Особенности применения метода электроискрового легирования при формировании износостойких покрытий

УДК 621.9.048.4

С.А. Мезенцов, В.Н. Лясников, И.Ю. Гоц

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

Рассматриваются особенности получения износостойких покрытий методом электроискрового легирования. Используя титановые и графитовые электроды, на титановой подложке производится формирование карбидных и карбо-нитридных пленок и тонких покрытий. Производится оценка морфологии, толщины и микротвердости полученных покрытий.

Модификация; морфология титана; титан; электроискровое легирование; микротвердость

S.A. Mezentsov, V.N. Lyasnikov, I.Yu. Gots

AN INSIGHT INTO THE METHOD OF ELECTRO-SPARK DEPOSITION FOR

WEAR RESISTANT COATINGS

The paper discusses the issues connected with wear-resistant coatings using the method of electro-spark deposition. The titanium and graphite electrodes are utilized to form carbide and carbo-nitride films and thin coatings on titanium substrate. The provided estimation refers the morphology, thickness and microhardness of the provided coatings.

Modification; titan; morphology of titanium; electric spark deposition, microhardness

Современная промышленность при производстве изделий, работающих в агрессивной среде при высоких механических нагрузках, использует различные металлы и сплавы, особенно хорошо

107

зарекомендовал себя титан и сплавы на его основе. Титан характеризуется как надежный, корро-зионностойкий материал, однако имеет существенные недостатки, связанные со склонностью к контактному схватыванию при трении и низкой износостойкостью, а также с высокой стоимостью. Эти факторы в значительной степени ограничивают область его применения. Целесообразным способом повышения износостойкости и антифрикционных свойств титановых сплавов, а также получения заметного экономического эффекта, является нанесение на поверхность детали покрытия с определенными фазово-структурным составом и физико-механическими свойствами.

Для формирования подобных покрытий существует множество методов. Наиболее широко распространенным в машино- и приборостроении является метод электроплазменного напыления (ЭПН) [1]. Несмотря на ряд преимуществ по сравнению с другими методами, электроплазменное напыление имеет такие недостатки, как вероятность образования трещин, непредсказуемый химический и фазовый состав, низкая адгезия [2, 3].

Применение электроискрового легирования (ЭИЛ) позволяет сформировать покрытие, по морфологии сходное с ЭПН, но обладающее высокими физико-механическими свойствами и лучшей адгезией. Сущность ЭИЛ заключается в использовании плазменных импульсных искровых разрядов в воздушной среде при периодическом контактировании электрода с изделием, вследствие чего осуществляются перенос и осаждение расходуемого материала электрода на поверхность изделия. Основными преимуществами ЭИЛ являются: высокая адгезия с основным материалом, отсутствие нагрева и деформаций изделия в процессе обработки, возможность использования в качестве электродов различных токопроводящих материалов, сравнительная простота технологии, которая не требует специальной предварительной обработки поверхности, низкая энергоемкость ручных и механизированных процессов, высокий коэффициент переноса материала [4].

По результатам проведенных теоретических исследований и ряда экспериментальных работ [5] удалось установить, что для повышения эффективности и улучшения функциональных характеристик покрытия целесообразно осуществить комплексную обработку. В проводимом эксперименте формирование покрытий производилось на воздухе, торцевые поверхности образцов последовательно подвергаются электроискровому легированию титановым и графитовым электродами. В качестве электродов применяются стержни диаметром 2 мм и длиной 25 мм из титанового сплава ВТ1-00 (ГОСТ 19807-74) и графита МПГ-6 (ТУ 48-4807-297-00). Применение последовательной обработки данными электродами необходимо для обеспечения требуемой толщины, морфологии и микротвердости. Воздействие титановым электродом формирует достаточно толстый пористый подслой с развитой морфологией, а графитовый электрод модифицирует полученную поверхность карбидами, повышая при этом твердость покрытия. После нанесения покрытия образцы снова промывались в ультразвуковой ванне УЗВ2-0,16/37 для удаления загрязнений.

Для обеспечения равномерного перемещения легирующего электрода по поверхности образец закрепляется в трехкулачковый патрон токарно-винторезного станка КП-69 с помощью цанги, изготовленной из титанового сплава ВТ-14 (ГОСТ 19807-91). На суппорте станка через разработанную переходную оснастку по нормали к обрабатываемой поверхности жестко закрепляется модифицирующий электрод (рис. 1).

К управляемым факторам технологического процесса электроискрового легирования покрытия с учетом требований эффективности, независимости и однозначности могут быть отнесены плотность тока] и удельное время обработки (у. Данные факторы оказывают прямое влияние на морфологию и микротвердость поверхности.

Обработка производится при фиксированных значениях плотности тока, соответствующих режимам установки ЭФИ-46А: мягкий - 11*106 А/м2, средний - 14*106 А/м2 и жесткий - 18*106 А/м2. Удельное время обработки (у выбирается на трех уровнях:

1) для режима мягкий - 4 мин/см2, 10 мин/см2, 16 мин/см2;

2) для режима средний - 2 мин/см2, 5 мин/см2, 8 мин/см2;

3) для режима жесткий - 1 мин/см2, 3.5 мин/см2, 6 мин/см2.

Рис.1. Компоновочная схема электроискрового легирования: а - общий вид установки; б - процесс ЭИЛ; в - ЭФИ-46А

Данные уровни удельного времени обработки представляют предельные значения. При времени меньше указанных наблюдается формирование несплошного покрытия, а при более длительном времени обработки происходит изменение геометрических размеров образца, коробление вследствие избыточного теплофизического воздействия.

Морфология покрытия, сформированного электроискровым легированием, является гетерогенной и представляет собой множество перекрывающих друг друга лунок - следов от искровых разрядов, равномерно распределенных по поверхности (рис. 2).

а б

Рис. 2 Морфология поверхности после обработки ЭИЛ: а - титановым электродом; б - титановым электродом с последующей модификацией графитовым электродом

По результатам оптической микроскопии покрытий установлено:

• электроискровое легирование при удельном времени обработки менее 2 мин/см2 и плотности тока ниже 14*106 А/м2 нецелесообразно в связи с формированием несплошного покрытия;

• электроискровое легирование при удельном времени обработки более 10 мин/см2 и плотности тока выше 18*106 А/м2 нецелесообразно в связи с образованием трещин в покрытии.

Образцы, на которых оптическая микроскопия не выявила явных дефектов, дополнительно исследовались с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) с увеличением 1, 5, 50 тыс. крат. На рис. 3 представлены РЭМ-изображения поверхности покрытий, сформированных только титановым и титановым с последующей обработкой графитовым электродами соответственно.

Рис. 3. РЭМ-изображение поверхности покрытия, обработанного электроискровым легированием: титановым электродом

Пористость покрытий характеризуется количеством микропор. Анализ фотографий поверхности покрытий позволяет сравнить их параметры суммарной пористости. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

Пористость покрытий, полученных методом ЭИЛ

Электроискровое легирование Пористость, %

Номер серии Титановый электрод Графитовый электрод

Плотность тока, А/м2 Удельное время обработки, мин/см2 Плотность тока, А/м2 Удельное время обработки, мин/см2 средняя участка № 1 средняя участка № 2 средняя участка № 3 средняя по образцу

1 11х106 10 11х106 10 51 53.5 50.1 51.5

2 11х106 10 14х106 5 54.9 51.4 52 49.8

3 11х106 10 18х106 3.5 46.9 43.1 50.1 46.7

4 14х106 5 11х106 10 55.8 61.4 62.7 60.0

5 14х106 5 14х106 5 59.8 61.8 57.5 59.7

6 14х106 5 18х106 3.5 53.4 61.5 55.3 56.7

7 18х106 3.5 11х106 10 70.7 65.9 67.3 68.0

8 18х106 3.5 14х106 5 69.4 65.8 64.9 66.7

9 18х106 3.5 18х106 3.5 62.7 66.8 63.2 64.2

Пористость ЭИЛ покрытий в большей степени зависит от плотности тока у: просматривается тенденция к увеличению пористости с повышением у при обработке титановым электродом и уменьшение при увеличении величины у при обработке графитовым электродом. Это связанно с тем, что при электроискровом легировании титановым электродом формируется основной рельеф покрытия, а последующая обработка графитом лишь модифицирует поверхностный слой (рис. 2). Минимальную пористость 46.7% имеют покрытия, полученные при = 11*106 А/м2, ^ = 10 мин/см2, у2 = 18*106 А/м2,

9 (-\ 9 9/^9

У = 3,5 мин/см; максимальную 68% при = 18*10 А/м, у = 3,5 мин/см, у2 = 11*10 А/м, 1у2 = 10 мин/см2.

Проведенный гранулометрический анализ показал, что у большинства исследованных образцов на долю элементов поверхности меньше 10 мкм приходится от 72 до 95 %, доля элементов размером от 10 до 20 мкм - от 2 до 17 %, более 20 мкм - от 2 до 9 %.

Композиционную структуру покрытия, сформированного электроискровым легированием, можно представить следующим образом (рис. 4).

Рис. 4. Поперечный шлиф покрытий, сформированных: а - титановым электродом; б - титановым электродом с последующей модификацией графитовым электродом

Верхний слой покрытия является пленкой из материала анода, модифицированного элементами материала катода и межэлектродной среды, лежащего на поверхности в виде отдельных агломератов, сплошность которых зависит от режимов обработки, материала анода и времени воздействия. Под ним располагается зона, состоящая из смеси материалов анода и катода. Далее следует слой, сформированный за счет диффузии химических элементов материала анода в материале катода. И, наконец, под ним располагается самый нижний и наибольший по толщине слой, образованный в результате импульсного теплового воздействия. Он представляет структуру, трансформированную из материала

детали, отличаясь от нее кристаллографическим строением и зернистостью. С перемещением вглубь данная структура плавно переходит в структуру основного материала. В зависимости от режимов электроискрового легирования значимость первых трех слоев может быть существенной или незначительной, а роль структуры, сформированной под действием импульсного теплового воздействия, является всегда основополагающей.

Толщина нанесенного композиционного покрытия зависит от технологических режимов электроискрового легирования (табл. 2). Наибольшее влияние оказывает величина плотности тока при обработке титановым электродом, последующее воздействие графитовым электродом не вызывает существенного прироста покрытия, происходит модификация нанесенного слоя путем проникновения углерода в нанесенное титановое покрытие.

Таблица 2

Толщина покрытий, полученных электроискровым легированием

Номер серии Электроискровое легирование Толщина покрытия

Титановый электрод Графитовый электрод

Плотность тока, А/м2 Удельное время обработки, мин/см2 Плотность тока, А/м2 Удельное время обработки, мин/см2 мин. по образцу, х10-6 м макс. по образцу, х10-6 м средняя по образцу, х10-6 м

1 11х106 10 11х106 10 8.5 13.2 10

2 11х106 10 14х106 5 9.8 13.4 12

3 11х106 10 18х106 3.5 13.7 15.6 15

4 14х106 5 11х106 10 25.3 29.7 28

5 14х106 5 14х106 5 26.1 32.6 30

6 14х106 5 18х106 3.5 29.4 32.5 31

7 18х106 3.5 11х106 10 61.1 67.4 65

8 18х106 3.5 14х106 5 68.2 70.1 69

9 18х106 3.5 18х106 3.5 65.9 73.5 70

В зависимости от режима обработки возможно получение покрытий толщиной от 8 до 70 мкм: ми-

6 2 2 6 2 2 нимальная толщина формируется при = 11^10 А/м , ty\ = 10 мин/см , у2 = 11х10 А/м , у = 10 мин/см ,

6 2 2 6 2 2 максимальная - при]\ = 18х10 А/м , у = 3,5 мин/см ,у2 = 18х10 А/м , ty2 = 3,5 мин/см .

Микротвердость титанового подслоя колеблется в диапазоне от 12,4 до 18 ГПа, с максимальными значениями при среднем ty. Микротвердость покрытия после модификации графитовым электродом имеет тенденцию монотонно возрастать с увеличением плотности тока и не зависит от удельного времени обработки (рис. 5).

Рис. 5. Анализ микротвердости покрытий после ЭИО титаном и графитом

Подведем итоги проведенных исследований:

1. Установлена возможность формирования твердых износостойких покрытий методом электроискрового легирования.

2. Определены оптимальные режимы электроискрового легирования (j = 18*106 А/м2, ty1 = 3,5 мин/см2, j2 = 18*106 А/м2, ty2 = 3,5 мин/см2), обеспечивающие рациональное сочетание физико-механических свойств:

• открытая пористость - 64 %;

• толщина покрытия - 70 мкм, из них около 30 мкм модифицированы графитовым электродом;

• микротвердость - титановый подслой 12.9 ГПа, верхний слой покрытия, обработанный графитом - 20.8 ГПа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лясников В.Н., Бутовский К.Г. Напыленные покрытия, технология и оборудование: учеб. пособие. Саратов: СГТУ, 2000. 118 с.

2. Смирнов И.В., Черный А.В., Белоусова Н.А. Структура и коррозионная стойкость плазменных покрытий при напылении керамических плакированных порошков // Вестник НТУУ «КПИ». 2010. № 60.

3. Corrosion properties of plasma-sprayed Al2O3-TiO2 coatings on Ti metal / Y. Song, I. Lee, S.N. Hong et al. // J. MATER SCI 41. 2006. P. 2059.

4. Коротаев Д.Н., Иванова Е.В. Субструктурное поверхностное упрочнение деталей трибоси-стем методом электроискрового легирования // Перспективные материалы. 2011. № 2. С. 38-102.

5. Мезенцов С.А., Лясников В.Н. Формирование наноструктурированных биокомпозиционных покрытий на изделиях медицинской техники искродуговым методом // Физическое материаловедение: материалы VI Междунар. школы с элементами научной школы для молодежи, 30 сентября - 5 октября 2013 г. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2013. С. 65-67.

Мезенцов Сергей Александрович -

аспирант кафедры «Физическое материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Sergey A. Mezentsov -

postgraduate

Department of Physical material science

and biomedical engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Лясников Владимир Николаевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физическое материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Vladimir N. Lyasnikov -

Dr. Sc., Professor,

Head: Department of Physical material science and biomedical engineering Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Гоц Ирина Юрьевна -

кандидат химических наук, доцент кафедры «Физическое материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Irina Yu. Gots -

Ph. D., Associate professor Department of Physical material science and biomedical engineering Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 15.06.15, принята к опубликованию 10.11.15