пїњ

—»Ќ“≈« ЌјЌќ ќћѕќ«»“Ќџ’ ѕќ –џ“»… — ѕќ¬џЎ≈ЌЌџћ» ‘»«» ќћ≈’јЌ»„≈— »ћ» —¬ќ…—“¬јћ» ћ≈“ќƒќћ ЁЋ≈ “–ќ»— –ќ¬ќ√ќ Ћ≈√»–ќ¬јЌ»я

”ƒ  621.9.048 Ѕ. Ў. јЋ»ћЅј≈¬ј
ƒ. Ќ.  ќ–ќ“ј≈¬ ё.  . ћјЎ ќ¬
ќмский государственный технический университет
—ибирска€ государственна€ автомобильно-дорожна€ академи€,
г. ќмск
—»Ќ“≈«
ЌјЌќ ќћѕќ«»“Ќџ’ ѕќ –џ“»… — ѕќ¬џЎ≈ЌЌџћ» ‘»«» ќћ≈’јЌ»„≈— »ћ» —¬ќ…—“¬јћ» ћ≈“ќƒќћ ЁЋ≈ “–ќ»— –ќ¬ќ√ќ Ћ≈√»–ќ¬јЌ»я___________________________________________
»сследовано вли€ние материала легирующего электрода на фазовый состав, размер кристаллов, микротвердость и толщину покрытий, формируемых методом электроискрового легировани€ при различных технологических режимах. –ентгенофазовым анализом покрытий установлено, что электрод »ћ’2 обеспечивает получение интер-металлидов с наименьшим размером кристаллитов, максимальной микротвердостью.  лючевые слова: электроискровое легирование, легирующий электрод, микротвердость, фазовый состав, толщина покрыти€.
¬ведение. Ќепрерывный рост требований, предъ€вл€емых к узлам трени€ деталей машин, приводит к активному поиску новых эффективных способов упрочнени€ поверхностных слоев и создани€ износостойких покрытий.
ѕрактика последних дес€тилетий показывает, что прогресс в этой области возможен при использовании технологий модифицировани€ и нанесени€ на поверхности трени€ деталей машин и инструментов нанокомпозитных покрытий на основе таких тугоплавких соединений, как карбиды и нитриды й-пере-ходных металлов, корунд, кубический нитрид бора и др. [1, 2]. ƒл€ этих соединений характерен высокий статистический вес атомных стабильных конфигураций 8р3 и ^р6, что обеспечивает сильные и стабильные межатомные св€зи и, как следствие, уникальное сочетание таких свойств, как высока€ твердость, износостойкость, термическа€ устойчивость, химическа€ и адгезионна€ пассивность.
ѕерспективным методом получени€ наноком-позитных покрытий и упрочнени€ металлических поверхностей €вл€етс€ электроискровое легирование (Ё»Ћ), позвол€ющее получать поверхностные слои с повышенными физико-механическими свойствами. ƒостоинством Ё»Ћ €вл€етс€ универсальность метода, высока€ прочность сцеплени€ покрыти€ и материала основы, возможность нанесени€ на упрочн€емую поверхность любых токопровод€щих материалов, варировать составом и структурой покрытий в широких пределах, низка€ энергоемкость процесса, простота выполнени€ технологической операции, незначительный нагрев и отсутствие деформаций материала основы. Ёлектроискровое легирование, облада€ широкими возможност€ми формировани€ в поверхностных сло€х определенной
структуры, фазового и химического состава, позвол€ет улучшить их эксплуатационные свойства [3 Ч 5].
—интез нанокомпозитных покрытий при Ё»Ћ заключаетс€ в создании особого параметрического состо€ни€ поверхностных слоев материала, отличного от его объемного (исходного) состо€ни€.
”прочнение при Ё»Ћ происходит за счет следующих процессов [1, 6]:
1. ќсаждени€ на поверхности детали (катода) материала противоположного легирующего электрода (анода) с высокой твердостью.
2. ƒиффузии материала анода в катод и образовани€ растворов, смесей, химических соединений и насыщени€ поверхности оксидами, нитридами, ин-терметаллидами.
3. ќбразовани€ зон взаимной кристаллизации ће1 и ће2 и образовани€ неравновесных структур, фаз, а также мелкозернистой структуры с размером субзерен в нанометровом диапазоне (до 100 нм).
ѕеренос материала анода на катод и взаимодействие между ними обеспечивает изменение физикохимических и физико-механических свойств поверхностного сло€. ¬арьирование свойств электродных материалов Ч легирующих элементов позвол€ет получить широкий спектр характеристик легированного сло€ и нанокомпозитного покрыти€ [7].
÷елью работы €вл€етс€ исследование вли€ни€ материалов легирующих электродов (ЋЁ) на микротвердость, структурно-фазовое состо€ние, толщину нанокомпозитных покрытий, формируемых на стальной поверхности.
ќборудование и материалы. »сследовани€ проводились на образцах из конструкционной легированной стали 15’√Ќ2“ј, примен€емой при изготовлении валов коробок передач автомобилей. ѕоверх-
ќћ— »… Ќј”„Ќџ… ¬≈—“Ќ»  є 2 (120) 2013 ћјЎ»Ќќ—“–ќ≈Ќ»≈ » ћјЎ»Ќќ¬≈ƒ≈Ќ»≈
ћјЎ»Ќќ—“–ќ≈Ќ»≈ » ћјЎ»Ќќ¬≈ƒ≈Ќ»≈ ќћ— »… Ќј”„Ќџ… ¬≈—“Ќ»  є 2 (120) 2013
-»ћ’2
-Ў2
“15 6
и, ¬
–ис. 1. «ависимость микротвердости покрытий: от напр€жени€ в импульсе (а), разр€дной емкости (б). »сходна€ микротвердость Ч 22 Ќ^
—, мк‘
ности образцов обрабатывали трем€ различными электродами: стандартный ЋЁ марки “15 6; электрод »ћ’2, содержащий 50 % WC-Co, 50 % Ni-Cr-B-Si; электрод Ў2 с минеральным сырьем ƒальневосточного региона на основе TiC-Ni-Cr-AI-ЎЋ  (ше-елитовый концентрат CaWO4).
ќбработка образцов осуществл€лась на установке Ё»Ћ модели IMES-01-2 с технологическими режимами: емкость конденсаторов — = 34...240 мк‘; напр€жение в импульсе U = 80...160 ¬; врем€ обработки Ч 2 Ч 4 мин/см2. ћикротвердость формируемых поверхностных слоев определ€ли с помощью микротвердомера ѕћ“-3 при нагрузке 0,49 Ќ. »дентификаци€ фазового состава покрытий проводилась рентгенофазовым анализом (–‘ј) с помощью дифрактометра D8 Advance в монохроматизированном Cu-ka излучении. ѕараметры кристаллической решетки и эффективный размер кристаллитов рассчитывали, использу€ формулы дл€ расчета межплоскостных рассто€ний и методику —ел€кова Ч Ўеррера (с учетом инструментальной поправки) в направлени€х (110) и (200). ƒл€ стальной основы D110 = 7,19 мкм,
Ѕ200 = 2,22 мкм. “олщина наносимых покрытий определ€лась на горизонтальном оптиметре » √-3 относительным методом измерени€.
ќбсуждение результатов. –езультаты измерени€ микротвердости покрытий образцов, полученных Ё»Ћ на различных технологических режимах, представлены на рис. 1.
јнализ результатов измерени€ показал, что наиболее высокие значени€ микротвердости покрытий получены при использовании электродов »ћ’2 и “15 6 (»я— 65...68). ѕри этом установлено, что увеличение энергетических режимов обработки (разр€дной емкости конденсаторов и напр€жени€ в импульсе) изменени€ зависимостей микротвердости покрытий различны дл€ каждого материала легирующего электрода. Ќаибольший эффект по повышению микротвердости обеспечиваетс€ при обработке электродом »ћ’2 с напр€жением в импульсе и =140 ¬ и емкостью — =120 мк‘; а также при обработке электродом “15 6 с напр€жение и=110...120 ¬ и емкостью — =150 мк‘. ƒальнейшее увеличение напр€жени€ в импульсе приводит к резкому снижению
–ис. 2. –ентгенограммы покрытий образцов стали 15’√Ќ2“ј, легированных электродами на режимах и = 120 ¬, — = 120 мк‘, 1 = 4 мин: а) “15 6; б) »ћ’2; в) Ў2
микротвердости и разупрочнению поверхностного сло€.
— целью вы€снени€ причин повышени€ микротвердости покрытий проведен рентгенофазовый анализ. –ентгенограммы покрытий, сформированных с использованием трех вышеназванных электродов приведены на рис. 2. ќбработка рентгенограмм показала, что при использовании электрода »ћ’2, наблюдаютс€ интенсивные рефлексы, соответствующие интерметаллидам –еџ^, —гєЎ (рис. 2б), а также рефлексы от подложки, соответствующие твердому раствору —г–е с параметром решетки
0,029 мкм. Ёффективный размер кристаллитов в направлении (200) ¬200= 1,44 мкм. —ледовательно, максимальное значение микротвердости покрытий, сформированных электродом »ћ’2, св€зано с обра-
зованием интерметаллидов железа, никел€ и хрома, вследствие микрометаллургических процессов, протекающих на поверхности в результате перемешивани€ и химического взаимодействи€ компонентов ЋЁ с материалом основы.
–ентгенофазовый анализ покрыти€, сформированного при обработке образца электродом “15 6 (рис. 2а), по характерным пикам показал наличие карбида титана (Ќ—), а также фаз: (—г“1)203, –еќ и незначительное количество “1Ў. ѕри этом пиков от исходного материала практически не наблюдаетс€, что говорит об отсутствии перемешивани€ материалов ЋЁ и основы.
–ентгенограммы образцов, обработанных электродом Ў2 (рис. 2в), кроме основной фазы –е— содержат фазы: —г–е (на рисунке не показана),
а
б
в
ќћ— »… Ќј”„Ќџ… ¬≈—“Ќ»  є 2 (120) 2013 ћјЎ»Ќќ—“–ќ≈Ќ»≈ » ћјЎ»Ќќ¬≈ƒ≈Ќ»≈
ћјЎ»Ќќ—“–ќ≈Ќ»≈ » ћјЎ»Ќќ¬≈ƒ≈Ќ»≈ ќћ— »… Ќј”„Ќџ… ¬≈—“Ќ»  є 2 (120) 2013
—г“1—, —г2ќ3. “вердый раствор —г–е имеет решетку с периодом 0,029 мкм; эффективный размер кристаллитов в направлении (110) составил ¬110= 1,50 мкм, в направлении (200) Ѕ200 = 2,10 мкм.
Ќаибольшие размеры кристаллитов получены при обработке электродом Ў2 и превышают размеры кристаллитов, сформированных Ё»Ћ электродом »ћ’2, примерно на 50 %. Ётим можно объ€снить уменьшение микротвердости при применении электрода Ў2.
–езультаты исследований показали, что с повышением энергетических режимов Ё»Ћ толщина покрыти€ увеличиваетс€ вне зависимости от материала ЋЁ (рис. 3). ѕри использовании электрода »ћ’2 на основе карбида вольфрама с добавками компонентов, образующих с материалом основы неограниченные твердые растворы, а также играющих роль флюсов, получена наибольша€ толщина покрыти€ (ї210 мкм). ¬ведение бора и кремни€ в состав ЋЁ уменьшает образование оксидных пленок в формируемом слое, что оказывает положительное вли€ние на сплошность и увеличение толщины покрыти€.  роме того, введение бора снижает эрозионную стойкость ЋЁ и, как следствие, повышает массопере-нос материала на обрабатываемую поверхность. »спользование электрода Ў2 также приводит к образованию покрытий, превышающих по толщине покрыти€, сформированные стандартными электродами марки “15 6, в 1,7 Ч 2 раза. ѕолученные результаты исследовани€ объ€сн€ютс€ тем, что минеральное сырье (шеелитовый концентрат) создает защитную атмосферу в зоне электроискровой обработки, преп€тству€ выгоранию эрозионных частиц и способству€ интенсификации массопереноса материала ЋЁ.
«аключение. –езультаты проведенных исследований позвол€ют сделать следующие выводы:
1. ћодифицирование методом электроискрового легировани€ приводит к изменению фазового состава, размеров кристаллитов и микротвердости поверхностного сло€ стальных образцов.
2. ѕри обработке с электродом »ћ’2 происходит формирование наноструктур интерметаллидов с наименьшим размером кристаллитов, что обеспечивает максимальное повышение микротвердости.
3. ”становлено, что повышение уровн€ энергетических режимов Ё»Ћ (емкости конденсаторов и напр€жени€ в импульсе), с применением электродов »ћ’2 и Ў2 обеспечивает увеличение толщины формируемых нанопокрытий в 2 Ч 4 раза по сравнению со стандартными электродами “15 6.
4. ѕолученные результаты позвол€ют рекомендовать в качестве легирующих электродов при электроискровой обработке поверхностей стальных деталей машин: электроды »ћ’2 и Ў2 Ч дл€ восстановлени€ и повышени€ износостойкости изношенных поверхностей трени€; электрод марки “15 6 Ч дл€ упрочнени€ поверхностных слоев деталей машин и инструментов.
Ѕиблиографический список
1. ¬ерхотуров, ј. ƒ. ‘ормирование поверхностного сло€ металлов при электроискровом легировании / ј. ƒ. ¬ерхотуров Ч ¬ладивосток : ƒальнаука, 1995. Ч 323 с.
–ис. 3. ¬ли€ние материала ЋЁ на толщину покрыти€ (мкм) образца из стали 15’√Ќ2“ј
2. Ёлектроискровое легирование поверхности на углеродистых стал€х и чугуне с помощью электродов из силицидов молибдена и вольфрама / Ѕ. ј. √несин [и др.] // ћатериаловедение. Ч 2007. Ч є 7. Ч —. 41 Ч 54.
3.  оротаев, ƒ. Ќ. ”правление активационно-диссипативными процессами при электроискровом легировании стальной поверхности / ƒ. Ќ.  оротаев, ≈. ¬. »ванова // ‘изика и хими€ обработки материалов. Ч 2010. Ч є 6. Ч —. 81Ч84.
4.  оротаев, ƒ. Ќ. —убструктурное поверхностное упрочнение деталей трибосистем методом электроискрового легировани€ / ƒ. Ќ.  оротаев, ≈. ¬. »ванова // ѕерспективные материалы. - 2011. - є 2. - —. 98-102.
5.  оротаев, ƒ. Ќ. ќптимизаци€ технологических режимов электроискрового легировани€ деталей трибосистем / ƒ. Ќ.  оротаев, ё.  . ћашков // “рение и износ. - 2009. - “. 30. -є 2. - —. 146-151.
6. Ќиколенко, —. ¬. Ќовые электродные материалы дл€ электроискрового легировани€ / —. ¬. Ќиколенко, ј. ƒ. ¬ерхотуров. - ¬ладивосток : ƒальнаука, 2005. - 218 с.
7. —амсонов, √. ¬. Ёлектроискровое легирование металлических поверхностей / √. ¬. —амсонов, ј. ƒ. ¬ерхотуров, √. ј. Ѕовкун. -  иев : Ќаукова думка, 1976. - 220 с.
јЋ»ћЅј≈¬ј Ѕотагоз Ўайдуловна, аспирантка кафедры физики ќмского государственного технического университета (ќм√“”).
 ќ–ќ“ј≈¬ ƒмитрий Ќиколаевич, доктор технических наук, доцент (–осси€), профессор кафедры ЂЁксплуатаци€ и ремонт автомобилейї —ибирской государственной автомобильно-дорожной академии. ћјЎ ќ¬ ёрий  онстантинович, доктор технических наук, профессор (–осси€), профессор кафедры физики ќм√“”.
јдрес дл€ переписки: та1у_о1да@та11.ги
—тать€ поступила в редакцию 25.02.2013 г.
© Ѕ. Ў. јлимбаева, ƒ. Ќ.  оротаев, ё.  . ћашков

пїњ