ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНИИЯ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

УДК 621.9.048

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНИМА АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Прохорова Е.И., магистрант 1 курса направления подготовки 21.03.02 «Землеустройство и кадастры»

ФГБОУ ВО ГУЗ Научный руководитель: к.т.н., доцент Кузнецов И.С. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ

АННОТАЦИЯ

Представлен анализ физико-механических свойств аморфных и нанокристаллических сплавов, описаны процессы кристаллизации, проходящие в сплавах при нагреве, а также связь структуры сплавов с их механическими свойствами. Указаны основные способы производства и перспективы использования при восстановлении и упрочнении деталей машин. Доказано, что применение в качестве восстанавливающих материалов аморфных и нанокристаллических сплавов, имеющих высокую твердость, прочность, пластичность и одновременно обладающих уникальными теплофизическими свойствами, позволит повысить толщину наносимых восстанавливающих покрытий.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Аморфный сплав, нанокристаллический сплав, восстановление, упрочнение, твердость, пластичность, электроискровая обработка.

ABSTRACT

The paper presents an analysis of the physicomechanical properties of amorphous and nanocrystalline alloys, describes the processes of crystallization that take place in alloys during heating, as well as the relationship between the structure of alloys and their mechanical properties. The main production methods and prospects for use in the restoration and strengthening of machine parts are indicated. It has been proved that the use of amorphous and nanocrystalline alloys, which have high hardness, strength, plasticity and simultaneously possess unique thermal properties, will increase the thickness of the reducing coatings applied as reducing materials.

KEY WORDS

Amorphous alloy, nanocrystalline alloy, repair, hardening, hardness, ductility, electrospark deposition.

В ходе истории изучения материалов все массивные металлические сплавы обладали кристаллической микроструктурой. Эра аморфных сплавов (АС) и нанокристаллических сплавов (НКС) началась с получения в 1960 г. первого образца Au-Si [1]. Аморфные сплавы - сплавы, в которых отсутствует дальний порядок в расположения атомов. Как правило, АС и НКС термодинамически неустойчивы, образуются при замедлении кинетических процессов кристаллизации.

В АС и НКС могут быть синтезированы различными методами. Сплавы с низкой стеклообразующей способностью могут быть получены посредством конденсации из паровой фазы. Однако этот способ требует больших затрат энергии, поэтому является малоэффективным.

Другие сплавы могут быть получены:

- механическим истиранием (размолом в шаровой мельнице или путем интенсивной пластической деформации);

- использованием электролитического осаждения из растворов.

Эти методы эффективны, но требуют больших энергетических затрат. Более производительным является метод спинингования, заключающийся в скоростном затвердевании расплава на непрерывно охлаждаемом вращающемся

барабане [2]. С помощью этого метода получают АС в виде тонких пленок и лент. Полученные этим способом сплавы метастабильны при комнатной температуре и кристаллизуются при нагреве, превышающем температуру кристаллизации. Эта температура зависит от условий производства и химического состава сплава. Во многих АС первичной реакцией при нагреве является выпадение наночастиц в остаточной аморфной фазе. Такие НКС имеют нечто общее со стареющими кристаллическими сплавами. В них матрицей для кристаллической фазы служит аморфная фаза. Некоторые из таких материалов обладают улучшенными механическими свойствами по сравнению с однофазными АС.

В настоящее время метод кристаллизации аморфных сплавов широко используется для получения НКС и формирования нанокристаллической структуры [3].

В промышленности РФ методом быстрой закалки изготавливаются несколько видов АС и НКС, массово производятся группы сплавов на основе Fe, N и В таблице 1 представлены некоторые марки отечественных сплавов.

Таблица 1 - Наиболее распространенные марки АС и Ь КС

Марка сплава (вид) Изготовитель Основные элементы сплава Элемент основы

5БДСР (НКС) ООО «АМЕТ» Fe-Cu-Nb-Si-B Fe

84KXPC (АС) ООО «АМЕТ» Co-Fe-Cr-Si-B

86КГСР (АС) ООО «АМЕТ» Co-Fe-Cr-Mg-Si-B

82КЗХСР (АС) ООО «АМЕТ» Co-Fe-Cr-Si-B ^

2НСР (АС) ООО «АМЕТ» Fe-Ni-Si-B-P Fe

30КСР (АС) ООО «АМЕТ» Fe -Si-B-P Fe

9КСР (АС) ООО «АМЕТ» Fe -Si-B-P Fe

82Н7ХСР (АС) ООО «АМЕТ» Ni-Fe-Cr-Si-B №

71Н18ХСР (АС) ООО «АМЕТ» Ni-Cr-Si-B №

92НСР (АС) ООО «АМЕТ» №

АМАГ-200 (НКС) ОАО «НИИМЭТ» Fe-Cu-Nb-Si-B Fe

AMAГ-200C (НКС) ОАО «НИИМЭТ» Fe-Cu-Nb-Si-B Fe

АМАГ - 172 (АС) ОАО «НИИМЭТ» Co-Fe-Cr-Si-B

АМАГ - 170 (АС) ОАО «НИИМЭТ» Co-Fe-Cr-Si-B

ГМ 501 (АС) НПП «ГАММАМЕТ» - ^

ГМ 414 (НКС) НПП «ГАММАМЕТ» - Fe

СМ 610 (АС) НПП «ГАММАМЕТ» Ni

СМ 621 (АС) НПП «ГАММАМЕТ» Ni-Fe-Cr-Si-B Ni

К важным особенностям АС и НКС можно отнести то, что они обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и сопротивлением коррозии, включая пассивацию в некоторых растворах. Кроме того, АС демонстрируют сверхпластичность, включая сверхпластичность при высокой скорости деформации. Предел усталости АС и НКС сопоставим со значениями для высокопрочных сплавов.

Например, в АС на основе Fe, ^ и N твердость может быть свыше 1000 МПа, а прочность - свыше 4,0 ГН/м2 [4].

Важным фактором, влияющим на прочность АС и НКС, является их химический состав. В сплавах с одинаковыми элементами основы прочностные свойства меняются в зависимости от вида и концентрации атомов металлоидов. Так, в работе [4] показаны исследования твердости АС Fe-B. В конце приведен вывод о том, что с увеличением содержания бора с 15% до 25% твердость сплава возрастает. Так же, исследовав зависимость твердости АС от вида атомов металлоидов в Fe8oB2o, Fe8oSi2o, Fe8oP2o, получен вывод: чем выше по периодической системе порядковый номер группы и период металлоида, тем ниже твердость сплава.

Одним из свойств АС является малая упругость, определяемая отсутствием регулярности в расположении атомов. Атомы, находящиеся в неустойчивых положениях, могут сравнительно легко смещаться под действием внешних напряжений, в результате чего приложенное к аморфному металлу напряжение может частично

релаксировать. Неупругость аморфных металлов связана со свободным объемом в их структуре, а, следовательно, и с плотностью сплава [4].

Еще одной характерной чертой АС является то, что они, будучи высокопрочными материалами, обладают чрезвычайно высокой вязкостью разрушения. Концентрация напряжений в вершинах трещин АС сопровождается большой пластической деформацией, поэтому энергия, необходимая для распространения трещин в таком материале, становится чрезвычайно высокой [4].

Согласно общепринятым представлениям, АС являются конфигурационно-замороженными, метастабильными веществами без дальнего порядка в расположении атомов [5]. Они стабилизированы ниже температуры стеклования. Из-за своей термодинамической квазиравновестности АС подвержены влиянию пропорциональной разности термодинамического потенциала аморфного и равновесного состояний, что приводит к их релаксации даже при отсутствии внешних воздействий. Известно два вида такой релаксации - гомогенная и гетерогенная [5].

Гомогенная релаксация проходит однородно во всем объеме материала с сохранением его аморфности. При этом нестабильные атомные конфигурации, возникающие в процессе получения АС, преобразуются в стабильные конфигурации при помощи небольших атомных смещений. Так, смещения атомов в процессе структурной релаксации меньше межатомных расстояний и происходят они в локальных областях [5].

Гетерогенная релаксация приводит к появлению в материале областей с дальним порядком, т.к. появляется возможность для перемещения атомов на большие расстояния, характеризующаяся наличием фазовых границ. Она осуществляется зарождением и ростом метастабильной кристаллической фазы и сопровождается выделением скрытой теплоты фазового превращения. Важно отметить, что скорость этих процессов появления новой фазы активационным образом растет с повышением температуры [5]. Специфика фазовых превращений в АС и НКС, состоит в том, что при одних и тех же внешних условиях в них могут реализоваться как медленные, так и быстрые, взрывные режимы кристаллизации [5].

В настоящее время ведется множество научных работ, направленных на применение АС и НКС при восстановлении и упрочнении деталей машин. В частности, в работах [6-26] предлагается использовать АС и НКС в качестве электродных материалов для электроискровой обработки режущих деталей сельскохозяйственной техники. Высокие скорости охлаждения продуктов эрозии и дискретность процесса электроискровой обработки позволяет получать покрытия высокой микротвердости и износостойкости. В работе [27] отражается применение АС и НКС при холодном газодинамическом напылении, плазменной наплавке и газопламенном напылении.

Вывод. Применение в качестве восстанавливающих материалов АС и НКС, имеющих высокую твердость, прочность, пластичность и одновременно обладающих уникальными теплофизическими свойствами, позволит повысить толщину наносимых восстанавливающих покрытий.

Библиография:

1 Klement W., Willens R.H., Duwez P. Non-crystalline structure in solidified goldsilicon alloys // Nature. 1960. Vol. l87. N 4740. P. 869-870.

2. Лёвин Ю.Б. Теоретические и технологические основы производства кобальтовых аморфных магнитно-мягких сплавов специального назначения: дис. ... докт. техн. наук. М., 2009. 412 с.

3. Особенности нанокристаллизации при отжиге аморфных лент из сплава / М.Г. Исаенкова, Ю.А. Перлович, В.А. Фесенко [и др] // Материаловедение. 2008. № 12. С. 19-27.

4. Судзуки К., Фудзимори X., Хасимото К. Аморфные металлы [пер. с японского] / под. ред. Ц. Масумото. М.: Металлургия, 1987. 328 с.

5. Пермякова И.Е. Эволюция механических свойств и особенности кристаллизации металлического стекла системы Co-Fe-Cr-Si, подвергнутого термической обработке: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Тамбов, 2004. 140 с.

6. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Теория и практика электроискрового упрочнения режущих деталей машин аморфными и нанокристаллическими сплавами: учеб. монография // Орел: Изд-во Орел ГАУ. 2015. 174. c.

7. Павлов В.З., Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Оценочные показатели электроискровой обработки при упрочнении и восстановлении деталей: Скорость дрейфа заряженных частиц // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 7. С. 52-54.

8. Коломейченко A.B., Павлов В.З., Кузнецов И.С. О движении заряженных частиц между электродами при электроискровой обработке // Труды ГОСНИТИ. 2012. Т. 110. Ч. 2. С. 128-134.

9. Коломейченко A.B., Павлов В.З., Кузнецов И.С. Определение скорости дрейфа заряженных частиц между электродами при электроискровой обработке // Мир транспорта и технологических машин. 2012. № 2. С. 24-30.

10. Кузнецов И.С., Павлов В.З., Коломейченко A.B. Расчет размера искровых разрядов при электроискровой обработке деталей сельскохозяйственных машин // Russian Journal of Agricultural and Socio-Economic Sciences. 2012. T. 7. № 7. C. 13-15.

11. Коломейченко A.B., Павлов B.3., Кузнецов И.С. Оценка размера искровых разрядов между электродами при электроискровой обработке деталей // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 112. № 1. С. 75-79.

12. Коломейченко A.B., Павлов В.З., Кузнецов И.С. Оценка мощности поверхностных тепловых источников, возникающих при электроискровой обработке деталей машин// Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 112. № 2. С. 143-149.

13. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Структура электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов// Труды ГОСНИТИ. 2014. Т. 115. С. 161-166.

14. Kolomeichenko A.V., Kuznetsov I.S. Tribotechnical properties the electrospark coating of amorphous and nanocrystalline alloys based on iron // Friction and wear. 2014. Vol. 35. No. 6. P. 501-504.

15. Kolomeichenko A.V., Kuznetsov I.S., Kravchenko I.N. Investigation of the thickness and microhardness of electrospark coatings of amorphous and nanocrystalline alloys // Welding International. 2015. Vol. 29. No 10. P. 823-825.

16. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С., Кравченко И.Н. Исследования толщины и микротвердости электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов // Сварочное производство. 2014. № 10. С. 36-39.

17. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Упрочнение электроискровой обработкой режущих кромок зерноуборочных машин // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2013. Т. 40. № 1. С. 187-190.

18. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Определение рационального времени электроискровой обработки пальцев жаток зерноуборочных комбайнов электродом из аморфного сплава марки 84КХСР // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 124. № 3. С. 35-39.

19. Хромов В.Н., Кузнецов И.С., Петрашов A.C. Электроискровая обработка поверхностей деталей как способ получения износостойких покрытий из объёмных наноструктурированных частиц // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 4. С. 23-26.

20. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Результаты эксплуатационных испытаний деталей режущего аппарата зерноуборочных машин, упрочненных электроискровой обработкой электродом из аморфного сплава 84КХСР // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 111. № 1. С. 91-95.

21. Хромов В.Н., Кузнецов И.С., Петрашов A.C. Электроискровая обработка поверхностей деталей для создания износостойких объёмных наноструктурированных покрытий на режущих деталях сельхозтехники // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2009. Т. 16. № 1. С. 6-8.

22. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Получение износостойких электроискровых покрытий с нанокристаллической и аморфной структурой // В сборнике: Нанотехнологические разработки аграрных вузов Каталог. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса" (ФГБНУ "Росинформагротех"). Москва, 2013. С. 57-60.

23. Кузнецов И.С., Прокошина Т.С. Повышение износостойкости пальцев жаток зерноуборочных машин // Энергосберегающие технологии и техника в сфере АПК: сборник материалов к Межрегиональной выставке-конференции. 2011. С. 192-196.

24. Кузнецов И.С. Электроискровая технология упрочнения деталей режущего аппарата жаток электродами из аморфных и нанокристаллических сплавов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саранск, 2013.

24. Кузнецов И.С., Прокошина Т.С. Анализ состояния изношенных пальцев жаток современных зерноуборочных комбайнов // Агротехника и энергообеспечение. 2017. Т. 2. № 14 (1). С. 5-11.

25. Кузнецов И.С. Расчетная оценка сопротивления искрового канала при электроискровой обработке // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 8 (140). С. 26-29.

26. Кузнецов И.С., Коломейченко A.B., Малинин В.Г. Восстановление посадочных мест под подшипники электроискровой обработкой // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2017. № 8. С. 20-22.

27. Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой: монография. М.: Лидер М, 2008. 388 с.

УДК 621.9.048

ОБЗОР ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ

Семешина Е.Н., магистрант 1 курса направления подготовки 35.04.06 «Агроинженерия» Добычина И.С., аспирант 3 года обучения направления подготовки 06.06.01 «Биологические науки» Багринцев О.О., аспирант 1 года обучения направления подготовки 35.06.04 «Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве»

ФГБОУ ВО Орловский ГАУ

АННОТАЦИЯ

Описана технология восстановления корпуса JD Z12798 подшипника измельчителя, комбайна Jonh Deer. Технология заключается в нанесение на изношенное посадочное место электроискрового покрытия электродом из твердого сплава ВК6 - ОМ. Технология позволяет получать износостойкое покрытие, имеющее сплошность 80%, толщину 120 мкм, и шероховатость равную Ra 3,2 мкм. Определенно рациональное время для электроискровой обработки ЭИО равное 6 мин/см2.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Электрическая эрозия, микротвердость, электродный материал, электроискровая обработка, электроискровое покрытие.

ABSTRACT

The article describes the technology recovery bearing housings. The technology consists in applying to the worn seat electrospark coating of alloy VK6 - OM. The technology allows to obtain a durable coating having a solidity of 80%, a thickness of 120 ^m, and a surface roughness equal to Ra 3,2 ^m. Definitely time for a rational electrospark deposition of 6

min/cm2.

KEY WORDS

Electrical erosion, microhardness, electrode material, electrospark deposition, electrospark coating.