Зависимость химического, фазового состава и свойств электроискровых покрытий от состава легирующих материалов

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 541.13:541.183:620.22

Зависимость химического, фазового состава и свойств электроискровых покрытий от состава легирующих материалов

А. Д. Верхотуров, В. П. Лунева

Введение

Присутствие в конструкционных материалах легирующих элементов повышает сроки эксплуатации металлоизделий, их устойчивость к воздействию агрессивных факторов. Поверхностное легирование позволяет сформировать покрытие с необходимым комплексом механических и улучшенных коррозионных свойств при значительной экономии ценных материалов [1].

Электроискровая обработка материалов является современным электрофизическим методом, основанным на использовании концентрированных потоков энергии, создающих условия для массопереноса материалов и формирования поверхностных покрытий различной степени дисперсности. Электроискровой метод разработан выдающимися учеными Б. Р. и Н. И. Лазаренко в 1943 году. С его помощью можно создать устойчивые к внешним физическим и химическим воздействиям покрытия, отличающиеся толщиной, составом и, соответственно, свойствами, которые могут изменяться в широком диапазоне [2]. Метод электроискрового легирования (ЭИЛ) используется для упрочнения и размерной обработки металлических поверхностей. Он позволяет наносить на поверхность металла любые токо-проводящие материалы, получать покрытия с высокой адгезией с материалом основы, которая определяется параметрами электроискрового процесса [1-3].

К достоинствам ЭИЛ можно отнести низкую энергоемкость технологического процесса и простоту установки оборудования. Основными недостатками метода являются шероховатость и пористость сформированных покрытий.

Целью настоящей работы было изучение процесса формирования хромовых электроискровых покрытий, определение влияния

комплексного насыщения стальной поверхности хромом и другими легирующими элементами на механические свойства стали 45 с электроискровыми покрытиями.

Методика исследований

Хром относится к основным легирующим элементам, обеспечивающим устойчивость к низкотемпературной коррозии. Защитные свойства обусловлены присутствием хрома в поверхностном слое и проявляются даже при несплошности покрытия. Это позволило нам применить при создании электроискровых покрытий не только хром, но и объемно легированные хромом стали. Электроискровые покрытия создавали на среднеуглеродистой конструкционной стали 45, в качестве материалов легирования использовали электролитически чистый хром, сплав Х20Н80Н (20-23 % Сг) и стали 20Х13 (14 <% Сг), 12ХН3А (0,6-0,9 <% Сг). Электроискровые покрытия формировали на цилиндрических образцах из стали 45 с диаметром 11-12 мм и высотой 10 мм.

Для создания электроискровых покрытий использовали установку для упрочнения и восстановления деталей машин и режущего инструмента 1МЕ8-01-2, разработанную и выполненную Институтом материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения РАН [4]. Кинетику процесса эрозии и формирования легированного слоя оценивали гравиметрическим методом по изменению массы электродов до и после легирования. Контролировали массоперенос с точностью 5 • 10-5 г дискретно через 1, 3, 5 мин. Длительность легирования одного образца — 10 мин.

Перед легированием анодный электрод цилиндрической формы, диаметром 3,5-5,0 мм и высотой 35,0-50,0 мм зачищали, создавая

МЕТ^^^БРАБОТКА

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

сферическую поверхность эродирующего участка, удаляли вторичные продукты взаимодействия металла с компонентами воздуха при значительном разогревании в процессе легирования. Отличия по составу и свойствам электроискровых покрытий на стали 45 определяются составом анодного материала, так как режим легирования для всех материалов был одинаковым [4]. Нанесение покрытий осуществляли на воздухе, при комнатной температуре, варьируя энергетические параметры процесса. Экспериментально для данной установки определено, что оптимальным режимом ЭИЛ для хромирования является энергия в импульсе Ж = 0,512 Дж и частота следования импульсов 400 Гц.

Микротвердость сформированного покрытия определялась по стандартной методике на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке 200 г, времени нагружения 5 с. Микроструктура покрытий исследовалась с помощью металлографического МИМ-10 («ЛОМО», Санкт-Петербург) и электронного растрового микроскопа ^М-35 С ^ЕОЬ, Япония), спектрометра с волновой дисперсией 8ББ-35. Высоту микронеровностей измеряли на профиломе-тре мод. 283 (ЗАО «ОКБ "Спектр"») с шагом 0,8 мм.

Рентгеноструктурные исследования выполнялись на рентгеновском дифрактоме-тре ДРОН-3М (НПП «Буревестник», Россия) с СиКа-излучением. Распределение химических элементов в покрытиях определяли с помощью рентгеновского микроанализатора МАР-3.

Описание эксперимента

Из временных зависимостей удельных (Дк и Да) и суммарных (X Да и X Дк) величин привеса катода и эрозии анода определялись характеристики ЭИЛ: коэффициент массопе-реноса К = ^ Дк / ^ Да, %, порог хрупкого разрушения легированного слоя 1Х — время достижения максимального значения ^ Дк.

Исследовали состояние поверхности после электроискрового легирования, определяя основные топологические характеристики: шероховатость, сплошность и пористость. Благодаря металлографическим исследованиям получены значения толщины белого слоя и толщины сформированного покрытия. Защитный эффект покрытия определяется состоянием поверхности и его фазовым составом. Для нас представляет интерес не только сформированное покрытие (катод), но и те из-

менения, которые происходят в поверхностном слое анода и влияют на формирование покрытия в процессе ЭИЛ.

Обсуждение результатов

Основная задача создания электроискровых покрытий — упрочнение поверхностного слоя металлоизделия за счет изменения его химического состава, внедрения в поверхность легирующих элементов. Формирование электроискровых покрытий представляет зависимости удельного привеса катода Дк и убыли массы анода Х^а от времени обработки.

Экспериментально установлено, что закрепление легирующего слоя зависит от природы анодного материала и продолжительности легирования. При ЭИЛ нельзя не учитывать температурное влияние, так как в процессе легирования происходит высокотемпературная эмиссия анодного материала, его закрепление в поверхностном слое подложки и диффузия во внутренние слои [8].

Для более подробного изучения характеристик и свойств сформированных покрытий были проведены металлографические исследования образцов. Установлено, что покрытие состоит из поверхностного слоя, белого слоя и зоны термического влияния. При измерении толщины покрытия была установлена корреляция между коэффициентом массопереноса К, суммарным привесом катода ^ Дк и толщиной покрытия к для всех используемых материалов легирования (табл. 1).

Эффективность массопереноса выше у сплава Х20Н80Н, у этого материала выше не толь-

Таблица 1

Характеристики электроискровых покрытий на стали 45

Параметр Легирующий материал

Хром Х20Н80Н 20Х13 12ХН3А

Привес катода X 10-4, г 165,0 1339,00 460,00 212,00

Эрозия анода X 10-4, г 438,0 1748,00 740,00 685,00

Средний коэффициент массопереноса, % 37,7 76,60 62,20 31,10

Толщина белого слоя, мкм 21,3 42,00 35,10 23,60

Микротвердость, МПа 7752,0 5502,00 8595,00 3777,00

Шероховатость, мкм 3,01 6,93 5,41 5,16

Пористость, % 11,1 14,90 8,90 9,80

Сплошность 98,4 100,00 97,80 98,00

[20

№ 4(64)/2011

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

WiinOOK

а) б)

Рис. 1. Микроструктура поверхности электроискровых покрытий, сформированных легирующими материалами (х450): а — хром; б — Х20Н80Н; в — 20X13; г — 12ХН3А

ко эрозия, но и адгезия в поверхностном слое стали 45. Содержание хрома предопределяет закрепление расплавленной массы на поверхности, так как близкие параметры кристаллической решетки и размеры атомов позволяют образовать сплавы замещения.

На рис. 1 представлены электронные фотографии сформированных покрытий, которые отличаются по состоянию поверхности, явно прослеживаются графитовые включения при использовании сталей, которых нет при легировании хромом и сплавом Х20Н80Н. Это подтверждают и результаты рентгенофазового исследования покрытий. В табл. 2 показано, что в поверхностном слое покрытия находятся интерметаллидные, карбидные и нитрид-ные фазы.

Сформированные покрытия (см. табл. 1) отличаются толщиной белого слоя, микротвердостью, которые рассчитаны как среднестатистические характеристики для 4-6 образцов на каждую экспериментальную точку. Именно белый слой изменяет механические свойства поверхности, повышает твердость и износостойкость. Высокие значения микротвердости при легировании хромом и сталью 20X13 вызваны присутствием нитрида хрома в сформированном покрытии. В двух других случаях в поверхностном слое обнаружены чистые металлы, интерметаллиды и карбиды. Рентгено-фазовый состав катодов и анодов исследован после электроискрового легирования, результаты представлены в табл. 2.

При определении проникновения элементов легирования при создании покрытия была установлена корреляция содержания хрома

Таблица 2

Результаты рентгенофазового исследования электродов после ЭИЛ стали 45

Легирующий Поверхностная фаза

материал Катод Анод

Хром a-Fe, Cr, (Cr, Fe)7C3, CrN, Fe2Cr a-Fe, Cr, Cr2O3, Fe2O3

Х20Н80Н Y-Fe, Ni, NiC, Cr, Cr7C3 Ni, NiO, Cr2O3, FeCr

20Х13 a-Fe, Cr3C2, Cr7C3, Fe2C, CrN a-Fe, Cr3C2, Cr2O3, FeCr

12ХН3А a-Fe, NiO, FeCr a-Fe, NiO, Fe3O4, Fe4N

в анодном материале и в поверхностном слое (рис. 2). Хром и никель проникают на значительную глубину, до 30-50 мкм, что обусловлено составом и теплофизическими свойствами легирующего материала. Содержание хрома в электроискровом покрытии пропорционально его концентрации в анодном материале, что объяснимо взаимным перемешиванием расплавленного металла при легировании.

В процессе легирования материал анода расплавляется, состояние поверхности зависит от формы частиц, соприкасающихся с материалом основы. Во всех случаях в поверхностном слое анода (см. табл. 2) присутствуют оксиды, реже — карбиды и нестехио-метрический нитрид железа. Именно оксиды препятствуют эрозии материала анода из-за низкой электропроводности. В то же время оксиды хрома слабо закрепляются на поверхности стали, хотя потеря массы анода при легировании хромом значительно превосходит привес катода.

При проведении ЭИЛ в атмосфере азота снижается окисляемость анода, увеличивается период легирования до наступления хрупкого разрушения, обеспечивается создание покрытий значительной толщины.

Общие свойства электроискровых покрытий приведены в табл. 1. При выбранном режиме легирования почти достигается сплошность, но обнаруживается значительная шероховатость при использовании сплавов. Электроискровое легирование хромом создает более гладкую поверхность, что, возможно, связано с незначительным массопереносом. Пористость как характеристика покрытия во всех случаях незначительна и не может быть признана негативным свойством покрытия, так как при эксплуатации изделий с такими по-