Effect of Chromium Addition and Regimes during Electrospark Alloying with Aluminum Matrix Anode Material of Steel 45

Full Text

Введение

В последнее время перед учеными-материаловедами стоят задачи по разработке технологических процессов получения упрочняющих покрытий, используемых в машиностроении, обладающих высокой твердостью, износостойкостью, жаростойкостью и другими свойствами. Для нанесения упрочняющих покрытий актуален метод электроискрового легирования (ЭИЛ). В основе метода ЭИЛ лежит электрическая искра как технологический инструмент, который разрушает электрод (анод) и формирует на поверхности детали (катоде) покрытия с заданными функциональными свойствами. Методом ЭИЛ можно наносить любой токопроводящий материал. К анодным материалам, обладающим уникальными механическими, технологическими и специальными свойствами, относят алюмоматричные композиционные материалы (АМКМ) [1–4].

Весьма остро стоит вопрос о соответствии поверхностей деталей своему функциональному назначению. Важно решить проблемы повышения долговечности, надежности трибосопряжений, снижения энергозатрат [5; 6]. В связи с этим особое значение приобретают работы по созданию принципиально новых анодных антифрикционных материалов и электроискровых покрытий с гетерофазной структурой, в том числе стехиометрического состава интерметаллидов и нестехиометрического состава соединений АМКМ бертоллидного типа.

Введение в алюминиевые сплавы армирующих частиц микронных размеров с твердостью, отличной от матрицы, позволяет расширить область существования во фрикционном контакте вторичных структур вследствие возросшей гетерогенности.

При таком сочетании структур и фаз после обработки рабочих поверхностей деталей методом ЭИЛ анодом из АМКМ прогнозируется расширение температурных интервалов работы и повышение триботехнических свойств измененного поверхностного слоя [1; 3].

Цель работы – разработка новых анодных алюмоматричных композиционных материалов с высокими показателями эффективности при ЭИЛ углеродистой стали 45.

Обзор литературы

Для получения и упрочнения исполнительных поверхностей деталей предполагается использование эффективных физикохимических процессов и различных методов [4–7]. Среди таких технологий выделяется ЭИЛ [2; 4; 8].

При использовании в качестве анодных материалов интерметаллидов NiAl, Ni₃Al, TiAl в процессе ЭИЛ ряда алюминий-титановых систем (ВТ9, ВТ18, ВТ3-1), в частности Al_7%-Ti_87%-Mo_3%-Zr_2%, А. Д. Верхотуров обнаружил в составе легированного слоя (ЛС) значительное количество интерметаллидных фаз, обладающих высокой жаростойкостью: NiAl, TiN, Ni₃Ti, Al₃Ti, AlNi₃, а также γ Al₂O₃, Ti₃O₅, TiO₂ [2; 9–11]. При ЭИЛ систем Al_8,2%-Ti_77%-Zr_12%-Mo_1%-Nb_1% и Al_7%-Ti_86%-Mo_3%-Cr_2,3%-Zr_0,5%-Si_0,4% указанными интерметаллидами, помимо исходных материалов, в ЛС наблюдался интерметаллид AlTi₂ [12–15]. «Температуры, создаваемой в области разряда, было достаточно для разложения Ni₃Al и растворения Al в Ti с образованием новых интерметаллидов. Выявлено, что ЭИЛ указанными анодными материалами повышает микротвердость ЛС в 2 раза, в сравнении с микротвердостью основы, а также повышает износостойкость» [14]. При этом материал анода в основном переносится без значительного изменения фазового состава.

Впоследствии данные этих исследований сыграли роль в создании и использовании в качестве анодных материалов АМКМ, содержащих тугоплавкие компоненты. Показано создание АМКМ, содержащих тугоплавкие компоненты SiC, AlN, Si₃N₄ или BN, полученные методом искрового плазменного спекания [4]. При этом армирующий компонент диспергировался в непрерывном матричном компоненте, а композит обладал лучшими характерными свойствами, такими как прочность, жесткость, износостойкость, обрабатываемость, высокая теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения [9].

Особый интерес представляют АМКМ, усиленные твердыми частицами для повышения износостойкости, жаростойкости, твердости исполнительных поверхностей электроискровыми технологиями. В частности, актуальны АМКМ с добавками мелкодисперсных керамических частиц SiC [10–13], такие алюминиевые системы эффективны для использования в качестве исполнительных поверхностей трения изделий тормозных систем роторного или барабанного типа, Al₂O₃ – для цилиндров автомобильных двигателей, приводных валов грузовых автомобилей, шпилек шин [14–16]. Перспективными считаются работы по созданию АМКМ с добавками AlN [17; 18]; Si₃N₄ [19]; BN [20; 21]; квазикристаллов [22; 23], наночастиц [24]. Добавка к матричному Al позволяет увеличить область применения за счет значительного повышения уровня физико-механических и эксплуатационных свойств, расширения температурно-силовых интервалов работы изделий [25; 26].

Актуальность этой проблемы много лет мотивирует ученых США [27–29]. Исследования проводятся в Германии [30; 31], Японии [32–34], Китае [35; 36], а также в нашей стране [37; 38].

Материалы и методы

Процесс ЭИЛ физически основан на искровом разряде в газовой среде, при котором происходит преимущественно эрозия материала анода и перенос продуктов эрозии (ПЭ) на катод. На поверхности катода образуется ЛС модифицированной структуры и состава, что обусловлено перемещением и конвективным перемешиванием в микрованне расплава материала при импульсных тепловых и механических нагрузках, возникающих при воздействии искрового разряда [4].

В качестве подложки (катода) использовалась конструкционная сталь 45, широко применяемая в машиностроении. В качестве анодных материалов выбраны АМКМ, которые получали методом металлотермии с учетом свойств алюминия, не образующего непрерывных твердых растворов с другими элементами [3]. Учитывалось, что Al образует ограниченные твердые растворы и химические соединения с различными элементами. Для исследований отобраны две группы алюмоматричных материалов: 1) А: Al-Ti-Ni-Zr; 2) Б: Al-Ti-Cr-Ni-Zr (далее А и Б).

Исследовались алюмоматричные материалы по методологической схеме (рис. 1), исходным звеном которой является формулировка гипотезы повышения свойств ЛС исполнительной рабочей поверхности стали 45 в результате ЭИЛ АМКМ, которая мотивировала создание научного банка данных ряда функциональных АМКМ для исследований с привлечением известных теоретических и практических сведений.

 

 

 

Рис. 1. Методологическая схема исследований: С – состав; Ст – структура;
γСв – показатели свойств ЛС после ЭИЛ

 

Fig. 1. Methodological research framework: С – composition; Ст – structure;
γСв – property values alloyed layer after aluminum matrix composites

 

 

Такие анодные материалы были изготовлены для исследования состава, структуры, свойств. На основании полученных сведений по АМКМ и материалу катода, в соответствии с разработанной методологической схемой, был выполнен предварительный подбор ЭИЛ и проведены исследования влияния режимов, состава, структуры и свойств АМКМ на показатели эффективности по формированию ЛС при ЭИЛ. Затем (в соответствии с указанной схемой) были выполнены исследования состава, структуры и свойств ЛС и других показателей эффективности ЭИЛ стали 45: твердости, износостойкости, жаростойкости.

В процессе ЭИЛ удельной поверхности (1 см²) определялось изменение массы исследуемых образцов катода стали 45 и эрозии анода от времени ЭИЛ с различными электрическими параметрами. В качестве генератора импульсов при ЭИЛ использовалась установка, разработанная в ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российского академии наук», со следующими режимами обработки: cкважность t_ск = 50–25 %, длительность разрядных импульсов t_р = 40–80 мкс, рабочий ток I_р = 195–225 А, напряжение 40 В, частота разрядных импульсов f = 500 Гц. Для сравнения опытным путем выбраны два режима: 1) t_ск = 50 %, t_р= 40 мкс (далее режим t_ск / t_р = 50 / 40 обозначен как «ʹ»); 2) t_ск = 25, t_р = 80 (режим 25 / 80, далее «ʺ»). Максимальная энергия разряда в импульсе Еʹ = 3,12 Дж при использовании режимов ЭИЛ 50 / 40 и Еʹʹ = 14,4 Дж при 25 / 80.

Величины привеса катода и эрозии анода определялись гравиметрическим методом на электронных весах Shinko Denshi HTR-220 CE с точностью ±·10^–4 г. Для исследования микроструктуры поверхности анодных материалов, топологии и элементного состава покрытий использовали сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) EVO-50 XVP фирмы С.ZEISS, оборудованный комплексом INCA ENERGY 350. Для металлографического, гранулометрического, дюраметрического анализов применялся микроскоп Altami МЕТ 3 АПО, дериватограф Q-1000. Исследования покрытий на микроабразивный износ проводились на приборе CALOTEST CSM Instruments путем воздействия вращающегося корундового шарика диаметром 20 мм на плоский образец с добавлением эмульсии, содержащей абразивные частицы Al₂O₃ (d ~ 6 мкм).

Результаты исследования

Общий вид поверхности и химический состав в местах забора проб образцов анодных материалов А и Б показан на рисунке 2.

 

 

 

 

Рис. 2. Общий вид поверхности и химический состав в местах забора проб образцов анодных материалов А и Б:

a) микроструктура исследуемых анодных АМКМ Al-Ti-Ni-Zr;
b) элементный состав в местах забора проб анодных АМКМ Al-Ti-Cr-Ni-Zr;
c) микроструктура исследуемых анодных АМКМ Al-Ti-Ni-Zr;

d) элементный состав в местах забора проб анодных АМКМ Al-Ti-Cr-Ni-Zr

Fig. 2. General surface view and chemical composition at the sampling sites of anode materials А and Б:

a) microstructure of the studied anode aluminum matrix anode materials Al-Ti-Ni-Zr;
b) elemental composition at sampling sites of anode aluminum matrix anode materials Al-Ti-Cr-Ni-Zr;

c) microstructure of the studied anode aluminum matrix anode materials Al-Ti-Ni-Zr;
d) elemental composition at sampling sites of anode aluminum matrix anode materials Al-Ti-Cr-Ni-Zr

 

 

Химический анализ в различных местах забора проб показал, что анодный материал А неоднороден, анализируемые по цвету фазы (светлая, серая, темная) состоят из следующих элементов (вес, %): Al (8,8–29,6), Ti (2,4–15,0), Ni (13,3–68,0), Zr (2,3–8,6); Б: Al (11,9–36,2), Ti (1,0–16,5), Ni (24–57,1), Zr (2,4–14,4), Cr (3,8–21,4).

Как показал рентгенофазовый анализ (РФА) анодных материалов А и Б, большой разброс отклонений величин, а также добавка Cr в материал Б являются следствием формирования различных фаз анодных материалов: А – Al₂NiTi, Al_0,42Ni_0,58, Ni_0,35Al_0,3Ti_0,35, Al₃Zr₄, Al₅Ni₃Zr₂; Б – Al_1,1Ni_0,9, Al₃Ni, Al₂Ti, Al₃Ti, Cr_0,7Ni_1,3Zr, Cr₂Ti, Al₃Zr₅, NiTi.

Таким образом, полученные анодные материалы представляют собой систему фаз стехиометрического состава интерметаллидов и нестехиометрического состава соединений бертоллидного типа, характеризующихся переменной валентностью.

Для установления общих закономерностей эрозии АМКМ при ЭИЛ были выполнены исследования состава ПЭ по группам размеров (рис. 2), позволившие определить характер разрушения.

Элементный анализ (энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия), проведенный на СЭМ, показал, что при ЭИЛ анодным материалом Аʹʹ с режимами t_ск / t_р = 25 / 80 (рис. 2a) формируются крупные ПЭ хрупкофазного разрушения (частицы с размерами до 90–1 000 мкм), средние (30–90 мкм) и мелкие (менее 30 мкм), в том числе ПЭ парогазовой фазы (менее 10^–4 мм). В состав крупных ПЭ входят в основном элементы, имеющие большое химическое сродство с кислородом: Al (22,6–29,1), Ti (10,2–13,4), Ni (50,1–59,2), Zr (2,9–5,6). ПЭ средних размеров (30–90 мкм) включают в себя следующие элементы: Al (22,2–22,7), Ti (8,6–12,1), Ni (14,0–53,6), Zr (6,1–7,6), оплавленный Fe (2,0–2,2). Мелкие ПЭ (менее 30 мкм) содержат Al (17,0–22,2), Ti (8,8–10,2), Ni (8,7–24,9), Zr (5,8–6,1) и оплавленный Fe (0,5–2,2). Как видно, с уменьшением размеров ПЭ в их составе уменьшается доля Ni, а доля матричного элемента Al, Ti и Zr меняется незначительно.

При ЭИЛ (режим t_ск / t_р = 50 / 40) анодным материалом Бʹ (рис. 2c) в ПЭ появляется Cr. Крупные ПЭ достигают 90–1 100 мкм и представлены следующими металлами: Al (34,3), Ti (1,4), Cr (3,4), Ni (59,1). Среди них встречаются оплавленные ПЭ Fe (1,8).
Частицы средних размеров 30–50 мкм содержат: Al (39,8), Ti (7,3), Cr (14,8), Ni (22,1), Zr (5,0) и оплавленный Fe (2,7). Мелкие ПЭ, менее 30 мкм: Al (27,2), Ti (6,8), Cr (6,0), Ni (6,8), Zr (5,9) и оплавленный Fe (1,4), в том числе ПЭ парогазовой фазы (менее 10^–4 мм). С уменьшением размеров ПЭ в их составе незначительно меняется вес матричного элемента Al, почти на порядок уменьшается вес связки Ni и возрастает вес тугоплавких добавок Ti, Cr и Zr.

Исследования электромассопереноса АМКМ на подложку из стали 45 (рис. 3) подтвердили, что условия большего массопереноса при формировании ЛС обеспечиваются при низкой эрозионной стойкости анода и соотношении температур плавления анода и катода Т_а <Т_к [4; 5]. Величины суммарной эрозии ΣΔ_а (рис. 3c, 3d) при t = 10 мин ЭИЛ, созданных АМКМ, достигали значений ΣΔ_а(10мин) от 231,7·10^–3 до 408,7·10^–3 г. Полученный ряд эрозионной стойкости ΣΔ_{а(эр.ст.10мин)}^–1 анодных материалов при изменении режимов обработки Бʹʹ→ Аʹʹ→ Аʹ→ Бʹ (ряд 1*) показал, что наибольшей эрозионной стойкостью отличаются электродные материалы Бʹ и Аʹ (ΣΔ_а(10мин) = 231,7·10^–3 и 385,9 ·10^–3 г соответственно) при режимах ЭИЛ t_ск / t_р = 50 / 40, а наименьшей – Аʺ и Бʺ (ΣΔ_а(10мин) = 408,7·10^–3 и 392,3 ·10^–3 г соответственно) при t_ск / t_р = 25 / 80. Поэтому лучшие ожидаемые результаты массопереноса предполагалось получить при ЭИЛ анодными материалами при режимах Бʹʹ, Аʹʹ.

 

 

 

Рис. 3. NURBS-кривые кинетики процесса ЭИЛ стали 45 анодными материалами А, Б при
ЭИЛ с режимами: а), с) t_ск / t_р = 50 / 40; b), d) t_ск / t_р = 25 / 80

 

Fig. 3. NURBS-kinetics curves of the electrospark alloying process of steel 45 anode materials
А, Б at electrospark alloying with the modes: а), с) t_ск / t_р = 50 / 40; b), d) t_ск / t_р = 25 / 80

 

 

Экспериментально полученные кривые массопереноса ΣΔ_к при ЭИЛ стали 45 анодными материалами с режимами Аʹ, Бʹ, Аʺ, Бʺ относятся к классу «кривых Лазаренко» (рис. 3a, 3b) [2; 6]. Наибольшие значения величины массопереноса ΣΔ_к наблюдались при t = 6–8 мин при ЭИЛ удельной площади поверхности 1 см², после чего до t = 10 мин процесс ЭИЛ стабилизировался и прироста ΣΔ_к не наблюдалось.

Во всех случаях при t = 10 мин и режимах t_ск / t_р = 25 / 80 величина значений ΣΔ_к была больше (в 1,4-1,5 раза), чем при режимах t_ск / t_р = 50 / 40, и достигала наибольших значений ΣΔ_к = 20,6 · 10^–3 г при t = 8 мин ЭИЛ анодным материалом Бʺ. При t = 10 мин наибольшее значение величины ΣΔ_к = 20,2 · 10^–3 г наблюдалось при ЭИЛ анодным материалом Бʺ, наименьшее ΣΔ_к = 13,1 · 10^–3 г – при ЭИЛ материалом Аʹ. Получен ряд привеса исследуемых анодных материалов, с учетом изменения режимов обработки, Аʹ→ Бʹ→ Аʹʹ→ Бʹʹ (ряд 2*), из которого видно, что наибольший привес при t = 10 мин ЭИЛ у анодных хромсодержащих АМКМ Аʺ и Бʺ (ΣΔ_к = 19,6·10^–3 и 20,2·10^–3 г соответственно при t_ск / t_р = 25 / 80) и наименьший у Аʹ и Бʹ (ΣΔ_к = 13,1·10^–3 и 14,3·10^–3 г соответственно при t_ск / t_р = 40 / 50).

Коэффициент электромассопереноса во всех случаях имел наибольшие величины значений в первые 1–3 мин ЭИЛ, достигая ΣК_п = 22–27 % при ЭИЛ анодными материалами с режимами Аʹ, Бʹ, и наименьшие ΣК_п = 4,8–5,1 % при Аʹʹ, Бʹʹ и t = 10 мин (рис. 4). В связи с формированием «вторичных структур» на поверхностях электродов значения величин ΣК_п постепенно уменьшались из-за длительности процесса ЭИЛ и образования «вторичного» массопереноса.

 

 

 

Рис. 4. NURBS-кривые изменения коэффициента массопереноса ΣКп при ЭИЛ стали
45 анодными материалами А, Б на режимах: a) t_ск / t_р = 50 / 40; b) t_ск / t_р = 25 / 80

Fig. 4. NURBS-curves of the mass transfer coefficient ΣKп change during electrospark alloying
of 45 steel with anode materials А and Б at regimes: a) tск / tр=50 / 40;
b) t_ск / t_р = 25 / 80

 

 

Получен ряд средних значений коэффициента переноса ΣК_п.ср. при ЭИЛ исследуемыми анодными материалами и режимами обработки (ряд 3*): Бʹʹ→ Аʹ→ Аʹʹ→ Бʹ.

Как видно, полученные ряды 1–3 параметров эффективности ЭИЛ не совпадают между собой, в силу чего на практике используют предложенный А. Д. Верхотуровым критерий формирования ЛС: γ_ф.лс = ƩΔ_к · t_эил · ƩК_п.ср., где ƩК_п.ср. = ƩΔ_к.ср. / ƩΔ_а.ср., который также можно представить в виде ряда (ряд 4*) Аʹ→ Бʹ→ Бʹʹ→ Аʹʹ, отражающего совокупность величин значений полученных рядов 1–3 [4]. Пользуясь данным критерием, можно увидеть, что наиболее неблагоприятные условия формирования обеспечиваются при ЭИЛ материалом Аʹ (γ_ф.лс = 13,1), а при ЭИЛ Аʹʹ (γ_ф.лс = 20,4) условия формирования ЛС выше в 1,6 раза.

Исследование свойств ЛС и эффективности ЭИЛ

Элементный анализ показал, что состав ЛС имеет переменный характер в местах забора проб с преобладанием матричного алюминия, а также связующего никеля (рис. 5).

 

 

 

Рис. 5. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия ЭИЛ покрытия:
a) изображение поверхности после ЭИЛ анодными АМКМ Al-Ti-Ni-Zr; b) место забора пробы по поверхности;

c) спектр S1 в месте забора пробы (концентрационные кривые распределения элементов);

d) изображение поверхности после ЭИЛ анодными АМКМ Al-Ti-Cr-Ni-Zr; e) место забора пробы; f) спектр

 

Fig. 5. Energy dispersive X-ray spectroscopy of electrospark alloying layer:
a) surface image after electrospark alloying with anode aluminum matrix composites Al-Ti-Ni-Zr; b) surface sampling location;

c) spectrum S1 at the sampling site (concentration curves of element distribution), d) surface image after electrospark alloying with anode aluminum matrix composites Al-Ti-Cr-Ni-Zr; e) surface sampling location; f) spectrum

 

 

Выявлено, что при ЭИЛ анодным материалом Аʹ (режим 50 / 40) формируется ЛС, который содержит С (3,0–4,4); О (2,5 (светлая фаза) и 23,6 (темная фаза)); Al (30,2–38,8); Ti (8,6–12,2); Ni (11,3–55,3 (светлая фаза)); Zr (1,7–6,3). При ЭИЛ Аʺ (25 / 80) С (3,8–4,4); О (3,0 (светлая фаза) и 20,4 (темная фаза)); Al (22,3–54,4); Ti (5,7–7,9); Ni (5,5–45,7); Zr (1,7–5,3). При ЭИЛ анодным хромсодержащим АМКМ Бʹ (режим 50 / 40) ЛС содержит С (2,3–6,1); О (1,5–26,2); Al (35,8–45,1); Ti (4,1–5,8); Cr (2,2–12,6); Ni (6,6–40,4); Zr (2,0–4,4); при ЭИЛ Бʹʹ (режим 25 / 80) С (4,1–10,4); О (2,4–23,6); Al (26,1–33,5); Ti (3,2–5,7); Cr (5,3–11,9); Ni (13,7–38,0); Zr (2,0–3,0).
Установлено, что темная фаза содержит высокое количество кислорода и низкое Ni, а светлая – пониженное содержание кислорода и повышенное Ni, Zr и Cr (в светлой и серой фазах). С ужесточением режимов при ЭИЛ исследуемыми анодными материалами в ЛС снижается количество матричного материала Al, а также Ni и наблюдается небольшое снижение Ti, Zr, а также повышение Cr (при использовании Б).

Выявлено изменение элементного состава по глубине покрытия до h = 180 мкм при ЭИЛ анодным материалом Аʹ (50 / 40). Нижний слой (90–180 мкм) содержит в основном Fe (89,8–94,3), а также С (5,7–15,2); О (17,2–23,0); Al (0,2–0,9). Средний (30–90 мкм) – С (10,2–31,4); О (6,0–17,2); Al (0,9–29,5); Ti (1,4–10,0); Fe (8,6–77,4); Ni (5,3–21,9); Zr (1,5–2,3). Верхний (0–30 мкм) – С (12,1–21,5); О (7,1–17,2); Al (10,4–18,0); Ti (1,40–9,42); Fe (8,1–8,6); Ni (5,3–32,6); Zr (3,3–5,6). При более жестких режимах обработки Аʺ (25 / 80) нижний слой (100–180 мкм) содержит Fe (до 85,2); С (14,0–33,3); О (7,1–30,1); Al (0,75–10,1). Средний – С (14,0–62,5); О (7,1–30,1); Al (0,8–10,1); Ti (1,4–5,5); Fe (4,9–20,3); Ni (до 22,0); Zr (до 1,5). Верхний – С (12,0–33,3); О (2,6–7,1); Al (10,2–22,6); Ti (5,5–13,1); Fe (8,3–20,3); Ni (22,0–37,9); Zr (1,5–3,6). С увеличением глубины до 100–180 мкм в ЛС содержатся в основном элементы основы Fe, С, О с небольшим количеством в измененном слое матричного Al, а при ЭИЛ с более жесткими режимами Еʺ содержание Al, С, O возрастает. В средних и верхних слоях ЛС с уменьшением глубины уменьшается содержание Fe и возрастает количество Al, Ni, Ti и Zr, а при ЭИЛ с более жесткими режимами возрастает количество Ti, Al и уменьшается Zr.

При ЭИЛ анодным хромсодержащим АМКМ Бʹ (режим 50 / 40) нижний слой на глубине 90–180 мкм состоит из С (4,34–25,4); О (7,7–8,9); Al (до 1,1); Fe (до 94,5). Средний (30–90 мкм) – С (16,5–60,8); О (7,73–24,4); Al (5,0–28,5); Ti (2,64–5,1); Cr (0,4–9,8); Fe (5,1–57,3); Ni (13,7–38,0); Zr (1,1‒1,3). Верхний (0–30 мкм) – С (25,5–61,5); О (8,6–27,9); Ti (до 2,6); Cr (0,38–5,70); Fe (5,1–7,0); Ni (32,4); Zr (2,0–2,97). При ужесточении режимов (25 / 80) нижний слой – С (4,3–31,5); О (4,5–10,5); Ti (0,7–4,8); Fe (до 84,8). Средний – С (31,0–46,1); О (1,42–10,5); Al (6,2–21,0); Ti (1,4–4,8); Cr (1,48–7,28); Fe (25,8); Ni (4,5–21,0); Zr (1,8–2,4). Верхний – С (31,5–36,6); О (1,4–14,8); Al (6,2–16,8); Ti (3,2–4,8); Cr (7,3–11,1); Fe (2,7–3,2); Ni (20,9–24,6); Zr (1,9–2,4). Таким образом, при ЭИЛ анодным АМКМ Бʹ измененный слой на глубине 90–180 мкм состоит преимущественно из Fe, а также C, O с небольшим количеством Al. С уменьшением глубины ЛС (30–90 мкм) содержание Fe сокращается, возрастает C, O и появляются связующий Ni и тугоплавкие Ti, Cr, Zr. В верхнем слое содержание Fe уменьшается на порядок и незначительно возрастает количество Cr и Zr. При ЭИЛ анодным материалом Бʹʹ с более жесткими режимами (25 / 80) в нижнем слое (90–200 мкм), кроме материала основы, в небольшом количестве появляется Ti; в среднем – Ti, Сr, Ni, Zr, Al, а в верхнем незначительно снижается Fe, Al и возрастает Ni, Cr.

Большой разброс значений величин элементного состава в различных местах забора проб позволяет предполагать, что при ЭИЛ стали 45 исследуемыми анодными АМКМ возможно формирование ЛС, содержащего большое разнообразие соединений стехио- и нестехиометрического составов, что и было подтверждено РФА. При этом выявлено, что наибольшее количество фаз нестехиометрического состава формируются при использовании хромсодержащего анодного АМКМ Б Al-Ti-Cr-Ni-Zr (табл. 1).

 

Таблица 1 Фазовый состав ЛС при ЭИЛ стали 45

Table 1 Phase composition of alloyed layer at electrospark alloying layer of steel 45

 

Режимы / Modes	A: Al-Ti-Ni-Zr	Б: Al-Ti-Cr-Ni-Zr
50 / 40	Al1,1Ni0,9; Al2NiTi; Al; Ni5Zr	Al1,1Ni0,9; (Al0,25Ni0,25)(Al0,75Ni0,75); Ti0,64Zr0,36Ni; NiTi; Al3Ti; ZrNiAl; Al4Zr5; Al3Ni2; Cr1,2Ni0,8Zr; AlCrNi
25 / 80	Al0,9Ni1,1; Al2NiTi; Zr2Ni7	Al0,42Ni0,58; Al0,3Cr0,7; Zr2Ni7; Ti27,5Ni28Al63,7

 

Кроме того, РФА показал, что состав формируемого ЛС содержит до 40 % бертоллидных фаз переменной валентности при ЭИЛ с режимами Еʹ и до 75 % с режимами Еʹʹ. При ЭИЛ анодным материалом А образуется лишь по 1 бертоллидной фазе на всех режимах. При этом все они содержат Ni и практически все Al, который отсутствует лишь в одной из них при ЭИЛ Аʹ. Наличие Ti также наблюдается лишь в одной бертоллидной фазе при ЭИЛ Б (Al-Ti-Cr-Ni-Zr) с режимами Еʹ и Еʹʹ.

Формирование большого разнообразия фаз при ЭИЛ можно объяснить с использованием критериев эрозионной стойкости Л. С. Палатника и термостойкости А. Д. Верхотурова, отражающих зависимости физико-механических и тепловых свойств ЛС [1; 2; 5]. Критерии отражают связь отношений периодов, соответствующих стадиям возникновения очагов плавления и интенсивного испарения в «ванне расплава» электродов при ЭИЛ, соотношения температур, теплопроводности и теплоемкости единицы объема.

Наибольшее разнообразие фаз (10) выявлено при ЭИЛ анодным материалом Бʹ (Al-Ti-Cr-Ni-Zr) с режимом 50 / 40 (табл. 1).

Формирование различных фаз в составе ЛС определяет его физико-химические и эксплуатационные свойства. Выявлено, что после ЭИЛ исследуемыми анодными материалами на всех режимах микротвердость поверхности стали 45 возрастает более чем в 2 раза, а при ЭИЛ анодным материалом Бʺ увеличивается в 3,2 раза. Повышение твердости ЛС объясняется наличием выявленных фаз в составе ЛС. Получен ряд твердости ЛС (ряд 5*) Аʹ→ Аʺ→ Бʹ→ Бʺ, в соответствии с которым при ЭИЛ АМКМ твердость стали 45 γ_тв(Hv50) возрастет в 2,1 раза при использовании режимов обработки Аʹ; в 2,8 – при Аʹʹ, а для материала Al-Ti-Cr-Ni-Zr с режимами Бʹ и Бʹʹ – в 3,1 и в 3,2 раза соответственно.

«Исследования износостойкости поверхности стали 45 до и после ЭИЛ АМКМ показали, что она возрастает в 2-3 раза. Во всех случаях наблюдается быстрый рост износа в первые 2-3 мин (период приработки), далее процесс износа протекает более равномерно. При этом лучшие значения величин износостойкости получены после ЭИЛ анодным хромсодержащим АМКМ Б, показавшим лучшие значения величин во всех исследуемых режимах ΣИ_лс (Бʺ и Бʹ) в 2,88 и 3,28 раза соответственно. Меньшие значения повышения величин износостойкости получены для материала А ΣИ_лс (Аʺ и Аʹ) в 2,3 и 2,2 раза соответственно»¹. Полученный ряд износостойкости ЛС Аʹ→ Аʺ→ Бʹ→ Бʺ(ряд 6*) совпадает с рядом твердости. При этом износ стали 45 без покрытия составил ΣИ_(ст45) = 72 · 10^–4 г, а лучшие значения величин износостойкости при ЭИЛ в полученном ряду у анодного материала Бʺ и Бʹ ΣИ_лс = 22 · 10^–4 и 25·10^–4 г соответственно при режимах 25 / 80 и 50 / 40; худшие – Аʺ и Аʹ ΣИ_лс = 31·10^–4 и 33·10^–4 г.

Исследования жаростойкости при нагреве образцов со скоростью 100 °С / 10 мин до 800 °С и последующей выдержкой в течении 1 ч на воздухе показали, что после ЭИЛ поверхности образцов с использованием анодных АМКМ наблюдается значительно меньшее окисление в сравнении с образцами стали 45 без покрытия. В частности после ЭИЛ анодным материалом Аʹʹ с режимом 25 / 80 жаростойкость поверхности возросла в 5,7 раза, при режимах Аʹ и Бʹʹ ‒ в 7,4 и 7,6 раза соответственно.
Наилучшие значения величин повышения жаростойкости (в 18,9 раза) наблюдались при ЭИЛ анодным хромсодержащим материалом Бʹ и режиме 50 / 40. Получен следующий ряд жаростойкости ЛС стали 45 (ряд 7*): Аʺ→ Аʹ→ Бʹʹ→ Бʹ. Он не совпадает ни с одним из вышеуказанных рядов.

«При формировании ЛС важной составляющей оценки ЭИЛ является эффективность метода γ_эф.эил, которая зависит от свойств анодного материала, материала подложки, межэлектродной среды, режимов обработки, характера массопереноса, формирования «вторичных структур» ЛС и его разрушения под действием импульсных термомеханических нагрузок, времени t_эил, удельной площади поверхности 1 cм²_эил, других факторов» [1]. Составляющими звеньями эффективности формирования ЛС γ_Σэф.лс являются критерий формирования ЛС γ_ф.лс и суммарный показатель свойств ЛС γ_Σсв.лс, зависящий от свойств ЛС, определяемых показателями его функционального назначения: твердость γ_тв(Hv); жаростойкость γ_жар(ΣHr); износостойкость γ_{изн(ΣИлс)} и др. Важным может быть суммарный показатель энергозатрат γ_эф.эил / Е, например, при сравнении метода ЭИЛ с другими методами формирования покрытий [2; 6]:

γ_Σсв.лс = γ_тв(Hv) · γ_жар(ΣHr) · γ_{изн (ΣИлс)}, др.,

γ_Σэф.лс = γ_ф.лс · γ_Σсв.лс,

γ_эф.эил / E = γ_ф.лс · γ_Σсв.лс / E.

В рассматриваемом случае показатель γ_Σэф.лс является обобщающим для составляющих его частных показателей ƩΔ_к, ƩΔ_а, К_п.ср., γ_ф.лс. Одним из важнейших показателей формирования ЛС является γ_ф.лс, который зависит от анодного материала, режимов, времени обработки, исследуемых величин cкважности t_ск, длительности разрядного импульса t_р. Используя энергетический показатель γ_эф.эил / Е, можно дать оценку эффективности процесса ЭИЛ по затрачиваемой энергии при формировании ЛС, так как массоперенос «анод – катод» зависит как от длительности и частоты импульсов, так и от энергии в импульсе: Еʹ = 3,12 Дж, Еʺ = 14,4 Дж. Некоторые показатели эффективности при ЭИЛ стали 45 АМКМ анодными материалами и ряды значений величин параметров приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 Некоторые значения величин, полученных при исследованиях

Table 2 Some values obtained during the research

 

Режим / Modes	Аʹ (50 / 40)	Бʹ (50 / 40)	Аʺ (25 / 80)	Бʺ (25 / 80)	Ряды значений величин параметров / Series of parameter values
ΣΔк(10мин)	13,10000	14,30000	19,60000	20,20000	Аʹ→ Бʹ→ Аʹʹ→ Бʹʹ
ΣKп.ср.	0,10000	0,11400	0,10400	0,08500	Бʹʹ→ Аʹ→ Аʹʹ→ Бʹ
γф.лс	13,10000	16,30000	20,40000	17,20000	Аʹ→ Бʹ→ Бʹʹ→ Аʹʹ
γтв(Hv)	2,08000	3,06000	2,77000	3,20000	Аʹ→ Аʺ→ Бʹ→ Бʺ
γжар(ΣHr)	7,64000	18,90000	7,38000	5,73000	Аʺ→ Аʹ→ Бʹʹ→ Бʹ
γизн(ΣИлс)	2,18000	2,88000	2,32000	3,28000	Аʹ→ Аʺ→ Бʹ→ Бʺ
ΣΔа(эр.ст.10мин)–1	0,00259	0,00432	0,00255	0,00244	Бʹʹ→ Аʹʹ→ Аʹ→ Бʹ
γΣэф.эил	1,14000	4,74000	1,91000	8,31000	Аʹ→ Аʺ→ Бʹ→ Бʺ
γэф.эил / E	0,36000	1,52000	0,13000	0,58000	Аʺ→ Аʹ→ Бʺ→ Бʹ

_{Примечание: ΣΔк(10мин) – привес катода, ·10−3 г; ΣΔа(эр.ст.10мин)–1 – эрозионная стойкость анода, 1/г·10−3.}

_{Note: ΣΔк(10мин) – cathode weight, ·10−3 g; ΣΔа(эр.ст.10мин)–1 – anode erosion resistance, 1/g·10–3.}

 

 

Полученные ряды являются удобным инструментом для формулировки рекомендаций достижения тех или иных параметров эффективности при ЭИЛ в зависимости от выбора анодного материала и режимов обработки. Например, для получения большей величины привеса катода при ЭИЛ исследуемыми анодными АМКМ следует использовать материал Бʹʹ, обеспечивающий в 1,5 раза больший привес, чем материал Аʹ, и назначать режим с энергией Еʹʹ = 14,4 Дж, дающий в 1,8 раза меньшую эрозионную стойкость в сравнении с Бʹ. Если будет поставлена задача экономии анодного АМКМ, то, наоборот, следует использовать материал Бʹ, обеспечивающий в 1,3 раза меньший электромассоперенос, в 18,9 раза более высокую жаростойкость, в сравнении с Аʹʹ, и в 1,8 раза более высокую эрозионную стойкость, чем Бʹ. Для получения больших значений величин твердости и износостойкости следует применять материал и режимы Бʹʹ. Ряд критерия формирования ЛС показывает, что наиболее высокие значения величин обеспечивает анодный АМКМ с режимами Аʹʹ – более чем в 1,5 раза в сравнении с Аʹ. Однако суммарную эффективность свойств при формировании ЛС можно достичь при выборе анодного хромсодержащего материала Бʹʹ (Al-Ti-Cr-Ni-Zr), показывающего значения величин в 4,2-4,3 раза лучшие, чем при ЭИЛ в тех же режимах материала Al-Ti-Ni-Zr. Если же будет поставлена задача экономии энергии, то суммарный эффект при ЭИЛ показывает ряд эффективности энергозатрат, в соответствии с которыми анодный АМКМ Бʹ (Al-Ti-Cr-Ni-Zr) использовать выгоднее в 2,6–2,8 раза при тех же условиях с режимами Еʹ = 3,12 Дж. При этом ряд эффективности энергозатрат совпадает с рядом жаростойкости ЛС для всех исследуемых анодных АМКМ и режимов.

Обсуждение и заключение

При ЭИЛ стали 45 АМКМ ЛС содержит большое разнообразие соединений стехио- и нестехиометрического составов: до 40 % бертоллидных фаз переменной валентности при ЭИЛ с режимами Еʹ и до 75 % с режимами Еʹʹ. Все бертоллидные фазы содержат Ni, и практически все – Al. Наибольшее количество фаз нестехиометрического состава формируется при использовании анодного хромсодержащего материала Al-Ti-Cr-Ni-Zr.

После ЭИЛ стали 45 новыми анодными АМКМ твердость и износостойкость поверхности возрастают в 2-3 раза, жаростойсость – в 5–18 раз. Лучшие значения свойств ЛС получены для анодного материала Al-Ti-Cr-Ni-Zr с добавкой Cr при режимах Е'' = 14,4 Дж.

Получены ряды увеличения массы катода ƩΔ_к, эрозионной стойкости электродных материалов ΣΔ_{а(эр.ст.)}^–1, коэффициента массопереноса К_п.ср., эффективности формирования ЛС γ_ф.лс, жаростойкости γ_жар(ΣHr), твердости γ_тв(Hv), износостойкости ЛС γ_{изн(ΣИлс)}, суммарной эффективности свойств ЛС γ_{Σэф.эил}, энергетической эффективности ЭИЛ γ_эф / Е и приведены примеры их использования для формулировки рекомендаций по достижению требуемых параметров искрового воздействия при ЭИЛ сталей, созданных анодными АМКМ.

 

 

¹           Ким Е. Д. Получение методом СВС-металлургии новых металломатричных сплавов и электродных материалов для электроискрового легирования: дис. ... канд. техн. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2020. 177 с.

 

About the authors

Sergey A. Velichko

National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: Velichko2005@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6254-5733
ResearcherId: G-9021-2018

Professor of the Technical Service Machines Chair of Institute of Mechanics and Power Engineering,D.Sc. (Engr.)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St.,Saransk 430005

Sergey V. Nikolenko

Institute of Materials Science of Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nikola1960@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4474-5795
ResearcherId: A-4229-2012

Acting Director, D.Sc. (Engr.)

Russian Federation, 153 Tikhookeanskaya St., Khabarovsk 680042

Leonid A. Konevtsov

Institute of Materials Science of Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: konevts@narod.ru
ORCID iD: 0000-0002-7212-3953
ResearcherId: H-4087-2018

Senior Researcher, Cand.Sc. (Engr.)

Russian Federation, 153 Tikhookeanskaya St., Khabarovsk 680042

Pavel S. Gordienko

Institute of Chemistry of Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: pavel.gordienko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1537-2977
ResearcherId: AAS-7040-2021

Leading Researcher, D.Sc. (Engr.), Professor

Russian Federation, 159 Vladivostok Centenary Prospect, Vladivostok 690022

Eugenii S. Panin

Institute of Chemistry of Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: panin26@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8980-275X
ResearcherId: AAS-7013-2021

Researcher, Cand.Sc. (Chem.)

Russian Federation, 159 Vladivostok Centenary Prospect, Vladivostok 690022

References

Supplementary files