Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Химико-термическая обработка (ХТО) 8
1.2. Анализ ХТО сталей нитроцементацией и борированием 11
1.2.1. Покрытия, получаемые при одновременном насыщении углеродом и азотом 12
1.2.2. Борирование 16
1.2.3. Жидкостное электролизное борирование 20
1.2.4. Формирование боридных покрытий 23
1.2.5. Образование электролизных боридных слоев на железе и сталях 24
1.2.6. О механизме электролизного борирования металлов, в частности железа 28
1.2.7. Некоторые теоретические и экспериментальные исследования по электролизному борированию 33
1.3. Покрытия, получаемые электрофизическими методами 39
1.3.1. Электроискровое легирование 39
1.3.2. Стохастическая модель электроискрового легирования (физические основы) 48
Глава 2. Объекты изучения, оборудование и методики исследования 54
2.1. Объекты изучения 54
2.2. Оборудование для электролизного борирования, цианирования, электроискрового легирования и электроакустического напыления 54
2.2.1. Технология электролизного борирования 54
2.3. Цианирование 56
2.4. Оборудование и некоторые сведения технологии локального электроискрового нанесения покрытий (ЛЭНП) 56
2.5. Оборудование и технология электроакустического нанесения покрытий (ЭЛАНП) 59
2.6. Методики исследований 63
2.7. Оценка адгезионной прочности покрытий методом склерометрии 64
2.8. Методика исследования внутренних напряжений в покрытиях по методу М.М. Северина 70
2.9. О некоторых критериях усталостной долговечности металлов и Сплавов, использующих рассеяние механической энергии 74
Глава 3. Исследование влияния хто на конструкционные стали и их механические и эксплуатационные свойства 76
3.1. Некоторые аспекты теории формирования борсодержащих покрытий при кристаллизации 76
3.2. Исследование кинетики электролизного борирования в армко-железе 81
3.3. Исследование влияния электролизного борирования на структуру фазовый состав и свойства конструкционных сталей для деталей тяговых цепей 84
3.4. Исследование планированных карбонитридных слоев на стали 93
3.5. Оценка механических и эксплуатационных свойств конструкционных сталей с боридными, цианированными и гальваническими покрытиями 97
Глава 4. Изучение инструментальных и конструкционных материалов с электрофизическими покрытиями 106
4.1. Исследование инструментальной стали Р6МЗК2 с электроискровым покрытием из твердого сплава ТІ 5К6М 107
4.2. Оптимизация процесса ЛЭНП на быстрорежущей стали по качеству поверхности 114
4.3. Исследование электроакустических покрытий из смеси самофлюсующихся сплавов на железной и никелевой основах на стали 35ХГС А 118
4.4. Оптимизация процесса электроакустического напыления с целью получения максимальной эрозии электрода 124
4.5. Улучшение свойств быстрорежущей стали Р6М5 изменением химического состава и электроискровым легированием в, газовой среде 127
4.6. Изучение влияния лазерной обработки на электроакустическое покрытие из смеси сплавов ПГ-ФБХ6-2 и ПГ-ЮНОЇ, нанесенное на сталь 35ХГС А 128
4.7. Исследование порошковых титановых сплавов обработанных комбинированной электрофизикотермической обработкой 134
4.8 Повышение эффективности электрофизических покрытий из никелевых самофлюсующихся порошков добавками, полученными СВС-технологией 144
Выводы 157
Библиографический список 159
Приложения 177
- Покрытия, получаемые при одновременном насыщении углеродом и азотом
- Оборудование для электролизного борирования, цианирования, электроискрового легирования и электроакустического напыления
- Исследование влияния электролизного борирования на структуру фазовый состав и свойства конструкционных сталей для деталей тяговых цепей
- Оптимизация процесса ЛЭНП на быстрорежущей стали по качеству поверхности
Введение к работе
Ситуация сложившаяся к настоящему времени в Российском машиностроении, в том числе сельскохозяйственном и горно-обогатительном, требует поиска неотложных мер и решений для повышения его производительности. Эксплуатация ответственных деталей и обрабатывающего инструмента в вышеуказанных отраслях показывает, что ресурс их работы ограничен. Это обусловлено различными внешними факторами (агрессивная сфера, темпера-турно-силовое воздействие, абразивное изнашивание и др.). Для повышения работоспособности таких деталей и инструмента используют различные методы, в частности наносят на ответственные участки покрытия.
Анализ работ по трибологии последних лет показывает, что применение различных материалов и способов нанесения покрытий для повышения износо- и коррозионной стойкости инструмента и деталей позволяет существенно увеличить срок их службы, а также значительно уменьшить затраты на их изготовление.
Во многих отраслях промышленности для повышения ресурса и надежности различных деталей и инструмента используется электрофизическая обработка: локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭНП) и электроакустическое напыление (ЭЛАН). Одним из недостатков электрофизической обработки является недостаточное качество поверхности электроискровых и электроакустических покрытий (высокая пористость, шероховатость, значительные внутренние напряжения и др.).
Компенсацией снижения ресурса инструмента, различных деталей и соединений, вызванных различными причинами, является повышение их износостойкости.
Повысить износостойкость и др. эксплуатационные характеристики, а также качество поверхности покрытий можно разработкой новых составов электродных материалов, а также комбинированными методами упрочнения. А именно, применив после электрофизической обработки поверхностно-
пластическое деформирование (ППД) поверхности или обработку высококонцентрированными потоками энергии (лазером).
Поэтому встает вопрос о необходимости разработки новых составов электродных материалов; оптимизации технологии нанесения покрытий; изучения фазового состава; установления закономерностей формирования структуры и ее влияния на эксплуатационные характеристики упрочняемого материала.
Одним из востребованных методов упрочнения поверхности конструкционных и инструментальных материалов является химико-термическая обработка (ХТО), в частности процесс диффузионного насыщения бором или бором с другими легирующими элементами, а также нитроцементация. Бориро-вание и нитроцементация значительно повышают физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики сталей и сплавов. Однако влияние нитроцементации и борирования на структуру, кинетику и термодинамику образования упрочняющих фаз и свойства для некоторых сталей и сплавов еще недостаточно изучены. Выявление общих закономерностей структурообразо-вания для технологии нанесения покрытий и их влияния на механизмы, и кинетику поверхностного упрочнения позволило бы определить пути контролируемого управления эксплуатационными свойствами композитных материалов, разработать наиболее эффективные технологические варианты их обработки. В связи с этим актуальной является разработка новых электрофизико-химических покрытий для инструментальных и конструкционных материалов, обеспечивающих эксплуатацию при заданных температурно-силовых и временных параметрах, что является проблемной задачей.
Результаты работы вносят существенный вклад в решение важной народно-хозяйственной задачи — повышение ресурса и надежности современной техники.
Настоящая работа выполнялась в соответствии НИР по реализации проекта «Региональные научно-технические программы Центрально-Черноземного района».
Целью работы является повышение физико-механических и эксплуатационных свойств инструмента и деталей из инструментальных и конструкционных материалов путем разработки и применением многофункциональных покрытий, полученных электрофизикохимическими способами и комбинированными обработками.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать, обобщить и систематизировать литературные данные по использованию электрофизикохимических методов обработки инструментальных и конструкционных материалов.
Разработать теоретическое обоснование кинетики образования центров кристаллизации в твердой фазе при борировании. Рассчитать работу по образованию зародышей и диффузии в условиях преобладания диффузии бора по межфазной границе.
Исследовать влияние электролизного борирования на структуру и фазовый состав армко-железа и доэвтектоидных конструкционных сталей.
Разработать и исследовать материалы для электрофизикохимических покрытий, технологии их нанесения. Оптимизировать состав электродных материалов и технологические режимы получения покрытий.
Провести комплексные металлофизические исследования инструментальных и конструкционных материалов, подвергнутых электрофизической и химико-термической обработке. Выявить главные структурные факторы, их взаимосвязи с механическими и эксплуатационными характеристиками.
Расширить возможность применения инструментальных и конструкционных материалов, подвергнутых электрофизической и химико-термической обработке путем улучшение качества и свойств поверхностных легированных слоев (ПЛС) покрытий поверхностно-пластическим деформированием (выглаживанием) и лазерной обработкой.
Провести промышленное апробирование ХТО и электрофизической обработки на реальных объектах машиностроительного и горно-обогатительного производства.
Покрытия, получаемые при одновременном насыщении углеродом и азотом
В отечественном машиностроении одно из ведущих мест принадлежит комплексной ХТО на базе совместного насыщения углеродом и азотом. Процессы заключаются в одновременном насыщении поверхности изделия в газовой среде (иитроцементация) [43-53] или в расплавленной цианистой ванне (цианирование) [54-59].
Газовая иитроцементация проводится в атмосфере углеводородов с добавлением аммиака. Для ускорения насыщения применяется комплексный цианизатор - триэтаноламин.
Для нитроцементации легированных сталей рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую газовую среду, к которой добавляют 3...15% и 2...10% необработанного природного газа и аммиака (NH3) соответственно.
Как известно, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода, причем скорость роста цементованного и нитро-цементовашюго слоев практически одинакова до глубины 400...500 мкм. При этом следует отметить, что температура цементации на 90...100С выше температуры нитроцементации.
После нитроцементации следует закалка сразу из печи (возможна ступенчатая закалка), затем проводят низкий отпуск при 160...180С.
Толщина нитроцементованного слоя (НЦС) составляет обычно 200...800 мкм. Она не должна быть более 1000 мкм. Твердость слоя после термической обработки 58...60 HRC.
При оптимальных условиях насыщения структура НЦС должна состоять из мелкоигольчатого мартенсита, небольшого количества мелких, равномерно распределенных карбонитридов и 30...50% остаточного аустенита. Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прираба тываемость, например, нешлифуемых автомобильных шестерен, что делает их работу бесшумной.
Максимальные показатели износостойкости после ХТО достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности НЦС углерода и азота.
Работоспособность НЦС определяется его фазовым составом и зависит от соотношения концентраций углерода и азота в насыщающей среде. Разбавление NHj углеродосодержащими газами предотвращает перенасыщение поверхностного слоя азотом и, как следствие, устраняет хрупкость нитрид-ной фазы, обеспечивая повышение пластичности покрытия и эксплуатационных триботехпических свойств.
Цианирование заключается в совместном насыщении поверхностного слоя стали азотом и углеродом в жидких расплавах солей, содержащих цианистую группу при температуре 820...950С [54, 59]. Для насыщения в интервале 820...850С рекомендуется следующий состав ванны: 40% NaCN, 40% NaCl, 20% NaC03, в интервале же температур 900...950С необходимы добавки солей (80.. .82)% ВаС12 и (6.. .10)% NaCl, остальное NaCN.
Свойства слоя в первую очередь зависят от содержания (NaCN) в растворе, причем его увеличение не способствует повышению глубины слоя, а только активирует насыщение покрытия углеродом и азотом. Толщина покрытия опредсляюще зависит от температуры и продолжительности процесса и нарастает более активно, чем в процессе нитроцементации.
Нитроцсментация и цианирование являются высокотемпературными процессами насыщения, что считается недостатком при упрочнении деталей сложной формы в следствие их коробления, а также негативно отражается на структуре и свойствах покрытия. Поэтому более перспективными представляются низкотемпературные процессы комплексного газового и жидкостного насыщения [43-46, 55, 57-59].
Низкотемпературные процессы насыщения стали азотом и углеродом являются высокопроизводительными кратковременными процессами и про водятся при температурах 560...580С в жидкой или газовой среде, содержащей активные атомы азота и углерода. При этом независимо от того, из какой среды проводится насыщение происходит преимущественная диффузия азота. В результате формируются карбонитридные фазы, тип которых определяется концентрацией углерода в насыщающей среде. Соотношение концентрации атомов N и С существенно изменяется в зависимости от температуры процесса. Доказано, что с ее понижением концентрация азота в слое возрастает, а углерода соответственно понижается. При низких температурах насыщения в структуре формируются карбонитридные фазы на основе азота. На поверхности покрытия желательна белая зона, толщиной от 5 до 30 мкм, состоящая из (с+у ) - фаз и обладающая высокой твердостью и износостойкостью. Порисі ость в этой зоне можно регулировать в интервале от 3 до 5% за счет газовой насыщающей атмосферы. По мере заглубления в покрытии изменяется фазовый, зависящий от температуры насыщения и в некоторой степени от скорости охлаждения после никотрирования.
Никотрирование - низкотемпературное газовое насыщение, проводится при температуре 570...580С в среде аммиака и различных добавок. В качестве углеродосодержащих компонентов используется природный газ, или эн-до или экюгаз, продукты гидролиза и карбюризаторы: триэтаноламин, синтин, керосин.
Карбонитрация в жидких средах имеет некоторое преимущество перед газовым процессом: малую длительность процесса, высокую скорость и равномерность нагрева, легкость регулирования скорости охлаждения после насыщения.
Наиболее распространен в промышленности процесс насыщения азотом и углеродом в цианидцианантных аэрируемых растворах (Теннифер-процесс) ФРГ. На отечественных предприятиях также используются процесс в циановокислых солях. Известно, что в базовом Теннифер способе рекомендуется через активный расплав (60% NaCN, 40% KCN) пропускать сухой воздух при 570С.
Оборудование для электролизного борирования, цианирования, электроискрового легирования и электроакустического напыления
Схема лабораторной установки для электролизного борирования показана на рис. 2.1. Образец-деталь (1) помещается в металлический тигель (2) из жаростойкой стали, который вставлен в графитовый стакан (3) заполненный электролитом. Все это помещается в рабочем пространстве шахтной печи (4). Контроль температуры осуществляется термопарой (5), а регулирование потенциометром (6). Электролизер [тигель (2) и графитовый стакан (3)] через селеновый выпрямитель (11) запитан постоянным током.
Электролизное борирование осуществляют в расплаве буры при темпе-ратуре 1173...1223К при катодной плотности тока 1500...2000 А/м в течение 1,5...3 часов.
Подготовку установки электролизного насыщения бором к работе проводят в следующем порядке. В печь загружают буру (Na2B407 10Н2О) до половины высоты тигля, после чего печь разогревают до 773-823 К и выдерживают буру до полного испарения кристаллизационной влаги. Затем температуру печи поднимают до рабочей и бура расплавляется. Небольшими порциями добавляют предварительно переплавленную буру до необходимого уровня. В процессе электролиза электролизер служит анодом, а насыщаемая деталь - катодом (1).
Схема полупромышленной установки для электролизного борирования представлена на рис. 2.2. образцов осуществлялось в шахтной электропечи СШОЛ-12-МЗ(Ц4) в контейнерах. Образцы покрывали планирующей пастой. О составе пасты и технологии подробно будет сказано в соответствующем параграфе диссертации.
Нанесение покрытий проводилось на установке «ЭЛФА-541», изготовленной в Болгарии, электродами полученными методом порошковой металлургии и др. специальными способами. Установка «ЭЛФА-541» рис. (2.3. а) состоит из следующих основных узлов: генератора независимым импульсов «ГТ-1Б»; стойки с наносящей головкой и исполнительным механизмом следящей системы и двухкоординатного стола с электроприводом. На рабочем столе установки для закрепления образцов, деталей и инструмента применена плита магнитная «ПМ-21» и специальные приспособления.
На рис. (2.3. б, в) приведены принципиальные схемы установок электроискрового легирования с генератором независимых и зависимых импульсов соответственно.
Отличие метода ЛЭНП от ЭИЛ состоит в следующем: процесс легирования на установке "ЕЛФА-541" протекает без контакта электродов. Для коммутации искровых разрядов применяется генератор независимых импульсов (ГНИ) рис. (2.3. б).
При ЭИЛ по схеме рис. (2.3. в) накопительный конденсатор (С) через токоограничивающий резистор (R) заряжается от источника постоянного тока. В момент пробоя межэлектродного промежутка конденсатор мгновенно освобождается от накопленной электрической энергии. Коммутация электрической цепи осуществляется вибрирующим электродом (анодом). Анод при этом колеблется с частотой 40...100 Гц, периодически контактируя с поверхностью катода.
При работе на установке «ЭЛФА-541» по схеме рис. (2.3. б) необходимое расстояние между стержневым вращающимся электродом-анодом (ЭА) и обрабатываемой поверхностью детали- катода поддерживается следящей автоматической системой, которая поддерживает межэлектродный зазор в пределах 5...30 мкм в зависимости от материала электрода. Кроме того, элек трод кроме вращательного совершает и планетарное движение. При этом на катоде образуется упрочненная поверхность площадью равной двум площадям поперечного сечения электрода. Обычно электрод имеет цилиндрическую форму диаметром 1,0...1,5 мм длиной 40...50 мм, зажимающийся в цангу наносящей головки установки «ЭЛФА-541». Качество ЛЭН покрытий сильно зависит от параметров технологического процесса и требует оптимизации. Установка «ЭЛФА-541» позволяет получать: шероховатость упрочненной поверхности Ra (0,63...2,5 мкм); толщину покрытия (6,5...15 мкм) за один или несколько проходов; с производительностью 0,25 см2 в мин; со значительным повышением механических и эксплуатационных свойств.
Исследование влияния электролизного борирования на структуру фазовый состав и свойства конструкционных сталей для деталей тяговых цепей
Тяговые цепи скребковых и пластинчатых конвейеров занимают одно из основных мест в общем комплексе транспортных перевозок на горнообогатительных комбинатах. Они работают в условиях динамических нагрузок, абразивного и абразивно-коррозионного изнашивания и являются основными сборочными единицами, определяющими их работоспособность и трудоемкость ремонта. Основываясь на собственных исследованиях и анализе литературных источников по данному вопросу, для повышения долговечности элементов тяговых цепей (валиков из стали 40Х, втулок из стали 20 и 50 и пластин из стали 50) наиболее эффективным видом обработки поверхностей трения скольжения является электролизное борирование.
Борирование осуществляется в специальной ванне из нержавеющей хромоникелевой стали с внешним обогревом при 880-920С. В качестве насыщающей среды при борировании применяется расплавленная бура, которая не является оптимальным электролитом для электролизного борирования. Насыщающая способность буры повышается при добавлении в раствор в % (50...60)В2О,, (25.. 30)NaSiO, \0NaF или (lO..A5)K[Fe(CN)zf- При добавлении к буре указанных веществ скорость формирования борированного слоя увеличивается в 1,2...1,3 раза. Перед борированием обработанные детали тяговых цепей очищают от продуктов коррозии, масел, грязи и просушивают. Детали устанавливают в ванне так, чтобы расстояние между деталью и электродом было (40.. .50) мм.
После расплавления буры с добавками в ванну погружают электроды: катод - деталь и анодно-графитовые стержни.
Генератор постоянного тока при напряжении 10...12 В поддерживает ток 500 А, при этом плотность тока на поверхности детали (15...20) А/дм2, длительность процесса борирования составляет 5 часов. Толщина борированного слоя при этом (0,08...0,35) мм. Кроме того, на толщину борированного слоя влияет содержание в стали С, Cr, W, Мо, которые снижают интенсивность диффузии бора.
После борирования детали цепи охлаждают до Ю0..130С, промывают в горячей воде и высушивают.
Металлографический (рис. 3.4. - 3.7.) и рентгеноструктурный анализы образцов, изготовленных из различных сталей и подвергнутых электролизному борированию одновременно на одной подвеске, показал, что интенсивность борирования и характер полученных на разных сталях диффузионных слоев различаются. Бор при высоких температурах, диффундируя в металл на определенную глубину, образует на поверхности ромбический борид железа FeB — зона сплошных боридов; далее твердый раствор бора в железе - переходная зона. Сплошной боридный слой имеет двухфазное строение {FeB + Fe2B); борид FeB расположен в поверхностной части зоны сплошных боридов, Fe2B формируется у ее основы. В техническом железе оба борида имеют характерное игольчатое строение. С увеличением содержания углерода до 0,2...0,5% (рис. 3.4. б-г) между иглами появляется новая фаза, обогащенная углеродом типа Fe2B(CxB).
В высокоуглеродистых сталях перед сплошным боридным слоем формируется слой карбоборидной фазы - борного цементита Fe3B(CxB). Это обусловлено тем, что при электролизном борировании сталей углерод не растворяется в образующихся боридах железа, а оттесняется с поверхности вглубь металла. Вызывая науглероживание промежуточной зоны - подслоя. Для всех исследованных сталей науглероженная зона имеет небольшую толщину, и уже на глубине 0,5 мм перераспределение элементов не наблюдается.
Толщина боридного слоя образца из стали 50 после электролизного борирования (0,15...0,2) мм и стали 20 (0,3...0,35) мм. Боридный слой на стали 20 характеризуется большой неравномерностью глубины проникновения отдельных боридных игл в подслой, вследствие чего граница, отделяющая боридный слой от феррито-перлитной сердцевины, извилистая. Присутствие отдельных прожилок, в твердом растворе по границам боридных игл с подслоем, говорит о том, что на этих микроучастках процесс борирования развивается и по границам аустенитных зерен. Это предопределило образование более развитой корневой системы боридных игл, обеспечивающей более качественное сцепление с металлом.
В борированной стали 50 с уменьшением толщины борированного слоя до 0,15 мм изменяется вид боридных игл. Так, глубина их проникновения в подслой уменьшается и профиль границы выравнивается. Все это приводит к уменьшению сцепления боридного слоя с металлом, что обусловлено более слабым развитием корневой системой боридных игл в доэвтектоидных сталях с повышением содержания углерода. При этом толщина подслоя колеблется в значительных пределах.
Для уточнения фазового состава боридного слоя в работе был применен метод конверсионной мессбауэровской спектроскопии [177-180]. Эффект Мессбауэра - эффект резонансного поглощения у - квантов решеткой (системой связанных ядер) без потери энергии на отдачу, открытый в 1958 г., является основой развития метода исследования твердых тел. Он получил название метод ядерной гамма-резонансной спектроскопии (ЯГРС) [177-178]. Суть этого селективного по глубине неразрушающего метода заключается в том, что на мессбауэровском спектрометре в геометрии обратного рассеяния с помощью пропорционального газопроточного детектора регистрируются резонансные конверсионные электроны, которые дают информацию спектральную о при поверхностном слое боридных покрытий на железе и сталях, в частности стали 50, толщиной до 0,25...0,35 мкм или резонансное конверсионное рентгеновское излучение, дающее информацию о слое до 18...22 мкм. Математическая обработка полученных спектров и их анализ позволяет проводить количественный фазовый анализ при поверхностных слоев боридных покрытий.
На рис. 3.8 показаны мессбауэровские конверсионные спектры образцов стали 50 до и после электролизного борирования. В исходном состоянии стали 50 мессбауэровский спектр (рис. 3.8. а) имеет сверхтонкое магнитное расщепление с параметрами эффективного магнитного поля и изомерного сдвига, характерными для армко-железа. В то время как у борированного образца (рис. 3.8. б) полученного со слоя толщиной 0,35 мкм, наблюдается более сложная форма спектра, которая позволяет говорить об образовании в приповерхностном слое магнитно-упорядоченных железоборидных фаз. В работе [181] представлены исследования по изучению методом ЯГРС мессбауэровских параметров этих фаз. У таких фаз параметры ЯГР спектра четко выражены и резко отличаются друг от друга. Это позволяет осуществлять качественный фазовый анализ. Проведенное разложение спектра на составляющие компоненты позволило установить, что он является супер позицией ряда подспектров магнитно-упорядоченных фаз а именно: боридов FeB-Fe2B, Fe3B, твердого раствора FeBj+x с концентрацией бора х (0,35...0,45) и парамагнитного умеренного дублета, который соответствует неупорядоченному квазиморфному твердому раствору FeBj+x с концентрацией бора х (0,35...0,45). На (рис. 3.8. в) представлен конверсионный спектр этого же образца для борированного слоя толщиной (18...22) мкм видно, что его спектр очень сильно отличается по форме и значениям его величин. Так в нем практически отсутствует центральная парамагнитная часть, при этом происходит перераспределение интенсивностей магнитных составляющих его компонентов боридных фаз.
Оптимизация процесса ЛЭНП на быстрорежущей стали по качеству поверхности
С целью выяснения зависимости шероховатости Ra поверхности от энергетических режимов обработки ЛЭНП (и - скорость движения электрода; п - число проходов; Ті - длительность следования импульсов тока (длительность цикла); С - емкости заряда; I — силы тока) было нанесено покрытие из твердого сплава ВК6М на образцы из литой стали Р6М5 с добавками 0,5%С и 1,5% Ті.
Построим линейную модель, описывающую зависимости шероховатости поверхности от режимов напыления и найдем оптимальный вариант с точки зрения получения минимальной шероховатости поверхности. Для этой цели был спланирован и поставлен эксперимент (табл. 4.1).
Для уменьшения числа экспериментов плана 25 и оценки коэффициентов полинома была выбрана полуреплика 25"1 (1=Хі х2 х3 х4 х5), т.е. предположено, что взаимное влияние всех факторов разом между собой минимально и малозначимо (табл. 4.2.).
Исходя из рис. 4.4 можно увидеть, что Ramax будет при Х]=-1, а х2,хз,х4 , Х5 должны иметь значение 1. Соответственно, с точки зрения получения максимального качества поверхности необходимо, чтобы Ra была минимальна, т.е. и=1 мм/с (х,=1), п=2 (х2=-1), Ті=20 мкс (х3=-1), С=0,22 мкФ (х4=-1), 1=3,2 А(х5=-1). Но с уменьшением энергетических параметров падает массопере-нос электрода и уменьшается толщина наносимого покрытия. Поэтому нужно увеличить значения параметров, наименее сильно влияющих на шероховатость, а именно: длительность цикла (х3), число проходов (х2), силу тока (х5). Таким образом, для фрез, предназначенных для получистовой обработки, для которых ограничение задних и передних поверхностей зуба по Ra не 118 более 1,5 мкм, можно предложить следующий режим обработки, после которого не требуется дополнительной шлифовки поверхности зуба: и=1 мм/с; п=4 прохода; Т,=20 мкс; С=0,22 мкФ; 1=9,6 А.
Так, при использовании сплава Т15К6М толщина наносимых слоев достигает 16...23 мкм при микротвердости 13000-14000 МПа.
В нашей работе [162] показано, что для упрочнения и восстановления деталей машин и инструмента находит широкое применение электроакустическое напыление, а в качестве электродов используют самофлюсующиеся порошки из сплавов на железной (ПГ-ФБХ6-2) и никелевой (ПГ-10Н-01) основах, а так же из смеси (табл. 4.4. и 4.5.) соответственно.
Износостойкость нанесенных покрытий приведена в таблице 4.5. Интенсивность изнашивания определялась на машине трения МИ-1М по схеме «диск-колодка» с контртелом из смеси электрокорунда зернистостью N16I и связующего материала (фенолформальдегидной смолы). Электроакустические покрытия наносились методом ЭЛАНП на установке «ЭЛАН-3» на сталь 35ХГСА.
Далее представлены исследования ЭЛАНП из смеси сплавов ПГ-ФБХ6-2 и ПГ-10Н-01 в пропорции (80 и 20 %) соответственно.
Электроды-инструменты для электроакустического напыления изготовлялись следующим образом. Порошки указанных ингредиентов смешивают в указанных соотношениях с пластификатором. Полученную смесь прессуют под давлением (400...500) МПа затем полученные заготовки спекают в защитной среде (эндогазе) при (1300...1450)С и времени выдержки (1,0...1,5) час. ЭЛАНП наносились на образцы из стали 35ХГСА на оптимизированном режиме (см. п. 4.4), обеспечивающем максимальную эрозию электрода.
Металлографическими исследованиями установлено, что на поверхности стали 35ХГСА образуется белый нетравящийся слой переменной толщины, в зависимости от числа проходов.
Его микротвердость 11500-12000 МПа. Покрытия имеют слоистое строение, характерное для напыленных структур. В покрытии, кроме аморфной, присутствуют кристаллические фазы. Одной из причин неполной амор-физации при ЭЛАНП может быть растворение в поверхностном слое больших количеств металла основы, так как при ЭЛАНП кроме переноса капель расплава с анода на катод происходит оплавление катода. Поэтому химический состав покрытия - особенно в переходной зоне между покрытием и основой, значительно отличается от состава легирующего электрода. Кроме того, частично выгорают легкие элементы - углерод, бор и др.. Отклонение от исходного состава (ПГ-ФБХ6-2) затрудняет получение аморфной структуры, но может облегчить образование метастабильных кристаллических фаз. Так при напылении сплава ПГ-ФБХ6-2 в покрытии регистрируется а - твердый раствор на основе железа легированный хромом, а также карбиды и бориды. Кроме того, за короткое время, в течение которого расплавляется металл при ЭЛАНП не успевает пройти гомогенизация состава всего расплавляемого объема. Также в легированный слой попадают недорасплавившиеся частицы — продукты механического разрушения анода.
Механические продольно-крутильные колебания воздействуют на обрабатываемую поверхность подложки, как удар со сдвигом. При поглощении акустической энергии образуются новые дислокации, растет их плотность, происходит активация малоподвижных дислокаций, разориентация субзерен и разрушение субграниц, образование ячеистой структуры, двойникование и образование других структурных несовершенств.
Рекристаллизационные процессы в таком материале, приводят к образованию более мелкого зерна, что обусловлено более высокой скоростью образования зародышей, по сравнению со скоростью их роста, что предопределяет его сохранение в конечной структуре электроакустических покрытий. Кроме того, УЗК воздействуют на микросварочную ванну, возникающую при формировании покрытия, изменяя структуру самого покрытия, а также его физико-механические свойства [150, 151].
