Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное представление о методе электроискрового легирования 13
1.1. Схема процесса и механизм электроискрового легирования 13
1.2. Формирование вторичной структуры при воздействии концентрированных потоков энергии 17
1.2.1. Структурные изменения материала в зоне воздействия концентрированных потоков энергии в режиме однократных импульсов 18
1.2.2. Структура белого слоя 23
1.2.3. Влияние концентрированных потоков энергии на формирование микроструктуры меди и медных сплавов в области воздействия 33
1.3. Электродный материал для ЗИЛ 34
1.4. Требования к электродным материалам при электроискровом легировании 37
1.5. Формирование покрытий на зажимах контактной сети железнодорожного транспорта 39
ГЛАВА 2. Методика исследований, материалы и оборудование 43
2.1. Используемые электродные материалы 43
2.2. Методика исследования микро- и макроструктуры электродных материалов 43
2.3. Методика исследования кинетики массопереноса в электродных материалах 44
2.4. Проведение ЭИЛ в различных газовых средах и нагрев катода 46
2.5. Методика исследования эрозионных частиц 46
2.6. Рентгенофазовый анализ 47
2.7. Методика измерения переходного электросопротивления 48
2.8. Методика измерения акустического сигнала 48
ГЛАВА 3. Закономерности структурообразования поверхностных слоев на меди и ее сплавах при электроискровом легировании 50
3.1. Формирование макро - и микроструктуры эрозионных следов, на медных катодах полученных в однократном режиме 50
3.2. Особенности структурообразования слоев на электродных материалах, изготовленных из меди 54
3.2.1. Формирование структуры при использовании медных электродов 54
3.2.2. Влияние исходного размера зерна и структуры электродов на структуру и свойства слоя 60
3.2.3. Влияние нагрева и охлаждения на формирование структуры слоя на медном катоде 64
3.3. Формирование структуры слоя на катоде при использовании разноименных электродов 70
3.3.1. Влияние содержания олова в анодных материалах на формирование структуры слоя 70
3.3.2. Формирование структуры слоя при использовании в качестве катода алюминиевой бронзы 72
3.3.3. Формирование слоя при использовании медных и вольфрамовых электродов и угольных анодов 74
3.4. Формирование структуры медных эрозионных частиц при электроискровой обработке 79
3.5. Контроль изменения структуры меди акустическим методом 84
3.6. Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4. Особенности формирования структуры слоя при использовании электродов из железоуглеродистых сплавов 90
4.1. Формирование макро - и микроструктуры эрозионных следов на стальных катодах полученных в однократном режиме 90
4.2. Формирование слоев и их структура на стальных катодах 97
4.2.1. Исследование кинетики массопереноса при электроискровой обработке стальными электродами 97
4.2.2. Особенности строения слоев, выявляемые на не травленых поверхностях 101
4.2.3. Методика выявления структуры белого слоя, полученного при ЭИЛ углеродистых сталей 104
4.3. Влияние нагрева катодов на формирование структуры и свойства слоя 107
4.3.1. Финишная термическая обработка слоев на стальных катодах 107
4.3.2. Дополнительный нагрев катодов в процессе электроискровой обработки 110
4.4. Механизм формирования слоев на углеродистых сталях 116
4.4.1. Влияние содержания углерода и пластической деформации 116
4.4.2. Влияние состава окружающей атмосферы 125
4.4.3. Анализ механизма формирования слоев на углеродистых сталях 127
4.5. Выводы по главе 4 128
ГЛАВА 5. Разработка технологии получения покрытий функционального назначения на зажимах контактной сети железнодорожного транспорта
5.1. Причины нагрева токопроводящих зажимов 131
5.1.1. Влияние момента затяжки на переходное электросопротивление 139
5.1.2. Влияние окисных пленок на величину переходного электросопротивления зажима 143
5.2. Разработка технологии получения методом ЭИЛ покрытий
функционального назначения 144
5.2.1. Формирование медного покрытия на контактных поверхностях токопроводящих зажимов 147
5.2.2. Формирование на контактных поверхностях токопроводящих зажимов покрытия из сплава на основе серебра 151
5.2.3. Формирование покрытий на контактных поверхностях зажимов заземляющего провода 160
5.3. Выводы по главе 5 164
Основные результаты и выводы 166
Список литературы
- Структурные изменения материала в зоне воздействия концентрированных потоков энергии в режиме однократных импульсов
- Методика исследования кинетики массопереноса в электродных материалах
- Особенности структурообразования слоев на электродных материалах, изготовленных из меди
- Исследование кинетики массопереноса при электроискровой обработке стальными электродами
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современного машиностроения невозможно без применения современных технологий, позволяющих упрочнять поверхность деталей. В настоящее время наибольший интерес представляют электрофизические методы нанесения и упрочнения покрытий на металлических поверхностях с использованием концентрированных потоков энергии (лазерное, электронное, плазменное и др.). К этим методам относится электроискровое легирование (ЭИЛ) - технология получения покрытий путем электроискровой обработки, т.е. взаимодействия между анодом (обрабатывающим электродом) и катодом (деталью). 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. Наряду с указанными достоинствами метод обладает и рядом недостатков, которые сдерживают его широкое внедрение в промышленное производство. К основным недостаткам можно отнести небольшую толщину слоев, отсутствие достаточного количества информации о закономерностях формирования структуры материалов, подвергаемых электроискровому воздействию.
В результате ЭИЛ на поверхности электродов образуется вторичная структура (ВС), отличающаяся от исходной и состоящая из зоны оплавления (ЗО) и ниже расположенной зоны термического влияния (ЗТВ). ЗО, образованная фактически закалкой из жидкого состояния, характеризуется малыми размерами структурных составляющих. При использовании большинства металлов и сплавов в ЗО формируется «белый слой» (БС), обладающий высокой твердостью и стойкостью против воздействия растворов кислот. Но микроструктура ЗО некоторых металлов (медь, алюминий) после ЭИЛ выявляется методами ме 7 таллографии, что позволяет использовать эти металлы для исследований в качестве модельных.
Многие вопросы, связанные с формированием структуры и особенных свойств БС, полученных методом ЗИЛ, недостаточно изучены. Исследование структурообразования слоя при ЗИЛ и разработка технологии получения методом ЗИЛ покрытий с заданными свойствами на деталях представляют большой научно-практический интерес и являются актуальной проблемой для машиностроения. При исследовании структуры слоя обращалось большое внимание на связь состава слоя с его структурой, свойствами и технологическими режимами его получения.
Таким образом, диссертационная работа направлена на решение важной проблемы - установление закономерностей формирования структуры и свойств слоев на металлических деталях под воздействием низковольтного электроискрового процесса с целью управления их функциональными свойствами.
Цель работы. Установление закономерностей формирования структуры металлов и сплавов при низковольтной электроискровой обработке и разработка на их основе технологии получения покрытий на зажимах контактной сети железнодорожного транспорта.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование закономерностей формирования поверхностного слоя при ЗИЛ электродными материалами из меди и ее сплавов в зависимости от со става, исходной структуры, режимов нагрева или охлаждения катодов и изменения параметров установок для ЗИЛ.
2. Установление закономерностей структурообразования поверхностного слоя при использовании в качестве электродных материалов железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода, состава окружающей среды и параметров используемой установки.
3. Изучение влияния нагрева катода и финишной термической обработки слоя, полученного при ЭИЛ стальными электродами, на увеличение структурной однородности и уменьшение количества трещин.
4. Исследование и разработка технологии получения покрытий на зажимах контактной сети железнодорожного транспорта для повышения их надежности в условиях эксплуатации.
5. Разработка методики неразрушающего контроля акустическим методом свойств и параметров структуры меди, изменяющейся после электроискрового воздействия и термической обработки.
Научная новизна.
1. Установлена и научно обоснована общая закономерность формирования поверхностного слоя при низковольтной электроискровой обработке:
- на катодах из меди и ее сплавов в случае отсутствия дефектов (трещин и окисных пленок) слой состоит из столбчатых кристаллитов в нижней части и равноосных - в средней и верхней, а при наличии дефектов — из нескольких рядов столбчатых кристаллитов нормально ориентированных к поверхности по всей его толщине, разделенных дефектами;
- легирование медных анодных материалов оловом до 10 % масс, не изменяет механизм структурообразования слоя, увеличивает его толщину, уменьшает количество пор и микротрещин.
2. На структурообразование и свойства формируемого слоя влияют исходное состояние материала медных электродов и технологические факторы:
- увеличение размера исходного зерна и снижение наклепа в медных электродных материалах приводят к уменьшению толщины слоя и зоны термического влияния на катодах;
- повышение исходной шероховатости на поверхности электродных материалов приводит к уменьшению количества эрозионных частиц и увеличению их размера. - подогрев катода в процессе ЭИЛ до 50° С уменьшает количество дефектов в слое и способствует образованию участков, где столбчатые кристаллиты ЗТВ и нижней части слоя составляют единое целое;
- охлаждение катода жидким азотом способствует уменьшению количества дефектов в слое, увеличению его толщины в 2 раза и формированию равноосных зерен размером от 0,5 до 0,8 мкм;
3. Установлено, что слой на катоде при использовании электродов из меди, бронзы, стали и вольфрама формируется в условиях многократного прямого и обратного массопереноса и состоит из микрообластей различного состава, определяющего особенности структурообразования.
4. Процесс структурообразования слоя зависит от содержания углерода в материале электродов (СтЗ, стали марок 10, 30, 45, У8, У11, чугун марки СЧ 15) и параметров используемой для ЭИЛ установки:
- с ростом содержания углерода в материале одноименных стальных электродов увеличиваются количество пор в верхней части слоя из-за образования окиси углерода (СО), привес катода и эрозия анода;
- при ЭИЛ стальными электродами с разным содержанием углерода адгезия формирующегося слоя выше к материалу электрода с большим содержанием углерода, независимо от того, в качестве анода или катода он используется;
- основными механизмами формирования структуры слоя с высокой твердостью и коррозионной стойкостью являются твердорастворное упрочнение атомами кислорода и азота стальной матрицы и деформационное упрочнение, возникающее в результате термоупругости и фазового наклепа, в зависимости от состава стали.
5. Установлено, что нагрев токопроводящих зажимов в условиях эксплуатации обусловлен наличием внутренних литейных дефектов и образованием окисных пленок на контактной поверхности, увеличивающих переходное электросопротивление зажима. Практическая значимость.
1. Разработана технология получения медносеребряного и серебряноцин-кового покрытия на зажимах контактной сети железнодорожного транспорта методом электроискрового легирования, позволяющего повысить их надежность в условиях эксплуатации.
2. Установлено, что дополнительный нагрев катодов из высокоуглеродистых сталей до температуры 50° С, низко- и среднеуглеродистых сталей до 100° С позволяет существенно уменьшить количество микротрещин и повысить однородность микроструктурного строения по сечению слоя, незначительно снижая его микротвердость.
3. Финишная термическая обработка слоя на катоде, полученного при электроискровом легировании стальными электродами, при температуре 100° С и выдержке продолжительностью не менее 1 часа, способствуют уменьшению неоднородности слоя и выравниванию значений микротвердости по сечению.
4. Использование методики неразрушающего контроля акустическим методом внутренней структуры зажимов и покрытий из меди и медносеребряного сплава позволяет определить параметры дефектов с выдачей рекомендации о возможности использования в условиях эксплуатации.
5. Разработана методика выявления микроструктуры белого слоя на углеродистых сталях посредством использования поэтапного травления и применением реактива сложного состава.
Реализация работы.
Разработана и внедрена технология неразрушающего контроля внутренней структуры контактных зажимов и покрытий, полученных на питающих то-копроводящих и заземляющих зажимах, что обеспечивает повышение их надежности в условиях эксплуатации на Забайкальской железной дороге (ОАО «РЖД»). Получен патент на полезную модель.
Результаты работы по упрочнению поверхностей деталей методом ЭИЛ внедрены в учебный процесс Тихоокеанского государственного университета и используются при чтении специальных разделов курсов «Материаловедение», и «Технология декоративных покрытий».
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научно-технических конференциях: VII международной практической конференции-выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», Санкт-Петербург, 2005; V региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», Хабаровск, 2005; международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов», Хабаровск, 2006; VI региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», Благовещенск, 2006; XI конференции «Физика полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов», Владивосток, 2007; международном VIII Российско-китайском симпозиуме «Современные материалы и технологии 2007», Хабаровск, 2007.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК - 2, и 1 патент на полезную модель.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института Материаловедения ХНЦ ДВО РАН по темам «Разработка и получение функциональных материалов и покрытий с использованием минерального сырья и исследование их свойств» (№ государственной регистрации 01.2.00 10619) и «Методологические, физико-химические и технологические основы создания функциональных материалов и покрытий с мелкокристаллической и аморфной структурой при концентрированном энергетическом воздействии» (№ государственной регистрации 020.0 602402).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации из ложе 12 на на 187 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 10 таблиц, aбиблиографию из 184 наименований и приложение.
Структурные изменения материала в зоне воздействия концентрированных потоков энергии в режиме однократных импульсов
Формирование упрочненного слоя происходит под действием последовательных искровых разрядов, при этом происходит многократное перекрытие каждой из ранее образованных лунок или электроэрозионных кратеров вновь возникающими лунками. Некоторые авторы считают, что оптимальное сочетание степени упрочнения и длительности процесса получается при условии однократного действия электрического разряда на каждый из участков обрабатываемой поверхности. Исследование структуры электроэрозионных кратеров, полученных под воздействием единичных электрических разрядов, и зависимости между геометрическими параметрами образующихся лунок (диаметром и глубиной), величиной шероховатости обработанной поверхности, объемом выбрасываемого за импульс материала (объем лунки) и энергией импульса необходимы для установления закономерностей формирования упрочненного слоя. Обычно для исследования лунок применяют методику групповых лунок, что исключает влияние на величину эрозии электродов загрязнения межэлектродной среды, износ электрод-инструмента и других процессов. Лунки, образующиеся на аноде из различных материалов, имеют чечевицеобразную форму, близкую к шаровому сегменту или параболоиду вращения. Обычно при исследовании электроэрозионного кратера различают границу между оплавленной зоной и поверхностью образца, дно кратера, оплавленный слой вокруг дна кратера (валик) и область под оплавленным слоем на уровне дна кратера. Глубина электроэрозионного кратера и его диаметр зависят от параметров электроискрового воздействия и количества импульсов, приходящихся на одну точку, размеры увеличиваются с ростом напряжения в разрядной цепи [37]. Глубина немонотонно возрастает с увеличением количества импульсов приходящихся на одну точку. Авторами [38] определено, что лунки могут иметь формы, близкие к круговому цилиндру (кф=0,785), полуэллипсоиду вращения (кф 0,526), параболоиду вращения (кф=0,392), конусу (кф=0,262). Наиболее предпочтительна в этом случае для наибольшего съема материала и получения поверхности с минимальной шероховатостью цилиндрическая форма или форма полуэллипсоида вращения. Внешний вид, размер и форма лунок зависят от материала анода. Лунки на меди имеют форму близкую к параболоиду вращения или шаровому сегменту, обрамлены валиком шириной 5-8 мкм. высотой не более 0,5 мкм. На вольфраме лунки по размеру в 2 раза меньше, чем на меди, имеют более плоское дно, по форме они близки к полуэллипсоиду вращения и круговому цилиндру. Это связано с большим диаметром канала разряда при обработке вольфрама, что обусловлено большими, чем у меди значениями температуры плавления и испарения, электросопротивления, и меньшим значением температуропроводности.
Искровой разряд сопровождается выделением тепла, скорость нарастания температуры составляет 105 С в секунду, что характерно только для взрывных процессов [39]. Электрический разряд можно рассматривать как микровзрыв с образованием ударных волн и значительным импульсным давлениям. По данным [40], около 25% объема металла электроэрозионных кратеров приобретает температуру кипения, мгновенные давления на поверхности достигают сотен тысяч атмосфер. Согласно [41], при каждом разряде микро-область в поверхностном слое металла «расслаивается» на три концентрические зоны, отличающиеся между собой по агрегатному состоянию (а также по массе, объему и т.д.): центральную, среднюю, периферийную. В центральной зоне металл выбрасывается с поверхности ввиду быстро развивающегося давления. В средней, жидкой зоне происходят процессы избирательного взаимодействия с легирующими элементами, растворение и диффузия. Периферийная зона, представлена твердым металлом, нагретым выше некоторой критической точки (точки А3 в железе, сталях). В начале процесса жидкая зона ограничивается кратерообраз-ной, гладкой поверхностью вследствие испарения («взрыва») металла из первой зоны и под влиянием поверхностного натяжения. После этого в жидкой зоне происходит кристаллизация («точечная» закалка). При этом на свободной первоначально гладкой кратерообразной поверхности уже затвердевшей жидкой зоны, в результате мартенситного превращения и образования цементита образуются микроскопические выступы. Так создается микроструктурный рельеф. Стоит отметить, что импульсные давления передаются через жидкую фазу металла на холодные нижележащие слои в виде сильных ударных волн, образуя область мгновенного сжатия [39]. Под действием интенсивных ударных волн, высоких скоростей нагрева и охлаждения микрообъемов поверхностного слоя происходит как термомеханическое упрочнение в локализованных участках, так и пластическое деформирование нижележащих слоев холодного металла, прилегающих к поверхности эрозионных лунок, что приводит к наклепу [39].
Максимальное значение твердости достигается в различных зонах электроэрозионного кратера на закаленной стали 45 при различном количестве импульсов на дне кратера после однократного импульса, в зоне оплавления после 8-10 импульсов. Более сложно распределяется микротвердость в области под оплавленным слоем (7000-8000 МПа). В этой области разброс значений твердости составлял 1000 МПа, что свидетельствует об одновременном процессе локального упрочнения и разупрочнения. Оплавленная зона обычно представлена белым слоем. Сложное изменение твердости в различных зонах электроэрозионного кратера в зависимости от кратности воздействия связано со сложным комплексом процессов, развивающихся в них при повторных тепловых нагрузках: фазовыми превращениями, термопластической деформацией, разрушением и разупрочнением. Авторами [37] определено, что оптимальные свойства слоя при ЭИЛ могут быть получены при обработке каждого участка поверхности не более чем 1-5 электрическими разрядами.
Методика исследования кинетики массопереноса в электродных материалах
В качестве электродных материалов в работе использовали, проводниковую медь, медь, полученную электролитическим способом, бронзу оловянную и алюминиевую (БрА9ЖЗЛ), вольфрам, стали с различным содержанием углерода: низкоуглеродистые - СтЗ, сталь марки 10; среднеуглеродистые - стали марок 30, 45; высокоуглеродистые - У7, У8, У11, армко-железо, сталь марки 110Г13, уголь (угольная вставка типа А, ТУ 1916-020-27208846-99). Выплавку электродного материала для анодов (бронзы с различным содержанием олова) производили в печи с графитовым нагревателем Таммана. В качестве базового металла использовалась медь. Производилась добавка олова от 0 до 10 масс. %. Расплав отбирали в кварцевые трубки (диаметром 5 мм). При добавке в медь олова до 10 % по массе образуется однофазный сплав. Однако из-за большого интервала кристаллизации в сплаве, содержащем 10% олова, наблюдается значительная дендритная ликвация. Оси дендритов представляют собой а-фазу, обогащенную медью, ветви дендритов, затвердевшие при более низкой температуре, обогащены оловом. Между ветвями дендритов расположены колонии эвтектоида а+8, которые могли появиться в отдельных местах, где образовалась у-фаза, т. е. произошло обогащение оловом [104] v Колонии эвтектоида устранялись отжигом при температуре 650 С (выдержка 1 час и охлаждение с печью).
Исследование макро- и микроструктурных параметров электродных материалов, проводили с использованием: оптического микроскопа «Micro-200», сканирующего атомно-силового микроскопа ЗНЛ NTEGRA, растрового микроскопа «Eva» с микрорентгеноспектральной приставкой.
Для идентификации структурных составляющих методами металлографии из материалов электродов до и после ЭИЛ изготавливались шлифы в различных сечениях (поперечные, продольные, косые) в основном относительно поверхности обработки. На полированную поверхность изготовленных шлифов воздействовали различными реактивами.
Для выявления микроструктуры меди, алюминиевой и оловянной бронзы, вольфрама, серебряно-цинкового слоя применялись реактивы [105]. Подготовка поверхности, изготовление шлифов проводили в соответствии с известными методиками [106].
Микротвердость составляющих слоя определяли с помощью микротвердомера ПМТ 3.
Отдельно необходимо уточнить использующийся в работе термин, который относится к морфологии зон возникающих на электродах после электроискровой обработки. Самый верхний в поперечном сечении переплавленный слой по аналогии с термином, использующимся в лазерной обработке, будем называть зоной оплавления (ЗО). Применение термина ЗО обусловлено тем, что традиционное использование в литературе по ЭИЛ термина белый слой (БС) в данной работе не корректно в связи с выявлением в ряде случаев его структуры.
Кинетические зависимости изменения массы электродных материалов строили, используя гравиметрический метод [1, 107]. Гравиметрический метод состоит во взвешивании образцов (анода и катода). Значения массы электродов, фиксируемые через каждую минуту, определяют как среднеарифметическую величину, в основном по трем измерениям. После измерений строят соответст вующие графики зависимости массы электродов от времени ЭИЛ. Измерение массы катода и анода проводили через каждую минуту легирования с помощью весов ВЛДП-200 с точностью ±2x10"4 г. Исходя из цели проводимого эксперимента, отсутствия интенсивного окисления и схватывания электродов в большинстве случаев обработку образцов заканчивали на 6 минуте. На подложки наносили покрытия с использованием электроискровых установок «Элитрон 22А» и «Корона 1103», «Элитрон 52Б», что соответствует в тексте установке 1, 2, 3. Их параметры, согласно паспортным данным на установки, приведены в табл.2.1.
Прямое измерение массы позволяет говорить о направлении массопере-носа и его эффективности. Однако по данным исследования кинетики массопе-реноса трудно судить о механизме ЭИЛ, точно так же, как и любое феноменологическое описание не позволяет описать механизм процесса.
Для интерпретации результатов в данной работе строили зависимости в координатах: ук -1 для катода (т/см ), уа - t (г/см-,) для анода, где ук - удельное изменение массы катода, отнесенной к единицы площади, (г/см ); уа - удельное изменение массы анода, отнесенной к единицы площади, (г/см").
Особенности структурообразования слоев на электродных материалах, изготовленных из меди
Исследовались покрытия, полученные на образцах меди после электроискровой обработки на установках 1 и 2. В качестве катодов использовались образцы, изготовленные из электролитической и проводниковой меди. Исходная микроструктура электролитической меди характеризуется расположением вытянутых зерен перпендикулярно поверхности, что связано со способом ее получения. В проводниковой меди, полученной методом волочения, зерна вытянуты вдоль оси волочения.
Поверхность ЗО на катодах, обработанных на установке 1, окислена в большей степени, чем на установке 2, что, по-видимому, объясняется более высокой температурой нагрева анода. Нагрев анода установки 1 составляет 100 С, установки 2 - 80 С, это объясняется большей длительностью импульса установки 1. Макроструктура поверхности ЗО представлена приплюснутыми каплями. Травлением поверхности слоя выявили, что он состоит из равноосных зерен размером 2,5-7,5 мкм, а также отдельных крупных зерен размером до 12 мкм (рис 3.2, а, б).
Металлографическое исследование поперечных шлифов позволило установить, что ЗО имеет мелкозернистое строение, содержит поры, микротрещины и неметаллические включения в виде окисных пленок (рис. 3.2, в, г, д). На катодах, обработанных с использованием установки 1, ЗО имеет большую сплошность. Обнаружены отдельные участки, на которых отсутствует ЗО, что указывает на начало эрозии слоя на катоде. Во всех случаях в нижней части ЗО на границе с ЗТВ располагаются трещины различных размеров, в самой ЗТВ трещины встречаются редко. Основное количество трещин ориентировано параллельно поверхности катода и сконцентрировано в нижней части 30, что указы вает на максимальные напряжения, возникающие в этой части слоя (рис. 3.2, в).
Микроструктура ЗО, выявленная металлографическим травлением, отличается неоднородностью. В процессе ЭИЛ на различных участках может иметь превалирующее значение тот или другой фактор, определяющий ход процесса струк-турообразования. Обнаружены участки с различным микроструктурным строением, в которых слой состоит из зерен различных размеров и формы. Установлено, что на условия формирования участков слоя основное влияние оказывает наличие или отсутствие трещин и неметаллических включений в виде окисных пленок определенных размеров. При этом можно выделить два различных механизма формирования структуры ЗО.
В случае отсутствия трещин и окисных пленок, по первому механизму структурообразования, на поперечных шлифах ЗО условно, по количеству равноосных зерен и размерным параметрам столбчатых кристаллитов, можно разделить на три части (рис. 3.2, д). Нижняя часть, прилегающая к основе, при условии ширины трещин между слоем и ЗТВ менее 3 мкм, состоит из мелких столбчатых кристаллитов (шириной 0,5-2 мкм, длиной 4-7 мкм), толщина слоя которых может быть определена из уравнения теплового баланса [120]. В этой части находятся только столбчатые кристаллиты, ориентированные перпендикулярно к основе. В некоторых случаях они расходятся веерообразно (веерообразная кристаллизация) (рис. 3.3, а). Средняя часть слоя в основном состоит из равноосных зерен размером 2-4 мкм и небольшого числа столбчатых кристаллитов (шириной 1,6-3,7 мкм и длиной 5-11 мкм). Ширина столбчатых кристаллитов, переходящих из нижней части слоя в среднюю увеличивается. Верхняя часть слоя состоит из равноосных зерен или столбчатых кристаллитов, с размерами меньшими, чем в средней части. Подобное строение микроструктуры слоя была получена при быстром охлаждении расплава цинка на медном диске [121], по оценке авторов скорость охлаждения в этом случае не превышает 104К/с.
Слой, сформированный по второму механизму, состоит из рядов столбчатых кристаллитов, которые расположены послойно друг над другом и разделены трещинами или окисными пленками (рис. 3.2, е). Обнаружено уширение столбчатых кристаллитов в верхней части каждого подслоя (рис. 3.3, б). На некоторых участках верхние слои столбчатых кристаллитов располагаются веерообразно, по-видимому, в этом случае капля расплава попала на участок «холодного» катода, явившегося подложкой при кристаллизации, такое же явление наблюдается на поверхности слоя, после выявления структуры травлением (рис. 3.2, а и б). Размерные параметры столбчатых кристаллитов, особенно в нижней части слоя, не существенно отличаются от размеров кристаллитов нижней зоны слоя образованного по первому механизму.
Таким образом, по первому механизму слой сплошной с наличием в средней части равноосных зерен характеризующих равновесные условия кристаллизации.
Обнаружены участки со смешанным механизмом структурообразования. Например, на начальном этапе слой формируется по второму механизму структурообразования, т. е. содержит несколько слоев столбчатых кристаллитов, разделенных трещинами, а верхняя часть слоя формируется по первому механизму.
В некоторых случаях столбчатые кристаллиты основы (или ЗТВ) продолжаются в нижней части слоя, но в большинстве случае этого не наблюдается из-за наличия окисной пленки или трещины. При воздействии излучения лазера на поверхности армко-железа частично оплавленные зерна основного металла также служат подложкой, на которой начинается рост кристаллов [42]. При анализе полученных результатов установлено, что как для первого, так и второго механизма структурообразования, при ширине трещин между слоем и ЗТВ соответствующей толщине границы зерна, т. е. не более 0,5 мкм, столбчатые кристаллиты ЗТВ и нижней части слоя представляют единое целое (рис. 3.3, в).
Исследование кинетики массопереноса при электроискровой обработке стальными электродами
Процесс электроискровой обработки всегда сопровождается разлетом эрозионных частиц. Исследование закономерностей формирования их структуры позволяет получить дополнительную информацию об изменении состояния металла в процессе обработки и процессах структурообразования в самом слое.
Исследованием макроструктуры эрозионных частиц установлено, что они в основном глобулярной формы. Поверхность частиц волнистая, обусловленная гидродинамическими процессами, сопровождающими кристаллизацию, которая протекает в основном во время полета. Исследование поперечных шлифов частиц позволило выявить их внутреннюю микроструктуру.
Внутри подавляющего количества частиц содержатся глобулярные или близкие к ним по форме пустоты в виде пор. В одних частицах поры располагаются равномерно, образуя рассеянную пористость (рис. 3.10, а). В других, частицы имеют одну крупную концентрированную пору (рис. 3.10, б), которая занимает более 35 % объема всей эрозионной частицы, что намного больше усадки для меди при кристаллизации в равновесных условиях. В большинстве случаев крупная пора имеет сообщение с внешней средой, выраженное одним, реже - двумя выходами во внешнюю среду. Исследуя механизм формирования эрозионных частиц в динамике, проводили фотографирование момента их раз лета. В условиях затемнения летящая частица на снимке оставляет светящийся трек, яркость которого уменьшается по мере удаления от места разлета.
Снижение яркости свидетельствует об уменьшении температуры на поверхности частицы. На некоторых треках видны точки повышенной яркости, в этих точках заметно раздвоение трека или изменение его направления. Анализируя полученные результаты можно предложить следующий механизм их формирования. Вначале, на поверхности летящей жидкой капли формируется оболочка из закристаллизовавшегося металла, после этого, из продолжающего охлаждаться внутри частицы расплава выделяется растворенный в металле газ, давление внутри частицы увеличивается, что и приводит к прорыву жидкого металла насыщенного газом во внешнюю среду. Прямым доказательством указанного механизма формирования служат обнаруженные нами частицы в момент прорыва жидкого металла.
При исследовании фотографий разлета эрозионных частиц в случае использования электродов изготовленных из других материалов (алюминий, сталь, вольфрам), обнаружены некоторые отличительные особенности механизма их формирования. Хотя механизм формирования эрозионных частиц в целом имеет схожие стадии.
Металлографическими исследованиями установлено, что размер зерен в эрозионных частицах не зависит от характера пор. Закономерной связи между размерами эрозионных частиц и размером зерен так же не выявлено, как правило, размер зерен округлой формы изменяется от 1 до 5 мкм, зерна вытянутой формы имеют длину от 2 до 3 мкм и ширину от 1 до 1,5 мкм (рис. 3.10, в).
Дальнейшие исследования проводили для изучения влияния приработки и энергии импульса электроискровой установки на характер порообразования.
Анализ полученных результатов показал, что вначале обработки на установке 2, когда на электродах нет вторичной структуры, внутри каждой частицы - одна крупная пора, имеющая выход наружу. После приработки, т.е. образования вторичной структуры, около 30 % частиц имеют рассеянную пористость.
При использовании установки 1 (с большей длительностью импульса) до приработки, одну пору содержат около 20 % частиц, а после приработки, практически все частицы имеют рассеянную пористость.
Полученный результат можно объяснить тем, что после приработки на электродах формируются слои из переплавленного материала, из которого часть газа выделилась в виде пор. Уменьшение количества газа в повторно переплавляемом материале способствует формированию рассеянной пористости в эрозионных частицах. Тот факт, что при использовании установки 2 большая часть частиц остается с крупной центральной порой, можно объяснить значительно меньшей толщиной переплавленных слоев, и поэтому, в материал эрозионных частиц попадает часть ранее не переплавленного металла с повышенной концентрацией газов.
Косвенным свидетельством уменьшения концентрации газа в металле после приработки, является, наблюдаемый экспериментаторами эффект уменьшения интенсивности искрения после некоторого времени от начала обработки.
Металлографическим исследованием микроструктуры в переплавленных слоях обнаружены поры размерами от 2 до 4 мкм, аналогичные по размеру порам в эрозионных частицах диаметром от 5 до 10 мкм. По-видимому, это свидетельствует об одинаковых условиях затвердевания расплава в эрозионных частицах указанных размеров и микрованн расплава в слое на катоде, однако это предположение требует проведения отдельных исследований.
Дополнительно проводили обработку одноименными электродами, изготовленными из железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода (от 0,1 до 3,5 %). При этом обнаружена прямая зависимость между увеличением количества пор в слое и концентрацией углерода в сплаве. Полученные результаты свидетельствуют о том, что образование пор не является результатом окисления металла, а характеризует процесс кипения перегретого расплава.
