Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов поверхностного упрочнения сталей и сплавов 9
1.1 Поверхностное пластическое деформирование 9
1.2 Химико-термическая обработка 11
1.3 Методы создания упрочняющих износостойких покрытий 15
1.4 Высокоэнергетические методы упрочнения 20
1.5 Комбинированные методы поверхностного упрочнения 28
1.6 Выводы 33
1.7 Цели и задачи исследования 34
Глава 2. Методы и средства экспериментальных исследований 36
2.1 Объект исследования 36
2.2 Установка и методика электроискровой обработки 38
2.3 Методика исследования микротвердости и толщины покрытий 43
2.4 Исследование структурно-фазового состава и параметров кристаллической структуры покрытия 44
2.5 Исследование элементного состава и топографии модифицированных поверхностей и покрытий 45
2.6 Исследование триботехнических свойств модифицированных поверхностей 47
2.7 Оптимизация технологических режимов ЭИО 51
Глава 3. Термодинамика и влияние электроискровой обработки стали 15ХГН2ТА на структурно-фазовые превращения 54
3.1 Основные физические процессы при электроискровой обработке 54
3.2 Термодинамическая модель процесса структурной модификации при ЭИО 56
3.3 Влияние материала легирующего электрода на фазовый состав покрытий, сформированных ЭИО 64
3.4 Выводы 72
Глава 4. Влияние режимов электроискровой обработки на механические и триботехнические свойства поверхностного слоя 74
4.1 Влияние режимов ЭИО и материала легирующего электрода на микротвердость и толщину формируемых покрытий 74
4.2 Исследование влияния материалов легирующих электродов на элементный состав формируемых покрытий 79
4.3 Исследование топографии поверхностей после электроискровой обработки 83
4.4 Оптимизация технологических режимов ЭИО 91
4.5 Выводы 99 Общие выводы и научные результаты 101 Список литературы 103 Приложения 117
- Комбинированные методы поверхностного упрочнения
- Исследование структурно-фазового состава и параметров кристаллической структуры покрытия
- Влияние материала легирующего электрода на фазовый состав покрытий, сформированных ЭИО
- Исследование влияния материалов легирующих электродов на элементный состав формируемых покрытий
Комбинированные методы поверхностного упрочнения
Комбинированные методы поверхностного упрочнения позволяют создавать покрытия с высокими заранее заданными эксплуатационными свойствами [22, 61, 89, 100, 108]. Так поверхностное легирование с последующим азотированием низколегированных сталей позволяет повысить характеристики механической прочности выше уровня свойств высоколегированных сталей. В работе [41] рассмотрены проблемы повышения износостойкости протяжного инструмента методом комбинированного упрочнения, включающего азотирование и нанесение покрытия (Ti, Nb, Al)N. Производственные испытания показали, что комбинированное упрочнение протяжек по предлагаемым режимам позволяет в 2-4 раза повысить их стойкость в сравнении с неупрочненными.
Комбинация методов физического катодно-дугового и химического осаждения из газовой фазы при обработке плунжерных пар топливных насосов высокого давления, изготовленных из стали 25Х5МА, позволяет получить покрытия с высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью [2, 107]. Сущность метода заключается в деструкции молекул углеводородосодержащего газа в результате их столкновений с высокоэнергетическими ионами, генерируемыми сильноточным импульсным катодно-дуговым разрядом на поверхности мишени из графита. Продукты такого взаимодействия, осаждаются на подложке и формируют износостойкое покрытие. Установлено, что коэффициент трения поверхностей с таким покрытием в условиях граничной смазки составляет 0,10-0,12 и практически не изменяется при наличии в ней примесей воды и мелкодисперсных абразивных частиц, в то время как для поверхностей без покрытий коэффициент трения возрастает в 1,4 раза в присутствии примесей.
Ионно-лучевое азотирование газотермических покрытий, полученных методом гиперзвукового распыления проволочных сталей ферритного (Св-08Г2С), мартенситного (40Х13) и аустенитного (06Х19Н9Т) классов, обеспечивает повышение износостойкости покрытий из ферритной стали от 2 до 80 раз; из мартенситной стали от 2 до 13 раз; из аустенитной стали от 10 до 35 раз [58].
В работе [10] показано, что предварительное нанесение на поверхность детали легирующего подслоя с шеелитовым концентратом методом электроискрового легирования с последующим его переплавом электрической дугой в среде углекислого газа позволяет значительно изменять эксплуатационные характеристики стали Ст3 в требуемом направлении.
Электроискровая обработка стали 45 твердым сплавом ВК6М, хромом и молибденом с последующим лазерным упрочнением позволяет снизить интенсивность изнашивания покрытий, сформированных твердым сплавом на 70%, а покрытий, сформированных Сr и Mo – соответственно в 3,5 и 3 раза, по сравнению с необработанной сталью [94].
В работе [43] проведено экспериментальное исследование процесса микродуговой цементации стальных изделий в порошковых средах. Применение порошка каменного угля интенсифицирует процесс диффузионного насыщения углеродом и формирование диффузионного слоя глубиной до 0,3 мм происходит в течении 2…3 минут, что в сотни раз сокращает процесс цементации.
Цементация в плазме электролита обратной полярности [85, 103, 105] – электролитно-плазменная обработка – при температуре 850С продолжительностью 3-6 минут приводит к образованию в стали 30ХГСА модифицированного слоя глубиной 30-40 мкм, состоящего из зерен феррита (-Fe), на границах которых расположены карбиды железа (Fe3C). Значение микротвердости поверхностных слоев стали, модифицированной электролитно-плазменной цементацией, составляет 7500 МПа.
В последнее время перспективным направлением является совмещение электрического воздействия на поверхность с механической обработкой или упрочнение методом электродеформационной обработки [9, 37, 39, 65]. В работе [65] проведен анализ экспериментальных данных по исследованию микротвердости поверхностных слоев углеродистых сталей, подвергнутых электромеханическому упрочнению с ударом. Рассмотрены также некоторые отличительные особенности тонкой структуры упрочненного поверхностного слоя («белого слоя») материала, полученного в области импульсного температурно-силового воздействия.
Эффективным способом упрочнения углеродистых сталей также является обработка, сочетающая воздействие на упрочняемую поверхность искрового разряда и последующую пластическую деформацию с одновременным легированием [12]. Обработка поверхностей возможна как эксцентрично установленным электродом, так и вращающимся диском-электродом с роликами, выполняющими функции разрыва и замыкания цепи анод-катод при поверхностном деформировании. При замыкании цепи обеспечивается перенос легирующего материала на обрабатываемую поверхность и его разравнивание электродом. При этом легирующий материал заполняет вмятины и царапины на поверхности обрабатываемой детали, изменяя ее топографию, сформированную после прохода электрода и повышая микротвердость.
Авторами [66] исследован один из перспективных методов повышения износостойкости – комбинированная фрикционно-электрическая обработка (ФЭО) с высокоэнергетическим воздействием через промежуточную среду – модификатор, содержащий поверхностно-активное вещество (ПАВ). Схема установки для комбинированной ФЭО приведена на рисунке 1.1. Изучено влияние поверхностного модифицирования стальных образцов дисперсными модификаторами в смеси с ПАВ (глицерин) и режимов комбинированной ФЭО на микротвердость поверхностного слоя и износостойкость пары трения «сталь-бронза». В качестве модификаторов применялись: дисульфид молибдена, скрытокристаллический графит (СКГ), медь, бронза.
Исследование структурно-фазового состава и параметров кристаллической структуры покрытия
Методикой исследования фазового состава покрытий после электроискровой обработки предусматривалось исследование образцов методом рентгенофазового анализа (РФА). Рентгенограммы с поверхностей исследуемых образцов получали на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE (Bruker) в Сu-К излучении с графитовым монохроматором при ускоряющем напряжении 40 кВ, анодном токе 40 мА, скорости вращения образца 15 об/мин. Снятие рентгенограмм проводилось во всем диапазоне брэгговских углов (2 = 501200); время накопления импульсов на одну точку составляло 10 с. Рефлексы всей рентгенограммы позволяют определить полный фазовый состав сформированных покрытий на исследуемых образцах. Расшифровка полученных рентгенограмм выполнялась в программном комплексе EVA (Bruker) c интегрированной базой данных по порошковой дифракции ICDD, PDF-2, 2006 г.
Для определения фаз, присутствующих в поверхностном слое образцов, выделяли ряды межплоскостных расстояний dHKL, свойственные хорошо известным и предполагаемым для этих образцов фазам и сопоставляли экспериментальные значения dэксп с табличными [36, 69].
Параметры кристаллической решетки основной фазы стали 15ХГН2ТА и фаз покрытий рассчитывали по формуле [35]: в больших углах (26 - 82 00 ), поскольку относительная погрешность в вычислении величины «а» уменьшается с увеличением угла 26 и является наименьшей из возможных (меньше 1%).
Тонкую структуру поверхностных слоев после ЭИО исследовали методом анализа профиля дифракционных пиков. Малый размер кристаллитов (менее 10 см) и микроискажения вызывают размытие и уширение дифракционных пиков. Разделение этих величин затруднительно, поэтому был применен метод ГАФРЛ (гармонический анализ формы рентгеновских линий) [32]. В данных исследованиях предполагалось, что уширение линий обусловлено изменением размеров областей когерентного рассеяния (ОКР), поэтому эффективный размер кристаллитов «D» можно определить по методике Селякова-Шеррера (с учетом инструментальной поправки) в направлениях [110] и [201]:
Для исследования химического состава поверхностей, модифицированных ЭИО, использовали один из наиболее широко применяемых методов электронной микроскопии - метод растровой (сканирующей) электронной микроскопии (РЭМ). Элементный количественный состав покрытий, формируемых на стальных образцах, исследуется с помощью специального модуля - рентгеновского энергодисперсионного спектрометра с использованием отраженных (обратно-рассеянных) электронов [93].
Исследование покрытий, сформированных на образцах из стали 15ХГН2ТА электроискровой обработкой различными электродными материалами, исходного (немодифицированного) образца, а также образцов, модифицированных легирующим электродом ИМХ2, и закаленного образца после триботехнических испытаний осуществлялась на растровом электронном микроскопе Jeol JCM-5700 в режиме высокого вакуума. Поверхности образцов после триботехнических испытаний исследовали как на дорожке трения, так и вне дорожки. Величина ускоряющего напряжения варьировалась в интервале от 10 до 20 кВ. Для получения более высокого разрешения ускоряющее напряжение уменьшалось.
Методикой исследования предусматривалась предварительная подготовка образцов. Перед началом испытания исследуемые образцы проходили ультразвуковую очистку, рабочая поверхность образцов промывалась этиловым спиртом ГОСТ 18300-87 и протиралась салфеткой насухо.
Исследование влияния материала легирующего электрода и режимов электроискровой обработки на топографию формируемых покрытий проводились на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Ntegra Prima (НТ-МДТ, Россия) при комнатной температуре. Математическая пост-обработка полученных результатов осуществлялась при помощи модульной программы Gwyddion.
Контактная атомно-силовая микроскопия (к-АСМ) [70] – один из режимов сканирующей зондовой микроскопии, позволяет визуализировать 3D-изображения рельефа исследуемой поверхности с субнанометровым пространственным разрешением.
В режиме контактной атомно-силовой микроскопии регистрировались сигналы, характеризующие топографию поверхности и сигналы, характеризующие размеры структурных элементов. Последний несет в себе информацию о локальных изменениях рельефа, при этом плавные перепады высоты не регистрируются, что позволило проводить анализ нано- и микроструктуры даже при сильных перепадах рельефа поверхности образца, отражающих границы структурных элементов.
Методика предусматривала исследование поверхности образцов, модифицированных электроискровой обработкой различными электродными материалами, и немодифицированного образца, а также покрытия, сформированные электродом ИМХ2 на различных режимах, и поверхность закаленного образца после триботехнических испытаний. Предварительная подготовка исследуемых образцов включала промывку в ультразвуковой ванне, протирание исследуемых поверхностей этиловым спиртом ГОСТ 18300-87 и сухой салфеткой.
Влияние материала легирующего электрода на фазовый состав покрытий, сформированных ЭИО
Исследование влияния материала легирующих электродов на фазовый состав покрытий, сформированных на образцах из стали 15ХГН2ТА, проводили методом рентгенофазового анализа (РФА) согласно методике, изложенной в п.2.4.
Из рентгенограмм исходных поверхностей стальных образцов (рис. 3.6) видно, что сталь 15ХГН2ТА содержит четыре интенсивных дифракционных максимума, которые относятся к -Fe (ОЦК решетка). Для чистого Fe параметр а = 2,867 . В исследуемой стали параметр решетки увеличен и составляет (2,872±0,0002) (уточнено методом наименьших квадратов). Подобного рода увеличение параметра решетки может быть связано с образованием твердого раствора типа CrFe. Эффективный размер кристаллитов по Селякову-Шерреру (с учетом инструментальной поправки) в направлении [110] составил D110 = 719, в направлении [201] – D201 = 222.
На рисунках 3.7 – 3.11 приведены рентгенограммы поверхностей образцов из стали 15ХГН2ТА, модифицированных ЭИО электродами ИМХ2, Ш2 и Т15К6 на различных технологических режимах. В таблицах 3.1 – 3.3 приведены фазовый состав покрытий, тип и параметры кристаллических решеток, полученные при обработке рентгенограмм.
Расшифровка рентгенограмм покрытий на стали 15ХГН2ТА показала, что электроискровая обработка стандартным электродом Т15К6 приводит к появлению в поверхностном слое карбида титана (TiC), имеющего кубическую решетку с периодом а = 4,318 , а также фаз: (CrTi)2O3 и FeO в незначительном количестве (рис. 3.7, табл. 3.1). При этом пиков от кристаллических фаз исходного материала не наблюдается, что говорит об отсутствии перемешивания материалов легирующего электрода и основы [5, 6].
Обработка рентгенограмм показала также, что в поверхностном слое, модифицированном электродом ИМХ2 на режимах: U = 80 B, С = 60 мкФ, t = 3 мин, наблюдаются интенсивные пики, соответствующие сложным интерметаллидам: FeNi3 с кубической сингонией (а = 3,556 ), CrNiW (рис. 3.8, табл. 3.2), а также пики от подложки, соответствующие твердому раствору CrFe с параметром решетки (а = 2,872±0,0002 ). Эффективный размер блоков (кристаллитов) в направлении [201] D201 = 144.По рентгенограммам образца из стали 15ХГН2ТА, модифицированного электродом ИМХ2 на режимах: U = 100 B, С = 34 мкФ, t = 3 мин, видно, что электроискровая обработка приводит к образованию в покрытии интерметаллидов: FeNi3 с кубической сингонией (а = 3,556 ) (рис. 3.9, табл. 3.2). Обработка рентгенограмм показала также, что в поверхностном слое наблюдаются интенсивные пики, соответствующие твердому раствору CrFe с параметром решетки (а = 2,872±0,0002 ). Эффективный размер блоков (кристаллитов) в направлении [201] D201 = 103 .
В результате электроискровой обработки электродом ИМХ2 на поверхности модифицируемых образцов образуется слой, представляющий собой смесь интерметаллидов и твердого раствора CrFe. Образование интерметаллидов с участием железа, хрома и никеля является следствием микрометаллургических процессов, протекающих на катоде в результате перемешивания и химического взаимодействия компонентов электрода с материалом основы. При ЭИО стали 15ХГН2ТА входящие в состав электрода ИМХ2 микролегирующие элементы и самофлюсующиеся добавки обеспечивают образование защитной атмосферы, которая препятствует формированию оксидов в поверхностном слое [74].
Поверхностный слой, сформированный при обработке электродом Ш2 на стали 15ХГН2ТА (режимы ЭИО: U = 80 B, С = 120 мкФ, t = 4 мин), содержит фазы: FeC, CrFe, CrTiС и Cr2О3 (рис. 3.10, табл. 3.3). Карбид железа (FeC) имеет кубическую сингонию с параметром а = 3,618 . Фаза CrTiС имеет кубическую решетку с а = 4,299 . Твердый раствор CrFe имеет решетку с периодом (2,872±0,0002); эффективный размер блоков (кристаллитов) в направлении [110] составил D110 = 150, в направлении [201] D201 = 210.
Исследование влияния материалов легирующих электродов на элементный состав формируемых покрытий
Исследование влияния химического состава легирующего электрода на элементный состав формируемых покрытий проводили методом растровой электронной микроскопии с помощью рентгеновского энергодисперсионного спектрометра [93]. Величина ускоряющего напряжения варьировалась в интервале от 10 до 15 кВ. Для получения более высокого разрешения ускоряющее напряжение уменьшалось. Количественный химический состав исходного (немодифицированного) образца и покрытий на стальных образцах, модифицированных электродами Т15К6, Ш2 и ИМХ2, приведены на соответствующих спектрограммах (рис. 4.5 – 4.8) и в таблице 4.2.Анализ данных, полученных с помощью рентгеновского энергодисперсионного спектрометра с использованием отраженных электронов, показал, что элементный состав исходной поверхности образца из стали 15ХГН2ТА отличается от состава покрытий и поверхностных слоев образцов, модифицированных электроискровой обработкой электродами различного состава.
В модифицированных образцах не установлено наличие ряда элементов стали 15ХГН2ТА: хрома, марганца и никеля при обработке электродом Т15К6, хрома и марганца при обработке электродом Ш2, марганца и титана при обработке электродом ИМХ2. При этом установлено присутствие вольфрама (ЛЭ Т15К6), кислорода (ЛЭ Ш2) и кремния (ЛЭ ИМХ2), что можно объяснить эрозией легирующих элементов и их малой концентрацией в стали, а также взаимодействием элементов электродов со сталью. 4.3 Исследование топографии поверхностей после электроискровой обработки
Исследование влияния электроискровой обработки на топографию покрытий, сформированных методом ЭИО на режимах: U = 80-160 B; C = 34-240мкФ; t = 1,5-4 мин/см2 различными легирующими электродами проводилось в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (к-АСМ) [70]. В процессе измерений регистрировались сигналы, характеризующие топографию поверхности и сигналы, характеризующие размеры структурных элементов сформированного покрытия. Второй сигнал несет информацию о локальных изменениях рельефа, при этом плавные перепады высоты не регистрируются, что позволяет проводить анализ структурных элементов нано- и микроструктуры даже при значительных перепадах рельефа поверхности образца.
Исследование в режиме к-АСМ топографии (изображение рельефа) исходной поверхности и поверхностей образцов, обработанных (модифицированных) ЭИО, (рис. 4.9-4.12) позволили определить характерный размер структурных элементов (D), а также высотные параметры шероховатости поверхности: среднее арифметическое отклонение профиля (Ra), глубину наибольшей впадины (RV) и высоту наибольшего выступа (RР) профиля поверхностей образцов (табл. 4.3) и получить изображения профилей исследуемых поверхностей (рис. 4.13-4.16).a
Анализируя топографию поверхностей исследуемых образцов, можно заключить, что общий характер формы элементов микронеровностей (в 2D- и 3D-изображениях) поверхностей однотипен, не зависит от материала электродов и существенно отличается от размеров микронеровностей поверхности в исходном состоянии. Необходимо отметить и значительное увеличение микронеровностей на поверхности образца (3D-изображение), обработанного электродом ИМХ2, что связано с увеличением энергетического воздействия. Аналогичное различие наблюдается и на изображениях 2D-поверхностей.
