CC BY
35
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС Национальные приоритеты России. 2014. №4 (14)
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
УДК 621.9.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКРЫТИЙ, СИНТЕЗИРУЕМЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЯХ
Ю.К. Машков*, Д.Н. Коротаев*, М.Ю. Байбарацкая, Р.И. Косаренко, Б.Ш. Алимбаева *Сибирская автомобильно-дорожная академия
Россия, 644080, г. Омск, просп. Мира, 5; prorector_nis@sibadi.org Омский автобронетанковый инженерный институт 644098, г. Омск, 14 в/городок; omsktii@mail.ru
Рассматриваются результаты исследования влияния материала легирующих электродов (ЛЭ) и режимов обработки на характерный размер структурных элементов, топографию и три-ботехнические свойства покрытий, получаемых при электроискровой обработке (ЭИО). Установлено, что вследствие ЭИО наблюдается значительное увеличение параметра шероховатости Ra и значительное до двух раз снижение скорости изнашивания полимерных контробразцов при трении их по модифицированному стальному образцу.
Ключевые слова: электроискровая обработка, легирующий электрод, топография покрытия, износостойкость.
RESEARCH OF THE COVERINGS SYNTHESIZED BY THE METHOD OF ELECTROSPARK MACHINING ON STEEL DETAILS
Yu.K. Mashkov, D.N. Korotaev, M.Yu. Baybaratskaya, R.I. Kosarenko, B.Sh. Alimbaeva Omsk Tank-Automotive Engineering Institute
Research results of influence of alloying electrodes' material and processing modes on the specific size of structural elements, topography and tribotechnical properties of the coverings received at electrospark machining (ESM) are considered. Owing to ESM a significant increase in the roughness parameter Ra and a significant reduction of up to 2 times the rate of wear by friction polymer check samples of the modified steel samples take place.
Keywords: electrospark machining, alloying electrode, covering topography, wear resistance.
Повышение требований к надежности и долговечности деталей машин и технологического оборудования стимулирует развитие методов их поверхностного упрочнения и повышения износостойкости. В промышленности в зависимости от условий эксплуатации изделий применяются различные методы поверхностного упрочнения сталей и сплавов. Однако известные методы упрочнения, имея свои досто-
инства и область применения, не в полной мере удовлетворяют современным требованиям к эффективности, универсальности и экономичности технологических процессов. Поэтому разработка эффективного, достаточно простого для освоения в промышленном производстве и экономичного метода упрочнения и повышения износостойкости деталей машин, включая многоцелевые гусеничные и колесные машины
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
(МГКМ), является актуальной научной и практической задачей.
Наиболее перспективными можно считать методы поверхностного модифицирования деталей трибосистем с применением высококонцентрированных потоков энергии, к которым относится электроискровая обработка, позволяющая получать покрытия с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами.
Формирование покрытия при ЭИО происходит в результате сложных плазмохимических и теплофизических процессов, реализуемых на локальных участках поверхности обрабатываемой детали [1]. В результате на поверхности детали формируется тонкое покрытие, состоящее из материала катода, модифицированного элементами материала анода и межэлектродной среды, а толщина покрытия зависит от материала ЛЭ и режимов обработки [2, 3].
Целью данной работы является исследование влияния материалов ЛЭ и технологических режимов обработки на характерный размер структуры, микрорельеф и триботехнические свойства покрытий, формируемых при ЭИО на поверхности стальных деталей.
Исследования проводились на образцах из конструкционной легированной стали 15ХГН2ТА, широко применяющейся для изготовления шестерён, осей, валов коробок передач автомобилей, МГКМ и других видов техники. Поверхности образцов подвергались ЭИО различными электродами: стандартный электрод марки Т15К6; электрод ИМХ2, содержащий 50 0/(^С-Со, 50 %№-Сг-Б-81; электрод Ш21 с минеральным сырьем Дальневосточного региона на основе Т1С-№-Сг-А1-ШЛК (шеели-товый концентрат CaWO4). Электроды разработаны в Институте материаловедения Хабаровского научного центра СО РАН под руководством к.т.н. Николенко С.В. Выбор ЛЭ произ-
Ч
Национальные приоритеты России. 2014. № 4 (14)
водился на основе результатов ранее проведенных исследований [4].
Обработку образцов выполняли на установке ЭИО модели IMES-1001 с технологическими режимами: ёмкость конденсаторов С=34-240 мкФ; анодно-катодное напряжение U=80-160 В; продолжительность обработки t=2-4 мин/см2. На сканирующем зондовом микроскопе NTEGRA Prima (НТ-МДТ, Россия) в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (к-АСМ) исследовали микрорельеф и определяли характерные размеры структурных элементов поверхностей исходных образцов и образцов, обработанных различными электродами.
Характеристики триботехнических свойств исследовали на специальной установке при схеме трения «палец-диск», контактном давлении Р=2,66 МПа и скорости скольжения V=1,20 м/с. В качестве контробразцов были использованы цилиндрические пальцы из композиционного материала на основе ПТФЭ. После каждого испытания контробразцы протирались, сушились, взвешивались на микроаналитических весах ВЛР-200 с погрешностью не более 0,25 мг.
Влияние технологических режимов ЭИО на скорость изнашивания сопряженных полимерных контробразцов изучали с использованием метода планирования полного многофакторного эксперимента типа N = 23 = 8. Независимыми факторами были приняты: X1 - анодно -катодное напряжение между легирующим электродом и поверхностью образца; Х2 - разрядная емкость конденсаторов; Х3 - продолжительность обработки. В качестве функции отклика принята скорость изнашивания полимерных контробразцов.
Исследование влияния электроискровой обработки на топографию покрытий, сформированных методом ЭИО на режимах: U=80-160 B; C=34-240 мкФ проводили в режиме к-АСМ (рис. 1).
ш
а) б) в)
Рис. 1. Топография поверхности образцов, обработанных электродами: Т15К6 на режимах: и=120 Б; С=34 мкФ (а); Ш2 на режимах: и=80 Б; С=150 мкФ (б); ИМХ2 на режимах: и=160 Б; С=240 мкФ (в)
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ПРОГРЕСС
Выполненное исследование позволило также определить характерный размер структурных элементов (Б), высотные параметры шероховатости поверхности: среднее арифме-
Национальные приоритеты России. 2014. № 4 (14)
тическое отклонение профиля (Яа), глубину наибольшей впадины (Яу) и высоту наибольшего выступа (ЯР) профиля поверхностей образцов (табл. 1).
Таблица 1
Параметры поверхности исходного и модифицированных образцов
Образец / Параметр Характерный размер структуры Э, нм Ка, мкм Высота наибольшего выступа профиля КР нм Глубина наибольшей впадины профиля К, нм
Сталь 15ХГН2ТА 2000-2500 =1,6 379,0 344,8
Покрытие ЛЭ Т15К6 200-250 =2,5 477,3 378,5
Покрытие ЛЭ Ш2 150-200 =3,2 504,1 485,7
Покрытие ЛЭ ИМХ2 250-300 =6,3 538,3 484,4
Анализ полученных значений параметров шероховатости исследуемых поверхностей показывает, что параметры: Яа, ЯР и изменяются в зависимости от материала электрода. Параметры увеличиваются в следующем порядке: исходное состояние поверхности ^ обработка электродом Т15К6 ^ обработка электродом Ш2 ^ обработка электродом ИМХ2 (табл. 1). При этом параметр Яа увеличивается в 1,5-3,9 раза. Наибольшее увеличение параметра шероховатости Яа до 6,3 и параметра ЯР до 538,3 нм наблюдается при обработке электродом ИМХ2. Это может быть связано с более высоким уровнем энергетического воздействия при электроискровой обработке данным электродом.
Полученные значения (табл. 1) характерных размеров структурных элементов поверхности показывают, что в модифицированных образцах по сравнению с исходным состоянием они уменьшаются в 8-13 раз. Минимальные размеры параметра Б получены при ЭИО электродом Ш2.
Триботехнические свойства структур, формирующихся на стальной основе при ЭИО, оценивали по скорости изнашивания (I) полимерных контробразцов при трении скольжения по модифицированной поверхности стальных образцов, обработанных электродом ИМХ2. Оценку скорости изнашивания производили по величине скорости изнашивания полимерных контробразцов. Установлено, что средняя скорость изнашивания полимерных контробразцов уменьшается в 1,7 раза при трении по модифицированному образцу.
Оптимизационное исследование методом «крутого восхождения» с движением по градиенту в область оптимума, позволило установить область оптимальных режимов ЭИО: напряжение и«145-150 В, ёмкость конденсаторов С«225-230 мкФ. Следовательно, вышеуказанный технологический режим целесообразно рекомендовать для ЭИО металлических деталей металлополимерных пар трения в качестве оптимального.
Методом контактной атомно-силовой микроскопии определено значительное (в 8-13 раз) уменьшение характерных размеров структурных элементов (Б) в покрытиях, сформированных ЭИО различными электродами, в сравнении с исходной (немодифицированной) поверхностью. Установлено также, что при ЭИО образуются поверхности с высотными параметрами шероховатости (Яа, ЯР), характерными и соизмеримыми с параметрами поверхности, полученными при чистовой механической обработке. При этом в результате обработки электродом ИМХ2 наблюдается наибольшее увеличение параметра шероховатости Яа в 3,9 раза, что объясняется более высоким уровнем энергетического воздействия при обработке данным легирующим электродом.
Методами планирования факторного эксперимента и статистической обработки полученных данных исследовано влияние режимов электроискровой обработки стальных поверхностей на износостойкость металлополимерной трибосистемы, а также установлены оптимальные режимы обработки: напряжение
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
и=145-150 В, ёмкость конденсаторов С=225-230 мкФ, продолжительность обработки 1=3-4 мин/см2, обеспечивающие наибольшее
Национальные приоритеты России. 2014. № 4 (14)
снижение скорости изнашивания полимерного контртела и рекомендуемые при разработке технологических процессов ЭИО.
ш
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК REFERENCES
1. Коротаев Д.Н. Управление активационно-диссипативными процессами при электроискровом легировании стальной поверхности / Д.Н. Коротаев, Е.В. Иванова // Физика и химия обработки материалов. - 2010. - № 6. - С. 81-84.
Korotaev D.N. Upravlenie aktivacionno-dissipativnymi processami pri e'lektroiskrovom legirovanii stal'noy poverkhnosti / D.N. Korotaev, E.V. Ivanova // Fizika i khimiya obrabotki materialov. - 2010. - № 6. -S. 81-84.
2. Алимбаева Б.Ш. Синтез нанокомпозитных покрытий с повышенными физико-механическими свойствами методом электроискрового легирования / Б.Ш. Алимбаева, Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Омский научный вестник. - Омск, 2013. - № 2(120). - С. 133-136.
Alimbaeva B.Sh. Sintez nanokompozitnykh pokrytiy s povyshennymi fiziko-mekhanicheskimi svoystvami metodom e'lektroiskrovogo legirovaniya / B.Sh. Alimbaeva, D.N. Korotaev, Yu.K. Mashkov // Omskiy nauchnyy vestnik. - Omsk, 2013. - № 2 (120). -S. 133-136.
3. Алимбаева Б.Ш. Физико-механические свойства и структурно-фазовое состояние конструкционной стали 15ХГН2ТА при электроискровом легировании в различных технологических условиях / Б.Ш. Алимбаева, Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков,
A.Ф. Мишуров // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. - № 11. - С. 3-5.
Alimbaeva B.Sh. Fiziko-mekhanicheskie svoystva i strukturno-fazovoe sostoyanie konstrukcionnoy stali 15KhGN2TA pri e'lektroiskrovom legirovanii v razlichnykh tekhnologicheskikh usloviyakh /
B.Sh. Alimbaeva, D.N. Korotaev, Yu.K. Mashkov, A.F. Mishurov // Uprochnyayuschie tekhnologii i pokrytiya. - 2013. - № 11. - S. 3-5.
4. Николенко С.В. Новые электродные материалы для электроискрового легирования / С.В. Николенко, А.Д. Верхотуров. - Владивосток: Дальнаука, 2005. - 218 с.
Nikolenko S.V. Novye e'lektrodnye materialy dlya e'lektroiskrovogo legirovaniya / S.V. Nikolenko, A.D. Verkhoturov. - Vladivostok: Dal'nauka, 2005. - 218 s.
Машков Александр Константинович - доктор технических наук, Статья поступила
профессор, заведующий кафедрой физики СибАДИ в редакцию: 26 мая
Коротаев Дмитрий Николаевич - доктор технический наук, профессор 2014 г.
кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей» СибАДИ Байбарацкая Марина Юрьевна - кандидат технических наук, профессор, заведующая кафедрой О технологии производства ОАБИИ Косаренко Роман Иванович - кандидат технических наук, начальник кафедры вождения ОАБИИ
Алимбаева Ботогоз Шйдуловна - старший преподаватель кафедры технологии производства ОАБИИ.
Alimbaeva Botagoz Shaydulovna - Senior Lecturer, Department of production technology, Omsk Tank Automotive Engineering Institute.
Специальность: 05.16.09 - Материаловедение (промышленность).
© Коллектив авторов, 2014
