Синтез наноструктурных покрытий с повышенными триботехническими свойствами методом электроискровой обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез наноструктурных покрытий с повышенными триботехническими свойствами методом электроискровой обработки

В работе рассматривается процесс синтеза наноструктурных покрытий с повышенными триботехническими свойствами методом электроискровой обработки. Анализируется влияние материала легирующих электродов и технологических режимов обработки на элементный и фазовый составы, топографию и триботехнические свойства синтезируемых покрытий. Показано значительное снижение скорости изнашивания полимерных контробразцов при трении по стали 15ХГН2ТА, модифицированной электроискровой обработкой в различных технологических условиях.

Повышение требований к надежности и долговечности деталей машин и технологического оборудования стимулирует развитие методов их поверхностного упрочнения и повышения износостойкости. В зависимости от условий эксплуатации изделий применяются различные методы поверхностного модифицирования сталей и сплавов [1, 2]. Все известные методы имеют свои преимущества и область применения, но в полной мере не удовлетворяют современным требованиям к эффективности, универсальности и экономичности технологических процессов. Поэтому разработка эффективного, достаточно простого для освоения в промышленном производстве и экономичного метода повышения износостойкости остается актуальной научной и практической задачей. В последнее время наиболее перспективными являются высокоэнергетические методы поверхностного модифицирования [2], к которым относится и электроискровая обработка (ЭИО), позволяющая получать покрытия с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами. Формирование упрочненного слоя и тонкого покрытия при ЭИО происходит вследствие сложных плазмохимических и теплофизических процессов, реализуемых на локальных участках поверхности обрабатываемой детали, при которых на поверхности детали формируется тонкое покрытие, состоящее из материала легирующего электрода (ЛЭ) - катода и межэлектродной среды [2-4].

Целью настоящей работы является исследование влияния материалов ЛЭ и технологических условий электроискровой обработки на элементный и фазовый состав, топографию и триботехнические свойства покрытий, формируемых на поверхности стальных деталей.

Оборудование и методика эксперимента. Исследования проводились на образцах конструкционной легированной стали 15ХГН2ТА, широко применяющейся в промышленности. Поверхности образцов модифицировали ЭИО различными электродами: стандартный электрод марки Т15К6; электрод ИМХ2, в состав которого входит 50%WC-Co, 50%Ni-Cr-B-Si; электрод Ш2 с минеральным сырьем Дальневосточного региона на основе TiC-Ni-Cr-Al-ШЛК (шеелитовый концентрат CaWO4) [5].

Электроискровая обработка выполнялась на установке ЭИЛ модели ИМЭИ-1001-IMES с технологическими режимами: емкость конденсаторов С = 34-240 мкФ; анодно-катодное напряжение U = 80-160 В; удельная продолжительность обработки - t = 2-4 мин/см2. Микрорельеф, характерные размеры структурных элементов в поверхностном слое образцов, модифицированных различными электродами, исследовали на сканирующем зондовом микроскопе NTEGRA Prima (НТ-МДТ, Россия) в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (к-АСМ).

Исследование элементного состава покрытий проводили на растровом электронном микроскопе Jeol JCM-5700 и рентгеновском энергодисперсионном спектрометре. Структуру и фазовый состав модифицированных покрытий исследовали методом рентгенофазового анализа (РФА) на дифрактометре D8 ADVANCE (Bruker) в Сu-Кб излучении в области углов 2 = 5-1200.

Характеристики триботехнических свойств исследовали на специальной установке при схеме трения «палец-диск», контактном давлении Р = 2,66 МПа и скорости скольжения V = 1,20 м/с. В качестве контробразцов применялись цилиндрические пальцы из полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). Влияние технологических режимов электроискровой обработки на скорость изнашивания сопряженных полимерных контробразцов исследовали с использованием метода планирования полного многофакторного эксперимента типа N = 23 = 8 [6]. В качестве независимых факторов были приняты: X1 - анодно-катодное напряжение между легирующим электродом и поверхностью образца; Х2 - разрядная емкость конденсаторов; Х3 - удельная продолжительность обработки. В качестве функции отклика принята скорость изнашивания полимерных контробразцов.

Результаты исследований и их обсуждение. При сближении легирующего электрода с поверхностью обрабатываемой детали напряженность электрического поля возрастает, между ними возникает искровой электрический разряд. Поток электронов устремляется к поверхности катода, кинетическая энергия заторможенных электронов аккумулируется в поверхностных слоях анода, переводя его в возбужденное состояние. Металл анода плавится, из него выделяется поток мелких частиц, направляющийся к поверхности катода. Частицы нагреваются, закипают, и при взаимодействии с поверхностью катода, образуют сильные адгезионные связи и частично диффундируют на незначительную глубину, модифицируя поверхностный слой. Вслед за частицами движется анод, при механическом контакте электродов происходит второй импульс тока и в зоне взаимодействия развиваются диффузионные процессы переноса микрочастиц на катод, а также химические реакции и формирование неустойчивой модифицированной структуры. В таком режиме работы системы «анод - катод» вследствие развивающихся диссипативных процессов на поверхности катода формируется тонкий слой покрытия с устойчивой модифицированной структурой.

В рассмотренной термодинамической системе «анод - катод» электрический разряд, физически являющийся концентрированным потоком электронов (плотность мощности 107 - 1012 Вт/см2), взаимодействует с поверхностью металлического образца - катода в исходном состоянии. В кристаллической решетке металла вследствие высокоэнергетического взаимодействия резко повышается температура. Длительность активной фазы взаимодействия очень мала и не превышает 10-6 - 10-5 с. Практически одновременно формируются диссипативные тепловые потоки и рассеяние теплоты с обрабатываемой поверхности. Благодаря этому развиваются процессы релаксации и диссипации тепловой энергии искрового разряда.

Высокая плотность мощности искрового разряда и малая продолжительность периода его активного взаимодействия затрудняет сформирование устойчивых диссипативных каналов, что приводит к дисбалансу энергетических потоков. Избыточная доля энергии, превышающая диссипативную долю, расходуется на работу эрозионного поверхностного разрушения главным образом обрабатываемой детали - катода.

Таким образом, согласно рассмотренному процессу, перенос частиц материала анода происходит в промежутке времени от момента электрического пробоя межэлектродного пространства до момента ударного контакта электродов. Следовательно, за это время происходит два импульса тока, а вещество переносится в жидко-капельном распыленном состоянии, что способствует формированию тонкого покрытия на поверхности катода.

Результаты экспериментальных исследований влияния материалов ЛЭ на элементный состав синтезируемых покрытий на стальных образцах, обработанных электродами Т15К6, Ш2 и ИМХ2, приведены таблице 1.

Таблица 1. Элементный состав покрытий и поверхностного слоя образцов из стали 15ХГН2ТА

Полученные результаты показывают, что элементный состав исходной поверхности стального образца отличается от состава покрытий, синтезированных электроискровой обработкой различными электродами. В составе покрытий не установлено наличие легирующих элементов стали 15ХГН2ТА: хрома, марганца, титана и никеля. При этом присутствуют вольфрам, кислород и кремний, что можно объяснить эрозией легирующих элементов и их малой концентрацией в стали, а также взаимодействием химических элементов электродов со сталью.

Исследование влияния ЭИО на фазовый состав покрытий показало, что обработка стандартным электродом Т15К6 приводит к образованию в поверхностном слое карбида титана (TiC), а также фаз: (CrTi)2O3 и FeO в незначительном количестве. При этом пиков от некоторых кристаллических фаз исходного материала не наблюдается.

В результате ЭИО легирующим электродом ИМХ2 на поверхности образцов образуется покрытие сложной структуры, включающей интерметаллиды с участием железа, хрома и никеля (FeNi3, CrNiW) и твердого раствора CrFe. Поверхностный слой, сформированный при обработке электродом Ш2, содержит фазы: FeC, CrFe, CrTiС и Cr2О3. Топография покрытий, полученных электроискровой обработкой различными легирующими электродами, показана на рисунке 1.

Рис. 1. Топография поверхности образцов, обработанных электродами: Т15К6 (a); ИМХ2 (б)

Характерные размеры структурных элементов (D) покрытий, высотные параметры шероховатости: среднее арифметическое отклонение профиля (Ra), глубина наибольшей впадины (RV) и высота наибольшего выступа (RР) профиля поверхностей образцов, обработанных различными ЛЭ приведены в таблице 2.

электрод синтез синтезируемый

Таблица 2. Параметры поверхности исходного и модифицированных образцов

Полученные значения характерных размеров структурных элементов покрытий показывают, что они уменьшаются в 8-13 раз (до 150-200 нм) по сравнению с исходным состоянием образцов. Минимальные размеры параметра D получены при обработке электродом Ш2.

Приведенные результаты показывают, что параметры (Ra, RР и RV) изменяются в зависимости от материала легирующего электрода. Они увеличиваются в следующем порядке: исходное состояние поверхности > обработка электродом Т15К6 > обработка электродом Ш2 > обработка электродом ИМХ2. При этом, параметр Ra увеличивается в 1,5-3,9 раза по сравнению с исходным состоянием поверхности образца.

Триботехнические свойства структур, формирующихся на стальной основе при ЭИО, оценивали по скорости изнашивания полимерных контробразцов при трении скольжения по поверхности стальных образцов, обработанных электродом ИМХ2. Этот электрод выбран по результатам предварительных исследований [7, 8]. Установлено, что скорость изнашивания полимерных контробразцов в металлополимерной паре трения уменьшается в 1,7 раза при трении по наноструктурному покрытию стального образца.

Оптимизационное исследование методом «крутого восхождения» позволило установить область оптимальных режимов электроискровой обработки: напряжение U 145-150 В, емкость конденсаторов С 225-230 мкФ, обеспечивающие максимальное снижение скорости изнашивания. Следовательно, вышеуказанный технологический режим целесообразно рекомендовать для ЭИО металлических деталей металлополимерных пар трения в качестве оптимального.

Заключение

1. Электроискровая обработка стальных поверхностей легирующими электродами различного химического состава приводит к образованию в поверхностном слое и покрытии различных фаз: карбидов FeC, TiC, интерметаллидов железа, хрома, никеля, вольфрама, а также твердых растворов и оксидов железа.

2. Методом контактной атомно-силовой микроскопии установлено значительное (в 8-13 раз) уменьшение характерных размеров структурных элементов (D) в сформированных покрытиях, свидетельствует о ЭИО наноструктурных покрытий на исходных стальных поверхностях.

3. Методами планирования факторного эксперимента и оптимизации режимов электроискровой обработки установлены оптимальные режимы обработки: напряжение U = 145-150 В, емкость конденсаторов С = 225-230 мкФ, удельная продолжительность обработки t = 3-4 мин/см2, обеспечивающие наибольшее снижение скорости изнашивания полимерного контртела.

Библиографический список

электрод синтез синтезируемый

1. Машков Ю. К., Кропотин О. В. Трибофизика и структурная модификация материалов трибосистем: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. 324 с.

2. Коротаев Д. Н. Технологические возможности формирования износостойких наноструктур электроискровым легированием: моногр. Омск: СибАди, 2009. 256 с.

3. Коротаев Д. Н., Иванова Е. В. Управление активационно-диссипативными процессами при электроискровом легировании стальной поверхности // Физика и химия обработки материалов. 2010. №6. С. 81-84.

4. Mashkov Y. K., Korotaev D. N., Baybaratskaya M. Y., Alimbaeva B. S. Rresearch and optimization of technological modes of electro-spark processing details of tribosistem // В сборнике: 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, Dynamics 2014. Proceedings 2015. С. 7005682.

Размещено на Allbest.ru