CC BY
43
УДК 621.9.C4S.4
ЭЛ ЕКТРОЗРОЗИСННАЯ ОБРАБОТКА ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА ЭПО
Н. Б. Бобков. А. А. Фёдоров. Д. В. Постников. А И. Блесман. Д. А. Еолонянкин
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Аннотация - Циркониевые сплавы широко применяются в ядерной энергетике, а также цирконий используется дтя формирования многофункциональны!, в том числе ©несовместимых покрытий, что обусловливает актуальность проблемы экономичной обработки и минимизации отходов при производств« ответственных изделии из дорогостоящих сплавов циркония. В статье представлены результаты экспериментального исследования влияния режимов проволочной электрсэрозионной обработки (ЭЭО) на элементный и фазовый состав поверхностного слоя циркониевого сплава Э110, полученные методами р.троьий j.i?Hip0HH0il микроскопии (Р ЭМ) и ptHii eHouiiiUBoi о анализа (РФА). Исследование фнзовши состава позволило установить распределение по глубине поверхностного слоя основных а и Р фаз циркония, а также фаз специфических соединений кислорода, меди, циркония и ниобия. Для каждого режима электроэрознонной обработки определена максимальная глубина дефектного слоя, содержащего аморфную фазу, предложены механические способы его удаления - шлифование или полирование.
Ключевые слова: электроэрознонная обработка, цирконии, рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия.
I. Введение
В машиностроении помимо традиционных материалов (сталей, чугунов. жаропрочных. алюминиевых н лагунных силавив) вочребованы редкие металлы, в хим числе цирконии. Циркониевые мишени ирнменлклея получения многофункциональных покрытий методом магнегронногэ ра:пылення. Также сплавы циркония широко используются дтя производства тепловыделяющих элементов, сборок и днстанцноннр>тощих решеток, используемых в ядерных реакторах.
Наряду с формообразоБашем. проишодптелыюстыс и качеством, себестоимость изделий машиностроения является одним из основных критериев эффективности их производства, поэтому при изготовлении детален нз редких (и. как следствие, дорогих) металлов необходимо стремиться к минимизации количества огхо~ов. Например, можно уменьшить ширину- реза. тем :амым сократив количество стружки. Значительные результаты r решении тгой проблемы были достигчути по^елстиом применения метода проволочной ЭЭО при которой ширина реза превышает диаметр проволочного электрода не более чем в полтора раза.
П. ПОСТАНОЗКА ЗАДАЧИ
С помощью электроэрозионного оборудования возможна обработка любых электропроводных металлов. Однако производители оснащают свои станки набором режимов только для обработки наиболее распространенных материалов, таких как сталь, медь, алюминий, твердый сплав н графит (ISO 63}. В случае, когда необходима обработка металлоЕ. не вхедяпгих в базу данных станка, например, цнрксния подбор оптимального режима, осуществляется экспериментальным путем.
Несмотря на все преимущества элекгроэрозионной обработки матерналсв по сравнению с другими метсда-мн. негативное злиянне на характеристики н свойства обрабатываемой поверхности оказывает дифоузия материала электрода и диэлектрической среды в поверхностный слои обрабатываемого изделия. В частности, авторы работы [1] сообщают о ьысокой степени наводораживанкя поверхности циркониевого сплава Zr-2,5Nb прн его элепро эрозионной обработке в углеводородном диэлектрике.Особенно высокие требования к характерн-
Динамика систем, механизмов и машин. № 1,2016. Тем 1
с шкал: иоверлносхи циркониевой мишени црсдьяв.'ххюхся при формировании биосовмсс.илых иолрыхии меходом магнетронного распыления [5, 6. 31. Таким образом, озним из наиболее важных критериев качества элек-трозрознонной обработки является оценка глубнны и фазового состава дефектного ;лоя [2]. образующегося за счех переноса махериаха л. сыро да и ирод^кюв раиоАсния диэлекфнчсскок среды в иоверлнис ххшй слой ш-делий. что является основной целью исследования
Ш. Методика проведения исследований
Для исследования оазоього состэвз пэверхностного слоя циркония после электро эрозионной обработки были изгототигенкт обрлзттл из ттирчочиеюго гплтагез 3110 и тзнде диска диаметром 30 мм и тонтиной Я мм Обработка поверхности прсвсдилась в 1,2. 3 н 4 прохода для отслеживания фазовых изменений, вызванных различным числом проходов. При резке циркониевых ооргзиов экспериментальным путем оыли лодоэраны ларамег-ри режимов обраоо-кн (табл 1) \о_орая огущегттитя.ттагч с исполнапнаннем алектрс^розиончогг» ггянка Яогйск-УЕЗООЬ с элсктродом-НЕСтрумситом в виде латунной проволоки (массовое содержание меди и цннка составляет соответственно 6>% и Зэ%) н дистнллирозаннон водой в качестве дголектрнческой жидкости. Содержание основных элементов в мзрке сплава Э11С: 1т=99%. N5=1% (по массе).
Микрошлифы изготавливались по стандартным методикам: заливка в акриловый компаунд, шлифование на Ьумаге &С Р320, Р600 РШ. РЫЮ. Р2ЬОО. полирование алмазными суспензиями 5, 3 и 1 мкм. доводка полнрэ-н.алкнпй гугпеншей г размером зерна мкм
ТАЬЛИЦА 1
ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА 3110
Ucp lep Н On Off
1 проход 60 2.3 0.106 OOS 014
2 проход 55 2.1 0.031 002 011
3 проход 45 1.1 0.011 001 001
4 проход 40 1.0 0.005 001 001
Примечание Ucp - среднее напряжение. 1ср - средняя сила тока. Н - оф:ет. On - длила импульса. Off- пауза между импульсами.
ЭксперЕментально установленные параметры режимов обеспечивают стабильность обработки без обрывов проволоки. Электроннэ-мнкросколнческае исследования проводились на микроскопе ЛОЬ 7С\/-5 700 с рентгеновским энергоднсперсионным спектрометром в режиме высокого вакуума. Тип сигнала - вторичные электроны (БЕЛ. Параметр - 60. величина ускоряющего напояжения 20 кБ. увеличение - 5000 крат.
РентгензфазэвыЁ анализ реализован с использованием рентгеновского днорактомегра $'1иа1д&ги ХРТ)-7000. с применением методики скиивзнща и цучка Ки-излученнл медной хруСкк с углами 20=1... 10я. Расшнуровка рентгенограмм прэвэднлась в программе РоийегСеП 2.4.
IV. Результаты экспериментов
Обработка рентгенограмм позволила получить численные данные для каждой фазы в зависимости ст угла 20. когорые были сведены в табл. 2. Из таблицы ендно. что выделяются две основные фазы пнркення: гексаго-шглвнаи н кубическая, соединении меди н ниобия (СиМЮз), аморфная фаза, а хакже на в хором проходе наблы-дзется присутствие меди в чистом виде. Кроме тего. ЕрЕсутствуют две фазы диоксида пнркення: тетрагональная и моноклинная.
Глубину диффузии материала ироволочжло л.скхрода-иххсхрумеиха оценшкиш на иох1ерсчны.\ шлифах рентгеновским энергодисперсиснным спектрометром. При этом использовали анализ в течке (рнс.1). Дзигались от поверхности вглубь материала, до полного исчезновения инородных примесей, т.е. до того момент:,, пока концентрация циркония не составляла 100%. Максимальная глубина слоя, в кстсрсм наблюдается диффундировавшая из проволоки медь.состзвнлз: для первого прохода - 13 мкм: дгл второго - 6,7 мкм; для третьего - 3.8 мш и для гетнертпго - Я \ом
1'АЬЛИЦА 2
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
<1 проход 3 проход 2 проход 1 грэход
|| Зэ- о д £ л- Б О и я 1 > О- к 0 е р 1 а' 1 1 и е 0 1 г го о 1> в- Я и Й 1I О- гГ 2 р о 1 <->' • я 3 в у Ег п> £ § о о | о А- и м и о •м § > о а г ь; В гг а У. ^ 1 §" 44- ы П О ... I ( ? яг 3 9 У О
о Оч ь о 'ю о » о ■л 4.1 со <_> -л •—' ы ь <о о 8 »—• VI ь »— 2 о о о IV о со О >—• о -Л 2 о о- о о •о ■о 0
Ю 4- ю 1—• >—» 'и о >—* ¡о о оч _> «.л 4- о VI 1—• У IV о о о N •У. •—• ЧУ1 о и- ¡VI 1л о ё о О 1 у о со со ■—> •—• р IV о Оч л О •—• о •—» р о •—• •—• О» -4 О
Ю 4- *С\ о 1—• 4- 1—• о •—• о УО Ч.Ч V о о •—* со Оч о о •—* V, о и< о IV » * о "V 4-4- о ю о. 1У1 о, о СО '4-о о со го о Сч '-4 О 4-* О, •4 О Ю О о •—• IV О СО 1—• <о Оч О -4 О ы о
IV о. О 1д О 1—■ ю о о о § 4- —V о £ Ч.-1 о <=> 4- ;© о о. о У го о ч^ У со о V*» о >—■ о 4- 1л со о о -4 о О. V о с? 1 ^ о ■о О V.» '•о о О. »-» К) о 4- 0
5,10 15 •о 4- о ы & о о ч> о -»-> о N »—• о о 4- Оч о К> и> о "О о о 4- о о '-О ы ёЬ У 1/1 о У и> о •и -л VI О 1 о 1 И"» Оч 8 VI о 0
-4 о Н-» о 4.1 Ч.-Ч > о ч) о •—• •о о о ►— со о о 4-» о (О о £ 'У, о о ¡о о У о VI 4-4- О >—■ •—• ¡V О >—■ О Оч СО <=> Оч м Оч о
о и, о Оч £ У "»V о о ч/. 4* о о £ о. о •—* о о о IV о ■-1 о У* ¡^ о о со о ■о о ■уО о *Оч О У »л о Оч "о. о Р^ и< о 0
£ N о 1—• У' у о ¡о >—■ о VI о ю к) о о 1 Оч о 4» о со о со о ку, ю '4-о ё р. о У У о о Оч о У о VI Оч О ю 1—' о •—• ы со о •—• о "4- О VI о со 0
о со к» о >— Оч о о со о Эч о 0\ со V. о о IV о 4. со о со о со о о о. IV о I—• о со ¡V о Ю и> о '-о со о 4- и> о Э\ Эч 4— О о 1—■ со о Ч.-1 Ч.-1 О СО "VI С5 IV о Ю о
о и. 4- о Оч г* о -/1 1—■ 8 о IV ю 8 •о 4» со о С-;. о и> о о. 8 о о VI о Оч о 4* ( ^ О -V) —л о IV ч) О Оч 8 IV О и> ы о о
начально будет напыляться инородный материал, а только потом цирконий, что приведет к различной толщине напыления циркония в разных участках обработанной детали) [7].
Известно, что при электро эрозионной обработке поверхности обрабатываемой заготовки и электрода-инструмента подвергаются воздействию высоких температур и значительных давлений. Под нх влиянием происходит образование всевозмоллых фаз, подчиняющихся принципу минимума потенциальной энергии. Из полученных данных видно, что в приповерхностном слое образуются различные фазы, что неблагоприятно влияет на использование по назначению некоторых деталей для изготовления тепловыделяющих элементов, катодов и других изделий [9,10].
VL Выводы и заключение
Учитывая вышесказанное необходимо отметать, что электроэрозионная обработка является экономичным методом обработки циркония. Однако, на основании полученных в ходе исследования данных о глубине проникновения материала электрода-ннструменла в поверхностный слой циркониевой мишени. можно констатировать . что существует необходимость оставлять припуски для финишной шлифовки или полировки перед использованием изделий по назначению. Следственно, необходимы дальнейшие исследования данных образцов для назначения конкретных режимов шлифования или полирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Chow С. К., Brady G. R_. Urbanic V. F., Coleman. С. Е. Hydrogen ingress through EDM surfaces of Zr-2.5Nb pressure-tube material /I Journal of Nuclear Materials. 1398. 257(1), 35^13. UKL: ht^://doi.org'10.1016.'S0022-3115(98)00436X.
2. Huang К, Yan. J. On the surface characteristics of a Zr-based bulk metallic glass processed by microelectrical discharge machining ii Applied Surface Scienc. 2015. 355. P. 1306-1315. URL: http://doi. orgy 10.101 б/j. apsusc .2015.08.239.
3. Kelly P. J.. O'Brien J., Arnell R. D. The production of porous arid chemically reactive coatings by magnetron sputtering // Vacuu. 2004. 74(1). P. 1-10. doi: 10.1016/j .vacuum.2003.11.002.
4. O'Brien J.. Amell K_ D. The production and characterisation of chemically reactive porous coatings of zirconium via unbalanced magnetron sputtering It Surface and Coatings Technology. 1996. 86-8 7(P ART 1). P. 200-206. doi: 10.1016/S02 57-8 972(96)02999-4.
5. Lyon D.: Chevalier J.. Gremillard L., Cam C. a D. Ziiconia as a Biomaterial U Comprehensive Biomaterials. 2011. 20. P. 95-108. doi: 10.1016/B978-0-08-055294-l.00017-9.
6. Brown I. G. (n.d.). A high voltage pulser r&d for plasma immersion ion implantation applications. 219.
7. Pamu D.r Sudheeudran K.. Krishna M. G.: Raju К. С. J. Crystallographic texnire. morphology, optical, and micro'wave dielectric properties of dc nagnetron sputtered nanostiuctured zirconia thin films //Journal of Vacuum Science & Technology A. 2008.26(2). P.185-192.doi:Doi 10.11.16/1.2827492.
8. Kabiee S. M., Azizian M_, Nourouzi S. (2012). Influence of zirconia on microstrucnire of bioactive glass coated on stainless steel for biomedical application/ International Conference on Biomedical Engineering. ICoBE 2012. February. P. 109-113. doi:10.1109.TCoBE.2012.6178965.
9. LassinaiuiK.. Schubert A., van de Laar J.: Van UffelenP. The "Fuel Rod Analysis ToolBox'": A general program for preparing the input of a fuel rod performance code H Annals of Nuclear Energy. 2015. SI. P. 332-335.. URL: http://doi .org'1 0.1016/j anucene. 2015.03.012.
10. Wang L.: Ни, X.. Nie, X. Deposition and properties of zirconia coatings on a zirconium alloy produced by pulsed DC plasma electrolytic oxidation H Surface and Coatings Technology. 2013. 221 P. 150-157.URL : http://doi .org'10.1016/j .surfcoat. 2013.01.040.
