CC BY
86
3. Nanostructured materials / ed. J. Yi-Ru Ying. N. Y.: Academic Press, 2001. 350 p.
4. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2-е изд., испр. М.: Физматлит, 2009. 416 с.
5. Верхотуров А. Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании. Владивосток: Дальнаука, 1995. 323 с.
6. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика) / Ф. Х. Бурумкулов и др. Саранск: Красный Октябрь, 2003. 504 с.
7. Chen Z., Zhou Y. Surface modification of resistance welding electrode by electro-spark deposited composite coatings. Pt. 1. Coating characterization. Surface & Coatings Technology. 2006. P. 1503-1510.
8. Иванов В. И. Энергетические параметры процесса электроискровой обработки металлических поверхностей: методика определения параметров (на примере установки «БИГ-1») // Электронная обработка материалов. 2015. № 51 (1). С. 105-113.
9. Иванов В. И., Гришко А. А. Электроискровая установка «БИГ-5» для универсального применения при упрочнении и восстановлении деталей и инструментов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 6. С. 20-23.
Сведения об авторах
Иванов Валерий Игоревич
кандидат технических наук, ФБГНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», г. Москва, Россия
tehnoinvest-vip@mail.ru
Гордиенко Павел Сергеевич
доктор технических наук, профессор, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, г. Владивосток, Россия
Pavel.gordienko@mail.ru
Коневцов Леонид Алексеевич
кандидат технических наук, ФГБУН Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения
РАН, г. Хабаровск, Россия
konevts@narod.ru
Ivanov Valery Igorevich
PhD (Engineering), Federal State Budget Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", Moscow, Russia
tehnoinvest-vip@mail.ru
Gordienko Pavel Sergeevich
Dr. Sc. (Engineering), Professor, Institute of Chemistry of the Far-Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia
Pavel.gordienko@mail.ru
Konevtsov Leonid Alekseevich
PhD (Engineering), Institute of Materials Science, Khabarovsk Scientific Center, Far-Eastern Branch of the RAS, Khabarovsk, Russia konevts@narod.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.641 -646 УДК 621.9.048
ОСНОВЫ УНИВЕРСАЛЬНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
В. И. Иванов1, А. Ю. Костюков1, А. Е. Гитлевич2, Л. А. Коневцов3, С. А. Величко4
1ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), г. Москва, Россия
2 Signo Erfinderclub "Innotech", г. Кассель, Германия
3 ФБГУН Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения РАН (ФГБУН ИМ ХНЦ ДВО РАН), г. Хабаровск, Россия
4 Институт механики и энергетики Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева, г. Саранск, Россия
Аннотация
Приведены сведения о методе электроискрового легирования,(ЭИЛ), характеристиках электроискровых покрытий, их назначении и функциях, описаны примеры эффективности практического применения ЭИЛ, даны предложения по его развитию. Ключевые слова:
электроискровое легирование, покрытие, оборудование, технология, материал.
THE BASES OF THE UNIVERSALITY AND EFFICIENCY OF THE ESA METHOD AND PROSPECTS FOR ITS DEVELOPMENT
V. I. Ivanov1, A. Yu. Kostyukov1, A. E. Gitlevich2, L. A. Konevtsov3, S. A. Velichko4
1 Federal State Budget Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FSBSI FSAC VIM), Moscow, Russia
2 Signo Erfinderclub "Innotech", Kassel, Deutschland
3 Institute of Materials Science, Khabarovsk Scientific Center, Far-Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Khabarovsk, Russia
4 Institute of Mechanics and Energy of the N. P. Ogarev National Research Mordovian State University, Saransk, Russia
Abstract
The article contains information on the ESA method, the characteristics of electrospark coatings, their purpose and functions, describes examples of the effectiveness of the practical application of EIL, and offers suggestions for its development. Keywords:
electrospark alloying, coating, equipment, technology, material.
В России и промышленно развитых странах для модификации рабочих поверхностей деталей и инструментов и формирования на них поверхностных слоев с требуемыми эксплуатационными свойствами применяются различные методы, в том числе электроискровое легирование. Создателями новой революционной технологии обработки металлических материалов методом ЭИЛ, заложившими теоретическую и практическую основы этого метода, являются советские ученые Б. Р. и Н. И. Лазаренко [1, 2].
Метод электроискрового легирования металлических поверхностей (ЭИЛ) основан на использовании действия электрического разряда, проходящего между электродами в газовой среде. В результате искрового разряда между электродом-анодом и деталью-катодом происходит преимущественное разрушение материала электрода и перенос продуктов эрозии на поверхность детали. Высокая температура в зоне разряда (5000-11000 оС и кратковременность его действия (10-2000 мкс) способствуют протеканию микрометаллургических процессов на поверхности детали, диффузии элементов материала электрода вглубь поверхностного слоя детали без существенного ее нагрева. Многократное воздействие на обрабатываемую деталь искровыми разрядами приводит к изменению рельефа поверхности, а также состава, структуры и свойств ее поверхностного слоя.
Среди ряда достоинств ЭИЛ наиболее значимыми являются его универсальность и эффективность. Они обеспечиваются широким диапазоном регулирования электрическими режимами (энергия единичных импульсов может изменяться от сотых долей до 10-15 Дж и более), возможностью применения всех токопроводящих материалов в качестве электродов, способностью обработки наружных и внутренних поверхностей деталей и рабочих кромок инструментов, различных по форме и размерам. За счет управления электрическими режимами достигается получение поверхностных слоев измененной структуры толщиной от нескольких микрометров до 1 мм и более, а также изменение рельефа поверхности и его размерных параметров. Варьирование электродными материалами способствует приданию обработанной поверхности необходимых эксплуатационных свойств — износо-, жаро-, коррозионной стойкости и др. [3-5].
В таблице 1 [6], дополненной согласно результатам последних исследований авторов, приведены значения основных характеристик электроискровых покрытий, изменяемых в широких пределах, которые обеспечивают указанные качества метода.
Таблица 1
Характеристики электроискровых покрытий
Характеристика Значение
Толщина, мкм
нанесенного слоя 5-400*
белого слоя До 250
переходного слоя До 400
Микротвердость, МПа
белого слоя 6000-16000
переходного слоя 3000-5500
Параметры рельефа поверхности
характер рельефа поверхности Выпукло-вогнутый
высота микронеровностей, мкм Ra 1,6-Rz 360
относительная высота выступов Ив / гв 0,06-0,19
относительное расстояние между выступами Бм / Ямах 5-9
Теплопроводность электродных материалов X, Вт/м К 10-400
Величина зерен структуры белого слоя, нм 10-5000
* Максимальная величина указана для ЭИЛ твердым сплавом типа Т15К6 при энергии импульсов до 10 Дж при работе в ручном режиме вибрирующим электродом.
Приведенные данные подтверждают, что обработка токопроводящего материала отражается на изменении в широком диапазоне рельефа поверхности и свойств поверхностного слоя. Во вновь образованном рельефе отсутствуют протяженные выступы клинообразной в поперечном сечении формы, получаемые обработкой резанием; они преобразуются в выступы ограниченной длины, по форме близкие к шаровому сегменту и обладающие высокой несущей способностью; рельеф приобретает выпукло-вогнутый характер и его параметры одинаковы во всех направлениях. При этом нанесенный слой может достигать значительных размеров при минимальном тепловом воздействии на обрабатываемое изделие. Микроструктура слоя покрытий, в значительной степени влияющая на прочностные и теплофизические свойства основного материала и зависящая от состава материала электрода и режимов его нанесения, состоит из блоков (зерен), размеры которых могут принимать очень малые значения, исчисляемые нанометрами [7-9].
Широкие возможности управления технологическими параметрами ЭИЛ и характеристиками формируемых покрытий позволяют создавать на изделиях (деталях, инструментах) поверхностные слои различных назначения и функций (табл. 2).
Таблица 2
Назначение и функции электроискровых (ЭИ) покрытий
Назначение ЭИ-покрытий
создание функционального слоя (контакт с внешней средой) создание подложки, подслоя (отсутствие контакта с внешней средой)
противодействие внешним факторам воздействия декоративные функции (изменение цвета и рельефа поверхности) Технологические (улучшение адгезии поверхностного слоя с основой) Опорные (противодействие силовому нагружению поверхностного слоя)
физическому (силовому, тепловому) химическому (коррозионному)
Приведем некоторые примеры эффективности практического применения метода ЭИЛ.
Упрочнение инструментов для обработки резанием металлических и неметаллических материалов, переработки растительного сырья, продуктов животноводства, рабочих органов для почвообработки (рис. 1).
Рис. 1. Примеры упрочняемых режущих инструментов: а — металлорежущие инструменты (резец, сверло, развертка, метчик, плашка, протяжка, фрезы); б — труборезные ножи; в — ножи комбайна; г — лапа культиватора
Увеличение износостойкости на 200-400 % достигается нанесением ЭИ-покрытий толщиной 5-300 мкм с применением металлокерамических твердых сплавов, обработкой графитом.
Упрочнение инструментов для обработки давлением металлических и неметаллических материалов в холодном и горячем состоянии (рис. 2). Сюда отнесем разделительные, гибочные и вытяжные штампы листовой штамповки, формообразующие и обрезные штампы горячей штамповки, прокатный инструмент, пресс-формы. Повышается износостойкость на 50-400 %, что также достигается нанесением ЭИ-покрытий толщиной 5-300 мкм с применением металлокерамических твердых сплавов, обработкой графитом.
Рис. 2. Примеры упрочняемых инструментов
для обработки давлением: а — пресс-форма; б — кольцо пресс-формы
Рис. 3. Примеры объектов литейного производства, обрабатываемых методом ЭИЛ: а — литейная форма; б — горловое (полу)кольцо
На рисунке 3 приведены примеры объектов литейного производства, для которых ЭИЛ применяется для увеличения ресурса на 50-100 % и залечивания разгарных трещин. Сюда относится также литейная оснастка стекольного производства (рис. 3, б). Положительный эффект достигается нанесением жаростойких покрытий никелем, танталом, твердыми сплавами, в том числе толстослойных покрытий.
Увеличение на 100-200 % износостойкости деталей, работающих в условиях трения скольжения достигается нанесением на поверхности трения антифрикционных покрытий толщиной до 50 мкм, препятствующих эффекту схватывания с материалом сопряженной детали и стойких к абразивному или другому разрушающему воздействию, используя при этом твердые сплавы и тугоплавкие соединения в сочетании с мягкими металлами и сплавами.
Восстановление размеров изношенных и бракованных деталей (рис. 4). Этот вид работ, связанный с применением ЭИЛ, касается деталей, бывших в эксплуатации и утративших размеры рабочих поверхностей, при этом сохранивших необходимую прочность. Сюда же относятся детали с прослабленными размерами при их изготовлении. Восстановлению подлежат как наружные, так и внутренние поверхности, работающие в различных условиях: неподвижных соединениях и в парах трения, в условиях контакта и трения с промежуточными материалами, в условиях воздействия агрессивных жидкостей и газов. Задача решается нанесением покрытий требуемой толщины с учетом припуска на последующую механическую обработку с возможным использованием широкого ряда электродных материалов, включая конструкционные и инструментальные стали, чугуны, цветные металлы и сплавы, твердые сплавы, графит.
Рис. 4. Примеры восстанавливаемых поверхностей деталей, работающих в неподвижных а (вал), б (шкив); подвижных соединениях — в (шток гидроагрегата), г (блок цилиндров), с), е (ротор турбины);
в условиях трения с промежуточным материалом — ж (комплект протяжных валов) и в условиях высокотемпературной газовой коррозии — и (головка блока цилиндров); крупных валов — к, л
Имеются примеры успешного комплексного применения метода ЭИЛ при ремонте агрегатов, когда восстановлению подлежат основные их детали. Это гидравлические агрегаты различной техники, в том числе транспорта, сельхозтехники и др. (гидрораспределители, гидронасосы, гидроусилители). Это также делительные агрегаты тестоделителей (рис. 5), износ основных деталей которых достигает до 0,7 мм на сторону, а на отдельных участках до 3-4 мм и более. Восстановление размеров таких деталей с повышенным износом осуществляется с использованием технологии нанесения ЭИ толстослойных покрытий повышенной сплошности.
Нанесение ЭИ-покрытий со специальными свойствами. В производственной деятельности метод ЭИЛ используется также для создания поверхностных слоев, обладающих определенными свойствами, обеспечивающими функционирование соответствующих механизмов. Сюда относятся серебрение (рис. 6), золочение, палладирование и другие процессы. Задача решается использованием электрических режимов малой энергии, что позволяет наносить покрытия толщиной от 5 до 20-30 мк.
Более подробно технологические особенности применения ЭИЛ для обработки различных деталей и инструментов приведены в [10].
Эти примеры показывают высокую универсальность и эффективность метода ЭИЛ. Они свидетельствуют о перспективности использования электрической искры как технологического инструмента и являются основой для дальнейшего развития метода ЭИЛ. Это развитие видится в трех направлениях: оборудование, электродные материалы, технологии.
Оборудование. Перспективным и экономически целесообразным при выполнении ЭИЛ можно считать расширение вида поверхностей (торцовые, сложной формы), а также замену типового станочного оборудования на вращатели. При выполнении большого объема работ по ЭИЛ однотипных деталей или разных по конструкции деталей, требующих обработки разных поверхностей (наружных, внутренних, цилиндрических, торцовых, сложной формы), необходимо применение манипуляторов, робототехники. При этом надо учесть, что стабильность качественных показателей обработки достигается совершенствованием генераторов и обрабатывающих инструментов, а необходимая производительность — применением нескольких таких одновременно работающих инструментов.
Рис. 5. Пример применения ЭИЛ при агрегатном ремонте: Рис. 6. Пример применения ЭИЛ для а — делительная головка тестоделителя; б — основание серебрения электрических контактов
всасывающей камеры
Электродные материалы. Это направление обусловлено тем, что эксплуатационные свойства деталей зависят от микроструктуры, химического и фазового состава поверхностных слоев, которыми можно управлять в широких пределах применением того или иного электродного материала. Значительное улучшение эксплуатационных свойств, например износостойкость, достигается формированием наноструктурных покрытий при использовании электродов для ЭИЛ с определенным содержанием легирующих наноматериалов. Созданием электродных материалов для ЭИЛ успешно занимается ряд ведущих научных центров в России (Москва, МИСиС; Хабаровск, ИМ ХНЦ ДВО РАН), на Украине (Киев, ИПМ НАНУ).
Технологии. Наряду с развитием традиционных электроискровых технологий упрочняющей обработки многих деталей и инструментов и восстановления размеров изношенных деталей необходимо создание новых технологий с применением новых электродных материалов, нанесения многослойных покрытий с использованием нескольких отличных по составу и свойствам электродных материалов, нанесения толстослойных (более 1 мм при опорной поверхности более 80 % покрытий, комбинированных покрытий, к примеру, ЭИЛ + металлополимер); совмещенной обработки (например, ЭИЛ + лазерная обработка), использования ЭИЛ применительно к высокоточным парам трения.
Метод ЭИЛ эффективно используется во многих отраслях производства и обладает хорошей основой для дальнейшего развития.
Литература
1. А. с. 70010 / Б. Р. Лазаренко; 03.04.1943.
2. Лазаренко Б. Р., Лазаренко Н. И. Электроискровой способ изменения исходных свойств металлических поверхностей. М.: АН СССР, 1958. 117 с.
3. Верхотуров А. Д. Физико-химические основы процесса электроискрового легирования металлических поверхностей. Владивосток: Дальнаука, 1992. 180 с.
4. Электроискровое легирование металлических поверхностей / А. Е. Гитлевич и др. Кишинев: Штиинца, 1985. 196 с.
5. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика) / Ф. Х. Бурумкулов и др. Саранск: Красный Октябрь, 2003. 504 с.
6. Иванов В. И. Повышение ресурса разделительных штампов путем упрочнения и восстановления их электроискровым легированием: автореф. дис.....канд. техн. наук. Саранск, 2000. 27 с.
7. Свойства нанокомпозитных покрытий, образованных на поверхности стали 20Х электроискровой обработкой стержневыми электродами из сталей 65Г и Св08 / Ф. Х. Бурумкулов и др. // ЭОМ. 2009. № 6. С.. 22-29.
8. Использование электроискрового легирования для управления кристаллической структурой поверхностных слоев металлов и сплавов / В. И. Иванов и др. // Современные проблемы освоения новой техники, технологий, организации технического сервиса в АПК: мат-лы междунар. науч.-практич. конф. (Минск, 7-8 июня 2017 г.). Минск, БГАТУ, 2017. С. 130-138.
9. Применение технологии ЭИЛ и наномодифицированных СВС-электродных материалов для повышения стойкости прокатных валков / А. Е. Кудряшов и др. // VI Всероссийская конференция по наноматериалам с элементами научной школы для молодежи: сб. мат-лов. М., 2016. С. 523-524.
10. Иванов В. И. Классификация объектов, методологические и технологические особенности электроискрового упрочнения и увеличения ресурса // Труды ГОСНИТИ. М., 2010. Т. 106. С. 31-41.
Сведения об авторах Иванов Валерий Игоревич
кандидат технических наук, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), г. Москва, Россия
tehnoinvest-vip@mail.ru
Гитлевич Аркадий Ефимович
доктор технических наук, Signo Erfinderclub "Innotech", г. Кассель, Германия
irark@yandex.ru
Костюков Александр Юрьевич
кандидат технических наук, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), г. Москва, Россия 11-lab@mail.ru
Коневцов Леонид Алексеевич
кандидат технических наук, ФБГУН Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения
РАН (ФГБУН ИМ ХНЦ ДВО РАН), г. Хабаровск, Россия
konevts@narod.ru
Величко Сергей Анатольевич
кандидат технических наук, Институт механики и энергетики Национального исследовательского Мордовского
государственного университета им. Н. П. Огарева, г. Саранск, Россия
velichko2005@yandex.ru
Ivanov Valery Igorevich
PhD (Engineering), Federal State Budget Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FSBSI FSAC VIM), Moscow, Russia tehnoinvest-vip@mail.ru Gitlevich Arkady Efimovich
Dr. Sc. (Engineering), Signo Erfinderclub "Innotech", Kassel, Deutschland
irark@yandex.ru,
Kostyukov Alexander Yurievich
PhD (Engineering), Federal State Budget Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FSBSI FSAC VIM),
Moscow, Russia
11-lab@mail.ru
Konevtsov Leonid Alekseevich
PhD (Engineering), Institute of Materials Science, Khabarovsk Scientific Center, Far-Eastern Branch of the Russian Academy
of Sciences, Khabarovsk, Russia
konevts@narod.ru
Velichko Sergey Anatolyevich
PhD (Engineering), Institute of Mechanics and Energy of the N. P. Ogarev National Research Mordovian State University, Saransk, Russia
velichko2005@yandex.ru
DOI: 10.25702/^^2307-5252.2018.9.1.646-651 УДК 546.654 + 546.831.4 + 54.31 + 53.091
ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО La2Zr2O7 А. М. Калинкин1, А. В. Усольцев2, Е. В. Калинкина1, В. Н. Неведомский3
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
2 Мурманский государственный технический университет, Апатитский филиал, г. Апатиты, Россия
3 Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Россия Аннотация
Изучено влияние механоактивации прекурсоров на образование цирконата лантана La2Zr2O7 при их последующей термической обработке. В качестве прекурсоров использовались: 1) смесь оксидов La2Oз и ZrO2; 2) совместно осажденные гидроксиды циркония и лантана. Предварительная механоактивация прекурсоров существенно ускоряет образование La2Zr2O7 при прокаливании, что позволяет снизить температуру синтеза до 1100 оС и получить цирконат лантана в нанокристаллическом состоянии. Ключевые слова:
цирконат лантана, механоактивация, синтез, нанокристаллическое состояние.
