Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 13
1.1. СВС-компактирование 13
1.2. Метод СВС-экструзии 18
1.3. Применение СВС-экструзии для получения электродов для ЭИЛ 20
1.4 Постановка задачи 32
2. Оборудоваіже, объекты, методы и методики исследований 34
2.1. Объекты исследований 34
2.2. Методика приготовления шихты 35
2.3. Методика приготовления исходных образцов 36
2.4. Методика определения давления прессования 37
2.5. Методика проведения СВС-экструзии 38
2.6. Метод ЭИЛ 40
2.6.1. Оборудование для ЭИЛ 40
2.6.2. Методика проведения ЭИЛ 41
2.7. Методики исследования СВС-электродов и покрытий 42
2.7.1. Методика исследования металлографии 42
2.7.2. Методика исследования микроструктуры 44
2.7.3. Методика исследования микротвердости 45
2.7.4. Методика гидростатического взвешивания 46
2.7.5. Методика рентгенофазового анализа 47
2.7.6. Методика исследования износостойкости покрытий и коэффициентов трения 48
2.8. Статистический метод обработки данных 50
3. Реологические закономерности формования порошковых шихтовых материалов при предварительном холодном одноосном прессовании 52
3.1. Исследование реологических свойств порошковых шихтовых материалов 53
3.2. Закономерности уплотнения порошковых шихтовых материалов 58
3.3. Экспериментальное определение давления прессования 59
3.4. Исследование влияния скорости деформирования на реологические характеристики 61
3.5. Исследование влияния дисперсности порошка на реологические характеристики 65
4. Исследование технологического процесса свс-экструзии электродных материалов 67
4.1. Основные стадии процесса СВС-экструзии 67
4.2. Особенности конструкции инициирующего устройства 67
4.3. Исследование технологических параметров СВС-экструзии 69
4.4. Особенности микроструктуры СВС-электродов 75
5. Особенности получения и строения материалов с субмикронной и наноразмерной структурой 78
5.1. Исследование технологических параметров СВС-экструзии 79
5.2. Закономерности влияния технологических параметров на фазовый состав 82
5.3 Исследование микроструктуры 84
6. Практические приложения свс-электродных материалов 91
6.1. Исследование технологических режимов ЗИЛ 92
6.2. Исследование микроструктуры покрытий 99
6.3. Исследование износостойкости и коэффициентов трения покрытий 102
6.4. Методика проведения прочностных испытаний на растяжения образцов в виде пластин 106
6.5. Производственные испытания 108
Общие выводы по работе 111
- Метод СВС-экструзии
- Оборудование для ЭИЛ
- Экспериментальное определение давления прессования
- Закономерности влияния технологических параметров на фазовый состав
Введение к работе
Актуальность работы
В ИСМАНе, в лаборатории пластического деформирования, разработан технологический процесс СВС-экструзии, сочетающий горение в режиме СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) со сдвиговым деформированием. Перспективность использования этого метода обусловлена возможностью за десятки секунд (вместо часов, как в порошковой металлургии) проводить синтез материала из порошков исходных компонентов и формовать изделие заданного размера и формы в одну технологическую стадию. Метод СВС-экструзии является наукоемким и открывает принципиально новый подход в организации технологического процесса получения длинномерных изделий из хрупких и трудно деформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений. В результате разработки технологических основ СВС-экструзии была показана принципиальная возможность получения изделий различного назначения: расходуемых электродов для наплавок и ЭИЛ, сверл, валков, высокотемпературных нагревательных стержней, камнеобрабатывающего и другого инструмента. Достоинства СВС-экструзии, как метода получения длинномерных изделий из тугоплавких материалов, очевидны.
Примером эффективного практического использования СВС-экструзии являются электроды для электроискрового легирования (ЭИЛ). ЭИЛ применяется для нанесения коррозионно- и жаростойких покрытий, снижения коэффициента трения поверхностей, восстановления изношенных деталей и других целей. В настоящее время распространенные установки для - ЭИЛ комплектуются электродами из твердых сплавов на основе карбида вольфрама марок ВК и ТК. Известные способы получения электродных материалов используют традиционные приемы порошковой металлургии: прессование и вакуумное спекание или горячее прессование. Эти технологии включают в себя большое число операций, многие из которых сложны, энергоемки и длительны
5 по времени. Пластифицирующие вещества после использования своих
технологических функций полностью не удаляются при спекании и влияют на
физико-механические свойства электродных материалов и, как следствие, на
работу и долговечность инструмента и деталей машин. Для успешной
реализации ЭИЛ необходимо решить проблему с расходуемыми электродами.
В последние годы возрос интерес к применению электродных материалов,
полученных с использованием СВС-прессования (Е.А.Левашов с
сотрудниками), СВС-литья (В.И.Юхвид с сотрудниками), сухого
изостатического прессования (Богинский Л.С. и др.).
Данная работа посвящена получению электродов из широкой гаммы материалов на основе карбидов и боридов переходных металлов, в том числе наноструктурированных материалов, методом СВС-экструзии и упрочнение поверхности режущего и штампового инструмента методом электроискрового легирования (увеличение износо-, жаро- и коррозионностойкости). Отсутствие системных исследований в этом направлении не позволяет в полной мере использовать широкие возможности метода СВС-экструзии. Проведение комплексных исследований по получению электродных материалов методом СВС-экструзии для ЭИЛ, является актуальной и перспективной задачей, до сих пор не реализованной другими авторами в России и за рубежом.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований, полученные в течение 2004 - 2009 гг. в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ ИСМАН. Работа выполнялась в соответствии с российско-американской программой «Фундаментальные исследования и высшее образование» (BRHE) при выполнении проекта НОЦ 019 ТамбТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии» при финансовой поддержке американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) на 2007-2010 гг. и Министерства образования и науки России в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2006-2008 гг., код проекта РНП.2.2.1.1.5355, а также в соответствии с федеральной целевой программой «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2012 гг. при выполнении госконтракта № 02.513.11.3377 от 26 ноября 2007 г.
Цель работы — проведение комплексных фундаментальных и прикладных исследований, связанных с разработкой технологических основ получения и применения многофункциональных электродов для ЭИЛ методом СВС-экструзии.
Задачи исследования
Изучить реологические свойства порошковых шихтовых материалов при одноосном холодном прессовании. Выявить влияние скорости деформирования и дисперсности исходного порошкового материала5 на кинетику уплотнения и механические свойства уплотненной заготовки.
Исследовать технологический процесс СВС-экструзии широкой гаммы электродных материалов. Изучить закономерности формирования электродного материала в условиях механических и тепловых воздействий.
- Исследовать возможность получения электродных материалов с
субмикронной и наноразмерной структурой в процессе СВС-экструзии.
- Изучить закономерности формирования легированного слоя процесса
ЭИЛ СВС-электродными материалами.
- Определить возможные области применения полученных СВС-
электродов и потенциальных потребителей этой продукции. Провести
сравнительные лабораторные и промышленные испытания покрытий,
нанесенных методом ЭИЛ СВС-электродами и стандартными электродами из
твердых сплавов на основе карбида вольфрама (группы ВК, ТК), полученных
методом порошковой металлургии.
Научная новизна
- Впервые предложен реологический подход для изучения порошковых
шихтовых материалов Ti+C+Ni, Ті+В, ТІ+2В, Ti02+C+B+Al+Zr при одноосном
7 холодном прессовании, основанный на исследовании кинетики уплотнения
материала в режиме постоянной скорости. Получены данные о влиянии
скорости деформирования и дисперсности порошка на реологические
характеристики шихтовых заготовок.
Исследованы технологические режимы СВС-экструзии получения электродов TiC-Ni, TiB, TiB2, (TiC-TiB2)-(Al203-Zr02) и найдены оптимальные параметры экструзии (время задержки, давление, скорость выдавливания, степень деформирования, оптимальные значения геометрических параметров отдельных частей пресс-формы и матрицы). Впервые выявлено влияние длины формующего пояска матрицы и установлено ее оптимальное значение в диапазоне 10...15 мм. Впервые показана возможность получения электродов с субмикронной и наноразмерной структурой. Исследованы микроструктура и свойства электродных материалов, полученных методом СВС-экструзии.
Определены зависимости массопереноса, формирования структуры легированного слоя и его свойств СВС-электродными материалами от суммарной величины энергии искровых разрядов, позволяющие установить границы окончания процесса ЭИЛ и его оптимальные технологические параметры. Исследованы свойства и микроструктура легированных слоев.
- Впервые предложена и обоснована методика проведения прочностных
испытаний на растяжения образцов в виде пластин, упрочненных в месте
захвата СВС-электродами.
Практическая ценность
- Разработанный в настоящей работе экспериментальный подход для
изучения реологического поведения порошковых шихтовых материалов при их
уплотнении может быть использован для определения из одного опыта
интервалов давлений, обеспечивающие необходимые значения плотности
заготовок.
Модернизирована установка, пресс-оснастка, конструкция инициирующего устройства и матрицы, позволяющая нарабатывать опытные
8 партии СВС-электродов. Получены опытные партии СВС-электродов с составом исходной шихты Ti+C+Ni, Ті+В, ТІ+2В, ТіОг+C+B+Al+Zr. Показано, что эти электроды могут быть использованы для нанесения износостойких тонких покрытий (10...50 мкм) на металлическую поверхность деталей и инструментов различного назначения.
- Проведены испытания служебных характеристик покрытий, в том
числе производственные испытания упрочненного инструмента, показавшие
увеличение стойкости инструмента в 2-4 раза. Акты испытаний на различных
заводах прилагаются.
Выполненные исследования обладают инновационной
перспективностью и привлекательностью, что было отмечено Государственным фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в виде финансовой поддержки на создание малого инновационного предприятия по разработке и получению многофункциональных электродных материалов (Государственный контракт № 4147р/6488 от 26 июня 2006 г.).
Инновационные исследования и результаты, полученные в данной диссертации, были неоднократно отмечены дипломами и грамотами на различных конкурсах и инновационных салонах:
Диплом победителя конкурса молодых ученых и специалистов имени члена-корреспондента РАН Кривошеева Н.А. - 2006г., ФГУП «Федеральный центр двойных технологий «СОЮЗ».
Золотая медаль и диплом за разработку «Новые СВС-электродные материалы» на VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций - 2006 г.
Диплом победителя программы «УМНИК-2007» Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Диплом победителя конкурса «Молодые таланты» проводимого в рамках III инновационного форума Росатома - 2008г. и др.
9 Реализация результатов работы
В ГНУ ВНИИТиН (г.Тамбов) организован участок упрочнения режущего инструмента и различных деталей машин, подвергающихся интенсивному износу.
На предприятии ОАО «АВТОВАЗ» (г.Тольятти) были испытаны сверла из стали 11М5Ф на автоматической линии обработке картера сцепления автомобиля ВАЗ-2110, изготавливаемого из АК12М. Нормативная стойкость сверл составляла 1000 деталей при износе по задней поверхности 0,3...0,4 мм. Опытные упрочненные сверла имели стойкость 4000 деталей при износе 0,3...0,4 мм по задней поверхности, при этом качество поверхности и разброс размеров были в пределах требования чертежа.
На предприятии ООО «Фотон» (г.Воронеж) были апробированы метчики прошедшие электроискровое легирование СВС-электродами. Апробирование производилось на блоках ТВД из сплава ЖС-6УВИ и показало увеличение стойкости метчиков М6х1 примерно в 4 раза.
На предприятии ООО «Тамбовский ИТЦ Машиностроение» (г.Тамбов) была испытана опытная партия шнеков и гильз из стали 12Х18Н10Т сушильных машин ЛК4, ЛК8 и КТЛК4, упрочненная СВС-электродами. Сравнительные испытания на износостойкость упрочненных деталей СВС-электродами показали большую стойкость в 2,5...3,3 раза, чем деталей наплавленных материалом ВЗК.
На защиту выносятся следующие основные положения
Методика проведения исследований реологических свойств порошковых шихтовых материалов при одноосном холодном прессовании и определения необходимого давления прессования порошковых шихтовых заготовок.
Результаты исследований технологического процесса СВС-экструзии, физико-механических свойств и микроструктуры полученных электродов.
10 Результаты исследований влияния технологических режимов нанесения
покрытий методом ЭИЛ СВС-электродами на физико-механические,
эксплуатационные свойства и микроструктуру легированных слоев.
Результаты сравнительных испытаний покрытий, легированных стандартными карбидовольфрамовыми и СВС-электродными материалами.
Методика проведения прочностных испытаний образцов в виде пластин, упрочненных СВС-электродами в местах захвата.
Апробация работы
Результаты работы были доложены на: «2-6 Всероссийская школа-конференция для молодых ученых» (2004-2008г.), г.Черноголовка; «I Всероссийская школа-конференция Молодые ученые-новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность» (2005г.), г.Иваново; «Молодежная международная школа-конференция по инновационному развитию науки и техники» (2005г.), г.Черноголовка; «Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов. Индустрия наносистем и материалы» (2006г.), г.Зеленоград; «Конференция молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (2007г.), г.Карачарово; «Международная науко-практическая конференция «Теоретические и экспериментальные достижения в технологиях современного материаловедения в машиностроении» (2007г.), Украина, г.Луцк; «Международная конференция по химической технологии» (2007г.), г.Москва; «IX International Symposium on Self-Propagating High - temperature Synthesis» (2007r.), Dijon, France (стендовый доклад); «Всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (2007г.), г.Пермь; «Международная конференция «Прикладные аспекты финансирования трансфера технологий в современной России. Навыки общения с инвесторами» (2008г.), г.Казань; «Международная конференция «Прикладные аспекты финансирования трансфера технологий в современной России. Навыки общения с инвесторами»
(2008г.), г.Казань; I Международная конференция «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», (2008г.), Суздаль; «XIV Симпозиум по горению и взрыву» (2008г.), Черноголовка; I Международный форум по нанотехнологиям (2008г.), г.Москва и другие.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 3 статьи в рецензируемых журналах, 1 патент РФ, 1 статья в специализированном журнале, 26 тезисов в сборниках трудов на перечисленных выше конференциях.
Личный вклад автора
Вклад автора состоит в совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, личном проведении экспериментов, количественной обработке полученных экспериментальных данных, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Обоснованность и достоверность результатов
Достоверность результатов работы обусловлена тем, что проведено всестороннее экспериментальное исследование процесса СВС-экструзии: изучено влияние комплекса основных технологических параметров (времени задержки, давления, скорости перемещения плунжера пресса, угла матрицы и др.) на интегральные характеристики процесса, такие как длина выдавленной части образца, коэффициент шероховатости поверхности образца и др. При исследовании свойств, микроструктуры электродов и покрытий были использованы современные взаимодополняющие аттестованные физико-химические методы и методики: растовая электронная микроскопия, рентгеновский спектральный микроанализ и др. исследования с использованием современного оборудования: Инстрон, Axiovert 200 МАТ, микроскоп LEO-1450 в комбинации с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energy, ПМТ-3, ДРОН-3, машина трения Einhell SB 701 и др.
12 Структура и объем работы
Диссертационная работа содержит введение, 6 глав, выводы, список
литературы и приложения. Общий объем работы составляет 135 страниц,
включая 50 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 131 наименований.
Автор выражает огромную благодарность научному руководителю, профессору, д.ф.-м.н. Столину Александру Моисеевичу за оказанную помощь в постановке задач, проведении исследований и экспериментов, тщательное обсуждение полученных результатов, полезные замечания, исправления и ценные советы.
Автор выражает особую благодарность Стельмах Любовь Семеновне за ценные и полезные замечания и советы.
Автор выражает благодарность Бокову А.В., Казаковой Т.П., Мухиной Н.И., Беликовой А.Ф., Ковалеву Д.Ю., Кобзеву Д.Е., Пугачеву Д.В., Ярочкину B.C. за помощь в исследовании микроструктуры, свойств электродов и легированных слоев и обсуждении полученных результатов.
Метод СВС-экструзии
В лаборатории пластического деформирования разработан технологический процесс СВС-экструзии, сочетающий горение в режиме СВС со сдвиговым пластическим деформированием [27-30]. Основные разработчики технологических основ СВС-экструзии и математического моделирования -Столин A.M., Подлесов В.В., Бучацкий Л.М., Радугин СВ., Веденеев СВ., Шишкина Т.Н., Стельмах Л.С, Жиляева Н.Н. и др. Этот способ обеспечивает синтез материала и получение изделия в одной установке и соединяет в себе достоинства как экструзии (возможность получения изделий нужного профиля с минимальной последующей обработкой), так и СВС-технологий (экономичность, простота оборудования, малое время процесса, отсутствие необходимости высоких усилий при деформировании, отсутствие энергозатрат на внешний нагрев заготовки). Изготовление длинномерных изделий СВС- экструзией существенно упрощается, синтез материала, а формирование заготовок происходит за несколько секунд (вместо часов) в одном технологическом цикле. Метод СВС-экструзии позволяет изготовлять электроды, тугоплавкие стержни, валки без пластифицирующих добавок, необходимых для мундштучного прессования, и не требует высокотемпературного спекания. Используя СВС-экструзию, удается получать изделия из широкой гаммы тугоплавких материалов на основе карбидов и боридов переходных металлов и варьировать их состав в широких пределах. В основе установки для СВС-экструзии был использован серийный гидравлический пресс, реконструкция которого позволила расширить диапазон рабочих скоростей ползуна. В результате реконструкции появилась возможность плавного регулирования скорости ползуна пресса в диапазоне 5...60 мм/с. Установка снабжена блоком автоматического управления, с помощью которого задаются параметры процесса: время инициирования, задержки прессования и выдержки под давлением, напряжение инициирования. Величины давлений прессований и зарядки аккумулятора задаются при помощи электроконтактных манометров, установленных на прессе. Установка состоит из пресса, блока автоматического управления и экструзионной пресс-формы.
Экструзионная пресс-форма состоит из следующих основных элементов: контейнера, пуансона, матрицы, крышки и инициирующего устройства (рис.2). Двухслойный контейнер пресс-формы выполнен разборным. Внутренняя часть контейнера состоит из трех секций. Контейнер скрепляется при помощи навинтной гайки, имеющей пазы для фиксации верхней крышки. Такой контейнер имеет большую механическую прочность и стойкость к термоударам по сравнению с монолитным. Кроме того, он позволяет отводить выделяющиеся при горении примесные газы в зазоры между секциями по всей высоте образца. Через пуансон осуществляется выдавливание получаемого материала. Основными технологическими параметрами для СВС-экструзии являются: время задержки, скорость выдавливания, масса исходной заготовки, величина задаваемого давления, степень деформации и геометрия матрицы. Именно эти параметры и обеспечивают в первую очередь устойчивую воспроизводимость процесса [27]. Одним из важных приложений СВС-экструзии является получение многофункциональных электродных материалов для электроискрового легирования. Этот метод позволяет изготовлять электроды без пластифицирующих добавок, необходимых для мундштучного прессования, и не требует высокотемпературного спекания. Используя СВС-экструзию, удается получать электроды из широкой гаммы тугоплавких материалов на основе карбидов и боридов переходных металлов и варьировать их состав в широких пределах [31]. Главными требованиями к электродам для ЭИЛ являются высокая однородность состава по длине и сечению электрода, равномерная и мелкозернистая структура. Подбирая соответствующим образом компоненты твердой основы связки и легирующих добавок, варьируя технологическими параметрами, можно получать электродные материалы с требуемым набором свойств. Однако, при получении электродных материалов методом СВС-экструзии необходимо учитывать его особенности: высокие температуры горения (1700—3000К), быстрое остывание продуктов горения ( 30 град/с), кратковременность процесса формирования изделия ( 10с). Эти особенности обусловливают неравновесность структуры получаемых материалов. В таких условиях трудно заранее предсказать эффективность использования известных легирующих добавок для понижения электроэрозионной стойкости электродов. Поэтому требуется изучить закономерности формирования химического, фазового составов и микроструктуры электродных материалов, влияние технологических параметров СВС-экструзии на все стадии формирования изделия, а также влияние химического и фракционного состава структурных составляющих на физико-механические характеристики электродов и легированных поверхностей. Отсутствие системных исследований в этом направлении не позволяет в полной мере использовать широкие возможности метода СВС-экструзии. На сегодняшний день метод ЭИЛ является экономически выгодным и технологически перспективным в решении проблем увеличения эксплуатационных характеристик различных деталей машин и режущего инструмента, подвергающихся интенсивному износу.
Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов дугового разряда [32]. Этот метод стал внедряться в промышленность в начале 1950-х гг. Дуговой разряд имеет температуру плазмы ниже (4000—5000С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки между ними и т. о. вводить в зону обработки значительные мощности (несколько десятков кВт), т. е. увеличивать производительность обработки. Характерное для дугового разряда преимущественно разрушение катода приводит к тому, что износ инструмента (в этом случае он подключается к аноду) ниже, чем при электроискровой обработке, составляя 0,05—0,3% от объёма снятого материала (иногда инструмент вообще не изнашивается). Электроэрозионные методы [33-36] особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий [37-39]. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Преимущество электроэрозионных методов состоит в том, что для изготовления инструмента используются более дешёвые, легко обрабатываемые материалы. Часто при этом износ инструментов незначителен. Например, при изготовлении некоторых типов штампов механическими способами более 50% технологической стоимости обработки составляет стоимость используемого инструмента [40]. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стойкость инструмента не превышает 3,5% [41-43]. Магнитно-импульсная обработка основана на том, что с помощью переменного магнитного поля наводится теплота в местах, имеющих концентрацию внутренних и поверхностных напряжений. Кроме того, вихревое магнитное поле обусловливает более равномерное охлаждение, вследствие чего улучшаются механические свойства материала. Для этого деталь помещают в полость соленоида в течение 0,01-1,0 с, а затем в течение 5-24 часов выдерживают на изолированных стеллажах в спокойном состоянии для рассеяния электромагнитной энергии в материале. В результате износостойкость увеличивается в зависимости от материала изделия в 1,4-2 раза [44]. Электродеформационное упрочнение производится по неперезатачиваемой поверхности и обеспечивается электрическими разрядами, переносом материала электрода на инструмент и одновременным ударным воздействием электрода на упрочняемую поверхность. Установка для упрочнения позволяет получать упрочненный слой шириной до 10 мм.
Оборудование для ЭИЛ
Для нанесения износо-, коррозионно- и жаростойких покрытий на поверхности деталей машин и механизмов, в том числе адгезионных, антифрикционных и многослойных композиционных покрытий, использовалась установка для электроискрового легирования SE-5.01 (рис. 6), при помощи которой по сравнению с аналогичными установками (СИРИУС-32, КОРОНА-1103, Элитрон 22-А) достигается возможность широкого варьирования режимов обработки. Установка обеспечивает в зависимости от режимов обработки, материала электрода и обрабатываемого изделия нанесение покрытий толщиной до 0,2 мм. Установка SE-5.01 состоит из силового блока (1), вибратора (3) и кабеля (2) с «крокодилом» для подключения к обрабатываемому изделию. Силовой блок установки выполнен в типовом прямоугольном металлическом корпусе с расположением кнопок управления на передней панели. Технические характеристики установки приведены в таблице 4. Вибратор выполнен в текстолитовом корпусе, внутри которого размещена магнитная система, содержащая магнитопровод, катушку и якорь. На якоре закреплен электродержатель, позволяющий использовать электроды круглого и прямоугольного сечения. С нижней стороны корпуса вибратора выведен «подстроечный» винт, регулирующий амплитуду вибрации. 2.6,2. Методика проведения ЭЛЛ Для ЭИЛ в качестве электродных материалов могут использоваться различные электропроводящие материалы. Их выбор зависит от конкретных условий работы упрочняемого изделия и в каждом случае подбирается специально. Подключается вибратор и кабель с зажимом к соответствующим разъемам на передней панели силового блока, который должен быть заземлен. Устанавливается электрод в электрододержатель вибратора и закрепляется при помощи специального винта. Нажимается кнопка «START», при этом загорается подсветка жидкокристаллического индикатора. Устанавливается требуемое значение выходного напряжения кнопками «VOLTAGE» и емкости конденсаторной батареи кнопками «CAPACITY». Перед работой установки ее необходимо прогреть в течение 10... 15 минут на максимальных режимах установки: выходном напряжении 80В и емкости конденсаторной батареи 300 мкФ.
Подключается зажим к обрабатываемой детали и еще раз нажимается кнопка «START», при этом начинает работать вибратор. Для обеспечения надежного электрического контакта рекомендуется располагать подводящий контакт вблизи обрабатываемой поверхности. При помощи «подстроечного» винта на вибраторе устанавливается необходимая амплитуда вибрации. Далее проводится электроискровое легирование в соответствии с технологическими требованиями. По окончании обработки изделия нажимается кнопка «START», при этом вибратор выключается. По завершению работы установка выключается из сети. Принцип работы установки основан на периодическом электрическом пробое воздушного промежутка при приближении вибрирующего электрода к поверхности обрабатываемой детали. При разряде происходит перенос разогретого материала электрода на поверхностный слой обрабатываемой детали. Исследование металлографии образцов проводили на инвертированном микроскопе отраженного света Axiovert 200 МАТ. В соответствии со степенью оснащения прибора можно применять следующие метолы микроскопирования и контрастирования: светлое поле, темное поле, поляризационный контраст. Микроскопия по методу светлого поля в отраженном свете — это самый простой, а распространенный - оптический метод микроскопирования, содержанием которого является исследование проб или препаратов, не пропускающих свет. Для достоверного отображения объекта большое значение имеют не только так называемые прямые пучки лучей, но и отраженные, т.е. изогнутые и рассеянные частями препарата. Чем больше при этом доля отраженных пучков (апертура), тем более достоверно микроскопическое отображение образца. Принцип метода заключается в следующем: идущий от осветителя отраженного света, собранный в пучок свет, отражается от делителя пучка нейтрального света и затем проходит через объектив, который фокусирует лучи на поверхности образца (так называемая функция конденсора). Объектив собирает отраженный от образца свет и вместе с тубусной линзой создает промежуточное микроскопическое изображение. Метод темного поля в отраженном свете применяется при исследовании не абсолютно отражающих поверхностей с различными свойствами отражения (идеальные объекты для светлого поля), а дефектов: царапин, трещин, пор. Все эти рассеивающие свет детали ярко светятся в темном поле, в то время как отражающие ровные поверхности остаются темными. Метод поляризационного контраста служит контрастному представлению фазовых образцов, т.е. таких образцов, которые в отличие от амплитудных образцов изменяют только фазу света в отраженном свете. Контраст возникает благодаря псевдо - рельефу на поверхности образца и поэтому контраст в изображении линейных структурах зависит от того, ориентированы ли эти структуры в направлении «свет - тень» (очень слабый контраст), или перпендикулярно ему (максимальный контраст). Из всех известных методов локального анализа наиболее широкое распространение применительно к самым различным объектам исследования получил рентгеноспектральный электронный микроанализ. Растровый электронный микроскоп представляет собой универсальный прибор для исследования микроструктуры на микронном и субмикронном уровнях.
Как правило, электронный микроскоп комбинируют с рентгеновским микроанализатором, позволяющим проводить локальный химический анализ объекта исследования. Он имеет широкий диапазон увеличений, высокую разрешающую способность и большую глубину резкости. Также позволяет с достаточно высокой точностью получать количественные данные о составе объектов размером до 10-12 см3, сопоставлять результаты анализа с микроструктурой и не связан с разрушением образца. Сущность растрового электронного микроскопа состоит в том, что изображение формируется в результате взаимодействия с поверхностью объекта сфокусированного пучка электронов. Для растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа имеют значение эмиссия вторичных электронов, ионизация внутренних электронных оболочек и тормозное рентгеновское излучение. Интенсивность потока вторичных электронов зависит от расположения элемента поверхности образца относительно направления регистрации электронов. Следовательно, при создании изображения сигналом вторичных электронов можно изучать топографию поверхности объекта. Характеристическое рентгеновское излучение имеет длину волны, строго определенную для каждого элемента. Поэтому по спектральному составу и интенсивности отдельных линий характеристического излучения можно проводить качественный и количественный химический анализ. Рентгеноспектральный микроанализ проводился на сканирующем (растровом) электронном микроскопе LEO-1450 в комбинации с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energy (EDS system). Микроструктуру образцов наблюдали в режимах "сотро" и "topo". Обратно рассеянные электроны регистрируются двумя полупроводниковыми детекторами, расположенными непосредственно над образцом. В режиме "сотро" происходит суммирование сигналов двух детекторов, что позволяет свести к минимуму влияние рельефа на растровое изображение, в результате чего суммарный сигнал зависит, главным образом, от изменения среднего атомного номера, то есть от состава исследуемой области. В режиме "topo" сигналы двух детекторов вычитаются, и все особенности рельефа четко проявляются.
Экспериментальное определение давления прессования
Одной из основных задач, ставившихся при проведении данных исследований, являлась определение величины необходимого давления при предварительном холодном прессовании для обеспечения выбранного значения плотности заготовок, которое обеспечивает условия полноты реакции при горении и синтеза материала в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и, в частности, при СВС-экструзии. Известно, что для успешного осуществления процессов синтеза в процессах СВС относительная плотность шихтовой заготовки (по отношению к плотности компактного материала) должна составлять 0,5...0,7 [107]. Для определения оптимального интервала давлений прессования строится зависимость «давление прессования -относительная плотность» (рис. 14). Относительная плотность заготовки ротн определяется по формуле: По диаграмме «давление прессования - относительная плотность», учитывая необходимую относительную плотность порошковых заготовок для СВС-экструзии, определяются интервалы давления соответствующие диапазону этих плотностей. В качестве давления прессования порошковых заготовок для последующего процесса СВС-экструзии рекомендуется брать среднее значение. В таблице 7 приведены интервалы давлений, где в материале накапливается определенная доля пластичности для исследуемых порошковых шихтовых материалов, а также величины давлений необходимые для последующего процесса СВС-экструзии. Исследование влияния скорости деформирования на реологические свойства порошковых шихтовых материалов проводилось на системе Ti-C-Ni. Исследования проводились по описанной выше методике, диапазон скоростей составлял 0,5...50 мм/ мин. На рис. 15 представлены зависимости «давление прессования - время» в зависимости от скорости перемещения плунжера пресса. Для наглядности графики были разделены на два рисунка в связи с разными масштабами времени. Из рисунков видно, что с увеличением скорости нагружения темп нарастания давление прессования растет и наступает такой момент, при котором происходит за незначительное изменение времени резкое увеличение давления.
Введем временную характеристику (ти) время индукции -время достижения какого-то большого значения давления, изменение которого мало влияет на значения периода индукции. Это время можно условно взять, когда материал переходит на третью стадию прессования. В таблице 8 приведены времена индукции для различных скоростей нагружения. Действительно, из рис. 16 видно, что крутизна кривых с увеличением скорости растет, а, следовательно, изменяются реологические характеристики прессуемого материала. При достижении скоростей более 20 мм/мин крутизна практически не меняется, происходит наложение кривых, т.е. наступает момент «насыщения», при котором дальнейшее увеличение скорости нагружения не приводит к каким либо изменениям реологических свойств материала. На основании реологических кривых для исследуемой системы были определены реологические характеристики в зависимости от скорости нагружения, приведенные в таблице 9. С увеличением скорости нагружения происходит увеличение модуля сжимаемости материала, т.е. материал хуже прессуется и необходимо приложить большее усилие для того, чтобы спрессовать образец до необходимой степени деформации. Это можно объяснить строением насыпного материала, который имеет большую пористость, которую заполняют частицы порошка при наложении давления. При малых скоростях происходит более равномерное заполнение пор частицами порошка, т.е. частицам достаточно времени сориентироваться относительно заполняемого промежутка. При больших скоростях частицы не успевают принять необходимое положение для заполнения конкретного пространства, они встречают на своем пути другие неориентированные частицы, происходит их взаимодействие друг с другом, возможна и их деформация, что требует гораздо больших усилий. При достижении достаточно большой скорости (более 20 мм/мин) характер деформирования материала не меняется, т.к. достигаются большие величины давления прессования, которые превосходят сопротивление контакта частиц порошка друг с другом. 3.5. Исследование влияния дисперсности порошка на реологические характеристики Для исследования влияния дисперсности порошка на характер уплотнения порошковых шихтовых материалов была выбрана система Ti-B с различными размерами частиц основной фракции титана. Равный размер частиц был достигнут при использовании сит с размерами решетки, мкм: 45, 81, 200. Из рис. 17 видно, что чем меньше дисперсность порошка, тем необходимо приложить меньшее давление до заданной деформации. Это можно объяснить строением насыпного материала. Чем менее дисперсный порошок прессуется, тем происходит большее заполнение пустот частичками порошка и более позднее деформирование самих частиц, и для этого требуются небольшие усилия.
Предложен реологический подход для изучения порошковых шихтовых материалов при их уплотнении, основанный на исследовании кинетики деформирования материала в режиме постоянной скорости плунжера пресса. Выявлены закономерности влияния скорости уплотнения и дисперсности порошка на реологические характеристики шихтовых заготовок Ті+C+Ni, Ті+В, ТІ+2В, Ti02+C+B+Al+Zr. Экспериментально определены реологические характеристики исследуемых порошковых материалов (модуль сжимаемости, конечное значение деформации линейного участка кривой «напряжение-деформация», коэффициент сжимаемости). Установлены интервалы давлений, обеспечивающие необходимые значения плотности заготовок для проведения процесса СВС-экструзии. 4.1. Основные стадии процесса СВС-экструзии Сущность СВС-экструзии заключается в проведении самораспространяющегося высокотемпературного синтеза целевого продукта (твердого сплава) с последующим выдавливанием горячего синтезированного материала через матрицу [121-122]. Основными стадиями процесса СВС-экструзии являются: 1) Зажигание и горение шихтовой заготовки. На этой стадии происходит синтез материала из исходных компонентов и первичные процессы структурообразования. 2) Дегазация и остывание сгоревшей заготовки. Заканчивается отвод выделяющихся при горении примесных газов, проходят процессы дореагирования и формирования структуры целевого продукта. 3) Уплотнение синтезированного материала. Под действием плунжера пресса происходит деформирование продукта, продолжаются процессы структурообразования, связанные с изменением размеров зерен твердой фазы. 4) Выдавливание заготовки через матрицу. Материал доуплотняется в конусной части матрицы и экструдируется через нее. 5) Остывание готового изделия. Выдавливание прекращается при потере материалом пластичности в результате остывания. 4.2. Особенности конструкции инициирующего устройства Инициирующее устройство, которое использовалось ранее, было не технологично. Из-за высоких температур процесса СВС и больших давлений прессования происходило сплавление инициирующего устройства с синтезированным материалом, засорение и выход из строя контактов подвода электричества, поломки изоляционных вставок. Инициирующие устройства выходили из строя практически после каждого эксперимента, что влияло, в конечном счете, на производительность и экономические затраты процесса. Эта проблема решилась с помощью предложенной схемы устройства приведенной нарис. 18.
Закономерности влияния технологических параметров на фазовый состав
Для рентгенофазового анализа продукты синтеза готовили по стандартной методике, описанной в главе 2. На рис. 31 представлена полученная рентгенограмма экструдированных образцов. По данным рентгенофазового анализа образуется 5 фаз: ТіС, TiB2, Zr02 (две модификации), А12Оз- Оксид циркония модифицируется в моноклинный и тетрагональный. В зависимости от технологических режимов получения СВС-материалов с одинаковым составом исходной шихты количество фаз сохраняется, однако, их весовое соотношение несколько меняется. В таблице 13 приведен количественный анализ фазового состава полученных образцов на основе корундовых чисел каждой из фаз в зависимости от главных технологических параметров: времени задержки прессования т3 и скорости перемещения плунжера пресса V при давлении прессования 100 МПа. Как видно из таблицы 13 количество фаз TiB2, P-Zr02 снижается с увеличением скорости перемещения плунжера пресса, в то время как количество фаз А1203 и ТіС имеют экстремум. Таким образом, варьируя технологическими параметрами СВС-экструзии можно заранее предсказать и сформировать нужную структуру синтезированного материала, что очень важно при получении изделий с заданными свойствами. Для проведения исследований электроды разрезались вдоль и поперек их оси и по стандартной методике приготавливались шлифы. На рис. 32 представлена микроструктура полученных образцов. Более светлыми фазами являются Zr02 и А120з, серые и темные - ТІС и TiB2. Фазы Zr02 и А120з образуют между собой эвтектику, представляющую вытянутые жгутики толщиной менее 100 нм (рис.33). Эвтектика окружена зернами ТІС и ТіВ2 размерами порядка 1-2 мкм. Также встречаются зерна Zr02 размерами менее 5 мкм, которые распределены по объему образцов (рис. 34). На сегодняшний день проблема увеличения эксплуатационных характеристик различных деталей машин и режущего инструмента, подвергающихся интенсивному износу, решается различными способами. Одним из наиболее экономически выгодных и технологически перспективных методов для локальной обработки является ЭИЛ. Однако, для успешной реализации этого метода, необходимо решить проблему с расходуемыми электродами.
Известные способы получения электродных материалов используют традиционные приемы порошковой металлургии: прессование и вакуумное спекание или горячее прессование. Эти технологии включают в себя большое число операций, многие из которых сложны, энергоемки и длительны по времени. Пластифицирующие вещества после использования своих технологических функций полностью не удаляются при спекании и влияют на физико-механические свойства электродных материалов и как следствие на работу и долговечность инструмента и деталей машин. Промышленный выпуск в настоящее время имеют твердые сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, которые дороги и дефицитны. Ранее в лаборатории пластического деформирования ИСМАН были получены электроды из безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбидов, боридов со связкой из металлических материалов. Были изучены свойства электродов и интервалы их изменения при фиксированных параметрах. Однако осталось много вопросов связанных с особенностями и режимами получения, применения этих электродов и воспроизводимости процесса СВС-экструзии. Выше были описаны особенности получения СВС-материалов с различными составами, в том числе новых материалов с субмикронной и наноразмерной структурой. На рис. 38 приведена фотография полученных новых СВС-электродных материалов для ЭИЛ с возможными обрабатываемыми деталями и инструментом. Исследование технологических режимов ЭИЛ СВС-электродами проводилось на установке SE-5.01. В качестве подложки были использованы образцы размерами 20x8x2 из Стали 3 и Стали 45. Для сравнительных анализов проводилось легирование полученными СВС-электродами и промышленными электродами марки Т15К6. Следует отметить, что основные показатели процесса ЭИЛ (производительность, толщина слоя, равномерность, сплошность сформированной поверхности и т.д.) определяются энергией разряда Wp, под которой понимается энергия, запасенная в рабочем конденсаторе и определяется по формуле [128]: где С и U - емкость и напряжение на конденсаторной батареи, к — коэффициент, учитывающий потери в цепи (k = 0,7...0,9). Для дальнейших расчетов был выбран к = 0,8. Наиболее полную и достоверную информацию о возможностях электрода, как материала упрочняющего инструмент, можно получить при изучении кинетических зависимостей эрозии анода (та) и привеса катода (тк) при различных режимах ЭИЛ и оценке свойств сформированных покрытий (равномерности, сплошности, толщины, микротвердости, адгезии и т.п.). На практике ЭИЛ снимают зависимости суммарной эрозии анода и суммарного привеса катода от удельного времени легирования, т.е. соответственно Yma=f(t) и Е«гА =/(/), которые позволяют определить интенсивность переноса материала анода на катод во времени и толщину формируемого слоя. На основе этих зависимостей задаются параметры технологического процесса электроискрового упрочнения инструмента или деталей машин.
Кроме того, зависимости суммарных и удельных эрозий анода и массопереноса на катод дают представление (косвенные) о динамике нарастания дефектности в поверхностных слоях электродов (появления напряжений и вторичной структуры, изменения фазового состава и т.п.). На рис. 39 приведены зависимости Y,ma=f(t) и Hmk=f(t) для стали 45 и стали 3 при различной энергии разряда 0,1 и 0,36 Дж, обусловленной минимальной возможной для эрозии анода и максимальной для предотвращения прижогов на поверхности металлических образцов. В большинстве случаев Лта и Т.тк изменяются симбатно, т.е. при уменьшении Х/иа снижается Ищ, и наоборот. Иногда наблюдаются обратные зависимости минимальных и максимальных значений привеса катода и эрозии анода. Это связано с тем, что в процессе ЭИЛ периодически разрушаются поверхности анода и катода, что не совпадает по времени. Ход всех кривых имеет классический вид, т.е. на зависимости суммарного привеса катода от времени обработки /" =/(0 наблюдается максимум, что обуславливает ограничение толщины формируемого слоя. Так как ЭИЛ связано с многократным импульсным тепловым и механическим воздействием на материалы электродов, фазовыми и структурными превращениями, то в поверхностных слоях электродов в процессе ЭИЛ возникают остаточные напряжения 1 и 2 рода, характеризующие их конечное необратимое напряженное состояние. Величина и распределение остаточных напряжений по глубине поверхностных слоев зависят от энергии разряда, удельного времени обработки и свойств материалов электродов. Максимальные остаточные напряжения (как правило, растягивающие) наблюдаются в поверхностных или приповерхностных зонах и их абсолютные значения могут превышать предел прочности материала электродов. В процессе ЭИЛ с течением времени уровень растягивающих остаточных напряжений увеличивается и одновременно наблюдается тенденция к охрупчиванию формирующегося слоя за счет образования мелкокристаллической структуры и возникновения хрупких фаз (окислов, нитридов и т.д.) при взаимодействии материала электродов с окружающей средой (при проведении процесса ЭИЛ на воздухе). Таким образом, остаточные напряжения, определяющие общий уровень напряженно-деформируемого состояния, и охрупчивание поверхностных слоев могут быть одним из важнейших факторов, влияющих на эрозию анода и формирование слоя на катоде-подложке.
