автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Синтез анодных материалов из комплексно-легированных белых чугунов для повышения эксплуатационных свойств покрытий на стальных и чугунных изделиях электроискровой обработкой

На правах ру шеи

2 2 ДЕК гппр

Синтез анодных материалов из комплексно-легированных белых чугунов для повышения эксплуатационных свойств покрытий на стальных и чугунных изделиях электроискровой обработкой

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой ст< кандидата технических наук

Комсомольск - на - Амуре 2000

Работа выполнена в Хабаровском государственном техническом университете (ХГТУ)

Научные руководители: заслуженный деятель науки Российской

Федерации, доктор технических наук, профессор Ри Хосен

кандидат технических наук, доцент С.Н. Химухин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ким В.А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Конаков А. В.

Ведущая организация: Институт материаловедения ДВО РАН

(г. Хабаровск)

Защита состоится "22" декабря 2000 года с 10 часов на заседании диссертационного совета Д 064.70.01 в Комсомольского - на -Амуре государственного технического университета по адресу: 681013, г. Комсомольск - на - Амуре, пр. Ленина, 27, КнАГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Д 064.70.01. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КнАГТУ. Автореферат разослан "20"ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Бурков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современного машиностроения невозможно без применения упрочняющих поверхность детален технологий. В настоящее время наибольший интерес представляют электрофизические методы нанесения и упрочнения покрытий на металлических поверхностях с использованием концентрированных потоков энергии (лазерного, электронного, плазменного и др.). К числу таких методов относится и технология получения покрытий путем электроискрового взаимодействия между анодом (обрабатывающим электродом) и катодом (деталью), называемая электроискровым легированием (ЭИЛ). Достоинства метода ЭИЛ - возможность нанесения на обрабатываемую поверхность компактным электродом токопроводящих материалов, высокая прочность сцепления наносимого слоя с материалом основы, низкая энергоемкость процесса, простота осуществления проводимых операций, улучшение физико-механических и химических свойств конструкционных материалов нанесением на их поверхность сплавов со специальными свойствами.

Традиционными материалами для электроискрового легирования являются тугоплавкие, дорогостоящие металлы и твердые металлокерамические сплавы на основе карбидов вольфрама и титана. Однако, они не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электродным материалам (ЭМ) для ЭИЛ в связи с высокой стоимостью и эрозионной стойкостью. В этой связи представляют большой практический интерес и перспективность работы школы А.Д. Верхотурова по созданию многокомпонентных металлических и керамических порошковых материалов с использованием минерального сырья (боро- и вольфрамсодержащего и др.) в качестве добавок к анодным материалам.

В литературе упоминается эффективность использования в качестве альтернативных анодных материалов низколегированных белых чугунов доэвтектического состава. Однако, это единичные работы, а систематические исследования перспективности применения белых чугунов с различным углеродным эквивалентом, в особенности комплексно-легированных, практически отсутствуют. В связи с этим перспективным направлением в области создания металлических покрытий на деталях из железоуглеродистых сплавов со специальными свойствами (жаростойкостью, коррозионностойкостью, износостойкостью и др.) может стать синтез комплексно-легированных белых чугунов в качестве ЭМ для ЭИЛ, обеспечивающих снижение их стоимости и повышение эксплуатационных свойств легированного слоя (ЛС). С этой целью в настоящей работе проведены систематические исследования по влиянию углеродного эквивалента и легирующих элементов (вольфрама, синтезированного из шеелитового концентрата, и хрома) для синтеза ЭМ из комплексно-легированных белых чугунов.

До настоящего времени среди исследователей нет единого мнения об условиях возникновения искры при ЭИЛ, зачастую, по - прежнему, в качестве схемы процесса приводится бесконтактная схема, присущая высоковольтному процессу, последний коренным образом отличается от рассматриваемого. Стабильность процесса, влияющая на качество слоя, наряду с другими факторами, определяется и исходной микроструктурой электродов. Последнее исследовано на однофазных электродных материалах, тогда как промышленные многофазные сплавы изучались недостаточно.

Цель работы. Разработка технологии синтеза анодных материалов из комплексно-легированных белых чугунов для повышения эксплуатационных свойств покрытия на стальных и чугунных деталях электроискровой обработкой.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование условий возникновения искрового разряда и влияния частоты и длительности воздействия импульсов генератора на площадь искрового следа и количество искровых импульсов, создание экспериментальной установки для их осуществления.

2. Установление взаимосвязи между исходными и трансформировавшимися в результате электроискрового воздействия микроструктурами электродных материалов и ее влияние на характер процесса.

3. Влияние размера зерна анодных материалов и энергии ЭИЛ на формирование и свойства покрытий.

4. Установление оптимальных температурных режимов отбора анодных материалов из жидкого состояния для улучшения параметров процесса ЭИЛ и разработка технологии их получения.

5. Изучение влияния углерода и легирующих элементов Сг) на процесс структурообразования, фазовый состав, массоперенос, эрозионные свойства электродных материалов и разработка на этой основе технологии синтеза комплексно-легированных анодных материалов из белого чугуна.

6. Исследование влияния комплексного легирования анодного материла из белого чугуна вольфрамом и хромом на параметры процесса ЭИЛ и эксплутационные характеристики покрытий (коррозионностойкость, жаростойкость, износостойкость) на стальных и чугунных деталях.

Научная новизна работы.

1. Получено дополнительное экспериментальное подтверждение о контактном механизме начала возникновения искры при условии совпадения с импульсом генератора и определены факторы, сдерживающие повышение количество искровых импульсов.

2. Установлено, что эрозия и массоперенос электродных материалов, качество и свойства получаемых при ЭИЛ покрытий определяются размерами действительного зерна однофазных (Си, А1) и микроструктурой гетерофазных (типа стали и чугуна) анодных материалов,

а также выявлена определяющая роль микроструктурного фактора с уменьшением длительности воздействия искрового разряда.

3. Экспериментально доказан и научно обоснован выбор оптимальных температурных режимов отбора расплава (1380 ...14500С) для получения анодного материала из белых чугунов (доэвтектического, эвтектического и завэвтектического) для повышения параметров ЭИЛ (эрозия анода, массопереноса на катод, качество и свойства покрытий).

4. Выявлена и научно обоснована зависимость показателей ЭИЛ от содержания углерода в анодном материале, микроструктуры катода и типа применяемых для ЭИЛ установок с различной длительностью импульса в системе «Анод (сталь, чугун) - Катод (сталь, чугун) - Длительность импульса установки».

5. Установлено влияние хрома и вольфрама на процесс структурообразования, фазовый состав, микротвердость анодных материалов из белых чугунов с различным содержанием углерода, на эрозию и массоперенос электродов, а также на качество и свойства покрытий (окалиностойкость, износостойкость, коррозионостойкость).

6. Разработаны составы комплексно-легированных белых чугунов в качестве анодных материалов, позволяющие повысить параметров ЭИЛ и эксплуатационные свойства покрытий.

Автор защищает:

экспериментальную установку, позволяющую проводить исследование условий возникновения искрового разряда от перемещения анода и определить количество искровых импульсов в зависимости от частоты генератора, а также выявить закономерности изменения площади искрового следа от мощности однократной искры;

результаты исследований по выбору оптимальных температурных режимов изготовления анодных материалов и их влияния на показатели ЭИЛ, качество и свойства покрытий; экспериментальные результаты по обоснованию оптимальных химических составов исходных чугунов, влиянию легирующих элементов (XV; Сг) и их комплекса на показатели ЭИЛ, качество и свойства получаемых покрытий;

разработанные составы комплексно-легированных белых чугунов в качестве анодных материалов для повышения показателей ЭИЛ, качества покрытий и эксплутационных свойств (окалиностойкости, износостойкости, коррозионностойкости) стальных и чугунных изделий;

результаты опытно-промышленных испытаний деталей «форсунки котлоагрегатов» котельного цеха ТЭЦ-2 г. Хабаровска, подвергнутых ЭИЛ с применением электродных материалов из комлексно-легированных белых чугунов.

Практическая значимость работы:

1. Создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать электрические параметры при ЭИЛ; полученные результаты по выявлению основных условий возникновению искры могут служить основой для усовершенствования имеющихся и использованы при создании новых установок для ЭИЛ.

2. Разработана технология производства ферровольфрама из местного минерального сырья - шеелитового концентрата Лермонтовского ГОК, который непосредственно использован в качестве электродов и легирующей присадки для получения анодных материалов из комплексно-легированных белых чугунов.

3. Предложенные составы комплексно-легированных белых чугунов в качестве анодных материалов при ЭИЛ позволяют повысить эксплутационные свойства покрытий и могут быть широко использованы для получения специальных свойств на поверхностях стальных и чугунных изделий.

4. Полученные электроды из комплексно-легированных белых чугунов эвтектического состава (3,5 мас.%Сг + 10,5 мас.%\У ; 10,5 мас%Сг +17,5 мас.%\У ; 21 мас.%Сг +17,5 мас.%\У) использованы для получения покрытий на форсунках котлоагрегатов котельного цеха ТЭЦ — 2 г. Хабаровска, что позволило увеличить жаро-и износостойкость в два раза по сравнению со стандартными форсунками.

5. Полученные экспериментальные материалы по упрочнению поверхностей деталей методом ЭИЛ внедрены в учебный процесс Хабаровского государственного технического университета и используются при чтении специальных разделов в курсах «Металловедение и термообработка» и «Специальные чугуны».

Работа выполнялась в рамках межрегиональной научно-технической программы «Дальний Восток России» (1997 - 1999г.г) «Синтез литейных и металлургических материалов на базе дальневосточного минерального сырья».

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Дальний Восток России" (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.), Российской конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва 1997 г.), конференции «Синергетика-98. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» г. Комсомольск-на-Амуре, 1998г.), международном симпозиуме «Первые Самсоновские чтения» (г. Хабаровск, 1998г.), международной научно-технической конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000г.)

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 работах, в том числе в тезисах и материалах докладов на научно-' технических конференциях, статьях в центральной печати.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка литературы и приложений. Материалы изложены на 175 страницах, содержат 40 таблиц, иллюстрированы 47 рисунками. Список литературы содержит 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель работы, перечислены основные научные положения, выносимые на защиту, а также научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор и анализ литературных данных по теоретическим и экспериментальным работам, посвященным схемам и механизмам электроискровой обработки, рассмотрены критерии подбора электродного материала и вопросы создания износостойких, жаростойких и коррозионностойких покрытий.

Большой вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований по ЭИЛ внесли ученые Лазаренко Б. Р., Лазаренко Н. И., Самсонов Г. В., Верхотуров А. Д. и др.

Исследования в области электродного материаловедения до работ Самсонова Г. В. и Верхотурова А. Д. носили разрозненный и несистематический характер, не были разработаны критерии выбора и принципы создания электродных материалов. Однако, экспериментальные данные указанных исследований не исчерпали проблему разработки, выбора и синтеза новых, высокоэффективных электродных материалов с более низкой стоимостью, а также получения качественного легированного слоя (ЛС) с высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств. Одним из перспективных анодных материалов является комплексно-легированный белый чугун, обладающий рядом специальных свойств.

В связи с этим, в настоящей работе подробно исследовано влияние хрома, вольфрама и их комплекса на структурообразование, фазовый состав, микротвердость анодных материалов, параметры ЭИЛ, качество и специальные свойства получаемых покрытий на стальных и чугунных деталях. Исходя из этого, были определены соответствующие задачи исследований.

Во второй главе изложена технология получения ферровольфрама из дальневосточного минерального сырья (шеелитового концентрата Лермонтовской горнорудной компании, содержащего по мае. %: \\Ю3-55,4; СаО - 19,8; БЮ2 - 7,96; М§0 - 2,45; Мп02 - 0,02; Р205 - 4,9; ТЮ2 - 0,25; А1203 - 0,78; Ре203 - 5,29; БеО - 0,72; К20 - 0,17; №20 - 0,18; Аб - 0,45; БОз - 0,1). Плавки вели на блок в электродуговой печи (20 кг) при рабочем напряжении 45 В и токе до 1000 А с применением специальных восстановителей и шлаков. Полное расплавление шихты происходило в

течение 5...7 минут, температура расплава при этом достигала 1700 °С. Фазовый анализ показал, что в синтезированном сплаве вольфрам находится в виде Ре2\\^ и содержание вольфрама в сплаве колеблется в пределах 68...70 мае. %. Содержание \У03 в шлаке не превышает 5 мае. %. Полученный ферровольфрам использован в качестве добавки в электродный материал (чугуны с различным углеродным эквивалентом).

Приведена технология получения анодных материалов методом литья. Чугун перегревали до температуры 1550 °С, после 5-ти минутной выдержки проводили науглероживание расплава электродным графитом для получения соответствующего углеродного эквивалента и легировали различными добавками ферросплавов. Затем были получены электроды методом вакуумного всасывания (0,5... 1,5 мм рт. ст.) с помощью кварцевых трубок диаметром 2,5 мм. Изменение температуры перегрева и скорости охлаждения расплава позволило получать электродные материалы с различной дисперсностью микроструктуры.

Сплошность покрытия после электроискровой обработки определялась методом Ь (ГОСТ 1778-70).

Кинетику массопереноса при ЭИЛ исследовали гравиметрическим методом. Изменение массы катода и анода проводили через каждую минуту обработки с помощью весов ВЛДП - 200 с точностью ± 2-10"4 г. В качестве анодных материалов были использованы сталь марки 45, медь, алюминий, вольфрам, твердые металлокерамические сплавы (ВК-6) и комплексно-легированные белые чугуны. Диаметр анода - 2,5 мм. В качестве катодов использовали сталь марки 45, чугуны СЧ 15 и СЧ 20. Для ЭИЛ использовались промышленные установки для «чистового» легирования «Элитрон - 22А» (установка 1) и «грубого» - «Корона 1103» (установка 2). Использованные установки имеют одинаковую мощность в импульсе (0,062...0,078 Дж), но различную его длительность (200 мке для установки 1 и 50 мке для установки 2).

Кинетические исследования жаростойкости (окалиностойкости) покрытий выполнены на дериватографе 0 - 1000 фирмы МОП при атмосферном давлении в среде воздуха. Эталоном сравнения служил порошок А1203. Нагрев осуществляли линейно со скоростью 10 град/мин до 920 °С в течение 2 часов с последующей 6,5 часовой выдержкой. Каждый образец испытывали два раза, и поэтому общая выдержка составляла 13 часов. При этом автоматически производилась запись дифференциальных кривых зависимостей температуры АТобр = 5(Тэтал) [ДТА], массы Аш = ^Т, т) и скорости окисления УДш = 1"(Т, т) [ДТГ и ТГ соответственно]. На основание этих зависимостей определяли прирост массы образца в процессе окисления.

Исследование износостойкости производилось в соответствие с ГОСТ 23.201-78. Абразивный материал - кварцевый песок (ГОСТ 6139-78) с размером зерен 0,5...0,9 мм и относительным содержанием влаги не более 0,15%. Исследуемые образцы изготавливались в виде пластик площадью рабочей поверхности 3,2 мм2 и толщиной 4 мм. Эталонные

образцы изготавливались из того же материала. Износ определялся взвешиванием с погрешностью не более 0,1 мг до и после испытаний.

В работе были использованы также стандартные методы исследования. Рентгеновский анализ покрытий проводили на дифрактометре типа ДРОН - ЗМ с использованием рентгеновской трубки Fe- излучением с монохрома тором LiF. Металлографический анализ проводили на МИМ - 8, рентгеномикроспектральный анализ - на МАР-3, а измерение микротвердости на ПМТ - 3.

Результаты исследования обрабатывались на ПЭВМ с помощью программного пакета «Exsel», входящего в «Microsoft Office 97».

Третья глава посвящена определению параметров, влияющих на процесс ЗИЛ. В качестве параметров, определяющих электроискровой процесс, были выбраны: условия возникновения искры, размер действительного зерна анодных материалов из чистых металлов Си, Al, W и микроструктура чугунов с различной концентрацией углерода (мартенсит, троостит, сорбит, перлит).

Для изучения условий возникновения искрового разряда исследования проводили на специальной установке, изготовленной автором настоящей работы (рис. 1.а). В качестве анода использовали заточенный цилиндрический образец отожженной меди диаметром 4 мм, в качестве катода - сталь марки 45 в отожженном и закаленном состояниях.

По разные стороны от подвижного анода 1 размещались осветитель 4 и фотодиод 5. На аноде жестко закреплялась шторка 3, которая при перемещении анода модулировала световой поток, падающий от осветителя на фотодиод. Непосредственно на фотодиоде была установлена узкая щель для получения линейной зависимости между выходным напряжением и перемещением шторки. Данная схема позволяла фиксировать перемещение анодного электрода с точности до 1мкм. Тарировку датчика перемещения проводили в статическом режиме, используя микрометр СН-1020 Renens VD Suisse с ценой деления 0,001 мм. Динамические характеристики фотодиода позволяли фиксировать колебания светового потока с предельной частотой до 100 Кгц и исключить искажения динамтеских характеристик перемещения анода. Образование искры фиксировали по появлению сигнала от фотодиода ФД-3 (6), подведенного непосредственно к месту контакта. Для записи использовался двухлучевой запоминающий осциллограф С 8-14. К каждому из входов осциллографа были подключены одновременно по два сигнала, что позволило проследить синхронно ток разряда, напряжение на искровом промежутке, напряжение от вспышки искры и положение анода по отношению к катоду.

На рис. 1.6 приведены типичные осциллограммы импульсов напряжения генератора Ur и напряжения на фотодиоде от вспышек искрового разряда иф, а также построенный график движения электрода L

по изменению UL и U„, по которому определялся ток в цепи.

Установлено,. что искровой разряд возникает на расстояниях,

близких к физическому контакту электродов. Основным условием появления искры является необходимость совпадения импульса от генератора с моментом возникновения контакта в районах выступов поверхностей электродов, который взрывообразно разрушится.

5

Рис. 1 Схема установки (а), осциллограммы напряжений и график движения электродов (б).

Влияние мощности однократной искры на площадь ее следа на

катоде изучали, варьируя мощность генератора прямоугольных импульсов путем изменения длительности импульса от 9 до 600 мкс. Частота колебания анода составляла 100 Гц. След искры характеризуется двумя различными областями - областью расплавленного материала, затвердевшего в виде крупных капель, и областью распыленного металла. Установлено, что в большинстве случаев выполняется правило, при котором большая энергия генератора в импульсе способствует появлению большей площади следа. Средний диаметр следа на отожженном катоде изменяется от 180 до 730 мкм, а на закаленном - от 70 до 300 мкм.

Дополнительно изучалось влияние частоты генератора на частоту искровых разрядов. Для этого параллельно к фотодиоду (6) был подключен частотомер (8), который фиксировал количество искровых разрядов за исследуемый интервал времени. Анализируя полученную закономерность, необходимо отметить, что рост частоты разрядов, начиная с частоты генератора 200 Гц, замедляется из-за лимитирующих свойств механической системы вибратора установки.

На следующим этапе исследования решалась задача по установлению влияния размера действительного зерна и микроструктуры анодных материалов на эрозию и массоперенос электродов и свойства получаемых при ЭИЛ слоев. Для уменьшения числа значимых параметров были применены в качестве модельных анодных материалов чистые металлы —вольфрамовая, медная (МО) и алюминиевая (А7) проволоки. Зерна различных размеров в материале анода были получены посредством термической обработки.

Независимо от типа применяемых при ЭИЛ установок с различной длительностью импульса, как правило, наблюдается следующая закономерность: чем крупнее размер зерен анодных материалов, тем больше величины эрозии и массопереноса в случае применения в качестве катодного материала стали марки 45. Причем, применение установки с большей длительностью импульса усиливает процесс эрозии медного анода примерно в 2,5 раза, а процесс массопереноса - в 5 ...7 раз по сравнению с установкой 2. При использовании вольфрамового анода величина эрозии возрастает в 1,2 раза, а массоперенос - в 1,5 ... 4,0 раза в зависимости от размера зерен анодного материала.

При применении чугунных катодных материалов увеличение размера зерен материала анода не всегда однозначно влияет на величину эрозии, но постоянно ускоряет процесс массопереноса на катоде. Это обстоятельство, по-видимому, обусловлено влиянием газовой фазы - окиси углерода (СО), образующейся на поверхности электродного материала и в межэлектродной прослойке. Установлено, что чем крупнее размер графитных включений, тем выше эрозионная способность анодного материала и больше величина массопереноса при использовании установки 1. При применении для ЭИЛ установки 2, наоборот, наблюдается уменьшение массопереноса.

При ЭИЛ с применением крупнозернистого анодного материала

(Си, XV) наблюдаются более интенсивные процессы эрозии и массопереноса, но при этом средняя толщина слоя и сплошность его поверхности уменьшаются, что объясняется характером формирования слоя. Анодный материал с крупным зерном переносится при ЭИЛ на катод большими порциями (каплями), что предопределяет низкую сплошность слоя, в тоже время мелкое анодное зерно способствует формированию сплошного слоя с большей средней толщиной.

Чем крупнее размер зерен анодного материала, тем выше микротвердость слоя, что можно объяснить более интенсивной скоростью теплоотвода (высокой степенью переохлаждения жидкой фазы в случае применения в качестве анодного материала меди и алюминия). Это обстоятельство приводит к дроблению блоков мозаичной структуры и формированию мелкозернистой структуры. Не исключено влияние взаимной диффузии компонентов катодных (стали и чугуна) и атомов анодных материалов (А1 и Си) в зону термического воздействия (ЗТВ) и в слой, о чем свидетельствуют данные микрорентгеноспектрального анализа по распределению меди и железа.

При ЭИЛ на установке 2 с меньшей длительностью импульса наблюдается более интенсивный удельный тепловой поток на поверхность катодных материалов, вследствие чего происходят перемешивание электродных материалов в наружном слое и диффузия атомов меди и алюминия в ЗТВ, способствуя повышению прокаливаемости катодных материалов с формированием закаленной структуры. Таким образом, перенос материала анода, при прочих равных условиях, зависит от размера действительного зерна. Значения микротвердости и износостойкость слоя, полученного при ЭИЛ с применением установки 2 с малой длительностью импульса значительно выше, чем на установке 1. Следовательно , для получения слоя (покрытия) со специальными свойствами (например, износостойкостью), выдерживающего большие удельные нагрузки, следует применять при ЭИЛ установку 2 с меньшей длительностью импульса с целью упрочнения ЗТВ.

Влияние исходной микроструктуры гетерофазных электродных материалов на массоперенос и эрозию изучалось с использованием электродов, изготовленных из стали 45. Различные структуры анодных и катодных материалов (феррито-перлитная, феррито-трооститная, феррито-сорбитная, отпущенный мартенсит) получали посредством термической обработки. Полученные данные свидетельствуют о существенном влиянии исходных микроструктур на показатели искровой обработки.

Из табл.1 следует, что с позиции массопереноса на поверхности катодных материалов наиболее рациональными структурами являются феррито-сорбитная и феррито-трооститная на установке 1. Для определения влияния исходных структур на характер искрового процесса проводился двухфакторный дисперсионный анализ. Коэффициент корелляции во всех случаях составлял не менее 0,74 для катода и 0,97 для анода. Анализировали по факторам: «структура - время» и «длительность

импульса - время». Все результаты сравнивались со структурами феррито-перлитной, как наиболее равновесной, на катоде и мартенситной на аноде. Причина выбора указанных структур обусловлена тем, что за минимальный промежуток времени структура на поверхности анода трансформируется в мартенситную из любой исходной, тогда как на катоде структура долгое время остается исходной. Учитывая разницу в размерах анода и катода, влияние фактора времени для анодных структур является превалирующим. Влияние фактора «длительность-время» для анодных структур значимо в большей степени из-за скорости смен структур на аноде.

Таблица 1

РЕЗУЛЬТАТЫ РЕГРЕССИОННОГО АНАЛИЗА

Структура Коэффици Коэффициент Коэффициент

катодных и № ент регрессионного регрессионного

анодных уста массоперен уравнения уравнения

материалов Катод/анод новк и оса у=акх ак ± Дак, 2 г/ см мин у=акх аА ± ДаА, 2 г/ см мин

Ф+С / Ф+С 1 0,66 1,61 ±0,06 -2,66+0,16

Ф+С/Ф+Т 1 0,44 1,09 ±0,03 -2,41± 0,19

Ф+Т / Ф+С 1 0,64 3,11 ±0,2 -4,79+ 0,27

Ф+Т / Ф+Т 1 0,67 1,99 ±0,05 -3,34± 0,1

Ф+П / Ф+П 1 0,06 0,251 ±0,04 -3,51± 0,39

Ф+П/М 1 0,09 0,198 ±0,04 -2,25± 0,3

М/М 1 0,58 2,62 ±0,13 -4,82± 0,15

М/Ф+П 1 0,14 0,8 ±0,11 -5,53+ 0,46

Ф+С / Ф+С 2 0,42 2,18 ± 0,11 -6,11± 0,23

Ф+С / Ф+Т 2 0,22 1,00 ±0,06 -5,11±0,74

Ф+Т/Ф+С 2 0,5 2,43 ± 0,35 -5,68± 0,9

Ф+Т / Ф+Т 2 0,43 2,98 ± 0,45 -7,49+ 0,83

Ф+С/М 2 0,38 2,02 ±0,16 -6,16 ±0,59

М/М 2 0,18 1,19 ±0,58 -8,93 ±0,59

М/Ф+П 2 0,2 1,23 ±0,74 -9,7 ± 0,45

М/Ф+С 2 0,4 2,65 ± 0,08 -7,26 ±0,55

М/Ф+Т 2 0,24 0,7 ±0,08 -3,53 ±0,16

Ф+П / Ф+П 2 эрозия -4,097 ±0,81 -8,04 ± 1,4

Ф+П/М 2 эрозия -2,11 ±0,64 -10,53±1,6

На основании проведенного анализа наиболее благоприятной структурой анода является феррито-сорбитная и феррито-трооститная и в отдельных случаях - мартенситная. Использование других структур требует дополнительного времени для структурных перестроек -

приработки анода.Необходимо также отметить, что большое значение для процесса ЭИЛ имеет структура (зона термического влияния ЗТВ), находящаяся между белым слоем и исходной структурой. ЗТВ является не только переходной, но и активно определяет эрозию анода и массоперенос на катоде.

В четвертой главе приводятся результаты исследований влияния углерода, хрома, вольфрама и их комплекса (Сг на процесс

структурообразования, фазовый состав, массоперенос и эрозионные свойства электродных материалов, качество и свойства покрытий, получаемых при ЭИЛ.

На первом этапе исследовалось влияние температуры отбора расплава и состава чугуна на микроструктуру и эрозию анодных материалов, а также на процесс массопереноса. Исследованы следующие составы чугунов: 1 - 3,04 мае. % С; 2 - 4,35 мае. % С; 3 - 4,8 мае. % С.

Электроды получали литым способом из чугунов составов 1 ... 3 путем отбора расплава в кварцевые трубки при различных температурах: 1550, 1450, 1380, 1230 °С.

Учитывая различие размеров структурных составляющих верхних и нижних частей электродов за счет разницы в скоростях охлаждения расплава по высоте кварцевой трубки, проводили исследования по выявлению дисперсности структуры на показатели искровой обработки. На эрозионные свойства и массоперенос основное влияние оказывает микроструктура электродных материалов. Более мелкие структурные составляющие верхних частей анодов имеют меньшие показатели эрозии, что согласуется с данными, полученными в главе 3. Исключением являются электроды состава 3, где показатель эрозии верхних частей выше, чем у нижних из - за наличия в структуре хрупко разрушающегося при ЭИЛ цементита крупного размера. Таким образом, эрозионные свойства анодного материала зависят от дисперсности структурных составляющих, выпавших в момент затвердевания. Для дальнейших исследований использовалась только нижняя часть электрода. Установлено, что показатели искровой обработки определяются как содержанием углерода, так и температурой отбора. Концентрация углерода в электроде оказывает наибольшее влияние на массоперенос и эрозию. Электродные материалы, полученные при температурах 1230 ... 1450 °С имеют наиболее положительные значения массопереноса независимо от содержания углерода в анодных материалах, но температура 1230 °С для доэвтектических сплавов лежит в интервале кристаллизации и поэтому для дальнейших исследований использовали электроды, выплавленные при температуре 1380 ... 1450 °С.

Увеличение содержания углерода в анодном материале - чугуне повышает его эрозионные свойства и массоперенос на катоде, но ухудшает качество получаемых при ЭИЛ покрытий. Наиболее предпочтительным структурным состоянием катода является закаленное, при котором наблюдается наибольший массоперенос. В целом по массопереносу и

качеству получаемого покрытия наиболее оптимальным для ЭИЛ является анодный' материал из чугуна эвтектического состава. Также установлено, что эрозия чугунных анодов всех составов 1 ... 3 и массоперенос при работе на установке 1 больше, чем на установке 2.

На следующем этапе исследовалось влияние хрома и вольфрама на структурообразование, эрозию электродов из белых чугунов трех составов 1 ... 3 и массоперенос, а также оценивалось качество получаемых при ЭИЛ покрытий.

Хром. Содержание хрома варировалось в пределах по мас.%: 3,5; 7,0; 10,5; 14,0; 17,5. Вследствие быстрого охлаждения и наличия хрома в чугунах формируется закаленная структура анодных материалов. Микроструктура хромистых анодных материалов доэвтектического состава 1 до 10,5 мае. % Сг состоит из мартенсита закалки и ледебуритной эвтектики. Дальнейшее увеличение содержания хрома способствует образованию тригонального карбида (РеСг)7С3. взамен легированного цементита (РеСг)3С, сохранению и росту стабилизированного (остаточного) аустенита и измельчению карбидной эвтектики. Микротвердость легированного цементита возрастает от 800 до 1000 Н50 при 10,5 мае .% Сг и 1900 Н50 при 17,5 мае. % Сг. Микротвердость карбидной эвтетики постоянно возрастает по мере увеличения содержания хрома от 0 (бООНда) до 17,5 мае. % (1100Н5о). Микротвердость металлической основы изменяется по экстремальной зависимости: ее повышение до 10,5мас.% можно объяснить легирующим действием хрома на металлическую основу - мартенсит (при 0 - 500Н50 и при 10,5мас.%Сг - 600 - 650 Н50), а снижение микротвердости при дальнейшем увеличении содержания хрома связано с наличием стабилизированного аустенита (при 17,5 мае. % Сг-400 Н50).

Микроструктура анодного материала из эвтектического чугуна при содержаниях хрома более 10,5 мае. % состоит из карбидной эвтектики и аустенито-мартенситной структуры. По мере повышения содержания хрома наблюдается тенденция измельчения всех структурных составляющих. Микротвердость легированного цементита возрастает до 1100Н5о (10,5мас.%Сг), а микротвердость тригонального карбида К2 - до 1800 ... 1900Н50 при 17,5мас.%Сг. Значения микротвердости карбидной эвтетики изменяются от содержания хрома примерно так же, как в доэвтектическом электродном материале. Микротвердость металлической основы несколько ниже (500 ... 550 Н50 при 3,5 ... 10,5 мае. % Сг и 400 Н50 при 17,5 мае. % Сг) в сравнении с анодным материалом доэвтектического состава. В заэвтектическом анодном материале происходит резкое измельчение первичной карбидной фазы(тригонального карбида и карбида цементитного типа), а металлическая основа представляет собой продукты распада переохлажденного аустенита и стабилизированный аустенит при больших содержаниях хрома. Микротвердость металлической основы от содержания хрома изменяется по экстремальной зависимости: в доэвтектическом чугуне максимум микротвердости наблюдается при 7,0 мае. % Сг, в эвтектическом - при 10,5 мае. % Сг, в заэвтектическом - при

14,0 мае. %С г.

Исследовалось влияние микроструктуры (химического состава) хромистых анодных материалов на процессы их эрозии и массопереноса на катодных материалах. В качестве последних использовалась углеродистая сталь марки 45 в отожженном и закаленном состояниях с использованием установок 1 и 2. Анализируя полученные результаты в целом, необходимо отметить, что ЭИЛ анодом (7,0...10,5 мае. % Сг позволяет получить наиболее высокий показатель эрозии и стабильный массоперенос на отожженных и закаленных катодах при использовании в качестве анодных материалов чугунов эвтектического и завэвтектического составов и установок 1 и 2 (рис.2). Однако, слои полученные хромистым анодным материалом 3, имеют повышенную хрупкость и скалываются при воздействии внешней нагрузки. Визуально-оптической установлено, что достаточно высокое качество покрытий наблюдается при использовании хромистых анодных материалов эвтектического состава 2 на установках 1 и 2. На основании полученных данных можно заключить, что наиболее эффективными для повышения показателей ЭИЛ и качества получаемых покрытий являются хромистые чугуны эвтектического состава с содержание хрома 7 ... 10,5 мае. % на установках 1 и 2.

Вольфрам Содержание вольфрама изменялось в пределах по мае. %: 3,5; 7,0; 10,5; 14; 17,5.

На основании структурно-фазового анализа и данных по микротвердости структурных составляющих установлено, что анодный материал доэвтектидного состава (до 3,5 мае. % \У) состоит из мартенсита закалки, стабилизированного остаточного аустенита и ледебуритной эвтектики. При увеличении содержания вольфрама до 7,0 мае. % структурное состояние и фазовый состав не изменяются, но при этом наблюдается резкое измельчение дендритов аустенита и карбидной эвтектики. В анодных материалах с содержанием вольфрама 10,5... 17,5 мае. % увеличивается доля карбида Ре3\У3С с одновременным снижением количества карбида цементитного типа (Ре\У)3С. В чугуне эвтектического состава до 3,5 мае. % W структура состоит из продуктов распада переохлажденного аустенита и легированного цементита. Дальнейшее увеличение содержания вольфрама приводит к формированию мартенсита закалки, стабилизированного аустенита и вольфрамовой карбидной эвтектики. При этом измельчаются структурные составляющие. В анодном материале заэвтектического состава до 7,0 мае. % XV структура состоит из мартенсита закалки, легированного цементита и карбидной эвтектики, а свыше кристаллизируется, наряду с карбидом цементитного типа, карбид комплексного состава и остается большое количество остаточного аустенита. Наблюдается укрупнение первичного карбида цементитного типа по мере повышения концентрации вольфрама.

Анализ данных измерения микротвердости структурных составляющих анодного материала доэвтектического состава показал, что до 7,0... 10,5 мае. % W микротвердость металлической основы существенно

возрастает вследствие образования мартенсита закалки. При дальнейшем повышении содержания вольфрама микротвердость начинает снижаться из-за наличия стабилизированного аустенита. По аналогичной причине микротвердость карбидной эвтектики снижается. Кроме того, при больших содержаниях вольфрама (более 10,5 мае. % наряду с карбидом цементитного типа, кристаллизуется карбидная фаза (Ре3\\^)С, микротвердость которой существенно выше, чем микротвердость карбида типа (Ре\¥)3С. В электродном материале эвтектического состава намечается тенденция постоянного повышения микротвердости всех

3,5 7 10.5 14 17.5 21

Содержание хрома, мае. % а

Содержание хрома, мае. % б

Рис.2. Зависимость массопереноса на стали марки 45 и эрозии анодного материала из чугуна от содержания хрома: а - отожженный катод, б -закаленный катод. К-1, К-2, К-3 - массоперенос при легировании составами 1...3, А-1, А - 2, А - 3 - эрозия электродов составов 1..3

и 50

"Ь 0

-50 О-1С0 1 -га

0

X -2Ш

1 ■2Ю

О _

5 -Х0 г»

3 -350

.КЗ

—

"V -

\

ч

ч

АЗ

3.5 7 10.5 И 17,5 21

Содержание вольфрама, мае. %

Содержание вольфрама, мае. %

Рис. 3 Зависимость массопереноса на закаленный катод стали марки 45 и эрозии анодного материала из чугуна от содержания вольфрама на: а -установке 1,6- установке 2; К-1, К-2, К-3 - массоперенос при легировании составами 1...3, А-1, А - 2, А - 3 - эрозия электродов составов 1..3

структурных- составляющих. Аналогичный характер изменения

микротвердости структурных составляющих наблюдается и в электродном материале заэвтектического состава. Такой характер изменения микротвердости обусловлен тем, что при больших содержаниях углерода в сплавах остается меньшее количество свободного вольфрама (не связанного с углеродом), способного стабилизировать аустенит. В качестве примера на рис.3 приведены зависимости эрозии анодных материалов и массопереноса на закаленный катод из стали марки 45.

, При ЭИЛ на установке с большей длительностью имнульса увеличение содержания вольфрама усиливает эрозию анодных материалов и массоперенос на закаленный катод, причем изменение содержания углерода не оказывает существенного влияния на параметры ЭИЛ. Исключением является параметр эрозии анода состава 3, который заметно возрастает при содержаниях 14,0... 7,5 мае. % XV, хотя массоперенос изменяется монотонно. Это обусловлено наличием в структуре заэвтектического анодного материала крупных цементитных пластинок, которые хрупко разрушаются в процессе ЭИЛ. Аналогичные зависимости параметров ЭИЛ получены и на установке 2, однако, эрозия и массоперенос незначительны. Таким образом, процессы эрозии и массопереноса определяются двумя факторами - микроструктурой и длительностью импульса применяемых установок

. Визуально-оптичекая оценка качества поверхности катодов показала, что наилучшее качество покрытий получено после ЭИЛ анодным материалом из эвтектического чугуна с содержанием вольфрама 7... 17,5 мае. %.

Комбинированное влияние хрома и вольфрама. При постоянном содержании вольфрама (3,5 мае. %) увеличение концентрации хрома до 14,0 мае. % способствует измельчению структурных составляющих, кристаллизации тригонального карбида (при содержании хрома более 10.5 мае. %) и аустенизации металлической основы, наряду с мартенситной структурой. Увеличение содержания вольфрама до 7,0 мае. % не оказывает существенного влияния на структурообразование чугуна. При больших содержаниях хрома (17.5...24 мае. %) и вольфрама (10,5 мае. %) кристаллизуются первичные карбиды, и наблюдается огрубление структурных составляющих. Аналогичная картина структурообразования выявлена и в эвтектическом чугуне. В анодных материалах заэвтектического состава увеличение содержания хрома (3,5...10,5 мае. %) при постоянной концентрации вольфрама (7,0 мае .%) также измельчает структурные составляющие, особенно заметно измельчение первичных карбидных частиц. Увеличение общего содержания легирующих элементов (Сг и V/) способствует кристаллизации более мелких структурных составляющих. Таким образом, повышение общего содержания хрома и вольфрама в анодных материалах из чугунов с различной концентрацией углерода способствует измельчению структурных составляющих, уменьшению количества мартенсита закалки и увеличению доли стабилизированного аустенита.

Искровая обработка комплексно - легированными анодами проводилась на установках 1 и 2, в качестве катодных материалов использовали сталь марки 45 в отожженном и закаленном состояниях.

Установлено, что в анодных материалах из доэвтектического чугуна увеличение содержания хрома (3,5; 7,0; 10,5; 14,0 мае. %) при постоянной концентрации вольфрама (3,5 мае. %) снижает показатели эрозии и массопереноса при ЭИЛ на установке 1. При использовании закаленных катодов показатели ЭИЛ несколько лучше, чем на отожженных. Повышение общего содержания хрома и вольфрама приводит к усилению массопереноса, особенно это заметно на закаленных катодах (уа = -118-Ю"4 г/см2; ук= 80-10"4 г/см2; при 21,0 мае. % Сг и 14,0 мае. % V/). Следовательно, для повышения эффективности следует применять закаленный катод и проводить ЭИЛ на установке 1 с более длительным импульсом.

При использовании в качестве анодного материала эвтектического чугуна увеличение содержания вольфрама от 3,5 до 21 мае. % при постоянных концентрациях хрома (3,5; 7; 14 мае. %) улучшает показатели эрозии и массопереноса при ЭИЛ на установке с большей длительностью импульса, причем чем больше содержания вольфрама в анодных материалах, тем сильнее эродируется анод и усиливается массоперенос, особенно на закаленных катодах. При больших содержаниях хрома (21 мае. %) и вольфрама (10,5..21 мае. %) величина эрозии в среднем составляет - (196...218) • Ю'4 г/см2, а величина массопереноса ук= (116...145) • 10"4 г/см".

Резюмируя полученные выше данные, можно заключить, что максимальные значения эрозии и массопереноса достигаются при использовании комплексно-легированных белых чугунов эвтектического и заэвтектического составов (17,5...21 мае. % Сг и 10,5..21 мае. % \¥) в качестве анодных материалов с применением закаленных катодов из стали марки 45 на установке 1 с большей длительностью импульса (ук =(126... 145) •10"4 г/см2 и уа= -200 -10"4 г/см2).

Пятая глава посвящена исследованию эксплуатационных свойств (износостойкости, жаростойкости и коррозионностойкости) покрытий, полученных ЭИЛ анодными материалами из исследованных в главе 4 легированных чугунов. Структурные изменения, которые происходят в поверхностных слоях деталей при воздействии на них импульсных разрядов, приводят к значительным изменениям физико-химических и механических свойств поверхности.

Износостойкость. К испытанию на износостойкость подвергались катодные материалы из стали 45 с- и без покрытий в сыром и термообработанном состояниях (низкотемпературный отжиг при 300...400°С в течение двух часов). Применительно к покрытиям из комплексно-легированных белых чугунов этот вид термообработки относится к низкотемпературному отпуску (НТО).

Установлено, что при использовании в качестве анодного материала чугуна эвтектического состава, легированного хромом в

количестве 3,5 мае. %, увеличение содержания вольфрама (по мае. %: 3,5; 7,0; 10,5; 14,0) не оказывает влияния на скорость износа (0,42 г/ч). Вместе с тем, повышение концентрации хрома (мае .%: 7,0; 10,5; 14,0; 21,0) и вольфрама (до 17,5 мае. %) способствует резкому снижению скорости изнашивания (0,28 г/ч при 21 мае. % Сг и 17,5 мае. % \У). При высоком содержании вольфрама (21 мас.%) скорость износа покрытия резко возрастает (0,45 г/ч), так как выкрашивается карбид вольфрама в процессе износа покрытия из-за компактности его формы. Следовательно, существует оптимальное соотношение ингредиентов (Сг и в

комплексно-легированном анодном материале для достижения максимальной износостойкости покрытия на катоде без термообработки (катод из стали 45 в состоянии поставки).

При низкотемпературном отжиге подложки - катода без покрытия происходит снятие внутренних напряжений, возникающих при приготовлении образцов. По этой причине скорость износа снижается (0,3 г/ч). При нанесении покрытий из комплексно-легированного чугуна на отожженный катод проявляется существенное влияние легирующих элементов на скорость износа в отличие от не отожженного катодного материала; максимальная износостойкость наблюдалась при 3,5 мае. % (0,19 г/ч). Повышение концентрации хрома и вольфрама до 21,0 мае. % приводит к снижению износостойкости покрытия (0,42 г/ч). При нанесении покрытия из твердого металлокерамического сплава марки ВК-6 скорость износа составляла 0,345 г/ч. Следовательно, применение комплексно-легированного белого чугуна в качестве анодного материала по сравнению с традиционно применяемым для этой цели твердым металлокерамическим сплавом представляет большой практический интерес.

При отжиге подложки-катода и дополнительном отпуске «катод -покрытие» (двойной отжиг) скорость износа существенно снижается из - за структурных изменений в покрытии (превращение остаточного аустенита и мартенсита закалки в отпущенный мартенсит) и снятие внутренних напряжений в кристаллических решетках слоя и основы. Следовательно, максимальная износостойкость покрытий из комплексно-легированного чугуна отмечается после двойного отжига (рис. 4). Как видно, составы анодных материалов А, В, С повышают износостойкость покрытий в 2 ...3 раза по сравнению с эталонным образцом, не подвергнутым ЭИЛ. Оптимальные значения износостойкости получены при использовании эвтектического состава с легирующими элементами:

состав Б 3,5 мае .% Сг и 10,5 мае. % V/ - 0,18 г/ч; - состав В 21,0 мае. % Сг и 17,5 мае. % - 0,16 г/ч .

Таким образом, показана целесообразность и перспективность использования комплексно-легированного белого чугуна в качестве анодного материала для получения покрытия на среднеуглеродистых сталях для повышения их износостойкости. При этом необходимо учитывать напряженность структуры катодного материала и структурное ' превращение в покрытиях при НТО.

Коррозионностойкость. Процесс коррозии изучался на образцах из стали марки 45 с различным структурным состоянием катода (отожженном и закаленном) и на чугунных образцах из СЧ 15. В качестве эталонных образцов использовались сталь марки 45 без покрытия (6,9 -10*3 г/ч) в отожженном состоянии, сталь марки 45 без покрытия (3,4 -10'3 г/ч) в закаленном состоянии с последующим НТО и чугун СЧ 15 без покрытия (4,9 -10'3 г/ч), а также чугун состава 1 с 52,5 мае. % Сг (7,0- 10"3 г/ч). Минимальная скорость коррозии отожженных катодов из стали 45 получена при использовании анодного материала из доэвтектического чугуна с 17,5 мае .% Сг на установках 1 (1,3 -10'3 г/ч) и 2 (2,1- 10'3 г/ч). С увеличением содержания углерода скорость коррозии возрастает. Комплексное легирование анодного материала хромом и вольфрамом не приводит к повышению коррозионностойкости покрытий. В случае применения закаленных катодов с последующим НТО коррозионностойкость покрытий мало зависит от содержания углерода и хрома, а также от типа применяемых при ЭИЛ установок (2,3...2,5) -10"4 г/ч. При использовании чугунного катода (СЧ 15) состав анодного материала (17,5 мас.% Сг) и тип установок влияют на коррозионностойкость покрытий примерно таким же образом, как и на отожженном катоде из стали марки 45 [для установки 1 - (2,0...2,9) -10"4 г/ч и для установки 2 - (2,2 ... 5,3) -10"4 г/ч]. В отличие от стальных катодов, на чугунных использование комплексно-легированных хромом и вольфрамом анодов несколько улучшает коррозионную стойкость покрытий, получаемых при ЭИЛ. Наиболее повышенная коррозионностойкость покрытий получена при применении электродных материалов следующих составов:

состав 2 + 3,5 мас.% Сг + 3,5 мас.% XV (1,1- 10'3 г/ч на установке 1); состав 2 + 3,5 мас.% Сг + 14,0 мас.% (1,4 -10"3 г/ч на установке 1); состав 2 + 14,0 мас.% Сг + 3,5 мас.% (1,9 -10"3 г/ч на установке 1);

Окалиностойкость. Проведены сравнительные исследования жаростойкости покрытий, полученных при ЭИЛ на установках 1 и 2 с применением комплексно-легированных анодных материалов (температура испытаний 920 °С, время-13часов).

Анализ кинетических параметров окисления (п - показатель степени параболической функции, энергия активации ) показал, что в случае использования установки 2 удельный прирост массы (Д ш) и энергия активации ((}) окисления значительно больше, чем таковые при использовании установки 1. При этом значение показателя степени окисления (п = 1,25) больше, чем при использовании установки 1. При повторном нагреве установленная закономерность сохраняется, но значения кинетических параметров значительно меньше, чем при первом нагреве. Следовательно, для повышения окалиностойкости покрытий следует использовать установку 1.

В качестве сравнения приведены на рис. 5 результаты исследований окалиностойкости покрытий, полученных обработкой

анодными материалами, содержащими чистый хром и твердый металлокерамический сплав марки ВК-6. Максимальная скорость окисления наблюдается у покрытия, полученного анодным материалом из ВК-6, что свидетельствует о недостаточной адгезии слоя к основе. Покрытия на основе белых чугунов составов 1 ...3 с 17,5 мас.% \У показали более высокую окалиностойкость по сравнению с твердым сплавом ВК-6 и она приближается к покрытию из чистого хрома. Составы 1 с 52,5 мас.% Сг и 2 с 17,5 мас.% Сг имели низкую окалиностойкость по причине эрозионной стойкости анодного материала и, как следствие, малой толщины покрытия.

На рис. 6 приведены наиболее показательные результаты испытания на окалиностойкость покрытий при применении различных анодных материалов. Как видно, максимальную окалиностойкость при первом нагреве показало покрытие, полученное с использованием анода на основе эвтектического состава 2 с содержанием 21 мае. % Сг и 17,5 мае. % В тоже время повторный нагрев окалиностойкого покрытия приводит к нарушению • сплошности пленки, образовавшейся в результате первого нагрева, о чем свидетельствует характер кинетических зависимостей. Для устранения этих недостатков применено двухслойное покрытие, сначала чистым хромом, а затем электродом вышеуказанного состава, которое позволило снизить скорость окисления в условиях двух нагревов в два раза.

Для повышения окалиностойкости покрытий, получаемых при ЭИЛ с использованием комплексно-легированных анодных материалов, в катодном материале - чугуне необходимо иметь феррито-графитную структуру (после полного графитизирующего отжига). В противном случае может произойти графитизация чугуна в катодном материале, вследствие чего его размер растет и наблюдается разрушение оксидной пленки, предохраняющей от дальнейшего окисления. Наиболее окалиностойкими являются многослойные покрытия, получаемые следующими анодными материалами:

1. РеМп + Сг + состав 2 (по мас.%: 14 Сг; 21 V/; 10 А1).

2. РеМп + Сг + состав 3 (по мас.%: 21 Сг; 14 10 А1).

3. Состав 2 (по мас.%: 14 Сг; 21 17 А1).

Скорость окисления многослойных покрытий, полученных анодными материалами 1 ...3 составляет соответственно 210 г/м2, 100 г/м2, 240 г/м2 после однократного нагрева при 920 °С в течение 6,5 часов.

Основные выводы

1. Изготовлена экспериментальная установка по исследованию параметров процесса ЭИЛ, с помощью которой получено дополнительное экспериментальное подтверждение о контактном механизме начала возникновения искры, и определены основные факторы, сдерживающие повышение количества искровых импульсов.

2. Установлено, что массоперенос и эрозия электродных материалов,' качество и свойства получаемых при ЭИЛ покрытий определяются

размерами действительного зерна и микроструктурой, а также выявлена определяющая роль микроструктурного фактора при уменьшении длительности искрового импульса:

- независимо от типа использующихся для ЭИЛ установок с различной длительностью импульса выявлена закономерность: чем крупнее размер зерен модельных анодных материалов (Си, тем больше величины эрозии и массопереноса на катоде (сталь 45).

- с позиции массопереноса более рациональными структурами анодного материала из стали 45 являются феррито-сорбитная и феррито-трооститная, что подтверждается дисперсионным анализом.

3. Экспериментально доказан и научно обоснован выбор оптимальных температурных режимов (1380... 1450 °С) отбора расплава для получения анодных материалов из белых чугунов:

- показатели ЭИЛ определяются как температурой отбора расплава, так и содержанием углерода и зависят от типа применяемых при ЭИЛ установок; чем больше содержание углерода в анодном материале и крупнее структурные составляющие чугуна, тем сильнее эродирует анод;

наиболее рациональными анодными материалами являются эвтектический и заэвтектический чугуны, у которых наблюдается наибольший эффект эрозии и массопереноса при использовании установки 1 с большей длительностью импульса.

Выявлено влияние легирующих элементов хрома и вольфрама и их комплекса (У/+Сг) на процесс структурообразования, фазовый состав, на

4. эрозию и массоперенос электродов, также на качество и свойства получаемых покрытий:

- наиболее эффективным материалом анода для повышения показателей ЭИЛ и качества получаемых покрытий является хромистый чугун эвтектического состава с содержанием хрома 7,0... 10,5 мае. % на установке 2;

- наилучшие показатели ЭИЛ и качества покрытий получены при использовании в качестве анодного материала эвтектического чугуна с вольфрамом 7... 17,0 мае. % на установке1.

5. Максимальные значения эрозии и массопереноса, эксплуатационные свойства (износостойкость, коррозионностойкость, окалиностойкость) и качество покрытий при ЭИЛ достигаются при использовании синтезированных комплексно-легировнных белых чугунов этектического и заэвтектического составов.

6. Предложены составы анодных материалов для повышения эксплуатационных свойств покрытий на стальных и чугунных деталях.

7. Покрытия, полученные методом ЭИЛ на рабочей поверхности форсунок котлоагрегатов с применением анода из белого комплексно-легированного чугуна эвтектического состава, позволили увеличить жаро-и износостойкость в два раза по сравнению со стандартными форсунками. Данная технологи внедрена в котельном цехе ТЕЦ-2 г. Хабаровска.

г/ч

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

В

□ без покрытия

■ 3,5%Сг+10,5°/<ЛЛГ Состав А

□ 10,5%Сг+17,5%\/У

Состав Б

□ 21%Сг+17,5%)Л/

Состав В

Без отжига Отжиг катода Отжиг катода с катода покрытием

Рис. 4 Влияние отжига катода и катода-покрытия стали 45 на износостойкость.

Е о

о о о.

о. с

л

X

с;

о

5

400 350 300 250 200 150 100 50 0

01 нагрев

¿й В 2 нагрев

1 щ п

— к— -ф 1

- -С ■ С |

.;|7 'Г, ■17 -Ит г.

без покрытия

ВК6 состав1+ состав2+ состав1+ состав2+ составЗ+ 52,5%СГ 17,5%Сг 1715%W .17,5%W 17,5%\«

Состав электрода, мас.%

Рис.5 Сравнительные данньге окалиностойкости образцов из стали 45 с покрытиями при 920°С, в течение 6,5 часов (первый нагрев) и 13 часов (с учетом второго нагрева)

без покрытия Сг с2+17,5%Сг, сос.2+3,5%Сг сос.2+21%Сг сос.З+21%Сг Сг,

с2+17,5%УУ *7%\Л/ +17,5%\/У + 14%У7 сос.2»14%Сг

+21%У7<-10%

Состав электрода, мае. % А|

Рис.6 Сравнительные данные жаростойкости образцов из стали марки 45 покрытых электродами комплексного состава при 920°С, в течение 6,5 часов (первый нагрев) и 13 часов (с учетом второго нагрева)

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Ри Хосен, Химухин С.Н., Ри Э.Х, Муромцева Е.В. Исследование возможности поверхностного упрочнения чугуна электроискровым методом // Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ. Проблемы конверсии: Тез.докл.рег науч.-тех. конф. по МРНТП "Дальний Восток России" за 1993-96 г.г. (25-29 сентября 1996 г.) Комсомольск-на-Амуре. 1996. с12-13

2. Ри Хосен, Химухин С.Н., Попова Е.В. Муромцева Е.В., Ри Э.Х. Технология выплавки ферровольфрама из Дальневосточного минерального сырья // Российская научно техническая конференция «Новые материалы и технологии»: Тез докл: научн.-тех. конф. 4-5 февраля 1997. МАТИ-РГТУ, М.1997. С. 141

3. Химухин С.Н., Ри Хосен, Попова Е.В., Муромцева Е.В., Ри Э.Х Влияние энергии электроискровой обработки на свойства измененного слоя // Создание материалов и покрытий при комплексном использовании минерального сырья. Сб.науч. тр. Владивосток, Дальнаука, 1998. С. 139-141

4. Ри Хосен, Химухин С.Н., Попова Е.В, Ри Э.Х., Муромцева Е.В. Технология выплавки ферровольфрама // Создание материалов и покрытий при комплексном использовании минерального сырья: Сб. науч. тр. Владивосток, Дальнаука, 1998. С142-143.

5. Ри Хосен, Химухин С.Н., Муромцева Е.В. Упрочнение поверхностного слоя деталей методом электроискрового легирования // Современные проблемы машиностроительного комплекса: Сб. науч. тр.ХГТУ Хабаровск. 1998.С. 34.

6. Ри Хосен, Химухин С.Н., Муромцева Е.В. Влияние зерна анодного материала на синергетику формирования слоя в неравновесных условиях // Синергетика-98. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях Материалы международной науч. конф. Комсомольск-на-Амуре, 1998. С.21

7. Муромцева Е.В., Ри Хосен, Химухин С.Н. Влияние действительного зерна анодного материала на массоперенос при электроискровом легировании // Принципы и процессы создания неорганических материалов: Материалы международного симпозиума (Первые Самсоновские чтения) Хабаровск Дальнаука 1998. С. 101.

8. Муромцева Е.В., Химухин С.Н., Кабакова Е.Ф Некоторые закономерности искровой обработки электродными материалами из белых чугунов // Бюллетень науч. сооб. /Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1999. № 4. С. 70-71.

9. Ри Э.Х., Ри Хосен, Тейх В.А., Муромцева Е.В. Коррозионная стойкость и жаростойкость легированных белых чугунов // Литейное производство. 2000. №3. С13-14.

10. Муромцева Е.В., Химухин С.Н., Кабакова Е.Ф., Ри Хосен Использование белого чугуна в качестве электродного материала для электроискрового легирования // Вестник Амурского государственного университета. Выпуск 9. 2000. С.20-21

11 . Муромцева Е.В. Химухин С.Н., Кабакова Е.Ф., Ри Хосен Использование белого чугуна в качестве электродного материала для электроискрового легирования // Вестник Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Вып. 2. Сб.1. 4.2 Прогрессивные технологии в машиностроении:Сб. науч. тр. 2000. С. 102107.