Введение к работе
Актуальность темы. Протекание низковольтных электрических разрядов в газовой среде между двумя металлическими электродами сопровождается различными физико-химическими процессами: плавлением и испарением металлов, переносом вещества с одного электрода на другой, термоактивацией взаимодействия металлов с компонентами межэлектродной газовой среды и др. В результате данных процессов на катоде формируется измененный поверхностный слой, что используется в технологии создания износостойких и коррозионностойких покрытий, именуемой «электроискровым легированием». Особенностями этого метода является невысокое межэлектродное напряжение (менее 200 В) и применение вибрации анода для инициации электрических разрядов при механическом контакте электродов. Создание электроискровых покрытий с заданными свойствами требует знания основных закономерностей фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах при воздействии на них электрических разрядов. Общие положения теории формирования электроискровых покрытий были сформулированы еще основоположниками метода Назаренко Б.Р. и Назаренко Н.И. Также подробно исследованы различные аспекты данного процесса, а именно, электрическая эрозия материалов электродов (Золотых Б.Н., Намитоков К.К), образование «вторичных структур» (Верхотуров А.Д.), изменение структуры и состава поверхностных слоев металлов при электроразрядном воздействии (Могилевский И.З., Палатник Л.С.) и т.д. Тем не менее, не смотря на большой объем накопленных данных, до сих пор остаются нерешенные проблемы. Одна из них состоит в недостаточно полном изучении взаимодействия металлов анода и катода с компонентами межэлектродной газовой среды. Оксиды и нитриды металлов неоднократно наблюдались на поверхности металлических электродов в области воздействия электрических разрядов в воздушной среде, однако механизмы их образования, кинетика накопления химических соединений в электроискровых покрытиях, влияние на эти процессы параметров разрядных импульсов до сих пор не выяснены. Кроме того, современная мировая тенденция (Япония, США, Китай) в области создания электроискровых покрытий, заключающаяся в использовании генераторов разрядов с частотами 1 кГц и более, ставит перед необходимостью исследовать фазовые изменения при воздействии электрических разрядов на металлы в более широком по сравнению с традиционным диапазоне длительностей и частот разрядных импульсов.
Изучение оксидо- и нитридообразования в условиях электроискрового воздействия усложняется тем, что покрытие формируется за счет многократно
повторяющихся коротко-импульсных (длительностью 10-500 мкс) электрических разрядов. При перемещении анода вдоль поверхности катода области разрядов накладываются друг на друга, в результате чего состав электроискрового покрытия непрерывно изменяется в процессе его осаждения. Поэтому в диссертационной работе внимание уделялось исследованию образования оксидов и нитридов металлов, как при однократном, так и при многократном воздействиях разрядных импульсов. Актуальность данной работы вызвана еще и тем, что модифицирование поверхностного слоя металлов электроискровым воздействием с формированием оксидов и нитридов может придавать им новые диэлектрические, тугоплавкие или прочностные свойства, что имеет как научное, так и прикладное значение.
Целью работы является изучение основных закономерностей изменения фазового состава поверхностных слоев металлов и сппавов под действием низковольтных разрядов в газовой среде.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Изучить фазовый состав поверхностных слоев металлов (Си, Ni), железо- и титансодержащих сплавов (СтЗ, ВТ20), подвергнутых однократному воздействию электрических разрядов.
Установить механизм взаимодействия металлов и сплавов с кислородом воздуха в условиях электроискрового воздействия.
Исследовать влияния длительности и частоты разрядных импульсов на фазовый состав поверхностных слоев, подвергнутых многократному воздействию электрических разрядов.
Изучить кинетику накопления оксидов в поверхностных слоях меди, никеля и стали СтЗ, модифицированных воздействием низковольтных электрических разрядов.
Установить влияние изменения фазового состава покрытий формируемых с помощью электродов на основе вольфрам- и титансодержащих сплавов на их физико-механические свойства.
Научная новизна работы.
Впервые установлены корреляционные зависимости количественного содержания оксидов в поверхностных слоях меди, никеля и стали СтЗ от длительности и частоты разрядных импульсов, которые воздействуют на эти металлы.
Предложено и экспериментально подтверждено, что основным механизмом возникновения оксидов металлов в области воздействия разрядов является парофазное окисление с последующим осаждением на поверхности электродов.
Впервые проведены исследования по поглощению кислорода из воздушной среды при окислении металлов в условиях прохождения низковольтных электрических разрядов.
Установлено, что при уменьшении частоты разрядных импульсов с 1000 до 100 Гц снижается обезуглероживание карбида вольфрама WC при формировании электроискрового покрытия.
Повышение концентрации углерода с 5,5 до 10 масс. % в составе электродных материалов на основе вольфрамсодержащего твердого сплава WC-10%Co приводит к увеличению концентрации фазы карбида вольфрама в осажденном покрытии в 5 раз.
На защиту выносятся следующие положения:
Образование оксидов NiO, С112О и FeO при воздействии низковольтных электрических разрядов длительностью 10-500 мкс происходит преимущественно по гомогенному механизму окисления паров металла в межэлектродной воздушной области вне разрядного канала. Оксиды осаждаются на периферийных участках области воздействия электрического разряда.
С ростом времени электроискровой обработки содержание оксидов на катоде увеличивается до определенного момента, совпадающего с наступлением максимума кинетических кривых изменения массы катода, а затем уменьшается. Наибольшая концентрация оксидов металлов в поверхностных слоях электродов наблюдается после воздействия низковольтных электрических разрядов длительностью 100-300 мкс.
При формировании электроискровых WC-Co покрытий на стали Ст35 обезуглероживание карбида вольфрама можно уменьшить за счет увеличения периода следования разрядов с 1 мс до 10 мс при их фиксированном числе и добавления дополнительного количества углерода в исходный состав легирующих электродов.
Практическая значимость работы.
Проведенные исследования способствуют развитию представлений о процессах образования и накопления оксидов в условиях протекания низковольтных электрических разрядов. Полученные экспериментальные результаты и теоретические расчеты могут быть использованы при разработке и усовершенствовании электрофизических методов обработки металлических поверхностей и модификации материалов, а также для оценки стойкости электрических контактов и конструкций, работающих в условиях взаимодействия с плазмой разрядов в газовых средах. На основании полученных результатов предложена методика снижения декарбидизации WC-Co твердого сплава при нанесении упрочняющих электроискровых покрытий
на сталь 35 посредством добавления углерода до 10 масс. % в состав электродных материалов, что позволяет повысить износостойкость модифицированной поверхности в семь раз по сравнению с покрытием на основе стандартного WC-10%Co сплава.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами фундаментальных научно-исследовательских работ РАН по теме «Формирование и исследование наноструктурных и наногетерогенных покрытий с заданными свойствами» (№ гос. регистрации 01. 2. 007 02104) и «Формирование и исследование наноструктурных функциональных материалов и покрытий различного назначения» (№ гос. регистрации 012 01052205).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на VII-VIII Региональной Научной Конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, Образование». Владивосток, 2007, 2009; 138th Annual meeting & Exhibition. TMS. San Francisco, USA, 2009; XII Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Владивосток, 2009; Modern materials and technologies: International Xth Russian-Chinese Symposium. Proceedings. Khabarovsk Pasific National University, 2009; Международной научно-практической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» Комсомольск-на-Амуре, 2009; Ежегодной XXI Международной Инновационно-ориентированная конференции молодых ученых и студентов (МИМКУС-2009). Москва, 2009; 2010 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies, Harbin, China, 2010; Международном симпозиуме «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы», Комсомольск-на-Амуре, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых научных журналах и 16 научных трудов международных, российских и региональных конференций.
Личный вклад автора. Планирование и проведение экспериментальных работ, анализ, интерпретация и обобщение полученных результатов выполнены автором лично. Диссертант самостоятельно разработал оборудование для измерения поглощения кислорода во время электроискровой обработки металлов, проводил численные расчеты согласно предлагаемым моделям окисления материала электродов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, основные выводы и список литературы. Общий объем работы составляет 141 страниц, включая 56 рисунков, 19 таблиц и библиографию из 139 наименований.
