CC BY
64
УДК 616. 71-001.5-089. 84 :636.7/.8
В.Н. Хромов, доктор технических наук И.С. Кузнецов, A.C. Петрашов, аспиранты ФГОУ ВПО Орел гау
ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ОБЬ ЁМНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫ1ТИЙ НА РЕЖУЩИХ ДЕТАЛЯХ СЕЛЬХОЗТЕХНИКИ
В статье описывается связь эрозии электродов с электронным строением вещества в свете конфигурационной модели вещества. Высказывается мнения, что образование объемных наночастиц в поверхностном слое напрямую зависит от количества и состояния нелокализованных электронов, общих для всей наночастицы.
Термин "нанотехника" представлен
объектами и структурами, характерные размеры Я которых измеряются нанометрами (1 нм = 10-9 м = 10-6 мм = 10-3 мкм). Сама десятичная приставка "нано-" происходит от греческого слова уауоо - карлик и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров Я от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нанометров. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических.
Мерриэм-Вебстеровский академический словарь определяет нанотехнологию как искусство манипулирования материалами на атомарном или молекулярном уровне, особенно для создания макроскопических устройств (например, роботов). Справочный сайт About.com определяет нанотехнологию еще короче: как разработку и
использование устройств с размерами в несколько нанометров.
Более развернутое определение содержится в документах государственной программы США "Национальная нанотехнологическая инициатива". Оно сформулировано авторитетными специалистами и звучит так: "Нанотехнология - это исследования и технологические разработки на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне в шкале размеров приблизительно от 1 до 100 нм, проводимые для приобретения фундаментальных знаний о природе явлений и свойствах материалов в наношкале, для создания и использования структур, приборов и систем, которые обладают новыми качествами благодаря своим маленьким размерам. Нанотехнологические
исследования и разработки включают контролируемые манипуляции наноразмерными структурами и их интеграцию в более крупные компоненты, системы и архитектуры" (www.nano.gov/html/facts/
WhatisNano.html).
Тонкие наноструктурированные пленки представляют собой организованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а в двух других обладают макро размерами. Есть много способов создания тонких
наноструктурированных пленок как неорганической, так и органической природы
Способ электроискровой обработки металлов, разработанный Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде в газовой среде (преимущественно на воздухе), полярного переноса
продуктов эрозии на катод (деталь). На поверхности катода под действием значительных тепловых нагрузок происходят микрометаллургические и сопутствующие им процессы (термомеханические, гидродинамические, диффузионные), осуществляющие перемешивание
материала катода и анода при взаимодействии с компонентами газовой среды, что способствует образованию высокой адгезии между основой и формируемым слоем. Поэтому электроискровую
обработку следует считать методом создания новых композиционных материалов. В первую очередь это относится к тугоплавким покрытиям, наиболее существенно и принципиально изменяющим свойства верхнего слоя материала. Величина этих изменений определяется составом, структурой, свойствами материала электрода и технологическими параметрами процесса ЭИО.
В процессе искрового электрического разряда в поверхностных слоях анода и катода локально выделяется большое количество энергии, в результате чего происходят сложные физико-химические явления. Разрушение электродов одно из наиболее важных следствий искрового разряда. Интенсивность и характер разрушения электродов во многом определяют толщину и качество получаемого на катоде легированного слоя, которые являются важными показателями при практическом использовании метода электроискровой обработки.
В настоящее время существуют два принципиально различных мнения о механизме эрозии электродов. Так, при действии искрового разряда на поверхности электродов появляются три зоны — зона испарения, зона расплавленного металла и, наконец, зона разогретого металла, находящегося в твердом состоянии. Эрозия электродных материалов определяется в основном наличием двух первых зон, хотя иногда указывается, что вследствие действия высоких напряжений (значительно превышающих 1?^-, анодного материала), материал третьей зоны также выбрасывается из лунки и таким образом влияет на эрозию электрода.
Другого мнения придерживаются авторы, исследовавшие выделение энергии при торможении пучка электронов в твердом теле. Показано, что мощность, передаваемая пучком электронов телу
™ = пп 1и, (1)
где I - ток пучка, мА;
И- ускоряющее напряжение, кВ;
Пп - эффективный к. п. д. процесса.
При торможении электроны проникают на некоторую глубину, называемую пробегом электронов. Проникающий в вещество электрон теряет свою
энергию не сразу, а испытывает многократное рассеяние при соударениях с решеткой. Потеря энергии AW на единицу длины пробега максимальна на некотором расстоянии от поверхности металла, составляющем 0,80,9 величины пробега X
Длина пробега в стали составляет 0,27 см, в вольфраме — 0,1 см при напряжении 10 кВ. В связи с этим можно предположить, что при электроискровой обработке эрозия происходит за счет многократных взрывов от пучков электронов. Возможно, процесс протекает следующим образом. Пучок электронов, достигнув анода, внедряется в решетку на расстоянии
0,8—0,9 X выделяется почти вся мощность пучка электронов и на поверхности сферы Б = (0,8—0,9) X материал анода вскипает. Высокое давление в данной области выбрасывает материал анода в направлении катода, причем в продуктах эрозии, могут содержаться и не оплавившиеся частицы. В работе показано, что при искровой обработке даже легкоплавких материалов в продуктах эрозии содержатся частицы, являющиеся продуктами хрупкого разрушения.
Эрозия электродов может быть подразделена на мостиковую эрозию и эрозию от действия потоков заряженных частиц на электроды. Изучение мостиковой стадии эрозии показало, что количество вещества, выделяющегося на этой стадии возникновения электроискрового разряда на электродах при их размыкании, незначительно по сравнению с количеством вещества, выбрасываемого при искровом разряде. Вещество анода, эродируемое в результате искрового разряда, может находиться в паровой, жидкой и твердой фазах [2]. Количества вещества, находящегося в той или иной фазе, зависит от условий обработки, среды и природы материала электродов. Основу сплава ВК-6М составляет вольфрам, эрозия которого обусловлена, прежде всего, хрупким разрушением электрода анода. При установлении связи значений эрозии анода с электронным строением его материала целесообразно воспользоваться конфигурационной моделью вещества, в конденсированном состоянии достаточно просто интерпретирующей многие свойства металлов и тугоплавких соединений, в том числе и электроэрозионную стойкость.
Сущность модели конфигурационной локализации сводится к следующему. При образовании конденсированного состояния вещества из
изолированных атомов валентные электроны последних частично локализуются у остовов атомов, а частично переходят в нелокализованное состояние. Локализованная доля валентных электронов образует довольно широкий спектр конфигураций,
различающихся по своей энергетической устойчивости, т. е. по запасу свободной энергии, так что наряду с весьма устойчивыми конфигурациями, которым отвечает минимум свободной энергии, появляются менее и весьма неустойчивые. Допуская, что статистический вес наиболее устойчивых в энергетическом отношении электронных конфигураций атомов существенно превышает статистический вес неустойчивых, можно приписать каждому атому состояния, отвечающие ограниченному числу наиболее устойчивых конфигурации, называя последние стабильными (обладающими максимальным временем жизни). Наиболее стабильным конфигурациям в спектре соответствуют свободные, полузаполненные и полностью заполненные состояния. Энергетическая
устойчивость электронных конфигураций, в том числе и стабильных, является функцией главного квантового числа валентных электронов, из которых образованы эти конфигурации. Между стабильными конфигурациями и нелокализованной частью валентных электронов осуществляется обмен, отвечающий за связь между стабильными конфигурациями, а следовательно, и остовами атомов друг с другом. В процессе обмена часть нелокализованных электронов находится в существенно свободном состоянии, а часть совершает акт обмена, точно так же как часть стабильных конфигураций существует реально, а часть нарушена актом обмена. Между нелокализованными электронами осуществляется сильное отрицательное взаимодействие, которое приводит к отталкиванию друг от друга стабильных конфигураций и остовов атомов, вызывающее разрыхление кристаллической решетки и ослабление связи между атомами. Эти исходные положения позволяют рассмотреть с единой точки зрения особенности электронного, кристаллического строения и свойств элементов и их соединений.
Во всех случаях возрастание статистического веса, энергетической устойчивости стабильных конфигураций и, соответственно, уменьшение статистического веса нелокализованных электронов вызывает увеличение сил связи, о которых можно косвенно судить по физическим константам элементов, определяемым экспериментально. Известно, что сила межатомной связи приближенно оценивается такими физическими величинами, как температура плавления, теплота сублимации, среднеквадратичные смещения атомов при тепловых колебаниях, коэффициент термического расширения, модуль упругости и другими свойствами. Связь считается тем прочнее, чем больше каждая из указанных величин, кроме коэффициента термического расширения и среднеквадратичных смещений- атомов при тепловых колебаниях, которые уменьшаются с увеличением прочности межатомной связи [3].
В работе [4] рассмотрены существующие модели структурообразования наноматериалов. Изложена синергетическая модель наноструктурирования, основанная на учете эволюционного развития атомов при объединении их в молекулу или кластер. Информация об эволюционном развитии атомов, их энергетическом состоянии передается в виде волновой функции электронов. Межатомное взаимодействие рассматривается как неравновесный фазовый переход, при котором память о квантовом состоянии электронов сохраняется и передается кластеру или объёмной наночистицы при перекрытии их волновых функций, которое сопровождается обобществлением валентных электронов.
Также в работе описывается роль свободных электронов в нелокализованном состоянии при образовании наноструктурированных частиц.
При застывании с большой скоростью нанесенного электроискровой обработкой композита. Одной из фазовых составляющих является реечный мартенсит. Он является основой составляющей наноструктурированного тонко плечного покрытия образующегося в измененном поверхностном слое. Можно предположить, что строение реечного мартенсита, являющего объемной наночастицей, обусловлено наличием свободных электронов в нелокализованном состоянии, находящихся в
конденсированном веществе, образованном в результате пробоя межэлектродного пространства [5].
Материалы и методы
С помощью установки электроискровой обработки (ЭИО) иЯ-121 на противорежущие пластины пальцев ножа жатки комбайна ДОН-1500 был нанесен слой вольфрамо-кобальтового композита электродом ВК6. Слой наносился в два прохода на жестком и мягком режиме работы установки ЭИО. Фото упрочненных образцов представлено на рисунке 1.
ш
Рисунок 1 - Противорежущие пластины пальцев ножа жатки комбайна Дон-1500, упрочненные электроискровой обработкой
Металлографические исследования покрытия проводили на базе Инновационного научноисследовательского центра Орел ГАУ с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi TM-1000 (рис. 2). Качество образцов изучали в
низковакуумном режиме Standart Mode (стандартные условия для образцов промышленного материала) при зазоре в 1,0 мм между верхней частью исследуемого образца и верхней частью шахты под столик с образцом, а настройку на малые увеличения х20 и х25 раз проводили при расстоянии - не менее 6,0 мм. Исследуемый образец обезжиривали и очищали от пыли 96,0% этиловым спиртом непосредственно перед помещением на держатель образца.
Рисунок 2 - Сканирующий электронный микроскоп ИіїасЬі ТМ - 1000
Результаты исследований
Сканирующая электронная микроскопия поверхности покрытия на основе сплава вольфрамо-кобальта ВК6-М, нанесенного на противорежущую пластину пальца ножа жатки зерноуборочного комбайна Дон-1500. При помощи установки электроискровой обработки ИЯ-121 показала, что после обработки одного и того же участка в два прохода сначала на грубом режиме, а потом на мягком режиме, на поверхности покрытия наблюдались сетки микротрещин и следы выкращивания (рис. 3а); дальнейшее увеличение числа
проходов электрода по поверхности противорежущей пластины приводит к разрушению различных участков. И поэтому оптимально 2 прохода для образования слоя наибольшей толщины, когда не происходят сколы основы металла и появления микрораковин и язв в покрытии.
ТМ-1000_0050 2008.10.08 10:51 х800 100 um
а)
б)
Рисунок 3 - Структура электроискрового покрытия при увеличении: а) х 1000; б) х 10000
Так же на рисунке 2 видна мартенситная структура в виде реечного мартенсита в измененном поверхностном слое металла основы, что создает благоприятные нанотрибологические условия.
Вывод
Для повышения износостойкости
электроискровых покрытий деталей машин необходимо в измененном поверхностном слое создать объемную наноструктуру реечного мартенсита. Что придаст электроискровому покрытию уникальные трибологические свойства.
Литература
1. Головин, Ю.И. Введение в нанотехнику. [Текст] /Юрий Г оловин. - М.: Машиностроение. 2007. - 496 с.
2. Верхотуров, А.Д. О физической природе эрозии и формирования поверхностного слоя при электроискровом легировании молибдена пористыми электродами железа. [Текст] /Александр Верхотуров // Порошковая металлургия. - 1983. - №12. - С.51-54.
3. Самсонов, Г. В. Конфигурационная модель конденсированного вещества [Текст] / Г. В. Самсонов, И.Ф. Прядко, Л. Ф. Прядко. - Киев: Наука думка, 1971. - 236 с.
4. Кабалдин, Ю.Г. Синергетическая модель наноструктурных состояний [Текст]/ Юрий Кабалдин // Вестник машиностроения. - 2008. - №4. - С. 51-58. 5. Суздалев, И. П. Физика-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов [Текст]/ Игорь Суздале// М.: КомКнига, 2006. - 592 с.
