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

Анализом полученных рентгенограммы стали Р6М5 и расчетных данных установлено, что при электроискровом легировании в углекислом газе модифицированная структура характеризуется большими размерами блоков и меньшим искажением параметра кристаллической решетки по сравнению с таковыми, полученными на воздухе и в среде кислорода. В частности, размеры блоков в первом случае достигали D = 24,0 нм при степени искажения параметра решетки = 5,0 10^-3, а во втором случае, соответственно D = 15,5 - 18,3 нм и =6,010^-3. Следовательно, для получения более прочных и износостойких поверхностных структур, целесообразно применять в качестве межэлектродной среды кислород или воздух.

В табл. 5 представлены расчетные значения плотностей дислокаций в покрытиях образцов быстрорежущей стали Р6М5, подвергнутых ЭИЛ в различных газовых средах.

Таблица 5 Плотность дислокаций стали Р6М5 после ЭИЛ в различных газовых средах

На рис. 13 представлены стойкостные зависимости быстрорежущих резцов из Р9К6 и Р6М5, упрочненных ЭИЛ различными материалами.

Представленные результаты позволяют заключить, что обработка твердосплавными электродами обеспечивает стабильное повышение стойкости инструмента во всем рассмотренном диапазоне режимов резания, при этом с повышением скорости резания относительное увеличение стойкости возрастает.

а) б)

Рис. 13. Влияние скорости резания на стойкость резцов из Р9К5 (а) и Р6М5 (б) при ЭИЛ различными электродами: 1 - обычный инструмент; 2 - Р6М5; 3 - ВК6М; 4 - Т15К6

Влияние состава газовой межэлектродной среды и скорости резания на стойкость резца из Р6М5, подвергнутого ЭИЛ материалами ВК6М (а) и Р6М5 (б), показано на рис. 14. Обработка с использованием газов в большинстве случаев показала положительный эффект; газы по степени эффективности независимо от материала анода располагаются в определенной последовательности. Наибольшее повышение стойкости получено при ЭИЛ в кислороде, затем следует воздух, азот и углекислый газ. С повышением скорости резания износостойкость контактной поверхности, модифицированной в углекислом газе, возрастает, принимая наибольшее значение по сравнению с остальными вариантами упрочнения, а эффективность кислорода падает до исходного состояния.

Выполненные исследования стойкости инструмента убедительно подтверждают, что межэлектродная среда является активным компонентом ЭИЛ, правильный выбор которой может обеспечивать более 200 % повышения стойкости (например, применение кислорода).

Кинетические зависимости скорости изнашивания приведены на рис. 15.

а) б)

Рис. 14. Влияние скорости резания на стойкость резцов из Р6М5 при точении стали 12Х18Н10Т (а) и стали 40 Х (б): 1 - обычный инструмент; 2 - обработка в Ar; 3 - обработка в СО₂; 4 - обработка в N₂; 5 - обработка на воздухе; 6 - обработка в О₂

Рис. 15. Скорость изнашивания резцов из Р6М5 при точении 12Х18Н10Т: 1 - обычный инструмент; 2 - обработка в СО₂; 3 - обработка в N₂; 4 - обработка на воздухе; 5 - обработка в О₂; 6 - обработка в Ar

Скорость установившегося изнашивания располагается в диапазоне J = 0,012…0,015 мм/мин, принимая одно из наименьших значений при ЭИЛ в среде кислорода и воздуха. Начальная скорость изнашивания инструмента (t<10 мин), упрочненного в аргоне, достигает минимального из всех значений и составляет J=0,005 мм/мин. Сравнение скорости установившегося изнашивания с плотностью дислокаций исходной и упрочненных структур, следует, что с повышением плотности дислокаций износостойкость возрастает.

Характер зависимости скорости линейного изнашивания упрочненного образца из ВТ3-1 как функции контактного давления принципиально отличается от неупрочненного. Их численные значения различаются почти на два порядка, а сама зависимость носит выраженный нелинейный характер, при которой с повышением нормального давления темп роста скорости линейного изнашивания снижается (в автореферате не показаны). С повышением плотности мощности упрочняющего искрового воздействия сопротивляемость образующейся поверхностной структуры изнашиванию возрастает.

В исследованиях адгезионной активности ЭИЛ-покрытия использовали образцы из сталей 45 и ХВГ; в качестве легирующих электродов ВК8 и Т15К6; электрод с составом 50% WC-Co, 50% Ni-Cr-B-Si; электрод на основе TiC с добавками Ni-Mo-ДТК (датолитовый концентрат). Сила адгезионного взаимодействия зонда микроскопа с исходной неупрочненной поверхностью составила F=828 нН. Влияние напряжения между электродами на силу адгезионного взаимодействия для стали 45, обработанной электродом ВК8 показано на рис. 16.

Зависимости построены по средним значениям силы адгезии в 30 точках поверхности при различных значениях разрядной емкости конденсаторов. Диаграмма силы адгезионной активности покрытия, полученного указанными выше электродами, представлена на рис. 17.

Основываясь на полученных экспериментальных данных, можно ожидать повышения трибологических свойств поверхностей после ЭИЛ на режимах эффективных с точки зрения получения наименьше адгезионной составляющей силы трения: С = 160 - 180 мкФ и U 80 и 160 В.

Рис. 16. Зависимость силы адгезионного взаимодействия от напряжения для стали 45, легированной электродом ВК8 при емкости: 1 - 14 мкФ; 2 - 60 мкФ; 3 - 120 мкФ

При ЭИЛ стальных поверхностей различными электродными материалами наблюдается снижение силы адгезионного взаимодействия в 2 - 5 раз по сравнению с необработанным материалом (рис. 17).

Рис. 17. Сила адгезионного взаимодействия после ЭИЛ различными электродными материалами

Наиболее эффективны электроды на основе карбида титана с никель-молибденовой связкой и добавками датолитового концентрата и электроды на основе карбида вольфрама с добавками Ni-Cr-B-Si.

В шестой главе представлены результаты исследований по оптимизации режимов ЭИЛ и рекомендации по практическому применению полученных результатов.

Анализ результатов факторного эксперимента позволяет сделать следующие выводы о влиянии параметров технологических режимов ЭИЛ (напряжение X₁, емкость X₂, время обработки X₃) на силу адгезионного взаимодействия (Y). При увеличении напряжения X₁ и времени обработки X₃ сила адгезионного взаимодействия увеличивается, а при увеличении емкости X₂ - уменьшается.

Наряду с линейными эффектами значимыми являются также эффекты взаимодействия X₁X₃; совместное влияние напряжения и времени обработки также вызывает увеличение силы адгезии. Следовательно, для уменьшения силы адгезионного взаимодействия необходимо стремиться при увеличении емкости конденсаторов, уменьшать напряжение и время обработки поверхностей.

Оптимизационное исследование методом «крутого восхождения», предусматривающего движение по градиенту в область оптимума, и регрессионный анализ, показали, что параметр оптимизации - сила адгезионного взаимодействия определяется уравнением регрессии

Y = 74,78 + 17,21X₁ - 27,29X₂ + 12,29X₃ + 14,71X₁X₃

Установлено, что для достижения минимального уровня адгезионной составляющей силы трения оптимальными являются режимы: напряжение U 65…75 B, емкость конденсаторов С 140…170 мкФ, время обработки T 2,0…2,2 мин/см², что коррелирует с экспериментальными данными (глава 5). Следовательно, на вышеуказанных режимах целесообразно обрабатывать элементы трибосистем, функционирующие в реальных условиях эксплуатации.

Множественный корреляционно-регрессионный анализ результатов исследования скорости изнашивания обработанных ЭИЛ стальных поверхностей показал, что наибольшее влияние на скорость изнашивания обработанных ЭИЛ поверхностей оказывают: напряжение между легирующим электродом и поверхностью (Х₁) и микротвердость сформированного покрытия (Х₄).

Получено, уравнение для скорости изнашивания Y с учетом наиболее значимых факторов:

.

В табл. 6 сведены результаты исследования по влиянию газовой межэлектродной среды на толщину легированного покрытия. Оценка проводилась по относительной толщине покрытия, которая рассчитывалась как отношение максимальных толщин покрытий, полученных в различных газовых средах (_i), к толщине покрытия, созданного на воздухе (_в).

В табл. 7 приведены значения относительной скорости изнашивания, которая рассчитывалась по формуле: I_тр = И_i/И_в, где И_i - лунка износа на поверхности, упрочненной ЭИЛ в газовой среде; И_в - лунка износа на поверхности, упрочненной в воздухе.

Таблица 6 Относительная толщина покрытия легированного слоя при ЭИЛ сталей Р6М5 и 9ХС

Таблица 7 Относительная скорость изнашивания стали Р6М5 при трении о диск из стали 50, легированной электродом ВК6М

Результаты свидетельствуют о том, что из рассматриваемых газовых сред эффективнее сопротивляется изнашиванию поверхность, сформированная в среде кислорода, наибольшая толщина покрытия получена в среде СО₂.

Для удобства сравнительного анализа механизма упрочнения за счет легирования, введено понятие эквивалентной плотности дислокаций, исходя из следующих феноменологических положений. Повышение внутренней энергии при внедрении легирующего элемента складывается из свободной энергии, вносимой активным компонентом и поглощенной энергии, затраченной на формирование новой структуры. В удельном выражении (отнесенной к одному молю), этот процесс при формировании твердых растворов оценивается энтальпией смешения (Н). При образовании новых химических соединений - энтальпией образования (Е). Тогда приращение химического потенциала составит:

где _т.р. приращение химического потенциала при образовании твердых растворов; _х.с приращение химического потенциала при образовании химических соединений; H_i энтальпия смешения; E_i энтальпия образования; С_i - концентрация в долях; атомный вес диффузанта.

Под эквивалентной плотностью дислокаций понимается приращение плотности дислокаций, соответствующее приращению химического потенциала за счет легирования. Ее численное значение можно определить по выражению

(10)

где эквивалентная плотность дислокаций; b - вектор Бюргерса; плотность материала; q₀ - энергия единичной связи; приращение химического потенциала.

В раскрытом виде, при образовании твердых растворов:

(11)

при образовании новых химических соединений:

(12)

При легировании в газовых средах появляется дополнительный эффект упрочнения, который может быть учтен введением коэффициента эффективности газа (К_г), тогда (10) примет вид:

(13)

Для выбора материала легирующего электрода и прогнозирования прочностных свойств модифицированных структур, разработаны номограммы (пример на рис. 18) и программа, позволяющие после сравнения эквивалентных плотностей дислокаций и структурно-энергетических свойств легирующего компонента (_i или _i) обоснованно выбрать материал с учетом роли межэлектродного газа.

На представленных номограммах , , m_i массовая концентрация легирующего компонента.

Эффективность ЭИЛ проверяли на серийном гидроцилиндре Ц-75 с уплотнительными элементами штока из полимерного композиционного материала на основе ПТФЭ с использованием результатов оптимизационного исследования и проведением ускоренных стендовых испытаний.

Рис. 18. Номограмма определения эквивалентной плотности дислокаций: 1^* закаленный образец; 2^* - СО₂; 3^* - N₂; 4^* - O₂; 5^* - Ar; легирующий электрод: 1 - Pd; 2 - Ni; 3 - Co; 4 Cr

Результаты ускоренных испытаний гидроцилиндров с разработанными герметизирующими устройствами и модифицированными на оптимизированных режимах поверхностями штоков показали, что предлагаемые комплексные конструктивно-технологические меры обеспечивают герметичность уплотнения штока в течение 2 10⁵ циклов, что составляет путь трения L = 80000 м.

Величина внешних утечек в процессе испытания гидроцилиндра находилась в пределах нормы (не более 20 см³ за 1000 циклов); диаметр рабочей поверхности штока в пределах допуска на изготовление; увеличение внутреннего диаметра уплотнительной манжеты вследствие износа не превышает 0,1 мм, что соответствует интенсивности изнашивания не более 0,6 10^-10. Незначительная величина утечек, зафиксированная в процессе стендовых испытаний, высокая износостойкость уплотнительных элементов подтверждают эффективность предлагаемых конструктивно-технологических решений.

износостойкость легирование газовый электрод

Основные результаты и выводы

1. На основе фундаментальных положений неравновесной термодинамики разработана термодинамическая модель процесса ЭИЛ как открытой термодинамической системы, позволяющая анализировать процессы электрической эрозии, формирования массового и энергетического потока эродированных частиц, образования модифицированных структур покрытия.

2. Установлено, что в основе электроискровой обработки материалов лежат структурно-энергетические процессы эрозии и образования модифицированных структур. Анализом динамики активационных и диссипативных процессов определены основные пути повышения активности эрозионного массового потока, заключающиеся в создании условий для большего временного рассогласования между подводимой электрической энергией искрового разряда и развитием диссипативного канала.

3. На основе фрактальной параметризации электроэрозионного процесса установлена взаимосвязь между фрактальной размерностью эрозионного массового потока, структурно-энергетическим состоянием и износостойкостью формируемых покрытий.

4. Установлено, что газовая межэлектродная среда является средством существенного повышения эффективности ЭИЛ; изменяя ее состав, можно активно и целенаправленно управлять процессом ЭИЛ и создавать покрытия с высокими механическими и триботехническими свойствами. Изучено влияние газовой межэлектродной среды на состав и энергосодержание анодного массового потока через электрические свойства среды, ее химико-окислительную активность.

5. Для оценки характера распределения эрозионного анодного потока по составу и уровню энергии введен количественный критерий «относительный коэффициент фрагментации» , не зависящие от времени обработки и площади легирования. Показано, что, используя относительный коэффициент фрагментации можно прогнозировать свойства обрабатываемых ЭИЛ поверхностей.

6. Методом сканирующей зондовой микроскопии с помощью АСМ, установлено, что изменение силы адгезионного взаимодействия между покрытием и зондом существенно зависит от энергетических режимов ЭИЛ и материала легирующего электрода: повышение емкости разряда конденсаторов установок ЭИЛ способствует снижению сил адгезионного взаимодействия модифицированных поверхностей. Минимальная сила адгезии покрытия при ЭИЛ получена электродными материалами на основе карбида титана с никель - молибденовой связкой и добавками минерального сырья (датолитового концентрата) и на основе карбида вольфрама с добавлением Ni-Cr-B-Si.

7. Для исследуемых инструментальных, конструкционных сталей установлены оптимальные сочетания: «легирующий электрод - межэлектродная газовая среда - энергетические режимы обработки» по созданию максимальной толщины покрытий и износостойких поверхностных структур.

8. Для выбора оптимального материала легирующего электрода и прогнозирования прочностных свойств модифицированных структур, разработаны номограммы и программа, позволяющие по структурно-энергетическим свойствам упрочняющего материала, определять эквивалентную плотность дислокаций с учетом роли межэлектродного газа и учитывающие диффузионную активность упрочняющих компонентов.

9. Стендовые испытания гидроцилиндра показали, что применение ПКМ на основе ПТФЭ для уплотнительных элементов и поверхностного легирования металлических элементов конструкции гидроцилиндра методом ЭИЛ - эффективный метод повышения работоспособности ГУ, интенсивность изнашивания уплотнительных элементов в этом случае составляет не более 0,6 10^-10, что позволяет прогнозировать существенное увеличение ресурса ГУ штока и гидроцилиндра в целом.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Ким В.А. Исследование триботехнических свойств поверхностей, упрочненных электроискровым легированием / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев // Вестник АмНЦ. 1997. №1. - С. 185191.

2. Ким В.А. Исследование коррозионной стойкости сталей, модифицированных электроискровым легированием / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев, В.П. Ледвягин // Материалы международного симпозиума «Принципы и процессы создания неорганических материалов». Хабаровск, 1998. С. 86.

3. Ким В.А. Исследование износостойкости быстрорежущей стали, упрочненной электроискровым легированием / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев // Материалы региональной научно-технической конференции «Дальний Восток России, машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ». Комсомольск-на-Амуре, 1998. С. 1718.

4. Виноградов Б.А. Обобщенная термодинамическая модель упрочнения / Б.А. Виноградов, В.А. Ким, Д.Н. Коротаев // Материалы международной научной конференции «Синергетика, самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях». Комсомольск-на-Амуре, 1998. С. 8788.

5. Ким В.А. Комбинированное упрочнение поверхностей с использованием концентрированных потоков энергии и вещества / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев // Сводный отчет по теме 2.1.94. № регистр. 01940010296. Ответственный исполнитель: Коротаев Д.Н. Благовещенск, 1998. - 93 с.

6. Ким В.А. Структурная приспосабливаемость поверхностей трения, упрочненных электроискровым легированием / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев // Сводный отчет. № регистр. 01960012676. Ответственный исполнитель: Коротаев Д.Н. Благовещенск, 1998. - 48 с.

7. Ким В.А. Роль газовой среды в процессах электроискрового легирования / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1998. №7-9. - С. 116118.

8. Ким В.А. Газовая среда фактор упрочнения при электроискровом легировании /В.А. Ким, Д.Н. Коротаев // Электронная обработка материалов. 1998. №8. С. 3743.

9. Ким В.А. Термодинамика упрочняющих технологий / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев, В.В. Соловьев // Вестник АмГУ. 1999. №6. - С. 3235.

10. Коротаев Д.Н. Структурная приспосабливаемость поверхностей в трибосопряжениях, упрочненных электроискровым легированием / Д.Н. Коротаев, Д.В. Швайко // Сводный отчет. №01960012676. Руководитель темы: Коротаев Д.Н. Благовещенск. 1999. - 56 с.

11. Коротаев Д.Н. Изменение микроструктуры поверхностных слоев после воздействия концентрированного потока энергии при ЭИЛ / Д.Н. Коротаев // Вестник АмГУ 2000. №9. С. 1214.

12. Коротаев Д.Н. Физические аспекты эрозионного процесса при электроискровом легировании / Д.Н. Коротаев, А.В. Голик // Вестник Дальневосточного отделения РАН. 2001. №1. С. 2329.

13. Ким В.А. Влияние условий легирования на эрозионный процесс при электроискровой обработке / В.А. Ким, Д.Н. Коротаев, А.В. Голик // Физика и химия обработки материалов. 2001. №1. С. 128131.

14. Дубровский Б.Л. Возможности восстановления деталей методом «холодного» газодинамического напыления / Б.Л. Дубровский, Ю.И. Бакланов, Д.Н. Коротаев // Сборник научных трудов НВИ. 2001. Выпуск 10. С. 194195.

15. Коротаев Д.Н. К вопросу формирования поверхностных структур в упрочняющих технологиях / Д.Н. Коротаев // Материалы IV международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин». - Омск. 2002. С. 114-117.

16. Коротаев Д.Н. Термодинамические аспекты упрочняющих технологий / Д.Н. Коротаев // Материалы межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование. Броня - 2002». - Омск. 2002. Ч. 2. - С. 80-82.

17. Коротаев Д.Н. Управление формированием эксплуатационных параметров поверхностей при упрочнении / Д.Н. Коротаев // Материалы международной научно - практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура». - Омск. 2003. - С. 185186.

18. Коротаев Д.Н. Управление качеством формирования эксплуатационных параметров поверхностей при упрочнении электроискровым легированием / Д.Н. Коротаев, Ю.Б. Никитин // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2003. №.4. С. 6569.

19. Машков Ю.К. Влияние газовой среды на микроструктуру и свойства быстрорежущей стали при электроискровом модифицировании / Ю.К. Машков, Д.Н. Коротаев // Материалы международной научно-практической конференции «КИНО». - Омск 2006. - С. 206-210.

20. Машков Ю.К. Микроструктура и свойства поверхностного слоя при электроискровом легировании / Ю.К. Машков, Д.Н. Коротаев // Технология металлов. 2006. №3. - С. 1013.

21. Коротаев Д.Н. Улучшение механических и триботехнических свойств сталей и сплавов при электроискровом легировании / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Материалы международного симпозиума «Славянтрибо-7». Санкт-Петербург. 2006. - С. 187190.

22. Коротаев Д.Н. Технологические возможности управления износостойкостью поверхностей трения при электроискровом легировании / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Омский научный вестник. 2006. № 10 (48) - С. 205210.

23. Коротаев Д.Н. Функциональное моделирование технологического процесса упрочнения поверхностей / Д.Н. Коротаев // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2006. №2. С. 3943.

24. Ахтулов А.Л. Технология и организация производства продукции: учебное пособие/А.Л. Ахтулов, Д.Н. Коротаев. Омск: СибАДИ, 2006. 250с.

25. Коротаев Д.Н. Выбор оптимального способа упрочнения прецизионных поверхностей трения / Д.Н. Коротаев // Вестник машиностроения. 2007. № 9. С. 5052.

26. Машков Ю.К. Повышение работоспособности герметизирующих устройств гидромеханических агрегатов / Ю.К. Машков, Д.Н. Коротаев, Б.Т. Грязнов // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии». - Москва, «Машиностроение». 2007. - С.324329.

27. Машков Ю.К. Сущность метода электроискрового легирования / Ю.К. Машков, Д.Н. Коротаев, А.В. Казанцева // Омский научный вестник. 2007. №2 (56). - С. 9495.

28. Коротаев Д.Н. Повышение надежности гидроцилиндров / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Строительные и дорожные машины. 2008. № 4. С. 28-31.

29. Коротаев Д.Н. Влияние технологических условий электроискрового легирования на состав, распределение и энергетическое состояние анодного массового потока / Д.Н. Коротаев, В.А. Ким, Е.В. Иванова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. - № 6. - С. 2125.

30. Коротаев Д.Н. Влияние электроискрового легирования стальных образцов на уровень адгезионного взаимодействия / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков, Б.Т. Грязнов, С.В. Николенко // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2008. № 7. - С. 1720.

31. Коротаев Д.Н. Восстановление деталей гидроцилиндров электроискровым легированием / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 8. - С. 5052.

32. Коротаев Д.Н. Восстановление и упрочнение поверхностей трения электроискровым легированием / Д.Н. Коротаев, В.С. Шиковский // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Ползуновские гранты». Барнаул. 2008. - С. 6769.

33. Коротаев Д.Н. Оптимизация режимов упрочнения и эксплуатации стальных поверхностей трения после электроискрового легирования / Д.Н. Коротаев, Е.В. Иванова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 1. - С. 3942.

34. Коротаев Д.Н. Оптимизация технологических режимов электроискрового легирования деталей трибосистем / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Трение и износ. 2009. -Т.30. №2. - С. 106109.

35. Коротаев Д.Н. Повышение износостойкости и работоспособности уплотнений штоков гидроцилиндров / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Строительные и дорожные машины. 2009. №4. - С. 3033.

36. Коротаев Д.Н. Технологические возможности формирования износостойких наноструктур электроискровым легированием : монография / Д.Н. Коротаев - Омск: СибАДИ, 2009. - 256 с.

37. Коротаев Д.Н. Влияние электроискрового легирования металлических деталей на износостойкость металлополимерных узлов трения / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков, Б.Т. Грязнов // Материалы Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология (Поликомтриб-2009)». Гомель. 2009. - С. 6769.

Размещено на Allbest.ru