автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Разработка и оптимизация износостойких покрытий на стальной подложке, синтезируемых методом электроискровой обработки

На правах рукописи

Алимбаева Ботагоз Шайдуловна

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЬНОЙ ПОДЛОЖКЕ, СИНТЕЗИРУЕМЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.16.09 — Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 СЕН 2014

005552532

Омск 2014

005552532

Работа выполнена на кафедре «Физика» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет».

Машков Юрий Константинович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», профессор кафедры «Физика» Батаев Анатолий Андреевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», проректор по учебной работе, заведующий кафедрой «Материаловедение в машиностроении» Коростелев Владимир Федорович доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых», заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов»

ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ), г. Тюмень

Защита диссертации состоится «24» октября 2014 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д.212.178.10 при ОмГТУ по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.

Электронная почта: сКббоу^ omgtu@omgtu.ru: botagoz.alimbaeva@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять на адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « 3 »СгиТ^ЛрХ!014 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.178.10 к.ф.-м.н., профессор

Суриков Вад.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежность и эффективность машин и технологического оборудования определяются в основном износостойкостью и долговечностью деталей трибосистем. В промышленности в зависимости от условий эксплуатации изделий применяются различные методы поверхностного упрочнения статей и сплавов, такие как поверхностное пластическое деформирование, химико-термическая обработка, формирование упрочняющих износостойких покрытий (микродуговое оксидирование, напыление и др.), высокоэнергетические методы (лазерная, ионно-лучевая обработка и др.) и различные их комбинации. Все известные методы поверхностного упрочнения имеют свои достоинства и область применения, но в полной мере не удовлетворяют современным требованиям к эффективности, универсальности и экономичности технологических процессов. Поэтому разработка эффективного, достаточно простого для освоения в промышленном производстве и экономичного метода повышения износостойкости остается актуальной научной и практической задачей. Наиболее перспективными являются методы поверхностного модифицирования деталей трибосистем с применением высококонцентрированных потоков энергии, к которым относится электроискровая обработка (ЭИО), позволяющая получать покрытия с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния электроискровой обработки конструкционной стали на структуру, элементный и фазовый состав, механические и триботехнические свойства модифицированного поверхностного слоя, а также разработке и оптимизации технологических режимов ЭИО, обеспечивающих повышенную износостойкость обрабатываемых деталей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках государственной бюджетной НИР аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2012-2013 гг.).

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы физические методы экспериментальных исследований: топографии поверхности (контактная атомно-силовая микроскопия); элементного состава (рентгеновская энергодисперсионная спектрометрия); кристаллической структуры, фазового состава (рентгенофазовый анализ), механических и триботехнических свойств покрытий, формируемых в процессе ЭИО.

Цель работы: установление закономерностей формирования износостойких покрытий на стальной подложке методом электроискровой обработки, обеспечивающих повышение износостойкости стальных деталей узлов трения машин.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи исследования:

1. Провести анализ известных методов поверхностного упрочнения конструкционных сталей и сплавов, обеспечивающих модификацию их структуры, повышение механических и триботехпических свойств, и определить направление экспериментально-теоретических исследований в работе.

2. Разработать термодинамическую модель стационарного состояния системы «легирующий электрод — обрабатываемая деталь», исходя из баланса энергии активационных и диссипативных процессов при установившихся режимах электроискровой обработки деталей с использованием разработанной структурной схемы термодинамических процессов ЭИО.

3. Провести, экспериментальное исследование влияния химического состава материала электрода (анода) на структуру и фазовый состав покрытий, формируемых на стальных образцах.

4. Исследовать зависимости микротвердости и триботехнических свойств покрытий от состава материала легирующего электрода и энергетических режимов электроискровой обработки.

5. Методом контактной атомно-силовой микроскопии исследовать влияние состава материала легирующих электродов и режимов электроискровой обработки на размеры структурных элементов формирующихся покрытий и параметры шероховатости обрабатываемой поверхности.

6. Провести оптимизационное исследование режимов ЭИО и разработать практические рекомендации по назначению оптимальных технологических режимов электроискровой обработки стали 15ХГН2ТА, обеспечивающих максимально высокую износостойкость металлополимерных пар трения.

Научная новизна результатов исследования:

1. Разработана термодинамическая модель стационарного состояния открытой термодинамической системы «легирующий электрод -обрабатываемая деталь» с использованием гипотезы И. Пригожина о локальном равновесии внутри малых областей глобально неравновесной системы в условиях электроискровой обработки стальных деталей.

2. Разработана структурная схема термодинамических процессов электроискровой обработки, отражающая взаимосвязь физико-химических процессов энергомассопереноса и формирования модифицированных структур

4

в поверхностном слое и износостойких покрытий на обрабатываемой поверхности.

3. Установлены закономерности процесса поверхностного модифицирования стали 15ХГН2ТА и формирования износостойких покрытий, отражающие влияние химического состава материала электродов и режимов обработки на элементный и фазовый составы, толщину, микротвердость и износостойкость формируемых покрытий.

4. Получены экспериментальные зависимости скорости изнашивания металлополимерных пар трения от технологических режимов электроискровой обработки стальных деталей.

На защиту выносятся:

1. Термодинамическая модель стационарного состояния открытой термодинамической системы «легирующий электрод - обрабатываемая деталь» в условиях электроискровой обработки стальных деталей.

2. Установленные закономерности влияния электроискровой обработки конструкционной стали электродами из материалов различного химического состава на элементный и фазовый состав и параметры кристаллической структуры покрытий, формируемых на стали.

3. Экспериментальные зависимости микротвердости модифицированных поверхностей с износостойкими покрытиями от режимов электроискровой обработки различными легирующими электродами, имеющие экстремальный характер.

4. Результаты оптимизационных исследований и практические рекомендации по выбору технологических режимов электроискровой обработки, обеспечивающих наибольшее повышение триботехнических свойств металлополимерной пары трения.

Практическая значимость работы. На основе результатов оптимизационных исследований разработаны рекомендации по назначению технологических режимов электроискровой обработки деталей из стали 15ХГН2ТА для получения качественных износостойких покрытий -поверхностей трения, обеспечивающих существенное повышение износостойкости металлополимерных трибосопряжений.

Личный вклад автора. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертационной работе, проводил критический анализ известных методов поверхностного модифицирования и повышения износостойкости стальных деталей, самостоятельно производил обработку экспериментальных образцов методом ЭИО, принимал участие в обосновании структурно-термодинамического подхода и в разработке термодинамической

5

модели исследуемой системы, разрабатывал план факторного эксперимента, обрабатывал полученные результаты, а также принимал непосредственное участие в исследовании образцов методами растровой электронной и атомно-силовой микроскопии, в обобщении полученных результатов, формулировке положений выносимых на защиту, написании тезисов докладов и научных статей.

Степень достоверности результатов диссертации. Достоверность результатов исследований подтверждается: использованием известных методов и методик планирования и проведения 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.

Апробация результатов исследования. Основные экспериментальные результаты и теоретические выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях: 6-я межрегиональная научно-практическая конференция «Производство, модернизация, эксплуатация многоцелевых гусеничных и колесных машин. Подготовка специалистов» («Броня-2011») (г. Омск, 2011 г.); 7-я межрегиональная научно-практическая конференция «Инновационные технологии, системы вооружения и военной техники, наука и образование» («Броня-2012») (г. Омск, 2012 г.); VIII международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2012 г.); 15-ая международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); межвузовская научно-практическая конференция «Совершенствование системы эксплуатации ВВСТ» (г. Омск, 2014 г.); III Региональная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современной науки» (г. Омск, 2014 г.) и нашли свое отражение в научных публикациях, в том числе в статьях, рекомендованных ВАК.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 11 работах, в том числе 3 работы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов, библиографического списка использованной литературы из 109 наименований и приложений,

6

содержащих результаты экспериментальных исследований и документы об использовании материалов работы. Объем диссертации составляет 123 страницы, включая 4 приложения, 44 рисунка, 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и определены задачи исследования, выделены научные положения и результаты, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе проводится критический анализ основных методов поверхностного упрочнения сталей и сплавов: химико-термических, высокоэнергетических, комбинированных методов структурной модификации; обосновывается выбор метода электроискровой обработки как наиболее технологичного в сравнении с другими способами. На основе выполненного анализа сформулирована цель и поставлены задачи, решение которых обеспечивает достижение цели исследования.

Во второй главе рассмотрены методы и методики проведения экспериментальных исследований, описывается объект исследования, приведены технические характеристики применяемых установок и оборудования для проведения и фиксации результатов экспериментов.

В качестве объекта экспериментальных исследований использовали конструкционную легированную сталь 15ХГН2ТА, которая широко применяется для изготовления шестерен, осей, втулок, валов коробок передач автомобилей, многоцелевых гусеничных и колесных машин и других видов техники. Для повышения механических свойств стали 15ХГН2ТА используют химико-термическую обработку с последующей термической обработкой, что значительно усложняет и увеличивает продолжительность технологического процесса изготовления деталей.

Обработка образцов осуществлялась на установках для электроискровой обработки моделей HM3H-02-2-IMES и ИМЭИ-1001-IMES, обеспечивающих технологические режимы: анодно-катодное напряжение U = 40-160 В; разрядная емкость конденсаторов С = 34-240 мкФ.

Поверхности стальных образцов обрабатывали с различными легирующими электродами (ЛЭ): стандартным электродом марки Т15К6 (TiC-15%, Со-6%, WC-79 %); электродом ИМХ21 (WC-Co-50%, Ni-Cr-B-Si-50 %);

1 Электроды разработаны в Институте Материаловедения Хабаровского научного центра под руководством к.т.н. Николенко C.B.

электродом Ш21 с минеральным сырьем Дальневосточного региона на основе шеелитового концентрата (TiC-60%, Ni-Cr-Al-30%, ШЛК (шеелитовый концентрат CaW04)-10%). Выбор легирующих электродов производился на основе ранее проведенных исследований.

Методика исследования включала изучение влияния материала легирующего электрода и технологических режимов обработки на микротвердость и толщину покрытий, формируемых при электроискровой обработке. Микротвердость формируемых поверхностных слоев определялась с помощью микротвердомера ПМТ-ЗМ при нагрузке на индентор 0,49 Н. Толщина наносимых покрытий определялась на горизонтальном оптиметре ИКГ-3 относительным методом измерения.

Исследование структуры и фазового состава модифицированного поверхностного слоя стали 15ХГН2ТА после электроискровой обработки проводилось методом рентгенофазового анализа исходных и модифицированных образцов на дифрактометре D8 ADVANCE (Bruker) в Cu-Ка излучении в области углов 5°-120° (29).

При помощи сканирующего зондового микроскопа NTEGRA Prima (НТ-МДТ, Россия) в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (к-АСМ) исследовался микрорельеф и определялись характерные размеры структурных элементов поверхностей исходных образцов и образцов, модифицированных ЭИО различными электродами, а также покрытия, сформированные электродом ИМХ2 на различных режимах после испытаний на трение и износ. Математическая пост-обработка полученных результатов осуществлялась при помощи модульной программы Gwyddion.

Для исследования элементного состава исходной поверхности стали 15ХГН2ТА и поверхностных слоев, модифицированных ЭИО различными электродами, а также покрытий, сформированных электродом ИМХ2 на различных режимах после триботехнических испытаний использовали растровый электронный микроскоп Jeol JCM-5700 и рентгеновский энергодисперсионный спектрометр.

Исследование характеристик триботехнических свойств производили на специальной установке, созданной на базе настольного сверлильного станка по схеме трения «палец-диск» при контактном давлении Р=2,66 МПа и скорости скольжения V=l,20 м/с. В качестве контробразцов были использованы цилиндрические пальцы из композиционного материала на основе ПТФЭ.

С целью оптимизации режимов ЭИО был разработан и реализован план факторного эксперимента типа N = 23 = 8. В качестве параметра оптимизации была принята скорость изнашивания покрытия (J). В качестве независимых

8

факторов воздействия были выбраны: X) - анодно-катодное напряжение, Х2 — разрядная емкость конденсаторов, Хз - продолжительность ЭИО. Для нахождения области оптимума применяли один из градиентных методов оптимизации - метод «крутого восхождения» (Бокса Уилсона).

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процесса модифицирования поверхностных слоев стальных изделий методом электроискровой обработки. В первой части третьей главы описана разработанная термодинамическая модель процесса формирования покрытия на стальной подложке при импульсных электроискровых разрядах.

Процесс образования концентрированного потока электронов при электрическом разряде и его взаимодействия со стальной основой можно представить в виде структурной схемы термодинамических процессов в системе «легирующий электрод (анод) - обрабатываемая деталь (катод)» (рис. 1).

ЭА

(анод)

ЭАзС

ги

ИР пэ

1

.эк

(катод)

ПЧ

1пГ\

1

нмс

эк

ВС

♦

УМС

и

ДП

Рисунок 1 - Структурная схема термодинамических процессов при ЭИО: ГИ - генератор импульсов; ЭА - анод в исходном состоянии; ЭК - катод

в исходном состоянии; ИР - искровой разряд; ПЭ - поток электронов; ПЧ - поток частиц; ЭАвс - анод в возбужденном состоянии; ЭКвс - катод в возбужденном состоянии; НМС - неустойчивая модифицированная структура; УМС -устойчивая модифицированная структура

При сближении легирующего электрода с поверхностью обрабатываемой детали напряженность электрического поля возрастает, между ними возникает искровой электрический разряд (ИР). Поток электронов (ПЭ) устремляется к поверхности катода (ЭК). Кинетическая энергия заторможенных электронов аккумулируется в поверхностных слоях анода, переводя его в возбужденное состояние (ЭАВс). Плотность потока возрастает, превосходя критическое значение, при котором металл анода плавится, из него выделяется поток мелких частиц (ПЧ), направляющийся к поверхности катода. Частицы нагреваются, закипают, «взрываются», и, достигая поверхности катода, образуют сильные адгезионные связи и частично диффундируют на незначительную глубину, модифицируя тонкий поверхностный слой. Вслед за частицами движется анод

и через частицы, связанные с поверхностью катода, проходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом ускоренной массы анода. При механическом контакте электродов в зоне взаимодействия развиваются диффузионные процессы переноса микрочастиц на катод, химические реакции между частицами электрода-анода и структурными элементами материала катода и формирование неустойчивой модифицированной структуры (НМС). В таком режиме работы системы «анод - катод» на поверхности катода вследствие диссипативных процессов формируется тонкий слой покрытия устойчивой модифицированной структуры (УМС).

Развитие активационных и диссипативных энергетических процессов при ЭИО можно представить в виде схемы формирования энергетических потоков с использованием временных зависимостей плотности мощности искрового разряда активационного процесса (рис. 2, кривая 1) и теплового диссипатив-ного процесса (кривая 2). Плотность мощности единичного искрового разряда достигает максимального значения к концу периода активации в точке А! за время Затем она снижается до нуля за время 1р вследствие рассеяния энергии.

Рисунок 2 - Схема формирования энергетических активационных и диссипативных потоков при ЭИО: 1 — зависимость плотности мощности активационного процесса; 2 — зависимость плотности мощности диссипативного (теплового) процесса; 3 - плотность мощности при стационарном

процессе

Тепловые процессы развиваются медленнее, поэтому максимальная плотность мощности теплового диссипативного потока достигается в точке с некоторым запаздыванием на время 1з. В точке В| плотность мощности

теплового диссипативного потока становится равной плотности мощности искрового разряда, т.е. достигается баланс между подводимым потоком электрической энергии и отводимым потоком тепловой энергии.

Рассмотренный процесс характеризует развитие энергетических процессов единичного электрического разряда. В реальном процессе ЭИО импульсы электрических разрядов следуют один за другим с интервалом 0,5 (10 -10 ) сек. (рис. 2), а продолжительность единичного искрового воздействия составляет 10"4—10 3 сек, но длительность существования активной фазы не превышает 10"6-10"5 сек. При этом, в точке А] удельная мощность начинает уменьшаться.

В точке С] удельная мощность электрической энергии вновь начинает повышаться, взаимодействуя с потоком следующего импульса и в точке А-, достигает максимального уровня. Затем мощность снижается до точки С2 и далее продолжается ■ циклическое колебание удельной мощности электрического потока. При этом среднее значение мощности остается практически постоянным и равным яср = (яА + Чо) / 2. С запаздыванием на время формируется устойчивый диссипативный поток тепловой энергии, удельная мощность которого устанавливается на уровне мощности в точках Оь Б;, Из и т.д.

Таким образом, в системе устанавливаются и одновременно устойчиво функционируют два энергетических потока: 1 - активационный поток электрической энергии, 2 - диссипативный поток тепловой энергии. Одновременное функционирование двух энергетических потоков приводит систему к стационарному термодинамическому состоянию и обеспечивает формирование устойчивого покрытия на поверхности катода. Устойчивость этого процесса определяется балансом активационного и диссипативного энергетических потоков, который можно описать выражением:

Д^у.ис =Чир - тЦ (в - уу5) аул -

VI

где ДИумс - величина поглощенной внутренней энергии при формировании УМС; Яир - плотность энергетического потока искрового разряда; 1НР - время искрового разряда; в - скорость возникновения (производство) энтропии внутри единицы объема в единицу времени; VJS - скорость оттока энтропии в окружающую среду; я*да • 1*дп - плотность диссипативного энергетического потока в окружающую среду и время его действия; Т - абсолютная температура.

Выражение (1) по физической сути представляет собой термодинамическую модель стационарного состояния открытой термодинамической системы «легирующий электрод - обрабатываемая деталь» в условиях ЭИО.

Во второй части третьей главы представлены результаты исследования влияния материалов ЛЭ на фазовый состав покрытий, сформированных на стальных образцах электроискровой обработкой методом рентгенофазового анализа. Из рентгенограмм исходных поверхностей образцов (рис. 3, а) видно, что сталь 15ХГН2ТА содержит четыре интенсивных пика, которые относятся к твердому раствору типа СгРе.

На рисунке 3, б-г приведены рентгенограммы поверхностей образцов, модифицированных ЭИО различными электродами. Расшифровка рентгенограмм покрытий показала, что электроискровая обработка стандартным электродом Т15К6 приводит к образованию в поверхностном слое карбида титана ("ПС), а также фаз: (СгП)2Оз и РеО в незначительном количестве (рис. 3, б). При этом пиков от исходного материала практически не наблюдается, что говорит об отсутствии перемешивания материала легирующего электрода и основы. Поверхностный слой, сформированный при ЭИО электродом Ш2, содержит фазы: СгРе, РеС, СгТЧС и Сг203 (рис. 3, г).

Обработка рентгенограмм показала также, что в поверхностном слое, модифицированном электродом ИМХ2 наблюдаются интенсивные пики, соответствующие сложным интерметаллидам: Ре№3, Сг№Ш (рис. 3, в), а также пики от подложки (СгРе). В результате электроискровой обработки легирующим электродом ИМХ2 на поверхности образцов образуется слой, представляющий собой смесь интерметаллидов. Образование интерметаллидов с участием железа, хрома и никеля является следствием микрометаллургических процессов, протекающих на катоде в результате перемешивания и химического взаимодействия компонентов электрода с материалом основы. При электроискровой обработке стали 15ХГН2ТА входящие в состав электрода ИМХ2 микролегирующие элементы и самофлюсующиеся добавки обеспечивает образование защитной атмосферы, которая препятствует формированию оксидов в поверхностном слое.

СгГе

Т]С

тк;

(С11'1).0,

СгТП.О,

СгУе

I

(СтТЯ.О;

а)

Л 1 /

»0 40 <0 !«1 ТО ЯП <)|1

б)

реО

А

СгРе Стге

С㹫Г. I стмге

Сг,С. Г.О,

В) г)

Рисунок 3 - Рентгенограммы поверхности исходного образца (а) и поверхностных слоев образцов из стали 15ХГН2ТА, легированной электродами на режимах: и=80-120В, С=34-120мкФ. 1=3-4мин: Т15К6 (б): ИМХ2 (в): Ш2 (г) (совместно с Коротаевым Д.Н.)

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния материалов электродов и энергетических режимов обработки на микротвердость, толщину, элементный состав и топографию покрытий, формируемых при электроискровой обработке, а также оптимизации режимов ЭИО.

В первой части четвертой главы приведены результаты экспериментального исследования влияния материала ЛЭ и режимов ЭИО на толщину и микротвердость покрытий. Из диаграмм (рис. 4) видно, что с повышением энергетических режимов ЭИО: напряжения от 80 В до 160 В и емкости от 34 мкФ до 240 мкФ толщина покрытий увеличивается при любом материале ЛЭ. При этом, при обработке электродом Т15К6 толщина покрытия увеличивается на 48,6 %, при обработке электродом ИМХ2 — на 75 %. при обработке электродом Ш2 - на 83,3 %.

Диаграммы также показывают, что при ЭИО электродом ИМХ2 на основе карбида вольфрама с добавками компонентов, образующих с материалом основы неограниченные твердые растворы, получена наибольшая толщина покрытия (210 мкм). Это можно объяснить тем, что введение бора и кремния в состав ЛЭ замедляет образование оксидных пленок в формируемой структуре,

что оказывает положительное влияние на сплошность и увеличение толщины покрытия. Кроме того, введение бора уменьшает эрозионную стойкость ЛЭ, вследствие чего, повышается массоперенос материала электрода на обрабатываемую поверхность. Использование электрода Ш2 также приводит к образованию покрытий, превышающих толщину покрытий, сформированных электродом марки Т15К6, в 1,7-2 раза. Это объясняется тем, что минеральное сырье (шеелитовый концентрат) в составе материала электрода создает защитную атмосферу в зоне ЭИО, препятствуя выгоранию эрозионных частиц и способствуя интенсификации массопереноса материала электрода. Полученные результаты позволяют использовать ЭИО для восстановления изношенных поверхностей прецизионных пар трения в пределах до 100 мкм.

Т15К6 IIMX2 Ш2

Рисунок 4 - Толщина покрытий образцов из стали 15ХГН2ТА при различных материалах электродов

Анализ экспериментальных зависимостей микротвердости покрытий на образцах из стали 15ХГН2ТА. от анодно-катодного напряжения и разрядной емкости конденсаторов, показал, что повышение энергетических режимов обработки по-разному влияет на характер изменения микротвердости покрытий при изменении материала легирующего электрода (рис. 5, 6).

Наиболее высокие значения микротвердости покрытий (HV 900... 1080) получены при использовании электродов ИМХ2 и Т15К6. Наибольший эффект повышения микротвердости обеспечивается при ЭИО электродом ИМХ2 с напряжением U=140 В и емкостью С=120 мкФ. При обработке электродом Т15 Кб максимальная микротвердость получена при напряжении U=120 В и емкости С=150 мкФ. Дальнейшее увеличение анодно-катодного напряжения приводит к резкому снижению микротвердости поверхностного слоя.

НУ

яда

\ \

\ \ 3

\ 2

и. в

Рисунок 5 - Зависимость микротвердости поверхностных слоев образцов, модифицированных ЭИО различными электродами, от анодно-катодного напряжения при С = 34 мкФ: 1 - Т15К6; 2 - Ш2; 3 - ИМХ2

30 60 10 120 КО С. мкФ

Рисунок 6 - Зависимость микротвердости поверхностных слоев образцов, модифицированных ЭИО различными электродами, от разрядной емкости при и = 80 В: 1 - Т15К6; 2 - Ш2; 3 - ИМХ2

Во второй части четвертой главы приведены результаты исследования влияния материалов легирующих электродов на топографию и элементный состав формируемых покрытий, проводимых методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии с помощью рентгеновского энергодисперсионного спектрометра. Количественный химический состав исходного (немодифицированного) образца и покрытий на стальных образцах, обработанных электродами Т15К6, Ш2 и ИМХ2, приведены таблице 1.

Приведенные результаты показывают, что элементный состав исходной поверхности образца из стали 15ХГН2ТА отличается от состава покрытий и поверхностных слоев образцов, модифицированных ЭИО различными электродами. В модифицированных образцах не установлено наличие ряда

элементов стали 15ХГН2ТА: хрома, марганца и никеля при обработке электродом Т15К6, хрома и марганца при обработке электродом Ш2, марганца и титана при обработке электродом ИМХ2. При этом установлено присутствие вольфрама (ЛЭ Т15К6), кислорода (ЛЭ Ш2) и кремния (ЛЭ ИМХ2), что можно объяснить эрозией легирующих элементов и их малой концентрацией в стали, а также взаимодействием элементов электродов со сталью.

Таблица 1 - Элементный состав покрытий на образцах из стали 15ХГН2ТА

Образец Химический элемент, %

Fe Cr Mn Ni Si Ti W О

Сталь 15ХГН2ТА (исходная) 95,3 1,09 1,95 1,66

Покрытие ЛЭТ15К6 54,87 12,34 32,8

Покрытие ЛЭ ИМХ2 23,73 14,39 58,02 3,86

Покрытие ЛЭ Ш2 47,05 7,32 29,56 16,07

Исследование влияния электроискровой обработки на топографию покрытий, сформированных методом ЭИО на режимах: и=80-160В; С=34-240 мкФ проводилось в режиме к-АСМ (рис. 7-9).

20-поверхность ЗО-поверхность

Рисунок 7-Топография поверхности образца, обработанного электродом Т15К6 на режимах: 1>120В;С=34мкФ(Е=0,25Дж)

20-поверхность ЗБ-поверхность

Рисунок 8 - Топография поверхности образца, обработанного электродом 1112 на режимах: и=80В; С=150мкФ (Е=0,48Дж)

!

20-поверхность ЗБ-поверхность

Рисунок 9 - Топография поверхности образца, обработанного электродом ИМХ2 на режимах: и=160В; С=240мкФ (Е=3,07Дж)

Выполненное исследование позволило также определить характерный размер структурных элементов (Б), высотные параметры шероховатости поверхности: среднее арифметическое отклонение профиля (Яа), глубину наибольшей впадины (11у) и высоту наибольшего выступа (ЯР) профиля поверхностей образцов (табл. 2).

Таблица 2 — Параметры поверхности исходного и модифицированных образцов

Образец / Параметр Характерный размер структуры D, нм Ra, мкм Высота наибольшего выступа профиля Rp, нм Глубина наибольшей впадины профиля Rv, нм

Сталь 15ХГН2ТА (исходная) 2000-2500 -1,6 379,0 344,8

Покрытие ЛЭТ15К6 200-250 =2,5 477,3 378,5

Покрытие ЛЭ Ш2 150-200 =3,2 504,1 485,7

Покрытие ЛЭ ИМХ2 250-300 =6,3 538,3 484,4

Анализ полученных значений параметров шероховатости исследуемых поверхностей показывает, что параметры: Яа, Яр и К у изменяются в зависимости от материала электрода. Параметры увеличиваются в следующем порядке: исходное состояние поверхности —* обработка электродом Т15К6 —» обработка электродом Ш2 —+ обработка электродом ИМХ2 (табл. 2). При этом, параметр Па увеличивается в 1,5-3,9 раза. Наибольшее увеличение параметра шероховатости Яа до 6,3 и параметра ЯР до 538,3 нм наблюдается при обработке электродом ИМХ2. Это может быть связано с более высоким уровнем энергетического воздействия при электроискровой обработке данным электродом.

Полученные значения (табл. 2) характерных размеров структурных элементов поверхности показывают, что в модифицированных образцах по сравнению с исходным состоянием они уменьшаются в 8-13 раз. Минимальные размеры параметра Б получены при обработке электродом Ш2.

С целью исследования влияния фрикционного взаимодействия полимерных контробразцов с металлическими образцами после их электроискровой обработки на топографию поверхностей трения было проведено исследование поверхностей трения на атомно-силовом (к-АСМ) и растровом электронном микроскопах (рис. 10,11).

дорожка трения вне Дорожки трения

Рисунок 10 - Топография поверхности образца из стали 15ХГН2ТА, обработанного электродом ИМХ2 (и = 120 В; С = 150 мкФ; 1 = 4 мин/см2), после испытаний на трение и

износ

дорожка трения вне дорожки трения

Рисунок 11 - Поверхность образца из стали 15ХГН2ТА, обработанного электродом ИМХ2 (U = 120 В; С = 150 мкФ; t = 4 мин/см2), после испытаний на трение и износ

На изображениях поверхностей образцов, полученных с помощью контактной атомно-силовой микроскопии, видно, что топография поверхностей на дорожке трения и вне дорожки отличаются (рис. 10). На рисунке показано, что высота неровностей поверхности на участках после трения выше, чем на участках поверхности вне дорожки трения. Это может быть связано с формированием на поверхности образцов пленки фрикционного переноса.

18

На рисунке 11 показаны изображения поверхностей после триботехнических испытаний, полученных методом растровой электронной микроскопии. Участки поверхности образцов на дорожке трения заметно отличаются от участков поверхности вне дорожки. На участке дорожки трения хорошо видна полимерная пленка фрикционного переноса (ФП), структурированная в направлении скольжения. На участке рядом с дорожкой трения присутствует островковое покрытие без пленки ФП. Таким образом, установлено, что при фрикционном взаимодействии стальных образцов, обработанных методом ЭИО, с полимерными контробразцами на поверхности трения стальных образцов формируется тонкая пленка ФП. приводящая к изменению топографии поверхностей с увеличением высоты микронеровностей и структурированием пленки переноса в направлении скольжения.

Триботехнические свойства структур, формирующихся на стальной основе при ЭИО. оценивали по скорости изнашивания полимерных контробразцов при трении скольжения по модифицированной поверхности стальных образцов. Стальные образцы обрабатывали электродом ИМХ2. С целью получения наглядного представления о влиянии уровня энергетического воздействия на износостойкость (скорость изнашивания) пары трения по результатам испытаний были построены зависимости .1 = ДЕ) (рис. 12).

J■10 г/ч

-4-

а1 о^ аз а* 05 об о.7 оа 09 ю и Е, Дж

Рисунок 12 - Зависимость скорости изнашивания полимерных контробразцов от энергии импульса при ЭИО образцов из стали 15ХГН2ТА: 1 - образцы с продолжительностью ЭИО 4 мин/см2; 2 - образцы с продолжительностью ЭИО 5 мин/см2; 3 - образец закаленный без ЭИО (табл. 3)

Полученные зависимости позволяют сделать вывод, что с увеличением энергии импульса при ЭИО стальных образцов скорость изнашивания полимерного контробразца снижается в 1,2-1,3 раза. При этом увеличение продолжительности ЭИО оказывает незначительное влияние на скорость изнашивания полимерных контробразцов (на ~3 %). Также было показано, что

скорость изнашивания металлополимерной пары трения с образцами, модифицированными ЭИО, меньше, чем этот параметр у пары трения с закаленным образцом, примерно в 1,6-2 раза (табл. 3).

В третьей части четвертой главы изложены результаты оптимизационных исследований ЭИО. Для этого был разработан и реализован план факторного эксперимента Ы=23=8 с независимыми переменными факторами: анодно-катодное напряжение (ХО; разрядная емкость конденсаторов (Х2); продолжительность обработки единицы поверхности (Х3). Граничные значения выбирались исходя из результатов предварительных экспериментов. Условия эксперимента и полученные средние значения параметра оптимизации - скорости изнашивания приведены в таблице 3.

Тябпипа 3 - Условия эксперимента и средние значения ско эости изнашивания

№ опыта Технологические режимы (независимые факторы) Исследуемый параметр оптимизации

Анодно-катодное напряжение Ц В Емкость конден-саторов С, мкФ Продолжительность обработки 1, мин/см" Скорость изнашивания 1x1О4, г/ч

1 80 34 4 7,4

2 120 34 4 7,4

3 80 150 4 7,2

4 120 150 4 6

5 6 80 34 5 7,8

120 34 5 6,8

7 80 150 5 6,9

8 120 150 5 5,8

0 закаченный (без ЭИО) 11,9

По результатам расчета средних экспериментальных значений скорости изнашивания .Г и коэффициентов регрессии получено уравнение регрессии:

У = 6,91-0,41Х1-0,44Х2-0,16Х1Х2 (2)

Анализ полученного уравнения регрессии показывает, что с увеличением анодно-катодного напряжения и разрядной емкости конденсаторов скорость изнашивания уменьшается. Совместное влияние напряжения и разрядной емкости также вызывает уменьшение скорости изнашивания. Следовательно, для повышения износостойкости пары трения необходимо увеличивать разрядную емкость и анодно-катодное напряжение. При этом, можно отметить, что продолжительность ЭИО практически не влияет на скорость изнашивания, т.к. коэффициент Ьз оказался незначимым.

Оптимизационное исследование методом «крутого восхождения» с движением по градиенту в область оптимума, позволило установить область оптимальных режимов ЭИО: напряжение и=145-150В, емкость конденсаторов

С=225-230мкФ. Следовательно, вышеуказанный технологический режим целесообразно рекомендовать для ЭИО металлических деталей металлополимерных пар трения в качестве оптимального. Получаемое при этом значение скорости изнашивания при одновременном увеличении микротвердости стали будет минимальным для заданных условий трения и обеспечивает значительное повышение износостойкости металлополимерных узлов трения с металлическими деталями, модифицированными методом ЭИО.

Общие выводы и научные результаты.

1. На основе критического анализа достоинств и недостатков известных методов поверхностного упрочнения деталей с целью повышения их механических и триботехнических свойств установлено, что одним из наиболее перспективных методов является ЭИО, при которой потоками частиц высокой плотности энергии обеспечивается создание поверхностных структур с повышенными механическими и триботехническими свойствами при значительной простоте технологического оборудования и экономичности процесса.

2. На основе анализа кинетики электроискрового разряда и термодинамики физико-химических процессов при ЭИО разработаны схема формирования активационных и диссипативных энергетических потоков при высокочастотном импульсном режиме обработки и термодинамическая модель стационарного состояния открытой термодинамической системы «легирующий электрод — обрабатываемая деталь» с использованием гипотезы И. Пригожина о локальном равновесии внутри малых областей глобально неравновесной системы.

3. Методом рентгенофазового анализа поверхностей модифицированных образцов установлены закономерности формирования покрытий различного фазового состава в зависимости от химического состава ЛЭ, заключающиеся в том, что фазовый состав покрытий определяется химическим составом ЛЭ.

4. Установлено, что толщина формируемого покрытия зависит от химического состава материала легирующего электрода и энергетических режимов ЭИО: наибольшая толщина покрытия образуется при обработке электродом ИМХ2, что в 4 раза больше, чем при обработке серийным электродом Т15К6; повышение энергетических режимов ЭИО приводит к увеличению толщины покрытия не зависимо от материала ЛЭ, что позволяет рекомендовать ЭИО электродами Т15К6, ИМХ2, LLI2 для повышения износостойкости и восстановления изношенных поверхностей деталей узлов трения машин.

5. Установлено, что микротвердость покрытий зависит от режимов электроискровой обработки и материала легирующего электрода;

21

экспериментальные зависимости микротвердости покрытий от напряжения и разрядной емкости конденсаторов имеют экстремальный характер с максимумами при напряжении и=120-140В и разрядной емкости С=120мкФ.

6. Методом контактной атомно-силовой микроскопии определено значительное (в 8-13 раз) уменьшение характерных размеров структурных элементов (Э) в покрытиях, сформированных электроискровой обработкой различными электродами, в сравнении с исходной (немодифицированной) поверхностью. Также установлено, что при ЭИО образуются поверхности с высотными параметрами шероховатости (Яа, Яу, Ир), характерными и соизмеримыми с аналогичными параметрами поверхности, полученными при чистовой механической обработке. При этом в результате электроискровой обработки электродом ИМХ2 наблюдается наибольшее увеличение параметра шероховатости Яа в 3,9 раза, что объясняется более высоким уровнем энергетического воздействия при обработке данным легирующим электродом.

7. Методами планирования факторного эксперимента и статистической обработки полученных данных исследовано влияние режимов электроискровой обработки стальных поверхностей на износостойкость металлополимерной трибосистемы, а также установлены оптимальные режимы обработки: напряжение и=145-150В, емкость конденсаторов С=225-230мкФ, продолжительность обработки 1=3-4мин/см2, обеспечивающие наибольшее снижение скорости изнашивания полимерного контртела и рекомендуемые при разработке технологических процессов ЭИО.

Основное содержание диссертации изложено в работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Коротаев, Д.Н. Повышение эффективности восстановления стальных деталей методом электроискрового легирования / Д.Н. Коротаев, Б.Ш. Алимбаева // Вестник СибАДИ. - 2012. - № 5 (27). - С. 30-34.

2. Алимбаева, Б.Ш. Синтез нанокомпозитных покрытий с повышенными физико-механическими свойствами методом электроискрового легирования / Б.Ш. Алимбаева, Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Омский научный вестник. -2013.-№2(120).-С. 133-136.

3. Алимбаева, Б.Ш. Физико-механические свойства и структурно-фазовое состояние конструкционной стали 15ХГН2ТА при электроискровом легировании в различных технологических условиях / Б.Ш. Алимбаева, Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков, А.Ф. Мишуров // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. -№11. - С. 3-5.

Статьи в сборниках научных трудов, материалах конференций и других изданиях

4. Коротаев, Д.Н. Поверхностное упрочнение объектов трибосистем методом электроискрового легирования / Д.Н. Коротаев, Б.Ш. Алимбаева // Вестник сибирского отделения Академии военных наук - 2011 - №10 -С. 191-194.

5. Коротаев, Д.Н. Изменение фазового состава и толщины покрытий при электроискровом легировании деталей военной автомобильной техники / Д.Н. Коротаев, Б.Ш. Алимбаева // Вестник сибирского отделения Академии военных наук. - 2012. - №15. - С. 107-109.

6. Коротаев, Д.Н. Влияние материала легирующего электрода на фазовый состав и толщину покрытия при электроискровой обработке / Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков, Б.Ш. Алимбаева // Динамика систем, механизмов и машин: матер. VIII междунар. науч.-техн. конф. - Омск, 2012. - Кн. 2. - С. 371-374.

7. Алимбаева, Б.Ш. Формирование упрочненных поверхностных слоев методом электроискрового легирования в различных технологических условиях / Б.Ш. Алимбаева. Д.Н. Коротаев, М.Ю. Байбарацкая // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: В 2ч. Часть 2:'матер. 15-й междунар. науч.-практ. конф. - Санкт-Петербург, 2013. - С. 20-23.

8. Машков, Ю.К. Повышение надежности и долговечности уплотнений ходовой части многоцелевых гусеничных машин / Ю.К. Машков, О.В. Кропотин, М.Ю. Байбарацкая, Б.Ш. Алимбаева, O.A. Кургузова^ О.В. Малий // Вестник сибирского отделения Академии военных наук - Омск

2013.-№23. -С. 288-290.

9. Алимбаева, Б.Ш. Восстановление деталей военной автомобильной техники электроискровым легированием / Б.Ш. Алимбаева, E.H. Миловидов // Совершенствование системы эксплуатации ВВСТ: матер, межвуз. науч.-практ. конф. - Омск, 2014. - С. 126-129.

10. Алимбаева, Б.Ш. Оптимизация технологических режимов электроискровой обработки деталей трибосистем / Б.Ш. Алимбаева, Ю.К. Машков // Актуальные проблемы современной науки: матер. III регион, молодеж. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Омск: Изд-во ОмГТУ

2014.-С. 3-6.

11. Иванова, Е.В. Выбор технологических режимов электроискровой обработки стальных поверхностей (Electrospark): программа для ЭВМ / Е.В. Иванова, Д.Н. Коротаев, B.C. Нифонтов, Б.Ш. Алимбаева. - Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2013615570, 2013.

На правах рукописи

Алимбаева Ботагоз Шайдуловна

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЬНОЙ ПОДЛОЖКЕ, СИНТЕЗИРУЕМЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.16.09 - Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 11.08.2014. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать оперативная. Усл.-печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 792.

Отпечатано в типографии Омского автобронетанкового инженерного института 644098, г. Омск, 14 в/городок