CC BY
285
Электроискровое легирование графитом стальных поверхностей: технология, свойства, применение
*В. Б. Тарельника, А. В. Паустовскийь, **Ю. Г. Ткаченкоь, В. С. Марцинковскийа, А. В. Белоуса, Е. В. Коноплянченкоа, О. П. Гапоновас
аСумский национальный аграрный университет, ул. Г. Кондратьева, 160, г. Сумы, 40021, Украина, e-mail: tarelnik@i.ua ьИнститут проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 03680, Украина, e-mail: tkachenko_yuri@ukr.net сСумский государственный университет, ул. Римского-Корсакова, 2, г. Сумы, 40007, Украина, e-mail: gaponova@pmtkm.sumdu.edu.ua
Исследованы закономерности и получены количественные данные о влиянии времени обработки и энергии разряда при электроискровом легировании стальных поверхностей графитом на толщину, микротвердость и шероховатость цементированных слоев. Толщина упрочненного слоя с увеличением энергии разряда и времени легирования увеличивается. При проведении исследований использовали образцы из сталей 40Х, З8ХМЮА, 40ХН2МЮА, 30Х13, АРМКО-железа, 12Х18Н10Т и стали 20, применялся графит марки ЭГ-4. Исследования проводились на установках «ЭИЛВ-8А», «ЭИЛВ-9», «Элитрон-22А» и «Элитрон-52А», обеспечивающих энергию разряда в диапазоне 0,1-6,8 Дж. Опыты показали, что глубина цементированного слоя и его микротвердость при одинаковых технологических режимах у разных марок сталей существенно отличаются. Глубина цементации тем больше, чем больше содержание углерода в стали в исходном состоянии. Чем больше энергия разряда, тем эта разница значительнее. Проведенные испытания на износ показали, что применение после электроискровой цементации графитом метода безабразивной ультразвуковой финишной обработки является эффективным и позволяет увеличить износостойкость образцов по сравнению с образцами без упрочнения в 7,8 раза для стали 40Х и в 11,5 раза для стали 12Х18Н10Т. Исследования подтвердили эффективность применения для снижения шероховатости технологии поэтапного электроискрового легирования графитовым электродом поверхности образца после цементации. На каждом последующем этапе энергия искрового разряда снижалась. Поэтапное ЭИЛ графитом цементированного слоя стали 38ХМЮА позволило снизить шероховатость поверхности со значений Ra = 11,9-14,0 мкм до 0,8-0,9 мкм. Апробация результатов исследований в промышленности показала, что электроискровое легирование графитом позволяет решить ряд практических задач.
Ключевые слова: графит, электроискровые покрытия, энергия искрового разряда, цементация, износостойкость, шероховатость поверхности, микротвердость, легированные стали.
УДК 621.9.048.669.268
ВВЕДЕНИЕ
Широкие возможности изменения свойств стальных поверхностей в нужном направлении открываются при использовании графита в качестве анода в процессе электроискрового легирования. Поверхности электродов подвергаются локальному действию высоких давлений ударной волны и температур [1, 2]. При этом происходит мгновенный разогрев анода, и капля или твердая частица материала анода перемещается к катоду. Летящие от анода к катоду фрагменты нагреваются до высокой температуры. Искровой разряд происходит в микроскопически малых объемах и продолжается 50-400 микросекунд. На катоде образуются лунки и микрованны, в которых частицы анода и катода взаимодействуют между собой и окружающей средой, активизируются диффузионные
процессы, что приводит к образованию новых фаз и изменению структуры в поверхностном слое. Имеющийся научный задел в области применения графита в электроискровых технологиях связан как с исследованием фазовых изменений в поверхностных слоях сплавов железа при электроискровом легировании (ЭИЛ) графитом, так и совершенствованием технологии реализации этого процесса.
Установлено [3], что при ЭИЛ графитом сплавов железа формируется упрочненный слой, сочетающий вязкий аустенит и твердый карбид. Высокая скорость охлаждения приводит к формированию фазового состава по метастабильной диаграмме с образованием карбидов и других метастабильных фаз. Графит в свободном виде в этом случае не выделяется. Применяя компактные электроды металлов и порошки графита, ферросилиция или меди, можно получить в
© Тарельник В.Б., Паустовский А.В., Ткаченко Ю.Г., Марцинковский В.С., Белоус А.В., Коноплянченко Е.В., Гапонова О.П., Электронная обработка материалов, 2017, 53(4), 1-10.
сформированном слое свободный графит, используемый в качестве твердой смазки для повышения эксплуатационных характеристик деталей пар трения из стали, титановых и медных сплавов [4]. Исследования механизма формирования фаз при электроискровом науглероживании [5] показали, что процесс образования цементитной фазы (Ре3С) в поверхностном слое стальных образцов происходит через этапы образования жидкой фазы, ее насыщения ионами углерода и азота, последующей скоростной кристаллизации с образованием остаточного аустенита и нитрида железа (Бе4К). Для повышения износо- и коррозионной стойкости медных деталей в ряде химических сред их обрабатывали методом ЭИЛ алюминиевым, а затем графитовым электродами [6].
ЭИЛ графитовым электродом не сопровождается увеличением размеров детали, что дает основание сравнивать его с разновидностью химико-термической обработки - цементацией [7]. Следует отметить, что при традиционной цементации (нагрев до температуры 900-950°С и для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов в карбюризаторе) необходимо с целью устранения поводок и короблений сошлифовать значительную часть поверхностного слоя, причем наиболее твердую. Этот метод не всегда позволяет добиться требуемого результата.
В электроискровых технологиях графит также используют для уменьшения шероховатости поверхностей, сформированных предварительной электроискровой обработкой другими электродными материалами (медь, серебро, никель, титан) [8]. Показано, что наиболее эффективное влияние на шероховатость покрытий оказывает ЭИЛ графитом в том случае, когда предварительная обработка осуществляется электродами из металлов, не образующих растворы с углеродом, или карбида.
Технология электроискрового легирования металлических поверхностей графитовым электродом и различные технологии снижения величины шероховатости стальных образцов после электроискровой цементации (ЭЦ) находят применение при необходимости повышения износостойкости и ресурса работы деталей технологического оборудования и инструментов [9-13].
Проведенные исследования и практический опыт показали перспективность развития этого направления электроискровой технологии. Накоплены данные о фазовых и структурных превращениях в поверхностных слоях сталей и различных металлов при электроискровом легировании графитом, есть сведения о влиянии на структуру и свойства технологических режимов
и механической обработки цементированных поверхностей. Наряду с этим отсутствуют количественные данные о влиянии энергии разряда на глубину цементации, свойства и шероховатость металлических поверхностей, влиянии электроискровой цементации на прочность стальных образцов. Необходимо совершенствовать методы обработки цементированных поверхностей с целью снижения шероховатости и повышения уровня свойств.
Цель настоящей работы:
- исследовать влияние энергии разряда и времени легирования на глубину цементированного слоя, его микротвердость и шероховатость поверхности;
- установить наиболее рациональные режимы обработки цементированных поверхностей, используя способ поэтапного электроискрового легирования графитом и метод безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО), с целью снижения шероховатости и оптимизации свойств;
- исследовать влияние электроискрового цементирования на износостойкость и прочность при растяжении стальных образцов;
- апробировать результаты исследований в промышленности.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для достижения требуемых параметров точности размеров и шероховатости рабочей поверхности детали после электроискрового легирования графитом необходимо применение дополнительных методов обработки, в качестве которых были использованы: шлифование абразивными кругами и метод безабразивной ультразвуковой финишной обработки [14]. Последний метод основан на том, что в процессе обработки между деформирующим элементом и обрабатываемой поверхностью возникает периодический контакт с частотой ультразвуковых колебаний. В момент контакта мгновенные напряжения существенно выше средних, что вызывает значительную пластическую деформацию. Так же, как и при других методах поверхностного деформирования (выглаживание, обкатывание и др.), в результате обработки уменьшается шероховатость поверхности. Опыт показал, что БУФО решает проблему растягивающих напряжений в слое, образующемся при ЭИЛ, компенсируя их сжимающими напряжениями, возникающими в процессе обработки. БУФО осуществлялась на базе токарно-винторезного станка 16К20 с применением магнитострикционного преобразователя ПМС-39 и ультразвукового генератора УЗУ-030.
Для исследований использовали специальные стальные образцы в виде катушки, состоящей из двух дисков диаметром 50 мм и шириной 10 мм, соединенных между собой промежуточными валиками диаметром 15 мм, которые имели два технологических участка такого же диаметра для закрепления в патроне при обработке. Поверхности дисков перед электроискровой цементацией шлифовали до Яа = 0,5 мкм. Образцы закрепляли в патроне токарного станка, после чего производились ЭЦ в автоматизированном режиме и обработка БУФО (рис. 1).
¿.1
Рис. 1. БУФО стального образца после электроискровой цементации.
При проведении исследований использовали образцы из сталей 40Х, З8ХМЮА, 40ХН2МЮА, 30Х13, АРМКО-железа и 12Х18Н10Т и плоские образцы из стали 20 размером 15х15х6 мм. В качестве электрода применялся графит марки ЭГ-4. ЭЦ проводилась на установках «ЭИЛВ-8А» и «ЭИЛВ-9». При исследовании способа поэтапной ЭЦ с целью снижения шероховатости использовали установки «Элитрон-22А» и «Элитрон-52А», обеспечивающие энергию разряда в диапазоне 0,1-6,8 Дж.
Металлографические исследования шлифов поверхностного слоя образцов в сечении проводились на оптическом микроскопе «Неофот-21». Измеряли микротвердость на микротвердомере ПМТ-3 вдавливанием алмазной пирамиды под нагрузкой 0,5 Н.
Глубину цементации (к) определяли металлографическим методом как расстояние от поверхности изделия до середины переходной зоны. Обычно переходная зона - это доэвтектоидная зона, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита.
Время ЭЦ образцов составляло 5 мин/см2. Проведенные эксперименты показали, что рост глубины упрочненного слоя после 5 минут ЭЦ резко замедляется (рис. 2). При энергии разряда 0,5 Дж упрочненный слой в основном формируется в течение одной минуты.
Оптимальное время ЭЦ единицы площади образца при поэтапной обработке с целью сни-
жения шероховатости определяли опытным путем, исходя из степени повреждаемости обрабатываемой поверхности (табл. 1). При большем времени обработки шероховатость практически не изменялась.
Т, мин/см^
Рис. 2. Зависимость глубины упрочненного слоя от времени легирования графитом стали 40Х при энергии разряда 0,5 (1), 1,41 (2), 2,83 (3), 3,4 (4) и 6,8 Дж (5).
Режимы ЭЦ и применяемые методы последующей обработки поверхности приведены при изложении результатов исследований.
Для апробации интегрированной технологии упрочнения стальных деталей ЭЦ и БУФО проводили сравнительные испытания на износостойкость с целью замены технологии изготовления защитной втулки масляных уплотнений из монель-металла, которые применяются в центробежных компрессорах. Испытания на износостойкость проходили на машине трения СМЦ-2 по схеме «кольцо-плоский образец» [15]. Кольца изготавливались из сталей 40Х и 12Х18Н10Т и монель-металла с покрытием по стандартной технологии. В качестве контртела использовался прямоугольный образец из твердого сплава Т15К6 с шероховатостью рабочей поверхности Яа = 1,6 мкм. Испытания проводились в условиях ограниченного смазывания. В качестве смазки использовалось масло индустриальное И20. Оценка износостойкости выполнялась по линейному износу поверхности образцов. Для оценки износостойкости использовался метод искусственных баз по ГОСТ 16524-72. Скорость скольжения составляла V = 0,8 м/с, нагрузка -10 МПа, продолжительность испытаний -9 часов, что соответствует пути трения 26 км.
На всех этапах исследований измерялась шероховатость поверхности на приборе профи-лографе - профилометре мод. 201 завода «Калибр», модернизированном таким образом, что результаты через специальное устройство передавались на компьютер.
Статические испытания на растяжение образцов (диаметром 10 и рабочей длиной 50) до и
Таблица 1. Время ЭЦ в зависимости от энергии разряда
Энергия разряда, Дж 0,1 0,31 0,53 0,9 2,83 3,4 6,8
Производительность ЭЦ, мин/см2 2,0 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5
Рис. 3. Вид поперечного сечения образцов из сталей 38ХМЮА (а) и 40Х (б, в) после ЭЦ. Время обработки - 1 мин /см2: (а) - = 0,9 Дж, х200; (б) - = 0,60 Дж, х200; (в) - = 2,60 Дж, х250.
после ЭЦ проведены по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 1497-84.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Эффективность использования поверхностно упрочненных деталей связана как с показателями геометрических характеристик поверхности (шероховатость, волнистость), поскольку большинство разрушений начинается на поверхности, так и свойствами приповерхностного и упрочненного слоя. При проведении исследований основными параметрами оценки качества поверхностного слоя после электроискровой цементации являлись: толщина цементированного слоя, его микротвердость и структура, шероховатость поверхности. Одновременно изучали структуру и твердость сердцевины стальных образцов. Опыты показали, что с увеличением времени обработки и энергии разряда толщина цементированных слоев возрастает, а структура материала основы остается неизменной (рис. 3).
В структуре образцов можно выделить три характерные зоны: цементированный («белый») слой, переходную зону с мелкодисперсным зерном и зону основного металла. Чем ближе к поверхности, тем выше микротвердость в приповерхностном слое. Микротвердость на поверхности составляет для сталей 38ХМЮА и 40ХН2МЮА 1350 и 760 НУ соответственно (рис. 4). По мере углубления микротвердость снижается и плавно переходит в твердость основы соответственно 225 и 250 НУ. Снижение твердости на поверхности цементированных образцов связано с гетерогенным строением упрочненного слоя, присутствием на поверхно-
сти тонкой трооститной (дисперсной смеси феррита и цементита) полосы или сетки. Толщина трооститной полосы составляет 50-60 мкм. После БУФО такая полоса, как правило, отсутствует. Опыты показали, что при ЭЦ стали 20 трооститной полосы нет.
Ь, мкм
Рис. 4. Распределение микротвердости НУ в цементированном слое стали 38ХМЮА (1) и стали 40ХН2МЮА (2) после ЭЦ (Шр = 0,9 Дж, 5 мин/см2) и стали 40Х после поэтапной цементации (\¥р = 2,83 и 0,9 Дж, 5 и 2 мин/см2 соответственно) и обработки БУФО (3).
Установлено, что при цементации стальных поверхностей электроискровым легированием толщина упрочненного слоя с увеличением энергии разряда и времени легирования увеличивается. При этом возрастает и шероховатость поверхности (рис. 5). Максимальная микротвердость на поверхности стали 38ХМЮА изменяется в пределах 900-1010 МПа.
Результаты исследований общей толщины слоя повышенной твердости, максимальной микротвердости на поверхности и шерохо-
300
200
Энергия разряда. Дж
Рис. 5. Зависимость от энергии разряда толщины цементированного слоя к (1), шероховатости поверхности Ка после ЭЦ (2) и после ЭЦ и БУФО (3) стали 38ХМЮА.
Таблица 2. Глубина слоя, микротвердость и шероховатость поверхностей образцов из сталей 40Х и 12Х18Н10Т после электроискровой цементации при использовании БУФО и шлифовки
Энергия Метод обработки Глубина слоя после Микротвердость, НУ Шероховатость
разряда, Дж образца обработки, мкм Ка мкм
40Х 12Х18Н10Т 40Х 12Х18Н10Т 40Х 12Х18Н10Т
ЭЦ+БУФО 50 50 980 880 0,2 0,2
0,6 ЭЦ+БУФО+ШЛ 40 48 920 841 0,6 0,6
ЭЦ+ШЛ 10 18 780 723 0,6 0,6
ЭЦ 50 48 987 1013 0,8-0,9 0,9-1,0
ЭЦ+БУФО 657 210 920 970 0,8 0,8
2,83 ЭЦ+БУФО+ШЛ 635 195 895 950 0,8 0,8
ЭЦ+ШЛ 580 130 770 790 0,8 0,8
ЭЦ 658 200 1000 974 5,6-6,5 5,8-6,7
ЭЦ+БУФО 908 244 854 985 0,8 0,8
6,8 ЭЦ+БУФО+ШЛ 895 220 840 875 0,8 0,8
ЭЦ+ШЛ 856 110 824 670 0,8 0,8
ЭЦ 910 250 1050 1100 11,9-14,1 10,0-14,5
ватости после ЭЦ, БУФО и шлифовки сталей 40Х и 12Х18Н10Т приведены в табл. 2.
Исследования показали, что глубина цементированного слоя и его микротвердость при одинаковых технологических режимах у разных марок сталей существенно отличаются. Была проведена серия опытов со сталями различных составов. На рис. 6 приведены результаты измерения глубины упрочненного слоя при ЭЦ в течение 1 и 5 мин/см2 подложек из АРМКО-железа и ряда сталей при различных значениях энергии разряда.
Опыты показали, что существует четкая зависимость: толщина цементированного слоя тем больше, чем большее содержание углерода в стали. Глубина цементирования у сталей 40Х и 30Х13 со средним содержанием углерода в исходном состоянии, близким 0,3-0,4%, существенно больше, чем у АРМКО-железа и стали 12Х18Н10Т, содержащей до 0,12% углерода. Чем больше энергия разряда, тем эта разница более значительна. При ЭЦ сталей 40Х и
12Х18Н10Т в течение 5 мин/см2 с энергией разряда 6,8 Дж разница толщин упрочненных слоев достигает 660 мкм.
СПОСОБ ПОЭТАПНОЙ ЭЦ
Несмотря на то, что обработка БУФО стальных поверхностей после электроискрового легирования графитовым электродом значительно снижает шероховатость, для многих деталей машин это является недостаточным. Применение после ЭЦ шлифовки не представляется возможным, так как в данном случае удаляется как минимум 50-100 мкм поверхностного слоя с наибольшей твердостью. Есть данные, что для снижения шероховатости электроискрового покрытия достаточно в качестве заключительной операции провести «мягкое» легирование графитом. Выглаживание происходит как за счет нагрева и размягчения гребешков под действием раскаленного графитового электрода, так и выброса металла катода и разрушения выступающих частей поверхности в местах приложения
300 250 200
ъс.
2 150
100 50 0
О
2 3 4 5 Энергия разряда, Дж
(а)
800
2 600
и
В
400 200 О
2 3 4 5 Энергия разряда, Дж (б)
Рис. 6. Зависимость толщины цементированного слоя к от энергии разряда после ЭЦ поверхности в течение 1 (а) и 5 (б) мин/см2 сталей 40Х (1), 30Х13 (2), АРМКО-железа (3) и стали 12Х18Н10Т (4).
Таблица 3. Результаты снижения шероховатости поверхности стальных образцов после цементации электроэлектроискровым способом
Марка стали Энергия разряда, Дж Шероховатость, Яа, мкм Производительность, Т, мин/см2
после ЭЦ Энергия разряда, »р, Дж
38ХМЮА 0,1 0,31 0,53 0,9 2,83 3,4
0,1 0,8-0,9
0,31 0,9-1,0 0,8-0,9 2
0,53 1,4-1,7 0,8-0,9 2 0,9-1,0 1
0,9 1,7-2,1 0,9-1,0 2 1,0-1,1 1 1,4-1,7 1
2,83 5,7-6,9 1,1-1,2 14 1,2-1.3 6 1,6-1,9 3 1,7-2,2 2
3,4 8,3-8,9 1,3-1,6 18 1,4-1,7 7 2,0-2,3 4 2,3-2,7 3 5,7-6,7 0,5
6,8 11,9-14,0 1,6-1,9 25 1,8-2,1 13 2,4-2,6 8 2,6-3,1 5 6,3-6,9 0,5 8,5-9,0 0,5
40ХН2МЮА 2,83 5,7-6,7 1,0-1,1 14 1,2-1.3 6 1,5-1,8 3 1,7-2,1 2
12Х18Н10Т 2,83 2,9-3,7 0,8-0,9 14 1,0-1.2 6 1,5-1,8 3 1,7-2,0 2
импульсов [8, 16]. Опыт показал, что «мягкое» легирование графитом не всегда в достаточной мере снижает шероховатость поверхности. В наших исследованиях была использована технология электроискрового легирования поверхности образца после цементации тем же графитовым электродом, что и цементация, но поэтапно, при этом на каждом последующем этапе энергия искрового разряда снижалась [9, 10]. На каждом очередном этапе выполнялось электроискровое легирование графитовым электродом с такой энергией разряда, при которой формируется поверхность с шероховатостью в 2-3 раза ниже, чем на предыдущем этапе. Время легирования, определенное опытным путем, в зависимости от величины энергии разряда изменялось в диапазоне 0,5-2 мин/см2 (табл. 1). Увеличение времени легирования не
способствует снижению величины шероховатости поверхности.
В табл. 3 представлены результаты поэтапного снижения величины шероховатости образцов после ЭЦ с различной энергией разряда. Так, например, после ЭЦ стали 38ХМЮА при энергии разряда 2,83 Дж шероховатость поверхности составляет Яа = 5,7-6,9 мкм. После ЭИЛ графитовым электродом с Т = 2 мин/см2 и использованием режима с энергией разряда 0,9 Дж шероховатость поверхности составляет Яа = 1,7-2,2 мкм. Последующим поэтапным легированием можно получить Яа = 1,1-1,2 мкм.
Для сравнения в табл. 3 приведены результаты поэтапного снижения шероховатости сталей 40ХН2МЮА и 12Х18Н10Т после ЭЦ с мощностью разряда Жр = 2,83 Дж.
Для того чтобы максимально снизить шероховатость поверхности, например стали 38ХМЮА, после ЭЦ с энергией разряда 6,8 Дж, которая составляет Яа = 11,9-14,0 мкм, необходимо:
- на первом этапе произвести ЭИЛ графитом при Жр = 2,83 Дж, то есть с энергией разряда, обеспечивающей снижение величины шероховатости ~ в 2 раза (с 11,9-14,0 до 6,3-6,9 мкм). Время ЭИЛ 0,5 мин/см2;
- на втором этапе произвести ЭИЛ графитом при Жр = 0,9 Дж, то есть с энергией разряда, обеспечивающей снижение величины шероховатости ~ в 3 раза (с 6,3-6,9 до 1,7-2,1 мкм). Время ЭИЛ 2 мин/см2;
- на третьем этапе произвести ЭИЛ графитом при ^ = 0,1 Дж, то есть с энергией разряда, обеспечивающей снижение величины шероховатости ~ в 2 раза (с 1,7-2,1 до 0,8-0,9 мкм). Время ЭИЛ 2 мин/см2.
Поэтапное ЭИЛ графитом цементированного слоя стали 38ХМЮА позволило снизить шероховатость поверхности со значений Яа = 11,9-14,0 мкм до 0,8-0,9 мкм.
Следует отметить, что одноэтапное ЭИЛ графитовым электродом с целью снижения шероховатости поверхности после ЭЦ на любом режиме не позволяет достичь аналогичных результатов.
0 30 60 90 120 150
Ь, мкм
Рис. 7. Распределение микротвердости НУ по глубине цементированного слоя стали 20 после ЭЦ при Шр = 2,83 Дж (1) и после поэтапного ЭЦ при Шр = 2,83; 0,9 и 0,1 Дж (2).
Анализируя распределение микротвердости в образцах из стали 20 после ЭЦ при Жр = 2,83 Дж и поэтапной ЭЦ при Жр = 2,83; 0,9 и 0,1 Дж (рис. 7), можно сказать, что в обоих случаях наибольшая микротвердость упрочненного слоя отмечается ближе к поверхности. Для первого образца она составляет 920-950 НУ при глубине распространения до 60 мкм, а для второго образца - 690-720 НУ при глубине 30 мкм. По мере углубления для обоих образцов величина микротвердости плавно снижается, и на глубине 130 и 100 мкм соответствует микротвердости
основы - 180 НУ. Уменьшение толщины и микротвердости упрочненного слоя для образца с поэтапным ЭЦ можно объяснить как влиянием ударного действия нагретого до высокой температуры графитового электрода, так и незначительной эрозией подложки. Ранее было показано [17], что механическое ударное воздействие на цементированный слой приводит к измельчению карбидов и перераспределению углерода в поверхностном слое толщиной 30-40 мкм.
Таким образом, в результате поэтапной ЭЦ для стали 20:
- снижается шероховатость поверхностного слоя с Яа = 4,79 до Яа = 1,10 мкм и с Я2 = 13,62 до Яг = 3,14 мкм;
- снижается микротвердость в «белом» слое с 920-950 НУ до 690-720 НУ;
- снижается со 130 до 100 мкм общая глубина зоны повышенной твердости поверхностного слоя.
ВЛИЯНИЕ ЭЦ И БУФО НА ПРОЧНОСТЬ
Целесообразность применения методик нанесения упрочняющих защитных покрытий в значительной степени определяется величиной, знаком и характером распределения остаточных технологических напряжений в поверхностных слоях системы «основа-покрытие». Покрытие, независимо от способа его получения, всегда влияет на механические свойства материала [18]. Надежность защиты и упрочнения изделий при эксплуатации, износостойкость конструкционных материалов с покрытием во многом определяют статическая и циклическая прочности изделий с покрытием. В связи с этим исследование влияния ЭЦ на прочность при растяжении, предел текучести, относительное удлинение и сужение стальных образцов является актуальной научной задачей. Полученные в работе данные представлены в табл. 4.
Как видно из приведенных в табл. 4 данных, упрочнение образцов методом ЭЦ приводит к увеличению в 1,1 раза предела прочности при растяжении и в 1,04 раза предела текучести для образцов из стали 40Х; в 1,04 и соответственно в 1,06 раза для образцов из стали 12Х18Н10Т. Применение дополнительно БУФО увеличивает предел прочности при растяжении испытываемых материалов в 1,22 раза для образцов из стали 40Х и в 1,7 раза - для образцов из стали 12Х18Н10Т.
Электроискровая обработка стальной поверхности графитом приводит к появлению в системе «покрытие-основа» термических напряжений. Величина и знак напряжений зависят от соотношения коэффициентов термического расширения фаз, формирующих покрытие, и стали, а также
Таблица 4. Прочность при растяжении, предел текучести, относительное удлинения и сужение образцов из сталей 40Х и 12Х18Н10Т после ЭЦ
Энергия разряда, Дж Предел текучести, МПа Предел прочности при растяжении, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, %
ЭЦ ЭЦ + БУФО ЭЦ ЭЦ + БУФО ЭЦ ЭЦ + БУФО ЭЦ ЭЦ + БУФО
Сталь 40Х
- 315 315 570 570 17 17 38 38
0,6 327 375 627 695 16 18 37 36
2,83 319 380 615 690 15 18 36 35
3,4 320 378 605 685 15 17 36 36
Сталь 12Х18Н10Т
- 196 196 510 510 40 40 55 55
0,6 208 264 530 867 39 28 54 45
2,83 207 270 526 860 37 27 55 43
3,4 207 255 525 858 37 30 53 44
температурных интервалов реализации технологического процесса. Полученные данные отражают влияние остаточных технологических напряжений, действующих в поверхностных слоях и формируемых в процессе ЭЦ, на изменение характеристик статической прочности конструкционных материалов. Представленные значения прочности при растяжении свидетельствуют о том, что величина и знак напряжений в цементированном слое способствуют повышению прочности стального образца после ЭЦ.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для апробации технологии цементирования графитом стальных деталей электроискровым способом и последующего применения БУФО проведены сравнительные испытания на износостойкость с целью замены технологии изготовления защитной втулки масляных уплотнений, которые применяются в центробежных компрессорах. Традиционно в плавающих уплотнениях компрессоров в качестве материала основы запорных втулок применяется монель-металл (сплав на основе никеля, содержащий 27-38% меди). Этот сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью, достаточно высоким пределом прочности и хорошей пластичностью в горячем и холодном состоянии. Для увеличения ресурса работы втулок на рабочую поверхность плазменным напылением или вакуумной наплавкой наносится коррозионно-стойкий и износостойкий никелевый сплав Хастеллой, в состав которого входят молибден, хром, железо, углерод и ряд легирующих добавок.
Проведенные испытания на износ (табл. 5) показали, что применение электроискровой
цементации графитом и метода БУФО является эффективным и позволяет увеличить износостойкость образцов по сравнению с образцами без упрочнения в 7,8 раза для стали 40Х и в 11,5 раза для стали 12Х18Н10Т. По сравнению с покрытием из сплава Хастеллой на монель-металле износостойкость образцов из сталей 40Х и 12Х18Н10Т, упрочненных по технологии ЭЦ+БУФО, выше в 1,2 и в 1,1 раза соответственно. Стальные защитные втулки уплотнений компрессоров нашли практическое применение и заменили втулки из монель-металла.
На основании проведенных исследований на предприятии «ТРИЗ» (Товарищество реализации инженерных Задач, г. Сумы, Украина) разработан ряд технологических процессов упрочнения деталей для компрессоров. Две трети всех отказов компрессоров происходит вследствие нарушения работоспособности уплотнений. Поэтому одним из наиболее ответственных узлов, обеспечивающих герметичность компрессорного агрегата, его надежную, безопасную и безотказную работу, является узел уплотнения. Рабочая поверхность деталей этого узла должна быть выполнена из твердого износостойкого материала, а ее основа должна обладать достаточной пластичностью для обеспечения возможности напрессовки на вал и требований усталостной прочности. Цементация после посадки на вал термообработанных втулок из стали 38Х2МЮА осуществляется электроискровым способом с применением БУФО (рис. 8а). Аналогично упрочнялись контактирующие торцовые поверхности уплотнительных плавающих колец (рис. 8б) и ответных деталей корпуса и крышки. Процесс ЭЦ торцевых поверхностей колец плавающих уплотнений и защитных втулок производился на установке «Элитрон 22 А»
Таблица 5. Износ образцов из сталей 40Х, 12Х18Н10Т и покрытия из сплава Хастеллой на монель-металле
Линейный износ образцов, мкм
Наименование Покрытие из сплава
технологии 40Х 12Х18Н10Т Хастеллой на монель-металле
30,98 50,35
Без упрочнения 30,89 49,78
31,07 50,02
4,41 4,51
ЦЭЭЛ+БУФО 3,98 4,45
4,12 4,34 4,8
4,39 4,71
ЦЭЭЛ+БУФО+ШЛ 4,18 4,69
4,21 4,73
9,51 10,02
ЦЭЭЛ+ШЛ 9,48 10,10
9,56 10,08
(а)
(б)
Рис. 8. Внешний вид защитной втулки узла уплотнения после ЭЦ (а) и кольцо плавающего уплотнения центробежного компрессора, на котором указаны места ЭЦ (б).
при энергии разряда 0,5 Дж. Глубина упрочненного слоя составила 30-50 мкм, микротвердость 900-1100 НУ. После чего с целью снижения шероховатости и трения производилось легирование контактных поверхностей серебром при энергии разряда 0,05 Дж.
Использование ЭЦ, а затем метода БУФО позволяет получить качественную упрочненную поверхность, параметры которой достигаются при меньших (в 5-10 раз) затратах, чем с помощью материалов и технологий, применяемых ранее. Метод ЭЦ можно применять без полной разборки агрегатов, упрочняться могут детали любых размеров.
ВЫВОДЫ
1. Установлены закономерности и получены количественные данные о влиянии времени обработки и энергии разряда при электроискровом легировании стальных поверхностей графитом на толщину, микротвердость и шероховатость цементированных слоев. Толщина упрочненного слоя с увеличением энергии разряда и времени легирования растет, достигая для стали 40Х 0,9 мм при микротвердости 1100 НУ.
2. Показано, что глубина цементированного слоя и его микротвердость при одинаковых
технологических режимах у разных марок сталей существенно отличаются. Глубина ЭЦ тем больше, чем больше содержание углерода в стали в исходном состоянии. Чем больше энергия разряда, тем эта разница значительнее.
3. Исследования подтвердили эффективность применения для снижения шероховатости технологии поэтапного электроискрового легирования графитовым электродом поверхности образца после цементации. На каждом последующем этапе энергия искрового разряда снижалась. Поэтапное ЭИЛ графитом цементированного слоя стали 38ХМЮА позволило снизить шероховатость поверхности со значений Яа = 11,9-14,0 мкм до 0,8-0,9 мкм.
4. Апробация результатов исследований в промышленности показала, что ЭИЛ графитом позволяет формировать на поверхностях стальных деталей слои повышенной твердости и износостойкости без изменения исходного размера детали. Полученные значения прочности при растяжении свидетельствуют о том, что величина и знак напряжений в цементированном слое способствуют повышению прочности стального образца после ЭЦ. Все это позволило решить ряд практических задач, повысив эксплуатационные характеристики деталей компрессоров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Электроискровой способ изменения исходных свойств металлических поверхностей. М.: Изд. АН СССР, 1958. 177 с.
2. Верхотуров А.Д. Электрофизические и электрохимические методы обработки. 1983, (1), 3-5.
3. Михайлюк А.И., Гитлевич А.Е., Иванов А.И., Фомичева Е.И. и др. ЭОМ. 1986, (4), 23-27.
4. Михайлюк А.И., Гитлевич А.Е. ЭОМ. 2010, 46(5), 37-44.
5. Ершов В.М. Сборник научных трудов сотрудников Донбасского государственного технического университета. Алчевск: Изд-во ДонГТУ, 2011. Вып. 31, 219-225.
6. Михайлюк А.И., Ревенко В.Г., Натаров Н.Н. Физика и химия обработки материалов. 1993, (1), 101-106.
7. Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я., Ревутский В.М. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Кишинев: Штинца, 1985. 196 с.
8. Михайлюк А.И. ЭОМ. 2003, 39(3), 21-23.
9. Марцинковский В.С., Тарельник В.Б., Братущак М.П. Способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием. ЯИ пат. 2468899, МПК В 23Н 9/00, 2012. Бюл. № 34.
10. Марцинковский В.С., Тарельник В.Б., Братущак М.П. Спос1б цементацИ сталевих деталей електроерозтним легуванням. ИА пат.101715, МПК 23Н 9/00, 2013. Бюл. № 8.
11. Марцинковский В.С., Тарельник В.Б. Металлообработка. 2011, (6), 116-119.
12. Файншмидт Е.М., Астафьев Г.И., Шевченко О.И. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2011, (4), 26-31.
13. Михайлюк А.И. Металловедение и термическая обработка. 2000, (7), 23-26.
14. Холопов Ю.В., Зинченко А.Г., Савиных А.А. Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов. Л.: ЛДНТП, 1988. 18 с.
15. Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Колмаков А.Г., Рыбакова Л.М. Методы испытаний на трение и износ. М: Интермет инжиниринг, 2001. С. 357.
16. Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976. 46 с.
17. Сизова О.В., Колубаев Е.А. Известия Вузов. Физика. 2003, (2), 27-30.
18. Изволенский Е.В., Краснов А.Н., Матвеев Н.В.
Проблемы прочности. 1984, (10), 38-41.
Поступила 18.01.17
Summary
Consistencies were studied and quantity data collected about an effect of processing time and discharge energy on the thickness, micro-hardness and roughness of consolidated layers during electric-spark alloying of the steel surfaces with graphite. It was found that the thickness of the strengthened layer increases with the gain of the discharge energy and the time of alloying. In the study, the following materials were used: specimens of steels 40Х, З8ХМЮА, 40ХН2МЮА, 30Х13, АРМКО-iron, 12Х18Н10Т as well as steel 20, graphite ЭГ-4. Tests were carried out on devices: «EILV-8A», «EILV-9», «Elitron-22A» и «Elitron-52A», that provide the discharge energy in the range 0.1-6.8 J. The experiments demonstrated that the depth and the micro-hardness of the consolidated layer treated with the same technological regime are significantly different for different steel grades. The depth of consolidation increases with a higher initial carbon content in the steel. The higher the discharge energy, the greater this difference. Wear tests showed that usage of the method of nonabrasive ultrasound final processing after electric-spark alloying with graphite is effective and allows increasing wear-resistance of specimens by 7.8 times for steel 40X and by 11.5 times for steel 12Х18Н10Т. The research confirmed that the staged electric-spark alloying of specimen surface after consolidation with graphite electrode is effective for roughness decreasing. The discharge energy was lowering at each next stage. The staged electric-spark alloying of the consolidated layer of steel 38ХМЮА with graphite allowed decreasing of the surface roughness from Re = 11.9-14.0 ^m to 0.8-0.9 ^m. The industrial tests showed that the electric-spark alloying with graphite offers solutions to a number of practical tasks.
Keywords: graphite, electric-spark coating, spark discharge energy, consolidation layer, wear-resistance, surface roughness, micro-hardness, alloyed steel.
