СИНТЕЗ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

УДК 621.9.048 Б. Ш. АЛИМБАЕВА
Д. Н. КОРОТАЕВ Ю. К. МАШКОВ
Омский государственный технический университет
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
СИНТЕЗ
НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ___________________________________________
Исследовано влияние материала легирующего электрода на фазовый состав, размер кристаллов, микротвердость и толщину покрытий, формируемых методом электроискрового легирования при различных технологических режимах. Рентгенофазовым анализом покрытий установлено, что электрод ИМХ2 обеспечивает получение интер-металлидов с наименьшим размером кристаллитов, максимальной микротвердостью. Ключевые слова: электроискровое легирование, легирующий электрод, микротвердость, фазовый состав, толщина покрытия.
Введение. Непрерывный рост требований, предъявляемых к узлам трения деталей машин, приводит к активному поиску новых эффективных способов упрочнения поверхностных слоев и создания износостойких покрытий.
Практика последних десятилетий показывает, что прогресс в этой области возможен при использовании технологий модифицирования и нанесения на поверхности трения 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]. Для этих соединений характерен высокий статистический вес атомных стабильных конфигураций 8р3 и ^р6, что обеспечивает сильные и стабильные межатомные связи и, как следствие, уникальное сочетание таких свойств, как высокая твердость, износостойкость, термическая устойчивость, химическая и адгезионная пассивность.
Перспективным методом получения наноком-позитных покрытий и упрочнения металлических поверхностей является электроискровое легирование (ЭИЛ), позволяющее получать поверхностные слои с повышенными физико-механическими свойствами. Достоинством ЭИЛ является универсальность метода, высокая прочность сцепления покрытия и материала основы, возможность нанесения на упрочняемую поверхность любых токопроводящих материалов, варировать составом и структурой покрытий в широких пределах, низкая энергоемкость процесса, простота выполнения технологической операции, незначительный нагрев и отсутствие деформаций материала основы. Электроискровое легирование, обладая широкими возможностями формирования в поверхностных слоях определенной
структуры, фазового и химического состава, позволяет улучшить их эксплуатационные свойства [3 — 5].
Синтез нанокомпозитных покрытий при ЭИЛ заключается в создании особого параметрического состояния поверхностных слоев материала, отличного от его объемного (исходного) состояния.
Упрочнение при ЭИЛ происходит за счет следующих процессов [1, 6]:
1. Осаждения на поверхности детали (катода) материала противоположного легирующего электрода (анода) с высокой твердостью.
2. Диффузии материала анода в катод и образования растворов, смесей, химических соединений и насыщения поверхности оксидами, нитридами, ин-терметаллидами.
3. Образования зон взаимной кристаллизации Ме1 и Ме2 и образования неравновесных структур, фаз, а также мелкозернистой структуры с размером субзерен в нанометровом диапазоне (до 100 нм).
Перенос материала анода на катод и взаимодействие между ними обеспечивает изменение физикохимических и физико-механических свойств поверхностного слоя. Варьирование свойств электродных материалов — легирующих элементов позволяет получить широкий спектр характеристик легированного слоя и нанокомпозитного покрытия [7].
Целью работы является исследование влияния материалов легирующих электродов (ЛЭ) на микротвердость, структурно-фазовое состояние, толщину нанокомпозитных покрытий, формируемых на стальной поверхности.
Оборудование и материалы. Исследования проводились на образцах из конструкционной легированной стали 15ХГН2ТА, применяемой при изготовлении валов коробок передач автомобилей. Поверх-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
-ИМХ2
-Ш2
Т15К6
и, В
Рис. 1. Зависимость микротвердости покрытий: от напряжения в импульсе (а), разрядной емкости (б). Исходная микротвердость — 22 Н^
С, мкФ
ности образцов обрабатывали тремя различными электродами: стандартный ЛЭ марки Т15К6; электрод ИМХ2, содержащий 50 % WC-Co, 50 % Ni-Cr-B-Si; электрод Ш2 с минеральным сырьем Дальневосточного региона на основе TiC-Ni-Cr-AI-ШЛК (ше-елитовый концентрат CaWO4).
Обработка образцов осуществлялась на установке ЭИЛ модели IMES-01-2 с технологическими режимами: емкость конденсаторов С = 34...240 мкФ; напряжение в импульсе U = 80...160 В; время обработки — 2 — 4 мин/см2. Микротвердость формируемых поверхностных слоев определяли с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 0,49 Н. Идентификация фазового состава покрытий проводилась рентгенофазовым анализом (РФА) с помощью дифрактометра D8 Advance в монохроматизированном Cu-ka излучении. Параметры кристаллической решетки и эффективный размер кристаллитов рассчитывали, используя формулы для расчета межплоскостных расстояний и методику Селякова — Шеррера (с учетом инструментальной поправки) в направлениях (110) и (200). Для стальной основы D110 = 7,19 мкм,
Б200 = 2,22 мкм. Толщина наносимых покрытий определялась на горизонтальном оптиметре ИКГ-3 относительным методом измерения.
Обсуждение результатов. Результаты измерения микротвердости покрытий образцов, полученных ЭИЛ на различных технологических режимах, представлены на рис. 1.
Анализ результатов измерения показал, что наиболее высокие значения микротвердости покрытий получены при использовании электродов ИМХ2 и Т15К6 (ИЯС 65...68). При этом установлено, что увеличение энергетических режимов обработки (разрядной емкости конденсаторов и напряжения в импульсе) изменения зависимостей микротвердости покрытий различны для каждого материала легирующего электрода. Наибольший эффект по повышению микротвердости обеспечивается при обработке электродом ИМХ2 с напряжением в импульсе и =140 В и емкостью С =120 мкФ; а также при обработке электродом Т15К6 с напряжение и=110...120 В и емкостью С =150 мкФ. Дальнейшее увеличение напряжения в импульсе приводит к резкому снижению
Рис. 2. Рентгенограммы покрытий образцов стали 15ХГН2ТА, легированных электродами на режимах и = 120 В, С = 120 мкФ, 1 = 4 мин: а) Т15К6; б) ИМХ2; в) Ш2
микротвердости и разупрочнению поверхностного слоя.
С целью выяснения причин повышения микротвердости покрытий проведен рентгенофазовый анализ. Рентгенограммы покрытий, сформированных с использованием трех вышеназванных электродов приведены на рис. 2. Обработка рентгенограмм показала, что при использовании электрода ИМХ2, наблюдаются интенсивные рефлексы, соответствующие интерметаллидам РеЫ^, Сг№Ш (рис. 2б), а также рефлексы от подложки, соответствующие твердому раствору СгРе с параметром решетки
0,029 мкм. Эффективный размер кристаллитов в направлении (200) В200= 1,44 мкм. Следовательно, максимальное значение микротвердости покрытий, сформированных электродом ИМХ2, связано с обра-
зованием интерметаллидов железа, никеля и хрома, вследствие микрометаллургических процессов, протекающих на поверхности в результате перемешивания и химического взаимодействия компонентов ЛЭ с материалом основы.
Рентгенофазовый анализ покрытия, сформированного при обработке образца электродом Т15К6 (рис. 2а), по характерным пикам показал наличие карбида титана (НС), а также фаз: (СгТ1)203, РеО и незначительное количество Т1Ш. При этом пиков от исходного материала практически не наблюдается, что говорит об отсутствии перемешивания материалов ЛЭ и основы.
Рентгенограммы образцов, обработанных электродом Ш2 (рис. 2в), кроме основной фазы РеС содержат фазы: СгРе (на рисунке не показана),
а
б
в
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
СгТ1С, Сг2О3. Твердый раствор СгРе имеет решетку с периодом 0,029 мкм; эффективный размер кристаллитов в направлении (110) составил В110= 1,50 мкм, в направлении (200) Б200 = 2,10 мкм.
Наибольшие размеры кристаллитов получены при обработке электродом Ш2 и превышают размеры кристаллитов, сформированных ЭИЛ электродом ИМХ2, примерно на 50 %. Этим можно объяснить уменьшение микротвердости при применении электрода Ш2.
Результаты исследований показали, что с повышением энергетических режимов ЭИЛ толщина покрытия увеличивается вне зависимости от материала ЛЭ (рис. 3). При использовании электрода ИМХ2 на основе карбида вольфрама с добавками компонентов, образующих с материалом основы неограниченные твердые растворы, а также играющих роль флюсов, получена наибольшая толщина покрытия (»210 мкм). Введение бора и кремния в состав ЛЭ уменьшает образование оксидных пленок в формируемом слое, что оказывает положительное влияние на сплошность и увеличение толщины покрытия. Кроме того, введение бора снижает эрозионную стойкость ЛЭ и, как следствие, повышает массопере-нос материала на обрабатываемую поверхность. Использование электрода Ш2 также приводит к образованию покрытий, превышающих по толщине покрытия, сформированные стандартными электродами марки Т15К6, в 1,7 — 2 раза. Полученные результаты исследования объясняются тем, что минеральное сырье (шеелитовый концентрат) создает защитную атмосферу в зоне электроискровой обработки, препятствуя выгоранию эрозионных частиц и способствуя интенсификации массопереноса материала ЛЭ.
Заключение. Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. Модифицирование методом электроискрового легирования приводит к изменению фазового состава, размеров кристаллитов и микротвердости поверхностного слоя стальных образцов.
2. При обработке с электродом ИМХ2 происходит формирование наноструктур интерметаллидов с наименьшим размером кристаллитов, что обеспечивает максимальное повышение микротвердости.
3. Установлено, что повышение уровня энергетических режимов ЭИЛ (емкости конденсаторов и напряжения в импульсе), с применением электродов ИМХ2 и Ш2 обеспечивает увеличение толщины формируемых нанопокрытий в 2 — 4 раза по сравнению со стандартными электродами Т15К6.
4. Полученные результаты позволяют рекомендовать в качестве легирующих электродов при электроискровой обработке поверхностей стальных деталей машин: электроды ИМХ2 и Ш2 — для восстановления и повышения износостойкости изношенных поверхностей трения; электрод марки Т15К6 — для упрочнения поверхностных слоев деталей машин и инструментов.
Библиографический список
1. Верхотуров, А. Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании / А. Д. Верхотуров — Владивосток : Дальнаука, 1995. — 323 с.
Рис. 3. Влияние материала ЛЭ на толщину покрытия (мкм) образца из стали 15ХГН2ТА
2. Электроискровое легирование поверхности на углеродистых сталях и чугуне с помощью электродов из силицидов молибдена и вольфрама / Б. А. Гнесин [и др.] // Материаловедение. — 2007. — № 7. — С. 41 — 54.
3. Коротаев, Д. Н. Управление активационно-диссипативными процессами при электроискровом легировании стальной поверхности / Д. Н. Коротаев, Е. В. Иванова // Физика и химия обработки материалов. — 2010. — № 6. — С. 81—84.
4. Коротаев, Д. Н. Субструктурное поверхностное упрочнение деталей трибосистем методом электроискрового легирования / Д. Н. Коротаев, Е. В. Иванова // Перспективные материалы. - 2011. - № 2. - С. 98-102.
5. Коротаев, Д. Н. Оптимизация технологических режимов электроискрового легирования деталей трибосистем / Д. Н. Коротаев, Ю. К. Машков // Трение и износ. - 2009. - Т. 30. -№ 2. - С. 146-151.
6. Николенко, С. В. Новые электродные материалы для электроискрового легирования / С. В. Николенко, А. Д. Верхотуров. - Владивосток : Дальнаука, 2005. - 218 с.
7. Самсонов, Г. В. Электроискровое легирование металлических поверхностей / Г. В. Самсонов, А. Д. Верхотуров, Г. А. Бовкун. - Киев : Наукова думка, 1976. - 220 с.
АЛИМБАЕВА Ботагоз Шайдуловна, аспирантка кафедры физики Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
КОРОТАЕВ Дмитрий Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физики ОмГТУ.
Адрес для переписки: та1у_о1да@та11.ги
Статья поступила в редакцию 25.02.2013 г.
© Б. Ш. Алимбаева, Д. Н. Коротаев, Ю. К. Машков