Создание износостойких покрытий электроискровым легированием в окислительных и инертных средах с оптимизацией режимов и использованием твердосплавных электродов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Создание износостойких покрытий электроискровым легированием в окислительных и инертных средах с оптимизацией режимов и использованием твердосплавных электродов

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (промышленность)

Коротаев Дмитрий Николаевич

Омск - 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие современного машиностроения связано с применением новых прогрессивных технологических процессов, позволяющих повысить ресурс, надежность машин и оборудования, обеспечить работоспособность деталей и инструментов в условиях динамических и статических контактных, силовых и тепловых нагрузок. В свою очередь, надежность и ресурс современной техники в значительной степени зависят от работоспособности и срока службы деталей трибосистем, определяемых эксплуатационными свойствами материалов, из которых они изготовлены. Это инициирует как разработку новых, так и совершенствование уже известных технологий упрочнения материалов высокоэнергетической обработкой материалов. К числу современных методов обработки поверхностей металлических деталей концентрированным потоком энергии (КПЭ) относится электроискровое легирование (ЭИЛ), позволяющее получать поверхностные структуры с уникальными физико-механическими и трибологическими свойствами.

Значительные результаты по совершенствованию метода ЭИЛ за счет создания новых электродных материалов и установок достигнуты в Институте материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, Институте прикладной физики АНМ (р. Молдова) и ХНУ (г. Хмельницкий), которые позволили улучшить качество формируемых покрытий. Тем не менее, широкое использование этого способа в производстве (ремонте) сдерживается отсутствием справочного материала по оптимизации режимов обработки, выбору электродного материала и определении области рациональной эксплуатации упрочненных поверхностей трибосистем. Кроме того, полной термодинамической или математической модели данного метода пока не создано. Поэтому для выбора оптимальных режимов ЭИЛ, обеспечивающих максимальную эффективность и получение высоких эксплуатационных свойств обработанных поверхностей требуются обширные теоретические и экспериментальные исследования.

На сегодняшний день, в литературе отсутствуют установившиеся представления о роли газовой среды в электроэрозионном акте, в процессах формирования модифицированных структур, кинетике роста покрытия и изменении эксплуатационных свойств обработанных ЭИЛ поверхностей. Отсутствие единых взглядов на эти процессы связано, прежде всего, с крайней сложностью описания явлений, происходящих на рабочих поверхностях электродов, эрозии электродов, массопереноса продуктов эрозии и их взаимодействия с различными материалами поверхностей и межэлектродной средой.

Анализ существующих представлений о механизме процесса ЭИЛ позволяет заключить, что все составляющие элементы процесса можно представить как сложную неустойчивую открытую термодинамическую систему.

К числу фундаментальных подходов исследования устойчивости сложных систем относят теорию самоорганизации. Развивающимся направлением в теории самоорганизации является концепция диссипативного состояния физических систем в точках потери устойчивости симметрии системы, анализируемой с помощью методов неравновесной термодинамики и фрактальной параметризации. В связи с этим повышение эффективности и управляемости ЭИЛ, прогнозирование эксплуатационных свойств элементов трибосистем и управление ими на основе положений неравновесной термодинамики и оптимизации технологических режимов и условий создания поверхностных структур является актуальной проблемой материаловедения и трибологии. Актуальность работы, которая выполнялась в рамках федеральной программы «Дальний Восток России» по теме «Разработка и внедрение на предприятиях Дальневосточного региона наукоемких технологий обработки материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии и вещества», госбюджетной НИР «Модифицирование поверхностей лазерной обработкой и электроискровым легированием» (гос. регистр. № 01.92 009411) и гранта РФФИ № 06-08-00682 по теме ««Исследование механики и термодинамики процессов синтеза, трения и структурной модификации материалов металлополимерных трибосистем с моделированием их напряженно-деформированного и термодинамического состояния», определяется важной народно-хозяйственной задачей создания прогрессивных, экологически чистых, энергосберегающих технологий.

Цель работы - формирование износостойких поверхностных структур методом электроискрового легирования с использованием межэлектродной газовой среды, твердосплавных электродов и оптимизации технологических режимов обработки. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- на основе фундаментальных положений неравновесной термодинамики разработать термодинамическую модель упрочнения ЭИЛ, включающую электроэрозионный процесс, образование энергетического потока частиц и износостойкой модифицированной поверхности;

- экспериментально исследовать факторы управления процессом ЭИЛ, выявить параметры, повышающие эффективность ЭИЛ и обеспечивающие целенаправленное формирование поверхностей с необходимыми триботехническими свойствами, предложить и апробировать критерии оценки ЭИЛ;

- исследовать влияние газовой межэлектродной среды на эрозионный процесс и формирование эрозионного потока, его энергосодержание, на структуру, физико-механические и трибологические свойства легированных слоев, а также кинетику формирования толщины покрытия в зависимости от удельного времени обработки;

исследовать зависимости физико-механических и триботехнических свойств модифицированных поверхностей от режимов ЭИЛ, легирующих электродных материалов; установить наиболее эффективные и обоснованные сочетания «обрабатываемый материал - легирующий электрод - состав межэлектродной среды - энергетические режимы»;

выполнить оптимизацию режимов электроискровой обработки; разработать практические рекомендации по использованию результатов работы.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы фундаментальные положения физики твердого тела, физической химии, материаловедения, теории функционального моделирования процессов, теории вероятностей и математической статистики, теории самоорганизации и нелинейной термодинамики, теории фрактальной параметризации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработана феноменологическая модель электроэрозионного процесса и образования частиц электродного массового энергетического потока; установлена взаимосвязь между фрактальной размерностью анодного массового потока и износостойкостью поверхностей;

разработана термодинамическая модель образования упрочненных модифицированных структур воздействием на материал концентрированного потока энергии и вещества при ЭИЛ;

разработана физическая модель процессов ЭИЛ с учетом влияния газовой среды на состав, структуру и свойства упрочняемых поверхностей;

на основе распределения диаметров микролунок и кинетике роста легированного покрытия предложен количественный показатель «относительный коэффициент фрагментации», позволяющий оценить структурно-энергетическое состояние анодного эрозионного потока и прогнозировать свойства формируемых покрытий;

установлены зависимости структуры, фазового состава, микротвердости, износостойкости покрытий от энергетических параметров процесса ЭИЛ в сочетании с различным составом газовой межэлектродной среды и электродных материалов;

установлены оптимальные режимы и условия обработки, обеспечивающие минимизацию адгезионной составляющей силы трения и повышение износостойкости модифицированных поверхностных слоев и сформированных покрытий.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается: использованием известных в машиностроении методов и методик планирования и проведения теоретических и экспериментальных исследований; применением современных методик физических измерений, сертифицированной измерительной аппаратуры, апробированных средств анализа экспериментальных данных, современной вычислительной техники и программных средств; согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями; успешной реализацией разработанных рекомендаций на машиностроительных предприятиях страны, в частности на ОАО «Сургутнефтегаз», ремонтном предприятии войсковой части №22269, а также в учебном процессе Амурского государственного университета и Сибирской государственной автомобильной дорожной академии.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

на основе результатов оптимизационных исследований разработаны рекомендации по выбору режимов обработки поверхностей, электродных материалов и газовой межэлектродной среды, обеспечивающих наибольший эффект повышения триботехнических свойств сталей; разработаны практические рекомендации по повышению коррозионной стойкости прецизионных деталей трибосистем (плунжеров ТНВД, штоков гидроцилиндров), а также стойкости режущего инструмента;

разработаны номограммы для выбора оптимальных условий обработки при ЭИЛ, а также алгоритм и программа его реализации, учитывающие диффузионную активность легирующего компонента, его значимость в формировании структур с повышенной свободной энергией и роль газовой среды в процессах образования модифицированного слоя;

предложено комплексное конструкторско-технологическое решение, обеспечивающее повышение характеристик триботехнических свойств и долговечность герметизирующих устройств (ГУ) гидроцилиндров; предложены рекомендации по совместному применению полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ для уплотнительных элементов ГУ и поверхностного легирования металлических элементов конструкции гидроцилиндра, что обеспечивает снижение интенсивности изнашивания уплотнительных элементов до 0,6 10^-10.

Реализация работы. Результаты научно-исследовательской работы «Синтез износостойких наноструктур в поверхностном слое материалов трибосистем методом электроискрового легирования» использованы в ОАО «Сургутнефтегаз». Результаты научно-исследовательской работы «Газовая среда - резерв поверхностного упрочнения при электроискровом легировании» были использованы на ремонтном предприятии войсковой части №22269. Разработана и апробирована программа «FERUM». Результаты научных разработок используются в учебном процессе на кафедре «ФМиЛТ» ГОУВПО «АмГУ», кафедре «УКиС» ГОУВПО «СибАДИ» при изучении дисциплин «Технология упрочнения, восстановления и ремонта», «Технология и организация производства».

Личный вклад автора. Теоретические и экспериментальные исследования, обобщенные в представленной работе, выполнены автором как самостоятельно, так и в соавторстве со своими коллегами. При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и задач аналитических и экспериментальных исследований; формулировка функции цели при решении задачи оптимизации режимов ЭИЛ и их апробации; научное руководство и непосредственное участие в экспериментах; весь комплекс экспериментов и теоретических данных, включая обработку результатов и их интерпретацию; написание большинства статей и выводов по ним, тезисов докладов и отчетов.

Часть экспериментов по исследованию коррозионной стойкости проводилась совместно с соискателем полковником В.П. Ледвягиным. Совместными являются результаты, полученные при выполнении бюджетных и договорных НИР, где автор являлся руководителем и ответственным исполнителем. Под непосредственным руководством автора выигран грант «Всероссийской научно-практической конференции «Ползуновские гранты» (г. Барнаул, 2008 г.).

На защиту выносятся:

результаты теоретических и экспериментальных исследований ЭИЛ как в производственных, так и в лабораторных условиях, с использованием различных материалов легирующего электрода-анода и детали-катода и состава газовой межэлектродной среды;

термодинамическая модель образования износостойких модифицированных структур при воздействии концентрированным потоком энергии;

физическая модель формирования покрытия и модифицирования поверхностного слоя с учетом влияния газовой среды;

количественный показатель «относительный коэффициент фрагментации», который позволяют оценивать структурно-энергетическое состояние анодного эрозионного потока и прогнозировать свойства формируемых поверхностных слоев;

результаты оптимизационных исследований и разработка на их основе рекомендации по выбору режимов легирования, электродных материалов и условий легирования, обеспечивающих наибольшее повышение триботехнических свойств;

комплексное конструкторско-технологическое решение, обеспечивающее повышение характеристик триботехнических свойств и долговечность герметизирующих устройств (ГУ) гидроцилиндров; результаты стендовых испытаний металлополимерных узлов трения.

Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях, форумах и семинарах: Региональной научно-технической конференции «Машиностроительный и приборостроительный комплексы Дальнего Востока, проблемы конверсии» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.), Международной научно-технической конференции «Концепция развития производства и ремонта транспортных средств» (г. Хабаровск, 1997 г.), Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (г. Хабаровск, 1998 г.), Международной научно-практической конференции «Синергетика, самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.), IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2002 г.), Межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование. Броня - 2002» (г. Омск, 2002 г.), Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (г. Омск, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Качество, инновации, наука, образование» (г. Омск, 2006 г.), Международного симпозиума «Славянтрибо - 7» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г. Москва Самара, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (г. Гомель, 2009 г.). Работа в целом докладывалась на расширенном заседании кафедры «Физика» СибАДИ.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 37 публикациях, в том числе статьях в центральных рецензируемых журналах, одной монографии, учебном пособии, трудах университетов и институтов, семинаров и конференций. Результаты работы докладывались на 12 международных научно-практических и научно-технических конференциях, а также всероссийских, региональных, краевых и вузовских семинарах и конференциях.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, выделены научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы повышения эффективности методов модифицирования КПЭ, в том числе ЭИЛ, существующие проблемы управляемости и устойчивости процесса, обеспечения точности, качества, структуры поверхностного слоя и эксплуатационных свойств покрытий. Проанализированы современные взгляды на механизмы эрозии электродных материалов, изменение состава, структуры и свойств поверхностного слоя синтезируемого при обработке ЭИЛ, влияние газовой среды, электродного материала и энергетических режимов на эффективность ЭИЛ и формирование требуемых эксплуатационных свойства поверхности. Выполнен обзор существующих способов обеспечения эффективности ЭИЛ и проанализированы факторы, сдерживающие дальнейшее увеличение производительности обработки.

Исследованию процессов ЭИЛ и анализу теоретических и экспериментальных исследований посвящены работы российских и зарубежных ученых: Б.Р. и Н.И. Лазаренко, Б.Н. Золотых, Г.В. Самсонова, А.Д. Верхотурова, М.К. Мицкевича, Л.С. Палатника, К.К. Намитокова, Б.И. Ставицкого, Г.П. Иванова, И.А. Подчерняевой, В.А. Кима, Ю.И. Мулина, P. Pereteatcu др.

Анализ литературных данных показывает, что изучение процессов ЭИЛ в основном осуществляется на базе экспериментальных исследований. ЭИЛ представляет собой неравновесный стохастический процесс, достаточно полные термодинамическая и математическая модели которого отсутствуют. Вследствие того, что физико-химические процессы, протекающие при электроискровой обработке, очень сложны и, главное, очень скоротечны, и большинство из них могут быть описаны только качественно, требуются обширные теоретические и экспериментальные исследования. Поэтому для выбора режимов и условий ЭИЛ, обеспечивающих максимальную эффективность с получением необходимых эксплуатационных свойств покрытий, необходимы специальные лабораторные и промышленные испытания.

Эксплуатационные свойства деталей машин и режущих инструментов во многом определяются способностью конструкционного или инструментального материала сопротивляться внешним воздействиям, среди которых значительная роль принадлежит изнашиванию. Изнашивание металлов является сложным процессом, и специфика ЭИЛ заключается в формировании особого состояния поверхностных слоев материала, отличного от его объемного (исходного) состояния. В настоящее время установлена связь закономерностей процесса изнашивания со структурой, химическими, физическими, механическими свойствами взаимодействующих материалов. Экстремальность их проявления характерна для поверхностных слоев после ЭИЛ, что связано с граничными эффектами и, в частности, с повышенной энергетической активацией структуры и высокой плотностью дислокаций, наибольшей концентрацией очагов разрушения, различием атомно-электронного строения кристаллических решеток и их динамическим состоянием.

В зависимости от конкретных нагрузочно-скоростных и температурных условий нагружения при трении и природы сформированного покрытия ЭИЛ, трибопроцессы имеют свои особенности.

Большой вклад в исследование трибологических процессов после обработки материалов ЭИЛ и в решение задач управления процессами высокоэнергетического воздействия внесли Б.Р. и Н.И. Лазаренко, Б.Н. Золотых, А.В. Белый, Г.И. Бровер, В.А. Ким, Ф.Я. Якубов, Ю.К. Машков, А.Д. Верхотуров, Ю.А. Быковский, Б.Т. Грязнов, С.В. Николенко и др.

В тоже время в настоящий момент отсутствуют обоснованные теории создания модифицированного покрытия, позволяющие рассматривать его состав, структуру и свойства в зависимости от параметров и условий процесса обработки. При этом не выяснены вопросы об относительном влиянии на формирование легированных слоев импульсных тепловых и механических нагрузок, возникающих при искровом разряде, и состава материала, переносимого с противоположного электрода в ионизированной газовой межэлектродной среде. Это связано, прежде всего, со сложностью теоретического описания тепловых, термодинамических и других явлений, происходящих на рабочих поверхностях электродов, процессов эрозии материалов электродов, массопереноса продуктов эрозии и их взаимодействия с межэлектродной средой.

Анализ работ показывает, что к настоящему времени получены многочисленные положительные результаты применения метода ЭИЛ для упрочняющей обработки материалов и металлоизделий на их основе. Вместе с тем анализ экспериментальных данных и предлагаемых исследователями теоретических положений позволяет отметить наряду с положительными технологическими возможностями ЭИЛ и целый ряд малоизученных вопросов фундаментального и прикладного характера.

В частности, применительно к проблеме повышения износостойкости конструкционных и инструментальных материалов можно отметить три основных аспекта, требующих самостоятельного изучения: оптимизация режимов модифицирования с целью получения износостойких поверхностных структур в металлах и сплавах; исследование структурно-фазовых состояний приповерхностных слоев материалов, формирующихся под воздействием искрового разряда и эрозионного потока; исследование влияния поверхностного модифицирования на триботехнические свойства материалов и установление физической сущности явлений, ответственных за сохранение повышенных эксплуатационных характеристик металлоизделий в процессе фрикционного взаимодействия.

В связи с вышеизложенным и с учетом поставленной цели были сформулированы задачи исследований, приведенные выше.

Во второй главе рассмотрены методики проведения экспериментальных исследований, описываются объекты исследований, представлены технические характеристики используемых установок, оборудования и аппаратуры для наблюдения и фиксации результатов экспериментов. Предложены алгоритмы обработки и анализа экспериментальных данных. В качестве объекта экспериментальных исследований использовались детали трибосистем и образцы из конструкционных сталей 45, 50, инструментальных сталей 9ХС, ХВГ, Р6М5, Р9К6. Специальные эксперименты на эрозионную стойкость, учитывающие более широкий спектр теплофизических характеристик и критерия Палатника проводились на титановых сплавах ОТ-4, ВТ3-1.

Обработку образцов и деталей выполняли на установках ЭИЛ моделей: IMES-1001, IMES-01-2, Элитрон-22А, Элитрон-22В. Определение энергетических параметров процесса ЭИЛ для установок выполняли с помощью двухлучевого осциллографа мод. С8-17. Значения энергии искрового разряда рассчитывали по вольтамперным осциллограммам.

При проведении ЭИЛ использовались следующие технологические газовые среды: воздух, кислород, углекислый газ, аргон; легирующие электроды: ВК6М, ВК8, Т15К6, медный и титановые электроды, а также электроды, разработанные и созданные на основе минерального сырья Дальневосточного региона.

Исследование размерного распределения микролунок осуществлялось по следующей методике. После установки образца на предметном столике закрепляли электрод, включали генератор импульсов и плавно опускали электрод с помощью регулятора подачи по направлению к заготовке. При приближении электрода к заготовке происходил электрический разряд и образовывались лунки. Для получения достоверных данных на каждом образце получали не менее 100 лунок. Измерение диаметральных размеров микролунок проводили с помощью металлографического микроскопа ММУ-3.

Микротвердость поверхности определялась с помощью микротвердомера ПМТ-3. Металлографические исследования поверхностных слоев выполнялись на микроскопах МИМ-10 и ММР - 2Р, гранулометрический состав продуктов эрозии изучался при помощи электронно-сканирующего микроскопа JSM - 35С. Толщина наносимых покрытий измерялась на горизонтальном оптиметре ИКГ-3. Сравнительные испытания на износостойкость проводились на машине трения 2070-СМТ-1 по схемам трения «диск-колодка» и «диск-плоский образец». Стойкостные испытания режущего инструмента осуществлялись методом продольного и торцевого точения заготовок из сталей 50, 40Х и 12Х18Н10Т.

Исследования адгезионного взаимодействия ЭИЛ-покрытия выполнялись на сканирующем зондовом микроскопе Solver PRO методом атомно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме сканирования на воздухе с использование зондовых датчиков марки NSG10 с резонансной частотой 219 кГц и радиусом закругления кончика зонда 10 нм. Для оценки сил адгезионного взаимодействия модифицированных образцов снимали кривые подвода-отвода зонда относительно поверхности образца, показывающие зависимость изгиба зонда под действием поверхностных сил при его подводе (отводе) к поверхности (от поверхности).

Рентгенофазовый анализ покрытий выполнялся по рентгенограммам, полученным на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE (Bruker) в CuK излучении с графитовым монохроматором. Режим съемки: I = 40 мА; U = 40 кВ; скорость вращения образца - 15 об/мин; диапазон брэгговских углов: 2= 20 120. В исследованиях параметров тонкой кристаллической структуры - размеров блоков, величины микроискажений и плотности дислокаций, применялся дифрактометр ДРОН-3М.

Коррозионные свойства легированных покрытий на плунжерах топливных насосов высокого давления (ТНВД) из стали 25Х5М оценивали по величине и скорости установления стационарного электрохимического потенциала. Стационарный потенциал измеряли с помощью цифрового вольтметра для измерения pH ОР-211/2 относительно хлорсеребрянного электрода сравнения типа ОР-08083. Испытания плунжеров ТНВД на коррозионную стойкость проводили в закрытых емкостях в среде дизельного топлива в течение 9360 часов.

Для получения максимальной информативности при минимальном объеме экспериментальных работ на первом этапе был использован метод планирования многофакторного эксперимента.

Из всего многообразия факторов, влияющих на технологические показатели обработки, были выбраны следующие: напряжение между легирующим электродом и поверхностью U, В; разрядная емкость конденсаторов С, мкФ; время обработки t, мин. Названные факторы отвечают требованиям, предъявляемым к независимым управляемым факторам, что доказывает проверка на мультиколлениарность.

В качестве основных параметров оптимизации принимали силу адгезионного взаимодействия между кантилевером микроскопа и легированным покрытием F, нН и скорость изнашивания J, мм/мин. Оптимизационное исследование осуществлялось методом «крутого восхождения», предусматривающего движение по градиенту в область оптимума значений.

Оценку работоспособности и долговечности разработанного герметизирующего устройства (ГУ) гидроцилиндра проводили ускоренными стендовыми испытаниями гидроцилиндра Ц-75, укомплектованного штоком с ЭИЛ-покрытием и уплотнительными элементами из ПКМ на основе ПТФЭ, при давлении рабочей жидкости 5,0…6,0 МПа.

В третьей главе изложены теоретические положения процесса электроэрозионного разрушения металлических материалов на основе термодинамического подхода и фрактальной параметризации процесса эрозии. Представлена термодинамическая модель формирования упрочненного покрытия.

Электрический разряд с физической точки зрения образует концентрированный поток электронов, плотность мощности которого достигает 10⁷…10¹² Вт/см². Феноменологическая модель процесса взаимодействия электронного потока с металлами и образования эрозионных частиц представлена на рис. 1.

Рис. 1. Феноменологическая модель электроэрозионного процесса: ЭР - электрический разряд; ЭЭВ - электрон-электронное взаимодействие; ЭРВ - электронно-решеточное взаимодействие; ДП - диссипативные процессы; АП - активационные процессы; ЭЭР - электроэрозионное разрушение; ВС - вторичные структуры; ТП - тепловой поток; ПЭ - продукты эрозии; УМС - упрочненные модифицированные структуры; _хр - доля хрупких частиц эрозии; _ж - доля жидкокапельных частиц эрозии; _п - доля пароплазменных частиц эрозии

Высокая плотность мощности искрового разряда и малая продолжительность периода его активного взаимодействия с материалом не позволяют за столь короткий промежуток времени сформироваться полноценным тепловым диссипативным каналам, поэтому возникающая дисбалансная доля энергетического воздействия, реализуется в виде работы эрозионного поверхностного разрушения, скорость которого можно оценить из уравнения:

, (1)

где массовая скорость эрозионного разрушения; а_э - удельная работа эрозионного разрушения; л(Т) - коэффициент теплопроводности; Е_A - энергия электрического разряда; градиент температуры.

На рис. 2. приведены зависимости плотности мощности искрового разряда (кривая 1), плотности теплового диссипативного процесса (кривая 2) и плотности потока энергетических затрат на эрозионное разрушение (зона 3 и кривая 4). Плотность мощности единичного искрового разряда достигает максимума в конце начального активного периода t_a, а затем падает до нуля по истечении времени t_п.

В точке А достигается баланс между энергетическим потоком и отводимым тепловым оттоком. Следовательно эрозионный процесс может протекать только в период времени от нуля до t_э, когда активность диссипативного теплового оттока не в состоянии сбалансировать подводимую энергию искрового разряда. Суммарные энергетические затраты на эрозионное разрушение материала при единичном искровом разряде будут определяться площадью заштрихованной зоны 3, а временная зависимость плотности мощности энергетических затрат на эрозионное разрушение может быть представлена кривой 4, как разницы ординат кривой 1 и 2 во временном диапазоне от 0 до t_э. Таким образом, для интенсификации эрозии необходимо создание условий для большего временного рассогласования между подводимой электрической энергией искрового разряда и развитием диссипативного канала.



Рис. 2. Энергетические характеристики искрового процесса при ЭИЛ: 1 - плотность энергетического потока искрового разряда; 2 - плотность энергетического потока диссипативного теплового канала; 3 и 4 - плотность энергетического потока эрозионного разрушения

Массовая скорость эрозионного разрушения dM/dt зависит от удельной работы эрозии а_э (см. формулу 1), которая определяется составом анодного массового потока.

Электрическая эрозия представляет комплексный процесс разрушения, включающий хрупкое микровыкрашивание за счет термических напряжений, превышающих предел прочности материала, оплавление и взрывообразный разлет жидкофазного материала, сопровождающийся испарением и ионизацией.

В предположении аддитивного влияния этих процессов удельную работу электроэрозионного разрушения можно представить следующей суммой

(2)

где а_хр - удельная работа образования хрупких (твердофазных) частиц разрушения; а_ж - удельная работа образования жидкокапельных частиц разрушения; а_п - удельная работа образования пароплазменных фрагментов разрушения; _i - массовая концентрация твердофазных, жидкокапельных и пароплазменных фрагментов эрозионного разрушения (о _хр+ о_ж + о_п = 1).

На основании анализа продуктов разрушения можно предположить, что электроискровая обработка осуществляется путем выброса расплавленного металла и его диспергирования в жидкофазном состоянии. Тогда удельные энергетические затраты на разрушение материала можно оценить по формуле

, (3)

где с - удельная теплоемкость материала; г_ж - удельная поверхностная энергия жидкофазного состояния разрушаемого материала; УF_жi - суммарная площадь поверхностей всех микрокапель эрозионного потока; V_ж - объем жидкофазной массы эрозионного потока; _ж - массовая концентрация жидкокапельных фрагментов эрозионного разрушения.

В последние десятилетия современным подходом к изучению самоорганизующихся процессов является фрактальная параметризация, которая раскрывает алгоритм генерирования множества фрактальных параметров применительно к любому процессу, имеющему сложную многоуровневую структуру. Обладая масштабной инвариантностью, фрактальные параметры наиболее полно отражают поведение системы в точках бифуркации. Применительно к электроэрозионному процессу фрактальными свойствами обладает анодный массовый поток, распределение микролунок на упрочняемой поверхности и сама модифицированная поверхностная структура.

На рис. 3 представлены интегральные кривые распределения диаметральных размеров микролунок, образующихся в результате осаждения частиц анодного массового потока на упрочняемую поверхность. С повышением энергии искрового разряда диапазон рассеивания микролунок сужается и смещается в область больших диаметральных размеров. Верхние участки интегрального распределения характеризуются более пологой зависимостью. «Ломаный» вид кривых, указывает на проявление двух подсистем при образовании диаметров микролунок, имеющих разную фрактальную размерность.

Рис. 3. Интегральное распределение диаметральных размеров микролунок при ЭИЛ стали Р6М5 легирующим электродом из ВК6М с различными энергиями разряда: энергия в импульсе Е₁ < E₂ < E₃ < E₄ < E₅

В табл. 1 представлены фрактальные размерности верхних (D_в) и основных (D_o) участков интегральной кривой, толщина упрочненного покрытия (д), микротвердость поверхностного слоя (HV) и относительное искажение межплоскостного расстояния кристаллической решетки (Дd/d) в зависимости от энергии единичного искрового разряда (Е). Из табл. 1 видно, что с повышением энергии единичного искрового разряда проявляется тенденция роста фрактальной размерности D_в и немонотонное изменение фрактального размера D_o. Экспериментально установлено, что зависимость микротвердости, толщины легированного слоя и степени искажения кристаллической решетки носит также немонотонный характер, при этом диапазон расположения экстремумов находится для указанных характеристик в одной относительно узкой области энергий искрового разряда Е 0,73 Дж.

Таблица 1 Результаты экспериментальных исследований стали Р6М5, после обработки ЭИЛ электродом ВК6М

Е, Дж	0,022	0,09	0,25	0,73	0,86
HV, МПа	8450	11450	13820	16400	14610
Dв	0,315	0,257	0,458	0,682	0,835
Do	2,130	2,571	2,453	2,605	2,444
д, мкм	20	25	35	55	40
(Дd/d).10-3	1,5	1,5	2,5	3,5	2,7

Адекватное изменение микротвердости и степени искажения кристаллической решетки при увеличении энергии в импульсе, объясняется тем, что они отображают плотность дефектов кристаллического строения, с повышением которой износостойкость упрочненной структуры возрастает.

На рис. 4 представлены зависимости износа быстрорежущей пластины из Р6М5, упрочненной ЭИЛ с различным количеством проходов легирующего электрода N_пр, при торцовом точении стали 50. Исходная структура быстрорежущей стали Р6М5 после стандартной термообработки, а также упрочненная при энергии искрового разряда Е = 0,022 Дж характеризуется слабо выраженным периодом установившегося и резким переходом в зону катастрофического изнашивания. С повышением энергии искрового разряда стойкость инструмента возрастает, достигая максимума при Е = 0,73 Дж, а затем незначительно снижается.

Сравнительный анализ полученных зависимостей износа и результатов, приведенных в табл. 1, показывает, что максимальная стойкость инструмента, упрочненного при Е = 0,73 Дж, обеспечивается при наибольшей толщине легированного слоя и повышенной плотности дефектов кристаллического строения.

Рис. 4. Зависимости износа пластины из Р6М5 при точении стали 50: 1 - после закалки; 2 Е = 0,022 Дж; 3 - Е = 0,25 Дж; 4 - Е = 0,73 Дж; 5 - Е = 0,86 Дж

Таким образом, наличие связи между фрактальной размерностью упрочненной поверхности и ее износостойкостью проявляется в адекватном изменении этих характеристик с повышением энергии единичного разряда, причем экстремумы располагаются в одной режимной области энергий (Е 0,73 Дж), а связь между фрактальной размерностью и структурно-энергетическими свойствами подтверждается ростом фрактального размера с повышением плотности дефектов кристаллического строения. Сравнительный анализ изменения D_o и Дd/d, приведенных в табл. 1, уточняет эту закономерность применительно к упрочненным ЭИЛ поверхностным структурам.

Процесс упрочнения материала представим открытой термодинамической моделью, схематично изображенной на рис. 6. При взаимодействии исходной структуры (ИС) с упрочняющим энергетическим воздействием (УЭВ) в материале начинаются активационные процессы (АП), включающие такие структурные механизмы и физико-химические реакции, при которых ИС, поглощая часть энергии УВ, переходит в более высокое структурно-энергетическое состояние. Образующаяся на этой стадии модифицированная структура характеризуется максимальной для данного режима функционирования свободной энергией и является, как правило, неустойчивой упрочненной структурой (НУС). Динамика трансформации структуры, потерявшей устойчивость в новую, объясняется принципами синергетики, основным из которых является принцип минимума производства энтропии. Система в состоянии неравновесности способна к самовыбору оптимальной структуры, необходимой для дальнейшего функционирования системы как целого. По мере развития АП развиваются и диссипативные процессы (ДП), переводящие материал в состояние более устойчивое с меньшей свободной энергией. В результате материал переходит в устойчивое упрочненное состояние (УУС), которое и определяет свойства окончательно сформированной структуры, при этом его свободная энергия будет минимальна.

Рис. 5. Обобщенная схема процесса упрочнения

Первое начало термодинамики для процесса взаимодействия ИС с УВ представляется в виде

 (4)

где q_i плотность энергетического потока; t_i время активного процесса.

Внешнее воздействие в большинстве технологических методов упрочнения имеет поверхностно распределенный характер, а энергетические активационные и диссипативные структурные процессы объемный. С учетом этого первое начало термодинамики упрочняющего процесса в обобщенном виде можно представить как

= + (5)

где Е_i суммарная энергия процесса; V и F активный объем и поверхность, охваченные упрочняющим процессом; S - энтропия.

Из уравнения (5), после дифференцирования его по dt, следует уравнение баланса энергетических потоков:

. (6)

Тогда уравнение производства энтропии () в упрочняющем процессе примет вид

. (7)

Направления течения процесса самоорганизации определяется критерием Пригожина-Гленсдорда, который для процесса упрочнения можно представить как

, (8)

где Р - производство энтропии; t - время процесса.

Условия образования диссипативных структур определяются кинетикой энергетических потоков системы упрочнения, имеющих различный временной характер и вносящих на разных стадиях процесса свой вклад в производство энтропии.

Согласно критерию Пригожина-Гленсдорфа в любой неравновесной системе самопроизвольные процессы идут так, что скорость изменения производства энтропии, обусловленная изменением термодинамических сил, уменьшается. Устойчивые, термодинамические процессы характеризуются минимальным производством энтропии. Флуктуации вблизи НУС, вызванные ДП уменьшают энтропию, при этом необратимые процессы приводят систему в равновесное состояние, производство энтропии приближается к нулю. Приближение к УУС может быть описано как устойчивое уменьшение производства энтропии. Поэтому условие (8) обеспечивает устойчивость неравновесного состояния системы.

Продолжительность активационных и диссипативных реакций в первом приближении можно приравнять к длительности УВ, т.е. . Универсальный критерий Пригожина-Гленсдорфа для данного варианта функционирования системы упрочнения принимает отрицательное значение, указывая на возможность появления диссипативных структур. Этот случай описывается условием

. (9)

Образующаяся в этих условиях диссипативная структура соответствует наиболее упрочненному состоянию, но характеризуется низкой устойчивостью к динамическому температурному воздействию.

На рис. 7 представлены различные варианты кинетики структурных активационно-диссипативных процессов упрочнения.

Рис. 7. Кинетика структурных активационно-диссипативных процессов упрочнения: а - при превышении активационно-диссипативного оттока энергии над УВ; б - при t_ап < t_дп

В условиях, изображенных на рис. 7, а возможно развитие диссипативных структур, которые будут отличаться наибольшей устойчивостью, так как скорость производства энтропии принимает наибольшее отрицательное значение. Данный режим упрочнения оптимален для стабилизации модифицированных структур. В случае, представленном на рис. 7 б появляется дисбаланс между энергией УВ и энергетическим оттоком по активационно-диссипативным каналам. В результате возможно появление спонтанного энергетического выброса, который приводит к макро- и микроразрушению упрочняемого материала. Энергетические затраты на макро- и микроразрушение представлены заштрихованной областью.

Полученные обобщенные термодинамические соотношения и кинетические зависимости структурных активационно-диссипативных процессов раскрывают связь между процессом образования диссипативных структур и свойствами модифицированных поверхностей.

В четвертой главе представлены результаты исследований процессов, сопровождающих ЭИЛ, а именно электрический пробой, формирование эрозионного потока определенного состава и энергосодержания, а также образование покрытия с необходимыми структурой и свойствами. При анализе названных процессов и возможностей управления ими использовали методику функционального моделирования процессов по стандарту IDEF0. Установлено, что основными факторами управления процессами ЭИЛ с целью улучшения его качества и повышения эффективности являются: материалы легирующих электродов, межэлектродная среда, энергетические режимы установок ЭИЛ.

Активным способом воздействия на процесс ЭИЛ является целенаправленное введение в межэлектродное пространство газовой среды, что изменяет условия формирования анодного массового потока по гранулометрическому составу, энергии теплового импульса частицы в массовом потоке и, как следствие, приводит к изменению фазового состава и физико-механических свойств поверхностного слоя.

Влияние межэлектродной газовой среды на процессы ЭИЛ показано моделью на рис. 8 (Е - энергия импульса, как функция напряжения и емкости конденсаторов; _i - концентрация хрупких, жидкокапельных и пароплазменных частиц; T - температура; Е_i - энергия частицы; m_i - масса частицы; Н, Е - энтальпия смешения и образования; Е_пр - пробивное напряжение газа; А_о - окислительная активность газа).

В модели отражены все основные каналы воздействия межэлектродной среды на процесс формирования искрового разряда, эрозионные механизмы на анодно-катодных поверхностях, состав анодного массового потока и характер взаимодействия упрочняемой поверхности с энергетически активным потоком энергии и вещества.

Рис. 8. Физическая модель влияния межэлектродной среды на процессы ЭИЛ: 1 - режимы установки ЭИЛ; 2 - эрозия легирующего электрода; 3 - эрозия упрочняемого материала; 4 - эрозионный поток частиц; 5 - межэлектродная газовая среда; 6 - измененный эрозионный поток по энергии и массе; 7 - синтез модифицированных структур

Исследование влияния газовых сред проводилось по двум направлениям. Первое участие газа в окончательном формировании электроимпульса в зависимости от пробивного напряжения газовых сред. Второе окислительная активность среды и образование новых фаз при взаимодействии эродированной анодной массы с ионизированной газовой средой и последующее осаждение проэродировавшего вещества с измененным энергосодержанием на поверхности.

Влияние межэлектродной среды как фактора, влияющего на пробивное напряжение, проявляется следующим образом. С понижением пробивного напряжения доля твердокристаллических и жидкокапельных частиц эрозии в составе анодного массового потока увеличивается, что приводит к смещению диапазона рассеивания диаметральных размеров лунок на модифицируемой поверхности в большую размерную область.

Предлагается количественный параметр распределения диаметральных размеров микролунок средний квадратичный диаметр, который является отображением средней площади единичной микролунки на модифицируемой поверхности и определяется по формуле

,

где Р() уравнение кривой распределения диаметров микролунок .

Однако один и тот же размер микролунки может быть получен за счет осаждения крупной эрозионной частицы с относительно низким энергосодержанием или мелкой частицы, но с высокой концентрацией потенциального тепла и энергии, так как окислительная активность среды выражается в снижении доли твердокристаллической и жидкокапельной фаз в структуре анодного потока и повышении теплосодержания последнего.

Более полной характеристикой, отображающей энергетическое состояние анодного массового потока, является отношение среднего диаметра микролунки к толщине покрытия (относительный коэффициент фрагментации ), т.е.

где d* средний диаметр микролунки; средняя толщина осажденного покрытия.

С повышением теплового эффекта при выбросе вещества в момент осаждения эрозионной частицы отношение , возрастает, а при доминировании в составе анодного массового потока твердофазных фрагментов отношение принимает меньшие значения. Из табл. 2 следует, что с повышением окислительной активности газа теплосодержание эрозионной частицы возрастает, как и при увеличении энергии разряда.

Таблица 2 Численные значения коэффициента при ЭИЛ стали Р6М5 электродом из ВК6М

Межэлектродная среда	Энергия единичного искрового разряда, Дж
	0,022	0,090	0,25
Кислород	77,13	180,28	193,31
Воздух	44,48	65,19	100,36
Углекислый газ	22,08	36,74	39,11

Исследования показали, что газовая межэлектродная среда при ЭИЛ существенно влияет на толщину стабилизированного покрытия. Наибольшая толщина покрытия наблюдается в среде углекислого газа по сравнению с толщиной покрытий, полученных в кислороде и на воздухе. Так, при легировании стали 9ХС электродом ВК6М, толщина нанесенного покрытия в углекислом газе в 1,5…2,2 раза больше чем на воздухе и в 3…4 раза, чем в кислороде.

Влияние материала легирующего электрода изучено по кривым распределения средних диаметров микролунок, полученных при постоянной энергии в импульсе и газовой среде воздух и (рис. 9). Особенностью приведенных кривых является то, что размер диаметра микролунки, полученной электродом Т15К6, на порядок превышает размеры лунок, полученных электродом ВК6М. Кроме того, кривые распределения, построенные по результатам измерения диаметров лунок, созданных электродом Т15К6 имеют экстремальный характер, что говорит о наличии в составе анодного потока большего содержания твердохрупких фракций анода, чем жидкокапельных, что подтверждается фотографиями частиц эрозии.

Рис. 9. Кривые распределения диаметров микролунок при ЭИЛ стали Р6М5 электродами: 1 - ВК6М; 2 - Т15К6

В табл. 3 приведены результаты исследования толщины покрытия при ЭИЛ электродами ВК6М, Т15К6 и ВТ1-0 на воздухе при различных энергиях импульса.

Таблица 3 Значения толщины легированного слоя при ЭИЛ стали 50 _ст, мкм

№ режима	Энергия в импульсе, Дж	Толщина легированного слоя, мкм
		Электрод ВК6М	Электрод Т15К6	Электрод ВТ1-0
1	0,022	45	35	- 30
2	0,09	30	50	40
3	0,25	35	78	51
4	0,73	38	48	30
5	0,86	43	41	28
6	1,20	49	22	16

Влияние энергии искрового разряда на установившуюся толщину легированного слоя проявляется по-разному в зависимости от материала легирующего электрода. В общем случае имеет место немонотонный характер зависимостей с экстремумом в области Е = 0,25 Дж. Однако, при использовании электродов из Т15К6 и ВТ1-0 зависимость = f(Е) имеет максимум, а при легировании ВК6М примерно в этом же диапазоне энергий наблюдается минимум. Наибольшая толщина легированного покрытия получена при обработке электродом из Т15К6 ( = 78 мкм при Е = 0,25 Дж). В диапазоне Е 0,09 Дж и Е 0,86 Дж наибольшее увеличение толщины легированного покрытия наблюдается пи ВК6М, а в области 0,09 Е 0,86 Дж при Т15К6.

В пятой главе анализируются результаты экспериментальных исследований влияния технологических режимов ЭИЛ на характеристики макро-, микроструктуры и триботехнических свойств покрытий. Результаты исследования характеристик покрытий, полученных в различных газовых средах, представлены в табл. 4.

Таблица 4 Характеристики покрытий, полученных при ЭИЛ быстрорежущих сталей электродом ВК6М (микротвердость основы H = 5,88 0,1 ГПа)

Параметры покрытия	Углекислый газ	Воздух	Кислород
	0,022Дж	0,09Дж	0,25Дж	0,022Дж	0,09Дж	0,25Дж	0,022Дж	0,09Дж	0,25Дж
Сплошность, 10 %	91	98	99,6	75	84	95	85	95	98
Толщина слоя, 5 мкм	30	39	60	20	33	45	15	28	30
Микротвердость, ГПа	8,93	8,93	10,13	8,45	11,45	13,82	15,7	17,23	20,7

На рис. 10 приведена микроструктура легированных слоев, полученная при ЭИЛ стали Р6М5 материалом ВК6М (х 146). Изучение полученных слоев показало, что наибольшей сплошностью и толщиной обладают покрытия, сформированные в углекислом газе. Образцы, упрочненные в кислороде имеют наибольшую микротвердость. Анализ характеристик покрытий (табл. 4) совместно со значением относительного коэффициента фрагментации показывает, что при увеличении повышаются толщина покрытия и микротвердость.

а) б)

Рис. 10. Микроструктура покрытия образцов из стали Р6М5 после ЭИЛ электродом ВК6М в газовых средах: а - О₂; б - СО₂

На рис. 11 представлены фотографии микроструктуры покрытий после ЭИЛ стали 40Х13 (в качестве примера) различными электродами. Как видно, слой, сформированный электродом ВК6М, характеризуется однородностью, высокой сплошностью и пористостью, но наблюдается микротрещина, возникшая из-за высоких внутренних напряжений.

а) б)

Рис. 11. Микроструктура покрытия после ЭИЛ (на примере стали 40Х13) с энергией в импульсе Е = 0,73 Дж электродами: а - ВК6М; б Т15К6 (х 400)

Покрытие, полученное легирующим электродом Т15К6, не имеет микротрещин, обладает высокой однородностью и сплошностью. В работе исследовано влияние электродных материалов и условий легирования на фазовый состав, а также на параметры тонкой структуры поверхностного слоя стальных образцов.

ЭИЛ подвергались образцы из сталей Р6М5, 45, ХВГ на установках «IMES-01-2» и «Элитрон-22А» с энергией в импульсе Е = 0,09 - 0,25 Дж. В качестве легирующих электродов применялись материалы стандартных марок (ВК8, Т15К6); новые электродные материалы Ш1 на основе TiC (с добавками шеелитового концентрата CaWO₄ - 10%; Ni-Al-A - 30%). Обработка образцов из стали Р6М5 проводилась в различных газовых средах.

Обработка рентгенограмм показала, что использование электрода Т15К6 приводит к появлению в поверхностном слое большого количества титана; применение ВК8 приводит к появлению основных фаз WC, W₂C. По данным РФА структура, сформированная с применением электрода Ш1, кроме основной фазы TiC содержит фазы Ni₃(AlTi) и Ni₃(AlTi)С (рис. 12). При легировании стали ХВГ на поверхности катода образуется слой, представляющий собой смесь интерметаллидов (например Ni_2,9Cr_0,7Fe_0,56).

Рис. 12. Рентгенограммы покрытия образцов из стали 45, полученного на режимах ЭИЛ: U = 120В, f = 400 Гц, легирующий электрод Ш1

Параметры тонкой структуры (размер блоков, искажение кристаллической решетки и плотность дислокаций) изучались на образцах стали Р6М5, обработанных ЭИЛ.