Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ЭЛЕКТРОИСКРОВЫЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ САМОФЛЮСУЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ НА НИКЕЛЬХРОМОВОЙ ОСНОВЕ НА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

Гадалов В.Н., Самойлов В.В., Лыткин А.И.

Актуальность упрочнения деталей машин и инструмента в различных отраслях промышленности общеизвестна и не требует особых доказательств. Широко в настоящее время для этих целей применяется электроискровая обработка.

Электроискровое нанесение износостойких защитных покрытий является одной из ресурсосберегающих технологий, позволяющих повысить долговечность машин и механизмов. Несмотря на повышенный интерес к таким покрытиям, многие вопросы, связанные с изучением их формирования, взаимодействия продуктов эрозии компактных и порошковых электродов и материалом основы, влияния структурно-фазовых изменений исходных материалов на физико-механические свойства, в том числе и сопротивление усталости системы «покрытие-основа», остаются нерешенными. Это приводит к ограниченному применению данной технологии.

Общеизвестны возможности и перспективы метода электроискрового легирования (ЭИЛ) и его разновидностей локального электроискрового нанесения покрытий (ЛЭНП) и электроакустического нанесения покрытий (ЭЛАНП), позволяющих наносить слои практически из любых токопроводящих материалов на поверхности сложной конфигурации /1-4/.

В России и за рубежом выпускается широкая гамма порошковых самофлюсующихся твердых материалов, имеющих целевое триботехническое назначение. Среди них особое место занимают порошки на основе никеля и хрома с присадками бора и кремния, а также порошки интерметаллидов системы никель-алюминий (СТС). Материалы СТС по износостойкости в 5-30 раз превосходят конструкционные, что связано с высокой твердостью и когезионной прочностью. Важным свойством этих сплавов является способность заполировываться, чем обусловлена хорошая износостойкость их при трении без смазочного материала.

В качестве материалов для напыления используют самофлюсующиеся сплавы типа ПГ-СР2, СНГН, ВСНГН, ПН73Х16СЗРЗ, ПН70Х17С4Р4, ПГН4 ТУ и ЭС 733-89 (№-Cr-Mo-B), ПГ-АН (7-9) ТУ, и ИЭС 374-83 (Ni-Fe-Cr-Si-B-C), ПГ-ХН80СР2, ПГХН80СРЗ, ПГ-ХН80СР4 и др. Их рекомендуется применять для защиты поверхностей от износа при одновременном воздействии коррозионной среды и высоких температур с умеренными ударными нагрузками. Они содержат определенное количество элементов, улучшающих смачиваемость и обеспечивающих самофлюсование жидкого металла. Бор и кремний образуют с никелем и хромом легкоплавкие эвтектики с температурой плавления 950-1080°С, а также восстанавливают окисные пленки на поверхности частиц порошка и подложки с образованием боросиликатных шлаков, которые всплывают на поверхности покрытия при самофлюсовании. Эти элементы также увеличивают твердость и износостойкость сплавов, так как практически весь бор находится в сплаве в виде боридов никеля Ni3B и хрома CrB и Cr5B3, имеющих не только высокую твердость, но и являющихся менее хрупкими, чем карбиды. Кремний увеличивает активность хрома в твердом растворе на основе никеля, способствует образованию боридов хрома (CrB), придающих наибольшую твердость сплавам железа. Углерод находится в виде карбидов типа CrC3, Me23Cи карбоборидов.

После электроискровой обработки самофлюсующее покрытие системы Ni-Cr-Si-B-C имеет микрокристаллическую структуру, содержащую метастабильные кристаллическую и аморфные фазы. Присутствие аморфных фаз подтверждается методом просвечивающейся электронной микроскопии, так на отдельных микродифракционных картинах от тонких фольг, полученных электрохимической полировкой, отсутствуют четкие дифракционные максимумы. Наблюдается лишь достаточно интенсивное размытое кольцо вокруг неотклоненного пучка электронов, а также второе и третье еще более размытые кольца значительно меньшей интенсивности, что характерно для аморфных материалов (рис. 1).

На рентгенограммах полученных покрытий (FeKα –излучение) на фоне размытых диффузионных максимумов интенсивности рассеяния рентгеновских лучей наблюдаются дифракционные отражения, соответствующие кристаллическим фазам, что подтверждается электромикроскопическими исследованиями (рис. 2).

Как показано в работе /1/ использование для электроискрового легирования (ЭИЛ) самофлюсующихся сплавов на никельхромовой основе типа NiCr17Si3B3C1 позволяет получать покрытия, представляющие белый нетравящийся слой переменной толщины. Сформированный слой имеет мелкокристаллическую структуру сложную неоднородную по составу, содержащую метастабильную аморфную и кристаллическую фазы.

Металлографические исследования показали (рис. 3, 4), что при электроискровом легировании способом ЛЭНП на установке ЭЛФА-541” вышеуказанным электродным материалом (сплав NiCr17Si3B3C1) быстрорежущей или конструкционной стали на его поверхности образуется серобелый слой с переменной толщиной до 25 мкм, имеющий микрокристаллическую структуру с размером зерна 0,3≈0,5 мкм и белые нетравящиеся прослойки аморфной фазы. Содержание аморфной фазы в слое составляет от 10≈13%.

Подробный анализ покрытия на шлифе с косым срезом /5/ показал, что внутри аморфных участков с размером 2-4 мкм их форма близка к шаровидной, обнаружены кристаллы часто шаровидной формы размером 0,1~0,4 мкм. Микротвердость слоя ~ 12000 МПа и сохраняется на этом уровне при нагреве.

Анализ поверхности стали после коррозионных испытаний показывает (рис. 4), что раствор образцов идет, в основном по участкам стали не прикрытых электроискровым слоем, оставляя участки, упрочненные легированием, практически без изменений.

Рентгенографическими и микрорентгеноспектральными исследованиями установлен сложный состав слоя, содержащий γ–твердый раствор на никелевой основе карбиды хроматипа Cr7C3 и бориды переменного состава от Ni3В до NiВ. При этом γ–твердый раствор по составу неоднороден. Часть его метастабильна и он пересыщен бором. Отдельные участки никелевой матрицы легированы хромом и алюминием.

На рентгенограммах обнаружены линии карбоборидов хрома и никеля, а также силицида никеля. При нанесении вышеуказанных электроискровых покрытий происходит флюсование. Бор и кремний хорошо связывают кислород, что защищает поверхность основы даже при ее относительно высокой пористости. При этом количество кислорода в переходной зоне минимальное (рис. 5).

Электроискровые слои сохраняют мелкокристаллическое строение и после длительных высокотемпературных отжигов (рис. 6). После отжига при 750 °С в течении 4 часов обнаружены белые слои с размером зерна 0,25...0,5 мкм. В то же время отдельные свойства электроискровых покрытий, в частности, его коррозионные характеристики, меняются при более низких температурах, что обусловлено распадом метастабильных фаз.

Так пересыщенный γ–твердый раствор при нагреве распадается с выделением дополнительных количеств борида NiВ, который также распадается при дальнейшем нагреве. Калориметрически установлено, что избыточная фаза растворяется при ~ 500 °С, а распад завершается при ~ 400 ° С. По данным электрохимических исследований обнаружено, что после распада пересыщенного γ– твердый раствора и аморфной фазы при температуре 400±2 °С на анодной поляризационной кривой сплава с покрытием установлено резкое повышение тока активного растворения.

Покрытия были испытаны при абразивной эрозии на установке ЦУК-3М. Оказалось, что материал основы не оказывает заметного влияния на износостойкость электроискровых покрытий, несмотря на их некоторые структурные изменения в приповерхностном слое подложки.

На свойства электроискровых покрытий (твердость, износостойкость) оказывает влияние не только материал покрытия (количество бора, силицида и углерода), но и способ его получения ЭИЛ или ЛЭНП и их технологические режимы. Износостойкость (при абразивной эрозии) покрытий, полученных электроискровой обработкой, определяется условиями изнашивания (твердостью и скоростью абразивных частиц) и свойствами покрытии.

Высокая износостойкость в условиях абразивной эрозии обеспечивается однородной мелкозернистой структурой электроискрового покрытия, полученного на установке «ЭЛФА-541». Такая структура должна обладать оптимальным комплексом твердости и пластичности, удовлетворяющим условию:

КТ ≥ 1,0-1,2,                        (1)

где КТ – отношение твердости материала к твердости абразива.

Более перспективными являются покрытия, полученные ЛЭНП с электродами из порошков с оптимальной твердостью и пластичностью с большими скоростями их нанесения.

Нанесенный на рабочую поверхность детали, электроискровой слой имеет более прочную связь с основой, если его образование сопровождается химическими и диффузионными процессами. Химическая адгезия напрямую связана с температурой плазмы (I, °С), образующейся в межэлектродном пространстве, а также зависит от емкости (С) накопительных конденсаторов установки «ЭЛФА-541». Температура плазмы приближенно рассчитывается по формуле:

 (2)

Таким образом, проведенные исследования показали, что в результате электроискровой обработки самофлюсующимся сплавом типа ПГ-СР на поверхности изучаемых сталей и жаропрочных сложнолегированных сплавов с никельхромовой матрицей, происходят существенные изменения, характеризуемые образованием белого слоя с микрокристаллической структурой, сложного и неоднородного по составу, содержащего метастабильные кристаллическую и аморфную фазы. Соотношение объемного содержания этих фаз, в основном, определяется химическим составом электродного материала, и в меньшей степени зависит от условий технологии. Присутствие этих фаз оказывает существенное влияние, как на коррозионную, так и износостойкость электроискровых покрытий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Электроискровая обработка инструментальных сталей порошковыми самофлюсующимися сплавами типа ПГ-СР / В.Н. Гадалов, Е.В. Павлов, И.В. Павлов и др. // Медико-экологические информационные технологии – 2004: Сб. материалов VII межд. научн.-техн. конф. (25-26 мая 2004 г.) Курск: КГТУ, 2004. -С.202-206.
  2. Разработка и исследование высокоэффективных электроакустических покрытий из жаропрочных сплавов типа ЖС с целью создания композиционных материалов многофункционального назначения / В.Н. Гадалов, В.И. Серебровский, В.А. Зуев и др. // Материалы и упрочняющие технологии – 2001: Сб. публ. IX Российской научн.техн. конф. (20-22 ноября 2001 г.) Курск: КГТУ, 2001. -С. 51-59.
  3. Повышение эксплуатационных свойств электроакустических покрытий из жаропрочных никелевых сплавов с помощью лазерной обработки / В.Н. Гадалов, Ю.Г. Алехин, Ю.В. Болдырев и др./ Материалы и упрочняющие технологии – 2003: Сб. материалов Х юбилейной Российской научн.-техн. конф. с международным участием, посвященной 40-летию Курского государственного технического университета (15-17 декабря 2003 г.) – Курск: КГТУ, 2003. -С. 181-189.
  4. В.Н. Гадалов, В.М. Рощункин Исследования композита с подложкой из сложнолегированного материала на никелевой основе с электрофизическими покрытиями из жаропрочных сплавов типа ЖС // Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение. Воронеж, 2003. -С. 65-73.
  5. К вопросу приготовления шлифов с косым срезом/ В.Н. Гадалов, Ю.Г. Алехин, Е.В. Павлов и др. // Материалы и упрочняющие технологии 2004: Сб. материалов XI Росс. научн.-техн. конф. с межд. участием (23-25 ноября 2004 г.) Курск: КГТУ, 2004. -С. 125-127.

Библиографическая ссылка

Гадалов В.Н., Самойлов В.В., Лыткин А.И. ЭЛЕКТРОИСКРОВЫЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ САМОФЛЮСУЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ НА НИКЕЛЬХРОМОВОЙ ОСНОВЕ НА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ // Фундаментальные исследования. – 2009. – № 5. – С. 43-45;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=1730 (дата обращения: 09.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074