Нанорельефы поверхностей образцов из нержавеющей стали Х18Н10Т после электрохимической обработки

УДК 621.9.047

НАНОРЕЛЬЕФЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ Х18Н10Т ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Нгуен Тхи Хонг

Проведено исследование нанорельфа поверхности нержавеющей стали Х18Н10Т после различных режимов электрохимической обработки с помощью сканирующего зондового микроскопа.

Ключевые слова: качество поверхности, электрохимическая обработка, нано-рельф, наношероховатость/

Электрохимическая обработка (ЭХО) представляет собой способ обработки металлов и их сплавов, основанный на высокоскоростном растворении материала заготовок при одновременном воздействии тока высокой плотности и потока электролита, протекающего через малый межэлек-тродный зазор между материалом заготовки и катодом-инструментом. При ЭХО происходит копирование на аноде формы катода- инструмента сразу по всей поверхности заготовки, поэтому детали сложной формы могут быть получены в результате простого поступательного движения инструмента. Одна операция ЭХО может заменить несколько механических операций. Отличительными признаками ЭХО являются практическое отсутствие износа инструмента и то, что увеличение производительности процесса, как правило, сопровождается одновременным улучшением качества поверхности изделия, а часто и повышением точности обработки.

ЭХО применяется при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей, литейных и выдувных форм, пресс-форм, ковочных и чеканочных штампов, сложнофасонного режущего инструмента, стеклоформ для прессования изделий из стекла и других деталей авиационной, медицинской и других видов техники.

При ЭХО формирование рельефа поверхности инструментальных сталей, таких как нержавеющая сталь типа Х18Н10Т, сильно связаны с неоднородностью электрохимических свойств на отдельных участках поверхности материалов [1]. Эти стали, как правило, представляют собой многофазные системы на основе твердых растворов, и при приложении анодного потенциала к поверхности таких сталей, в них происходит перераспределение плотности тока между микрообластями с различным фазовым составом. Это приводит к образованию микронеровностей на поверхности электрода. Высота микронеровностей на поверхности обрабатываемой детали зависит не только от предварительной механической и термической обработки материала и размера зерна, но и от величины анодного потенциала и состава электролита. Вообще всего микрорельеф поверхности инструментальных сталей сильно связан с параметрами процесса ЭХО.

Нанорельеф - Это рельеф поверхности материалов в нанометровом масштабе. В таком маленьким масштабе влияние параметров процесса обработки на качество поверхности материалов не значительно, возможно, структура поверхности материалов сильно оказывает влияние на качество поверхности материалов после обработки.

В данной работе исследована поверхность нержавеющей стали типа Х18Н10Т, формирующаяся в процессе электрохимической обработки. Целью исследования было исследование нанорельефа поверхности нержавеющей стали после ЭХО.

Методика эксперимента. В качестве образцов использованы круглые образца из нержавеющей стали типа Х18Н10Т диаметром 6 мм. Процесс электрохимической обработки осуществляется на малом межэлек-тродном зазоре s = 600 мкм, в водном растворе NaCl с различными концентрациями, при плотности тока 14,15 А/см .

Поверхность обработанных образцов исследовалась с помощью сканирующего зондового микроскопа, работающего в контактном режиме [2]. С помощью сканирующего зондового микроскопа получены изображения поверхности нержавеющей стали типа Х18Н10Т с размером скана 5 х 5 мкм. С помощью программы «Nova», предназначенной для работы с приборами, выпускаемыми компанией “НТ-МДТ”, обработаны полученные изображения с целью получения количественных параметров нанорельефа поверхности. Поверхность сталей аттестовалась по следующим основным параметрам:

Средняя шероховатость профиля Яа (вычисляется как средний модуль отклонения точек профиля от средней линии профиля);

Средняя шероховатость профиля по 10 точкам Rz (вычисляется как сумма средней высоты пяти самых высоких выступов профиля и средней глубины пяти наиболее глубоких впадин профиля);

Средний шаг неровностей профиля Sm (вычисляется как средняя длина проекций неровностей на среднюю линию профиля. Неровностью считается часть профиля между двумя ближайшими точками, в которых профиль пересекает свою среднюю линию в направлении сверху вниз);

Результаты.

В соответствии с предлагаемой методикой мы получили следующие результаты. На рис. 1. представлены СЗМ-изображения поверхности нержавеющей стали типа Х18Н10Т до и после электрохимической обработки.

Из рис. 1 видно, что на поверхности нержавеющей стали Х18Н10Т до обработки существует направленность, возможно, появится из струйно-сти, а после ЭХО направленность существует. Однако на поверхности образцов после ЭХО в электролите 5% NaCl наблюдается образование кратеров и каверн. Это может объяснить выпадением карбидных фаз появятся выступы. Известно, что основная фаза стали 12Х18Н10Т - это у-железо

или твердый раствор углерода в у -железе, т.е. аустенит, а вторая фаза - это а-фаза, т.е. мартенсит или феррит. Основными легирующими элементами являются Сг-№-Т1. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбидов Т1. Вблизи зон, обедненных хромом, происходит избирательное электрорастворение. При высоких потенциалах карбиды хрома по-прежнему сохраняют пассивное состояние, однако скорость растворения зон твердого раствора, прилегающих к карбидным образованиям, увеличивается. Наблюдается выпадение карбидных фаз (образование каверн) и образование кратеров. На поверхности образца после ЭХО в электролите 15% №С1 наблюдается несколько выступов, а после ЭХО в электролите 10% №С1 количество выступов появится гуще.

Рис. 1. Сканируемая поверхность нержавеющей стали типа Х18Н10Т до и после обработки: а - до обработки; б - после ЭХО в электролите 5% NaCl; в - после ЭХО в электролите 10% NaCl; г - после ЭХО в электролите 15% NaCl

С помощью программы «Nova», рассчитаны вышесказанные характеристики нанорельефа поверхности, а также построена гистограмма плотности распределения высотных параметров и таблица статистических параметров геометрических свойств поверхности нержавеющей стали до и после обработки (рис. 2).

Рис. 2. Статистические параметры геометрических свойств поверхности и нержавеющей стали типа Х18Н10Т и гистограмма плотности распределения значений функции до и после обработки

На рис. 3 представлены профилограммы поверхности нержавеющей стали Х18Н10Т по сечению А-А и произведена оценка высотных характеристик, углов при вершине граней, а также шагов, которые рассчитывались по вершинам граней.

О 0.S US 2,0 2,5 3fi 3,5 4,0 4,5 -$0

Pian*, (ап

Rene, цт

Рис. 3. Профилограмма поверхности нержавеющей стали до обработки по сечению А-А: а - до обработки; б - после ЭХО в электролите 5% NaCl; в - после ЭХО в электролите 10% NaCl; г - после ЭХО в электролите 15% NaCl

Из рис. 3 видно, что элементы поверхности нержавеющей стали типа Х18Н10Т до обработки имеют высоту 22 - 26,6 нм, угол при вершине составляет 12052’ -41055’ и средний шаг неровностей профиля - 1,2 мкм. Элементы поверхности образцов после ЭХО в водном растворе 5% №С1 имеют высоту 5,2 - 33,7 нм, средний шаг неровностей профиля - 0,2 мкм. А при вершине элементы составляют примерно 12042 или 24019. Элементы поверхности образцов после ЭХО в водном 10% КаС1 имеют высоту 7 -31,4 нм, углы при вершине граней составляет от 8013’ до 2001’ и средний шаг неровностей профиля - 0,25 мкм. Элементы поверхности образца после ЭХО в водном растворе 15% КаС1 имеют высоту 3,2 -14,2 нм, углы при вершине граней составляет от 1205’ до 19057’ и средний шаг неровностей профиля - 0,27 мкм.

Полученные данные сведем в таблицу.

Сводная таблица результатов

Статистические параметры До обработки После обработки в электролите 5% NaCl После обработки в электролите 10% NaCl После обработки в электролите 15% NaCl

Rа , нм 50 63 51 57

Rz , нм 129 187 145 167

Sm , мкм 1,2 0,2 0,25 0,27

Выводы. В результате произведения экспериментов установлено, что, при изменении концентрации электролита средняя шероховатость профиля Яа изменяется не существенно, в пределах от 2% до 26%. С изменением концентрации электролита средняя шероховатость профиля по 10 точкам Rz тоже незначительно изменяется, но средняя шероховатость профиля по 10 точкам Rz изменяется более существенно, чем средняя шероховатость профиля R^ Кроме того, после электрохимической обработки средний шаг неровностей профиля значительно уменьшается. Такое уменьшение среднего шага неровностей профиля связано со структурой поверхности образца. И так средний шаг неровностей профиля повышается с ростом концентрации электролита.

Список литературы

1. Давыдов А. Д., Козак Е. Высокоскоростное электрохимическое формообразование. М.: Наука, 1990, 272 с.

2. Сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO. Справочное руководство по программному модулю обработки изображений, фирма NT-MDT, 2006. 121 с.

Нгуен Тхи Хонг, асп., hongnguyenbsu@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

NANORELIEF OF THE SURFACE OF STAINLESS STEEL CR18NI10TI AFTER THE

ELECTROCHEMICAL PROCESSING

Nguyen Thi Hong

Nanorelief of the surface of stainless steel CR18NI10TI after different modes of electrochemical machining using a scanning probe microscope.

Key words: quality of the surface, electrochemical machining, nanoroughness, nanorelief.

Nguyen Thi Hong, postgraduate, hongnguyenbsu@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University