Рис.1-2), полученных методом растровой электронной микроскопии позволяет сделать вывод, о том, что поверхностный слой ниобия и ванадия аналогичен морфологии поверхности всех металлических материалов. На этих рисунках представлен внешний вид поверхности, после каждого из 4 проходов. В процессе электроэрозионной обработки в момент искрового разряда из заготовки выбивается расплавленный микрообъем металла, оставляя после себя микро кратер. Чаще всего выплеснувшийся материал растекается хаотично по поверхности и застывает, однако, для первых проходов характерно еще и более значительное образование аморфных сфер. В поверхностном слое ниобия и ванадия после ЭЭО наблюдается образование трещин, шириной порядка одного микрометра и глубиной не более 30 микрометров. Образование трещин происходит из-за быстрого нагрева свыше 5000° и охлаждения до температуры диэлектрической жидкости (25°С). Вследствие высокого градиента температур возникают поверхностные термические напряжения с последующим растрескиванием металла. При этом сетка трещин выстроена хаотически. После обработки ниобия трещины пересекаются между собой под разными углами, а при обработке ванадия наблюдается их частое пересечение под прямым углом. Вероятнее всего трещины проходят по границам зёрен, для проверки этой теории необходимо проведение дополнительного исследования.

Рисунок 1 Морфология поверхности ванадия после электроэрозионной обработки, РЭМ, Ч 5000: а) - после одного прохода, б) - после двух проходов, в) - после трех проходов, г) - после четырех проходов

Рисунок 2 Морфология поверхности ниобия после электроэрозионной обработки, РЭМ, Ч 5000: а) - после одного прохода, б) - после двух проходов, в) - после трех проходов, г) - после четырех проходов

2.2 Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности для всех четырех проходов была измерена методом профилометрии. На первых двух проходах шероховатость поверхности ванадия варьируется от 2,27 мкм до 2,57 мкм, а для ниобия от 2,57 мкм до 2,86 мкм. На третьем и четвертом проходе идет резкое снижение шероховатости поверхности ванадия и ниобия соответственно от 0,43 мкм до 0,57 мкм и от 0,44 мкм до 0,55 мкм.

3. Обсуждение результатов

Методом рентгеновского энергодисперсионного анализа на микрошлифах ванадия и ниобия установлена толщина дефектного слоя, содержащего медь и цинк. Для первого прохода она составила не более 18 мкм, для второго, не более 13 мкм, для третьего не более 6 мкм, а для четвертого не более 3 мкм. Глубина трещин не превышает толщину дефектного слоя, следовательно, образовавшиеся трещины можно удалить с помощью финишной механической обработки, такой как шлифование или полирование. Для производства катодов, используемых в установках магнетронного напыления целостность поверхности не важна, однако для них недопустимо наличие инородного материала в поверхностном слое. Следует отметить, что для изделий, для которых необходим высокий уровень адгезии такого рода трещины пойдут только на пользу, при этом не рекомендуется использовать изделия, обработанные с помощью ЭЭО, там, где на обработанную поверхность будет оказываться знакопеременные нагрузки.

Выводы

ЭЭО металлов, не входящих в базу данных электроэрозионного станка экономически целесообразна после подбора стабильных режимов его работы, однако для наиболее производительной обработки необходимы расчеты, которые позволят получить оптимальные режимы резания. Из полученных в ходе исследования данных о глубине проникновения материала электрода-инструмента в приповерхностный слой ниобиевой и ванадиевой мишеней, следует вывод о необходимости оставления припусков для финишной шлифовки или полировки перед использованием изделий по назначению. Таким образом, для наиболее экономичной электроэрозионной обработки тугоплавких металлов необходимо дальнейшее исследование данных образцов для назначения режимов финишного шлифования или полирования.

Список литературы

1. Barenji, R. V., Pourasl, H. H., & Khojastehnezhad, V. M. (2016). Ac ce p te d us t. Precision Engineering. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2016.01.012.

2. Sharakhovsky, L. I., Marotta, A., & Essiptchouk, A. M. (2006). Model of workpiece erosion for electrical discharge machining process, 253, 797-804. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.01.013.

3. Marashi, H., Jafarlou, D. M., Sarahan, A. A. D., & Mardi, N. A. (2016). Employing severe plastic deformation to the processing of electrical discharge machining electrodes. Precision Engineering. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2016.05.012.

4. Rona, N., Yenisey, M., Kucukturk, G., Gurun, H., Cogun, C., & Esen, Z. (2016). ScienceDirect Original article Effect of electrical discharge machining on dental. Journal of Prosthodontic Research, 1-10. https://doi.org/10.1016/j.jpor.2016.07.006.

5. Malek, O., Vleugels, J., Perez, Y., Baets, P. De, Liu, J., Berghe, S. Van Den, & Lauwers, B. (2010). Electrical discharge machining of ZrO 2 toughened WC composites. Materials Chemistry and Physics, 123(1), 114-120. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.03.069.

6. Fukuzawa, Y., Mohri, N., Gotoh, H., & Tani, T. (2009). Three-dimensional machining of insulating ceramics materials with electrical discharge machining. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 19, s150-s156. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(10)60263-4.

7. Aktuр, S. L., Kutbay, I., & Usta, M. (2016). Characterization and formation of bioactive hydroxyapatite coating on commercially pure zirconium by micro arc oxidation. Journal of Alloys and Compounds. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.10.217.

Размещено на Allbest.ru