ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ УПРОЧНЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ЕГО СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА НА СПЕЧЕННОМ СПЛАВЕ ОТ4, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ С ЛОКАЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ НАНЕСЕНИЕМ ПОКРЫТИЯ

Категория: Инженерия.

Реферат. Приведены результаты исследования кинетики процесса формирования поверхностного слоя, его структуры и фазового состава, упрочненного электроискровым легированием. Показано, что временные зависимости эрозии анода и катода стабилизируются при удельной длительности легирования (8…10) мин/см2. Отмечается возникновение на поверхности анода вторичной структуры за счет обратного переноса материала, имеющей повышенную твердость (8…10) ГПа. Исследованы продукты эрозии, полученные в процессе локального электроискрового нанесения покрытия. Соотношение жидкой и твердой фаз составляет 73…75 и 25…27% соответственно. Размер частиц твердой фазы – 20…25 – 760 мкм (преобладающий размер – 75 мкм), жидкой фазы – 6…8 – 76 (преобладающий размер – 13 мкм). Представлены микроструктурные, калориметрические, рентгенодифракционные исследования композита. Проведена качественная оценка прочности легированных слоев. Исследование полученных композитов в условиях абразивного изнашивания подтвердило повышение их работоспособности в 1,5…1,7 раза по сравнению с исходным порошковым сплавом.

Ключевые слова: титановый сплав, электроискровое легирование, поверхностный слой, кинетика формирования, структура, фазовый состав.

На подложку из спеченного сплава ОТ4 [1] методом электроискрового легирования (ЭИЛ) [2] было нанесено самофлюсующее покрытие системы Ni-Cr-Si-B-C, близкое по составу порошковому сплаву ПГ-12Н-03 (15 Сr; 4 Fe; 3 В; 1,5 Si; 1,5 С; Ni ост. в ат.%). Покрытия наносились в оптимизированном режиме, обеспечивающем достаточную эрозию электродного материала и повышение износостойкости на 30…35%.

При нанесении электроискровых покрытий на порошковые титановые сплавы следует учитывать их особенности, обусловленные прежде всего пористостью основы. С увеличением пористости материала связана возможность образования пропитанной поверхностной зоны с легко сплавляющимися составляющими. Более высокая удельная поверхность спеченного материала создает опасность окисления при нагреве, что может привести к охрупчиванию материала основы и ухудшению смачиваемости с ним защитного слоя. Для установления влияния указанных факторов на процесс формирования и свойства электроискровых покрытий были проведены исследования структуры.

Металлографическими исследованиями [3] установлено, что при ЭИЛ на порошковые титановые сплавы самофлюсующихся сплавов на основе никеля изменения структуры и состава переходной зоны более существенны, чем при локальном электроискровом нанесении покрытия (ЛЭНП) на компактные титановые сплавы.

Общее представление о кинетике формирования покрытий с помощью установки «ЭЛФА-541» на спеченном сплаве ОТ4 электродами их самофлюсующихся сплавов на никелевой основе системы Ni-Cr-Si-B-C типа ПГ-12Н-03 дают графики, приведенные на рисунках 1, 2. Из рисунка 1 видно, что суммарная эрозия исследуемых материалов изменяется по нелинейному закону с ростом времени легирования.

Временные зависимости эрозии этих сплавов уменьшаются уже после трех минут легирования и стабилизируются при удельной длительности легирования τуд > 8...10 мин/см2 (рис. 2).

Такая зависимость обусловлена тем, что при ЛЭНП длительностью 2,0...3,0 мин/см2 эрозия материала легирующего электрода определяется исходным состоянием, которое соответствует его физико-химическим свойствам. С увеличением длительности легирования за счет обратного переноса материала с легируемой поверхности (подложки – катода) на электрод (деталь – анод) на поверхности последнего возникает слой измененной структуры (не исходный материал), который получил название вторичной структуры [4].

Эта структура до полного расхода легирующего электрода является истинным объектом эрозии, оказывающим существенное влияние на формирование ЛЭНП. Вторич­ная структура возникает за счет воздействия межэлектродной фазы, импульсных термомеханических нагрузок искрового разряда и обратного переноса материала (с катода на анод). Превалирующее влияние одного из вышеперечисленных факторов определяет вид кинетической эрозии и в конечном счете – условия формирования измененного поверхностного слоя покрытия. Влияние вторичной структуры на формирование покрытия неоднозначно, но, как правило, при ЛЭНП, металлами и сплавами вторичная структура увеличивает суммарный привес катода. Внешние термомеханические воздействия ­неизменно приводят к разрушению вторичных структур, что происходит преимущественно в подслое с явными признаками ­пластической деформации (рис. 3).

Ударно-тепловое воздействие разряда ускоряет диффузионные процессы, а также фазовую и динамическую перекристаллизацию материалов, что приводит к повышению уровня механических свойств вторичной структуры по сравнению с материалом основы. Возникающая вторичная структура имеет повышенную микротвердость 8...10 ГПа. Импульсные тепловые и механические нагрузки и сопровождающие процессы переноса материала с катода и из межэлектродной среды обеспечивают регенерацию экранирующей фазы на аноде.

Материал электродов, режим обработки, состав межэлектродной фазы влияют на характер структуры поверхности анода после ЭИЛ, в частности ЛЭНП. По существу, на подложку переносится не исходный легирующий сплав, а сложный композиционный материал, образовавшийся в результате воздействия на него искровых разрядов, межэлектродной среды и обратного массопереноса [5–7].

При ЛЭНП имеет большое значение смачиваемость катода жидкофазной составляющей материала анода. В связи с этим мы исследовали продукты эрозии, полученные в процессе ЛЭНП на спеченном сплаве ОТ4. Соотношение жидкой и твердой фаз в продуктах эрозии составляет 73...75 и 25...27% ­соответственно. Размер частиц твердой фазы – 20...25 – 760/75 мкм, а жидкой – 6...8 – 76/13 мкм (в знаменателе преобладающий размер частиц (>50%)).

Микроструктурные исследования композита (рис. 4) подтверждают высокую сплошность ЛЭНП из сплава системы Ni-Cr-Si-B-C типа ­ПГ-12Н-03 на подложке из спеченного сплава ОТ4.

Сплошность ЛЭН покрытия составляет – 99,5%.

В процессе электроискровой обработки происходит быстрое расплавление электродного материала и сверхбыстрое охлаждение расплава в слоях толщиной 5–25 мкм. Это создает предпосылки, как уже было сказано, для образования метастабильных кристаллических и аморфных фаз. Присутствие аморфных и кристаллических фаз подтверждается методом просвечивающей электронной микроскопии. На отдельных микродифракционных картинках от тонких фольг, полученных электрохимической полировкой покрытий, отсутствуют четкие дифракционные максимумы. Наблюдается лишь достаточно интенсивно размытое кольцо вокруг не отклоненного пучка электронов, а также второе и третье еще более размытые кольца значительно меньшей интенсивности, что характерно для аморфных материалов. Аморфные участки имели диаметр 2–3,5 мкм, внутри которых присутствовали кристаллы размером 0,1…0,3 мкм, часто шаровидной формы. Это подтверждается наличием соответствующих линий на рентгенограммах, полученных методом косых съемок.

Последнее позволяет сделать вывод, что частичная кристаллизация аморфной фазы происходит непосредственно в процессе ЛЭНП за счет многократных термических воздействий при каждом элементарном акте переноса материала.

Электроискровые слои сохраняют аморфную структуру и мелкокристаллическое строение и после длительных высокотемпературных отжигов (рис. 4, 5). После отжига при 640…740 °С в течение 4 часов обнаружены белые слоистые прослойки с размером зерна 0,25…0,5 мкм.

В то же время отдельные свойства электроискровых покрытий, в частности коррозионные характеристики, меняются при более низких температурах, что обусловлено распадом метастабильных фаз. Так, перенасыщенный γ-твердый раствор при нагреве распадается с выделением дополнительного количества борида NiB, который также распадается при дальнейшем нагреве. Калориметрически установлено, что избыточная фаза растворяется при ~500 °С, а распад завершается при ~400 °С. По данным электрохимических исследований обнаружено, что после распада пересыщенного γ-твердого раствора и аморфной фазы при температуре ~400 °С на анодной поляризационной кривой сплава с покрытием имеет место резкое повышение тока активного растворения.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в результате электроискровой обработки самофлюсующимися сплавами типа ПГ-12Н-03, близкими по составу ­Ni-Cr-Si-B-C, на поверхности изучаемого спеченного сплава происходят существенные изменения, характеризуемые образованием белого слоя с микрокристаллической структурой, сложного и неоднородного по составу, содержащего метастабильные кристаллическую и аморфную фазы. Соотношение объемного содержания этих фаз в основном определяется химическим составом электродного материала и в меньшей степени зависит от условий технологии. Присутствие этих фаз оказывает существенное влияние на физико-механические свойства электроискровых покрытий.

Выявлен главный структурный фактор – аморфная фаза, обеспечивающая повышение износоустойчивости и коррозионных характеристик полученных композитов. Количество аморфной фазы зависит от состава электродного материала и в меньшей степени – от технологических параметров ЛЭНП. Использование полученных композитов в условиях абразивного изнашивания подтвердило повышение их работоспособности в 1,5…1,7 раза по сравнению с исходным порошковым сплавом ОТ-4. Как было отмечено выше, центральным вопросом электроискрового легирования является формирование упрочняющего слоя. Качественная оценка прочности легированных слоев проводится по величине нормальной нагрузки, вызывающей разрушение покрытия при скольжении сферического или пирамидального алмазного индентора. Разрушение упрочняющего слоя фиксируется по наблюдаемым в оптический микроскоп сколам и трещинам в краях канавки, образованной при скольжении индентора. Такой косвенный метод не дает возможности получения истинных значений характеристик, определяющих сцепление и прочность покрытий, но удобен для сравнительного анализа и позво­ляет оценить качественно их адгезионную прочность [8, 9]. Как было отмечено выше, оптимизация процесса электроискрового легирования приводит к упрочнению поверхностного слоя. Проведенная оценка адгезионной прочности электроискрового покрытия на оптимизированном режиме по методике [6] подтверждает эффективность оптимизации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гадалов В. Н., Винокуров О. В., Савельев В. И., Толкушев А. А., Ворначева И. В. Изучение быстрозакристаллизованных порошков из отходов титановых сплавов ОТ-4 и ВТ20 после электроимпульсной обработки // Заготовительные производства в ма­шиностроении. – 2016. – № 11. – С. 42–46.
2. Гадалов В. Н., Фи­лоно­вич А. В., Шкатов В. В., Тураева О. А., Ворначева И. В., Розин А. Ю. Описание процесса электроискро­вого легирования ­(обобщен­ная модель) // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. – 2016. – № 4 (21). – С. 58–66.
3. Гадалов В. Н., Сальников В. Г., Агеев Е. В. и др. Металлогра­фия металлов порош­ковых материалов и покрытий, полученных электроискровыми способами : монография. – М. : Инфра-М, 2011. – 468 с.
4. Верхотуров А. Д., Подчер­ня­­е­ва И. А., Ку­риленко Л. Н. Формирова­ние ­вторичной структуры на аноде в процессе электроискрового легирования  // Электронная обработка материалов. – 1987. – № 1. – С. ­26–32.
5. Самсонов Г. В., Муха И. М., Верхотуров А. Д. и др. Влияние свойств карбидов на эрозионную стойкость в режимах электроискровой обработки// Порошковая металлургия. – 1977. – № 3. – С. 55–59.
6. Намитоков К. К. Об агрегатном состоянии, составе и строении продуктов электрической эрозии металлов // Физические основы элек­троискровой обработки материа­лов. – М. : Наука, 1966. – С. 86–107.
7. Золотых В. Н., Коробова И. Д., Стрыгин Э. М. О роли механических факторов в процессе эрозии в импульсном разряде // Фи­зические основы электроискровой обработки материалов. – М. : Наука, 1966. – С. 63–73.
8. Гадалов В. Н., Бредихина О. А., Камышников Ю. П. и др. Ис­пользование метода склерометрии для оценки металлов и сплавов с электрофизическими покрытиями  // Сб. мат. 6-й междунар. научн.-техн. конференции «Новые ­материалы и технологии в машиностроении». – Брянск : БГИТА, 2006. – С. 10–14.
9. Гадалов В. Н., Гвоз­дев А. Е., Романенко Д. Н. и др. Применение ­износостойких минералокерамических и твердо­сплав­ных инденторов для повы­ше­ния надежности и качест­ва деталей // Вестник машиностроения. – 2016. – № 6. – С. 63–66.

Метки: Инженерия

• Назад
• Вперед