CC BY
41
Порошковая металлургия и композиционные материалы
УДК 621.09
М.П. Лебедев, С.В. Николенко, А.Д. Верхотуров, Н.А. Сюй
ЛЕБЕДЕВ МИХАИЛ ПЕТРОВИЧ - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, директор Института физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (Якутск). Октябрьская ул., 1, Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия, 677000. E-mail: m.p.lebedev@prez.ysn.ru НИКОЛЕНКО СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ - доктор технических наук, старший научный сотрудник (Институт материаловедения ХНЦ ДВО РАН, Хабаровск). Тихоокеанская ул., 153, Хабаровск, 680042. E-mail: nikola1960@mail.ru ВЕРХОТУРОВ АНАТОЛИЙ ДЕМЬЯНОВИЧ - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник (Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, Хабаровск). Ким Ю Чена ул., 65, Хабаровск, Россия, 680000. E-mail: verhoturov36@mail.ru
СЮЙ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - инженер (Институт материаловедения ХНЦ ДВО РАН, Хабаровск). Тихоокеанская ул., 153, Хабаровск, 680042. E-mail: heranim@mail.ru
Создание и исследование электродов
на основе карбидов вольфрама и титана
для механизированного электроискрового легирования
Вторая часть статьи* посвящена разработке и исследованию вольфрамсодержащих и безвольфрамовых электродных материалов для электроискрового легирования с использованием добавок борсодержащего минерального сырья, а также нанопорошка оксида алюминия, полученного взрывом проводников с размерами частиц в пределах от 20 до 80 нм. Изучен процесс формирования ЛС на стали 45 с помощью механизированного ЭИЛ, представлены данные по исследованию поверхностных слоев, полученных на стали 45 методом ЭИЛ с использованием электродов из карбида титана с никель-молибденовой связкой и добавкой 0,5-3 мас.% минерального сырья (датолитового концентрата), электродов из карбида вольфрама с кобальтовой связкой и добавкой нанопорошка оксида алюминия 1, 3, 5 мас.%. Определены наиболее эффективные режимы ЭИЛ и состав формируемых ЛС: частота 500 Гц и длительность искрового разряда 20-80 мкс. Методами атомно-силовой микроскопии обнаружено формирование в процессе ЭИЛ в ЛС наноструктур, образованных из наночастиц TiC и WC. Введение датолитового концентрата и нанопорошка оксида алюминия во всех случаях увеличивает производительность процесса ЭИЛ и повышает микроабразивный износ ЛС.
Ключевые слова: электроискровое легирование, СВС-экструзия, порошковая металлургия, электродные материалы, наноструктуры.
© Лебедев М.П., Николенко С.В., Верхотуров А.Д., Сюй Н.А., 2015
* Часть 2. Часть 1 см. Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2014. № 4. URL: http://vestnikis.dvfu.ru/images/2014-4-3.pdf
Физико-химические и эксплуатационные характеристики ЛС, полученного ЭМ
на основе карбида вольфрама
В табл. 8 показаны данные гранулометрического состава продуктов эрозии ЭМ. Гранулометрический анализ продуктов эрозии при искровом разряде указывает на наличие двух форм: шарообразной (или близкой к ней) или неправильной с рваными краями. Это может быть обусловлено действием разных механизмов: в первом случае - формирование из жидкой фазы, во втором - из твердой фазы в процессе хрупкого разрушения материала анода [17]. Следует отметить, что содержание частиц твердой фазы выше 50-60% ухудшает качество формируемого ЛС. Как показано ранее [17], смачиваемость с катодом жидкофазной составляющей анода и уменьшение размеров продуктов его эрозии приводят к росту адгезии, плотности и твердости ЛС. Выборка из данных гранулометрического анализа состава исследуемых продуктов эрозии показывает, что они в основном представлены частицами хрупкого разрушения - более 70%. При внесении в твердый сплав добавок в виде нанопорошка Al2O3 (в пределах от 1 до 5 %) растет доля шарообразных частиц, имеющих жидкофазное происхождение. Такой же эффект достигается при длительности импульсов 20-80 мкс. Доля шарообразных частиц в этом случае превышает 60%, что может быть обусловлено разогревом материала анода за счет плазмы разряда (табл. 8). Гранулометрический анализ продуктов эрозии стал основой для установления рациональных количеств добавок нанопорошка Al2O3.
Таблица 8
Гранулометрический состав продуктов эрозии ЭМ системы WC-Co, WC-Co + 1-5 % А12О3 в
ЛС на стали 45, частота 500 Гц
Материал анода Шарообразные частицы Частицы хрупкого разрушения
0, мкм содержание, % размер, мкм содержание, %
ВК8 Длительность 20 мкс
41.85 29.7 58.9 70.3
Длительность 80 мкс
58.9 28.4 79.05 71.6
ВК8 + 1% AhO3 Длительность 20 мкс
41.85 34.0 102.3 64.0
Длительность 80 мкс
58.9 51.6 102.3 48.4
ВК8 + 5% AhO3 Длительность 20 мкс
41.85 40.3 58.9 59.7
Длительность 80 мкс
41.85 60.9 158.1 39.1
Очевидно, что величина привеса катода существенным образом обусловливается эрозионными свойствами ЭМ. С целью установления закономерностей формирования ЛС нами были изучены временные зависимости удельной и суммарной эрозии анода в процессе легирования стали 45 электродами ВК8 + 1% Al2O3 и ВК8 + 5% Al2O3. Установлено, что в случае «грубого» легирования зависимость суммарной эрозии материала анода от длительности электрических импульсов приближенно можно принять линейной. Эрозия материала анода возрастает с увеличением длительности импульсов. Минимальная суммарная эрозия анода с одно- и пятипроцентной добавкой Al2O3 наблюдается при длительности импульсов 20 и 10 мкс соответственно, тогда как уже при длительности 80 мкс эрозия становится максимальной. Удельная эрозия изменяется циклически, что может быть обусловлено образованием на поверхности электрода устойчивой «вторичной структуры», снижающей как эрозию, так и привес катода. Это означает, что для исследуемых материалов и режимов обработки не соблюдается правило аддитивности: суммарная эрозия (ЕДа) материалов электродов оказывается не равной сумме эрозионных эффектов единичных импульсов. Видимо, это нарушение вызывается образованием «вторичных структур» (оксидов и нитридов за счет
взаимодействия продуктов эрозии с окружающей средой), увеличением температуры электродов (накопление тепла в процессе ЭИЛ). Изменения удельного и суммарного привесов катода Дк, ЕДк = _/(/) от времени легирования I на исследуемом высокоэнергетичном режиме ЭИЛ могут аппроксимироваться полиномами шестой степени.
Параметры процесса ЭИЛ на стали 45 с помощью исследуемых электродных материалов представлены в табл. 9. В соответствии с данными табл. 9 с увеличением длительности импульсов суммарный массоперенос вплоть до времени хрупкого разрушения - 1х с ростом добавок Л1203
убывает: для добавки 1% его величина изменялась от 3.26 до 14.75 см3, тогда как для 5% - с 3.92
з
до 11.54 см . Отмечается увеличение суммарного массопереноса и эрозии с ростом длительности импульсов. Так, при длительностях 80 мкс и 20 мкс наблюдался их рост: при добавке 1% нанопорошка Л1203 - в 4 раза, а при 5% добавке Л1203 - в 3 раза соответственно. Сравнительный анализ показывает, что эффективность процесса формирования ЛС с ЭМ с добавками 1% нанопорошка Л1203 существенно возрастает. Эффективность формирования одинаковых по характеристикам ЛС из типового сплава ВК8 была в 3 раза ниже, чем ЭМ с добавками 1% нанопорошка Л1203. Оптимальные длительности импульсов составили 60 и 20 мкс соответственно. Рост эффективности сохранялся и при увеличении до 5% добавки нанопорошка Л1203. Общей закономерностью процесса ЭИЛ ЭМ с добавками нанопорошка Л1203 является повышение эффективности, а также увеличение длительности импульсов, что позволяет создавать диктуемые практическими потребностями наибольшие по толщине ЛС.
Таблица 9
Процесс формирования легированного слоя на стали 45, частота 500 Гц
Длительность, мкс !Дкх 10-4, см3 (за ¿х) !Да10-4 см3 (за 4) ¿х, мин Кср, мин-1 у х 10-4, см3/мин
Электрод ВК8
20 2.6 6.64 10 0.39 10.14
40 7.33 15.48 10 0.45 32.99
60 7.67 15.34 9 0.48 33.13
80 5.14 11.09 6 0. 34 10.49
Электрод ВК8+ 1% Л^3
20 3.26 7.38 10 0.42 13.69
40 9.22 21.56 10 0.4 36.88
60 10.85 21.77 10 0.47 50.99
80 14.75 28.23 10 0.49 72.28
Электрод ВК8+ 5% ЛЬ03
20 3,92 6,77 10 0,6 23,52
40 8.46 14.85 10 0.55 46.53
60 9.54 21.23 10 0.42 40.07
80 11.54 21.69 10 0.49 56.55
Металлографический анализ поперечного шлифа катода с нанесенным ЛС показывает, что в поверхностном слое в исследованных образцах присутствуют поры, микротрещины (рис. 16). Структура выявлялась в два этапа: травление структуры основы из стали в реактиве четырехпроцентный раствор азотной кислоты в спирте (реактив № 1) и травление структуры слоя в реактиве, используемом для травления твердых сплавов (свежеприготовленная смесь реактивов -20-процентный раствор едкого натра и 20-процентный раствор красной кровяной соли в равных количествах - реактив № 2).
При травлении реактивом № 1 обнаруживается феррито-перлитная структура стали. После травления реактивом № 2 в белом слое выявляется микроструктура, которая так же, как и макроструктура, зависит от режима ЭИЛ.
Рис. 16. Микроструктура ЛС на стали 45: а - ВК8; б - ВК8 + 1% А1203 (X 700)
На участке стали, прилегающем к белому слою, в результате термического воздействия разряда и плазмы с последующим быстрым охлаждением образуются тонкие слои, в которых перлитная составляющая подвергается закалке. В этом слое отмечается повышение микротвердости, как это демонстрирует изменение следов индентора (рис. 16). При травлении реактивом № 2 в белом слое выявляются участки с дисперсными карбидами железа и скоплениями продуктов распада материала анода. Возрастание твердофазных скоплений характерно для этих режимов ЭИЛ, однако при этом отмечается рост дефектности и окисления ЛС и прилегающих слоев материала основы.
Рентгенофазовый анализ ЛС (рис. 17), получаемых при ЭИЛ на разных режимах, показал, что повышение теплового воздействия вызывает разложение WC [4] за счет взаимодействия углерода с кислородом воздуха. Основу покрытия составляют карбиды типа W2C, CoxWxC, с мелкими включениями WC. При грубой ЭИЛ обработке последовательно инициируется реакция: WC ^^С, вплоть до восстановления W. Аналогичные химические реакции возникают при увеличении как времени легирования, так и длительности разрядов. Оптимальная длительность искрового воздействия лежит в пределах 40-80 мкс.
Таким образом, необходимый для твердосплавного анода высокоэнергетический режим ЭИЛ сопряжен с процессами окисления, обезуглероживания, сопровождается формированием «вторичной структуры», состоящей из окислов, смеси карбидов различной стехиометрии (WC, W2C) и даже металлического W. Очевидно, что для сохранности исходного WC в процессе ЭИЛ следует применять защитную (аргоновую) атмосферу.
30 40 50 2в. 70 80
Рис. 17. Рентгеновские дифрактограммы ЭИЛ покрытий на стали 45 ЭМ на основе карбида вольфрама с частотой импульсов 500 гц и длительностью: 1 - 200 мкс; 2 - 100 мкс; 3 - 80 мкс; 4 - 40 мкс
Характеристики покрытий представлены в табл. 10. Исходная микротвердость Н^ образцов из стали 45 - в пределах 2.6,.. .,3.5 ГПа.
Таблица 10
Характеристики покрытий, полученных при механизированном ЭИЛ стали 45
Материал электрода Длительность, мкс Сплошность ЛС, % Толщина ЛС, мм Микротвердость, ГПа Купр.
ЛС основы
ВК8 20 50 0.001-0.017 ср. 0.007 ± 0.001 6.86 2.6 2.64
80 88 0.001-0.069 ср. 0.020 ± 0.004 11.65 3.19 3.65
ВК8+1% А1203 40 64 0.002-0.036 ср. 0.018 ± 0.003 12.51 3.19 3.92
60 78 0.002-0.040 ср. 0.018 ± 0.002 12.19 3.07 3.97
80 68 0.002-0.054 ср. 0.016 ± 0.004 10.98 4.03 2.72
ВК8+3% А1203 40 95 0.002-0.048 ср. 0.021 ± 0.004 11.04 2.99 3.69
60 98 0.002-0.049 ср. 0.024 ± 0.004 12.51 3.74 3.34
80 97 0.008-0.074 ср. 0.038 ± 0.005 12.83 4.34 2.96
ВК8+5% А1203 40 82 0.002-0.043 ср. 0.025 ± 0.004 11.09 3.44 3.22
60 87 0.002-0.049 ср. 0.024 ± 0.004 11.63 3.45 3.37
80 97 0.002-0.094 ср. 0.037 ± 0.006 12.37 4.26 2.9
Исследования параметров шероховатости поверхности показали, что высота неровностей находится в пределах 14-59 мкм. В табл. 11 представлены характеристики шероховатости модифицированного поверхностного слоя стали 45. Наименее шероховатая поверхность наблюдается у электроискровых покрытий с длительностью импульсов 1 0 мкс.
Результаты измерения на микроабразивный износ полученных ЭИЛ покрытий, представлены на рис. 18. Анализ показывает, что введение нанопорошка А1203 в твердый сплав ВК8 во всех случаях повышает износостойкость ЛС. Наилучшие результаты получены при ЭИЛ ЭМ с добавкой 5 мас. % нанопорошка А1203.
Можно отметить, что на износостойкость ЛС значительное влияние оказывает структура поверхностного слоя. Полосчатая структура с размерами до нескольких сотен нанометров, полученная твердым сплавом с добавками нанопорошка А1203 вращающимся электрод-инструментом, имеет лучшие результаты по износостойкости по сравнению с покрытиями, полученными твердым сплавом ВК8 при длительности импульсов 80 мкс. Увеличение длительности импульсов до 80 мкс наиболее сильно сказывается на износостойкости ЛС вследствие образования наибольшего количества наностркутур карбида вольфрама, приводящего к увеличению абразивного износа более чем в 100 раз.
Таблица 11
Характеристики шероховатости модифицированного поверхностного слоя стали 45
Материал анода Ra, мкм Rmax, мкм Rz, мкм
ВК8 10 мкс 2.652 24.8918 21.12426
ВК8 20 мкс 4.91 55.36953 53.23656
ВК8 40 мкс 5.16 32.56172 28.79078
ВК8 60 мкс 8.146 59.39141 57.45008
ВК8 80 мкс 10.152 59.51172 59.44641
ВК8+3% AI2O3 10 мкс 2.286 15.60195 14.25875
ВК8+3% AI2O3 20 мкс 3.876 38.02734 34.09141
ВК8+3% Л1203 40 мкс 4.93 47.4332 44.67461
ВК8+5% Л1203 60 мкс 5.648 42.16523 40.14055
ВК8+5% AI2O3 80 мкс 7.182 59.32266 58.95828
ВК8+5% AI2O3 10 мкс 2.592 15.94141 15.16023
ВК8+5% A12O3 20 мкс 3.218 36.26133 31.09992
ВК8+5% A12O3 40 мкс 6.846 42.27266 40.48344
ВК8+5% A12O3 60 мкс 5.54 59.20664 55.92469
ВК8+5% A12O3 80 мкс 5.866 59.49883 58.86805
а)
б)
Рис. 18. Износостойкость ЛС на стали 45 с покрытиями из сплава: а - ВК8; б - ВК8 с 5% добавкой порошка
оксида алюминия
Исследования жаростойкости однослойных и двухслойных покрытий. В качестве ЭМ мы использовали составы ВК8, ВК8+5% A12O3, были нанесены покрытия, сформированные вышеперечисленными ЭМ и хромом. Нагрев стали 45 до 1000 °С показал наличие структурнополиморфных превращений при 740 °С (рис. 11). На рис. 19 представлена термограмма процесса окисления стали 45 с покрытиями на основе карбида вольфрама.
Рис. 19. ТГ и ДТА кривые окисления стали 45: 1 - сталь 45 без покрытия; 2 - сталь с покрытием ВК8+Сг;
3 - сталь с покрытием ВК8+5% А!2Оз+Сг
Анализ экспериментальных данных на ТГ кривых показывает, что удельный прирост массы увеличивается от 400 до 1000 °С. Это связано с ростом скорости диффузии кислорода при повышении температуры и образованием оксидных фаз на поверхности образца. На ТГ кривых видно, что покрытие на образце, в состав которого входит хром, окисляется медленнее других покрытий, о чем свидетельствует двукратное уменьшение массы.
Металлографические исследования образцов стали 45 на жаростойкость показали, что поверхность всех образцов покрыта оксидным слоем толщиной до 70 мкм, что произошло обезуглероживание поверхности на глубину до 1 20 мкм (рис. 20).
а б
Рис. 20. Микроструктура поверхности стали 45 после нагрева при температуре 1000 оС (х 300), легированной электродами на основе карбида вольфрама: а - ВК8; б - ВК8 + Сг
Испытания жаростойкости при легировании в два слоя (карбид вольфрама с кобальтовой связкой + хром) показали результаты лучшие, чем при ЭИЛ в один слой. Рисунок 20, б иллюстрирует: сохранился легированный слой толщиной до 30 мкм. Образующиеся оксиды не пропустили коррозионное повреждение под ЛС и защитили основной металл от обезуглероживания.
Металлографические исследования структуры поверхностных слоев, полученных ЭИЛ электродами ВК8+5% Л1203 и ВК8+5% Л1203 + Сг, представлены на рис. 21. Мы видим, что ЛС, нанесенный электродом ВК8+5% Л1203 толщиной до 90 мкм, окислился, произошло обезуглероживание на глубину до 120 мкм (рис. 21, а). На (рис. 21, б) с двухслойным покрытием видим полное сохранение слоя, отсутствие обезуглероживания.
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2015. № 1 (22)
а б
Рис. 21. Микроструктура поверхности стали 45 после нагрева при температуре 1000 оС (х 300), легированной электродами на основе ТЮ: а - ВК8+5% А1203; б - ВК8+5% А1203 + Сг
Полученные результаты позволяют рекомендовать дополнительное легирование хромом для защиты и увеличения ресурса работы стали 45, обработанной электродами на основе карбида вольфрама. Модифицированный поверхностный слой стали 45, полученный последовательным ЭИЛ электродами ВК8 + Сг и ВК8+5% А1203 + Сг, не выгорел и защитил основной металл от коррозионного повреждения.
Таким образом, созданные композиционные ЭМ на основе карбида вольфрама с добавкой нанопорошка А1203 позволяют получать поверхностные слои на стали 45 высокой микротвердости (10.98-12.51 ГПа), повышенной износостойкости (в сотни раз по сравнению со сталью 45) и повышенной жаростойкости (до трех раз по сравнению со сталью 45). Представляется перспективным использование технологии СВС-экструзии для производства электродных материалов для ЭИЛ. Также перспективно использование в качестве добавки в электродные материалы датолитового концентрата, который присутствует в виде стеклофазы, повышающей триботехнические характеристики покрытий.
Заключение
• Изучение процесса формирования ЛС на стали 45 с помощью механизированного ЭИЛ с использованием электродов из ТЮ-№-Мо с 1-3 мас.% добавкой датолитового концентрата позволило установить рациональные параметры и режимы работы макета разработанной установки. Установлено, что эффективность процесса ЭИЛ возрастает при повышении длительности импульсов до характерного предела для каждого электродного материала. Добавка датолитового концентрата увеличивает эффективность процесса формирования ЛС. Наиболее эффективные режимы ЭИЛ и состав формируемых ЛС: частота 500 Гц и длительность до 80 мкс для электрода ТЮ-№-Мо с однопроцентной добавкой ДТК. Исследование на микроабразивный износ показало, что введение ДТК во всех случаях испытаний приводит к повышению износостойкости ЛС. Увеличение износостойкости с увеличением длительности искрового разряда с 20 до 80 мкс на несколько порядков можно объяснить появлением наноструктур в поверхностном слое.
• Изучение процесса формирования ЛС на стали 45 типовым сплавом ВК8 и сплавом ВК8 с добавкой 1-5 мас.% нанопорошка А1203 позволило установить, что добавка А1203 в количестве 1 мас.% в ВК8 увеличивает, по сравнению со стандартным сплавом ВК8, суммарный массоперенос и эффективность процесса формирования ЛС почти в 3 раза. Микротвердость легированных слоев превышает в 3-4 раза микротвердость стали 45. Нами определены наиболее эффективные режимы ЭИЛ и состав формируемых ЛС: частота 500 Гц и длительность до 80 мкс для электрода ВК8 с добавкой 1% нанопорошка А1203. При введении в ВК8 добавок нанопорошка А1203 (до 1-5%) и длительности импульсов от 20 до 80 мкс, содержание сферических частиц,
сформированных из жидкофазной составляющей, повышается до 60%. Методами АСМ обнаружено формирование в процессе ЭИЛ в ЛС регулярной полосовой наноструктуры, образованной из наночастиц WC. Введение Al203 в ВК8 повышает микроабразивный износ ЛС.
Таким образом, созданные вольфрамсодержащие и безвольфрамовые композиционные ЭМ на основе карбидов титана и вольфрама с никель-молибденовой связкой, добавкой борсодержащего минерального сырья (датолитового концентрата) и добавкой нанопорошка оксида алюминия позволяют получать поверхностные слои на стали 45 высокой твердости и износостойкости. Представляется перспективным использование технологии СВС-экструзии для производства электродных материалов для ЭИЛ.
Авторы благодарят сотрудников Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН за помощь в проведении и обсуждении результатов экспериментов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. № 1683347 от 14.07.89. СССР. Электродный материал на основе карбида титана для электроискрового легирования и шихта для его получения / А.Д. Верхотуров, Т.А. Шевелева, С.В. Николенко и др.
2. Верхотуров А.Д. Физико-химические основы процесса электроискрового легирования металлических поверхностей. Владивосток: Дальнаука, 1992. 180 с.
3. Ковальченко М.С., Паустовский А.В., Кириленко С.Н. и др. Электроискровое легирование стали безвольфрамовыми твердыми сплавами // Порошковая металлургия. 1984. № 6. С. 47-50.
4. Колгачев А.Е., Панин С.В., Почивалов Ю.И., Антипина Н.А. Влияние предварительного наноструктурирования поверхностного слоя на износостойкость титанового сплава ВТ6, подвергнутого химико-термической обработке // Изв. Том. политех. ун-та. 2006. Т. 309, № 2. С. 144-148.
5. Кудряшов А.Е., Левашов Е.А., Ветров Н.В. и др. Новый класс электроискровых покрытий для изделий из титановых сплавов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008. № 3. С. 34-45.
6. Левашов Е.А., Кудряшов А.Е., Погожев Ю.С. и др. Особенности формирования наноструктурированных электроискровых защитных покрытий на титановом сплаве ОТ4-1 при использовании дисперсно-упрочненных наночастицами электродных материалов системы TiC-T^AlQ // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2007. № 5. С. 54-64.
7. Муха И.М., Верхотуров А.Д., Гнедова С.В. Материал легирующих электродов на основе твердых сплавов WC-Co с микродобавками бора // Электронная обработка материалов. 1981. № 5. С. 24-27.
8. Назаренко О.Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применение / под ред. А.П. Ильина. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. 148 с.
9. Намитоков К.К. Электроэрозионные явления. М.: Энергия, 1978. 456 с.
10. Николенко С.В., Верхотуров А.Д. Новые электродные материалы для электроискрового легирования. Владивосток: Дальнаука, 2005. 219 с.
11.Панов В.С., Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСИС, 2001. 452 с.
12. Середа Н.Н., Ковальченко М.С., Белик И.Т. и др. Использование твердых сплавов на основе карбида титана в качестве износостойких материалов и лезвийного инструмента // Порошковая металлургия. 1977. № 5. С. 94-97.
13. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. 512 с.
14. Химухин С.Н., Ри Хосен, Верхотуров А.Д., Ри Э.Х. Формирование структуры слоя на металлах и сплавах при электроискровой обработке. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. 239 с.
15. Шевелева Т.А., Верхотуров А.Д., Николенко С.В. и др. Влияние добавок датолитового концентрата в электродные материалы TiC-Ni-Mo на свойства поверхностного слоя сталей после электроискрового легирования // Электронная обработка материалов. 1991. № 1. С. 26-30.
16. El-Eskandarany M.S., Fabrication and characterizations of new nanocomposite WC/A1203 materials by room temperature ball milling and subsequent consolidation, J. of Alloys and Compounds. 2005(391)1-2:228-235.
17. Kusano Y., Acker K. Van, Hutchings I.M., Methods of data analysis for the micro-scale abrasion test on coated substrates, Surf. Coat. Technol. 2004(183)2-3:312-327.
18. Nikolenko S.V., Kuz'menko A.P., Timakov D.I., Abakymov P.V., Nanostructuring a Steel Surface by Electrospark Treatment with New Electrode Materials Based on Tungsten Carbide, Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2011(47)3:217-224.
19. Nikolenko S.V., Pyachin S.A., Burkov A.A., Formation of electrospark coatings of the VK8 hard alloy with the Al2O3 additive, Russian J. of Non-Ferrous Metals. 2011(52)1:56-61.
20. Nikolenko S.V., Surface Nanostructuring of Steel 35 by Electrospark Machining with Electrodes Based on Tungsten Carbide and Added Al2O3 Nanopowder, Russian Engineering Research. 2011(31)6:556-561.
21. Radek N., Bartkowiak K., Performance properties of electro-spark deposited carbide-ceramic coatings modified by laser beam, Physics Procedia. 2010(5):417-423.
22. Zamulaeva E.I., Levashov E.A., Kudryashov A.E. et al., Electrospark coatings deposited onto an Armco iron substrate with nano- and microstructured WC-Co electrodes: Deposition process, structure, and properties, Surface & Coatings Technology. 2008(202):3715-3722.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Powder Metallurgy and Composite Materials
Lebedev M.P., Nikolenko S.V., Verchoturov A.D., Suy N.A.
MIHAIL P. LEBEDEV, Corresponding member of RAS, Doctor of Technical Science, Director of Institute of Physical and Technical Problems of the North, named after V.P. Larionov of Siberian Branch of RAS, Yakutsk. 1 October St., Yakutsk, Sakha Republic, Yakutia, Russia, 677000, e-mail: m.p.lebedev@prez.ysn.ru
SERGEY V. NIKOLENKO, Doctor of Technical Sciences, Institute of Materials Science, Khabarovsk Research Center, FEB RAS. 153 Pacific St., Khabarovsk, Russia, 680042.
ANATOLY D. VERCHOTUROV, Doctor of Technical Sciences, Professor, Institute of Water and Environmental Problems, FEB RAS, Khabarovsk. 65 Kim Yu Chen St., Khabarovsk, Russia, 680000, e-mail: verhoturov36@mail .ru
NIKOLAY A. SUY, Enginer, Institute of Materials Science, Khabarovsk Research Center, FEB RAS. 153 Pacific St., Khabarovsk, Russia, 680042, e-mail: heranim@mail.ru
Studies on electrodes made on the basis of tungsten
and titanium carbides for mechanised electrospark alloying (Part 2)
The article deals with the development and study of tungsten and tungsten-free electrodes for electrospark alloying (ESA) with the addition of boron minerals and aluminum oxide nanopowder obtained by the explosion of conductors with particles from 20 to 80 nm in size. There has been studied the process of generating alloy layers (AL) on the steel 45 with the usage of mechanised ESA and presented the data of the study on of the surface layers obtained from the steel 45 with the usage of the electrodes made of the titanium carbide with nickel molybdenum binder and the addition of 0.5-3 wt. % mineral (datolite concentrate (DTC)) as well as the electrodes made of tungsten carbide with cobalt binder and the addition of aluminum oxide nanopowder 1, 3, 5 wt. %. There have been determined the most effective modes of ESA and the composition of the formed AL: the 500 Hz frequency and the duration of the spark discharge of 20-80 microseconds. The method of atomic force microscopy has made it possible to reveal the formation of nanostructures generated from nanoparticles TiC and WC in the process of ESA and AL. In all cases, when adding DTC and aluminum oxide nanopowder, the productivity of the ESA process and the microabrasive wear of AL increase.
Key words: electrospark alloying, SHS extrusion, powder metallurgy, electrode material, nanostructures.
REFERENCES
1. A.S. Number 1683347 from 14.07.89. USSR. Electrode material based on titanium carbide for spark alloying and charge for its production, A.D. Verkhoturov, T.A. Sheveleva, S.V. Nikolenko et al. (in Russ). [A.S. № 1683347 ot 14.07.89. SSSR. Jelektrodnyj material na osnove karbida titana dlja jelektroiskrovogo legirovanija i shihta dlja ego poluchenija / A.D. Verhoturov, T.A. Sheveljova, S.V. Nikolenko i dr.].
2. Verkhoturov A.D. Physico-chemical foundations of electro-spark alloying metal surfaces. Vladivostok, Dal'nauka, 1992, 180 p. (in Russ). [Verhoturov A.D. Fiziko-himicheskie osnovy processa jelektroiskrovogo legirovanija metallicheskih poverhnostej. Vladivostok: Dal'nauka, 1992. 180 s.].
3. Koval'chenko M.S., Paustovsky A.V., Kirilenko S.N., et al. Electric alloying steel hardmetal, Powder metallurgy. 1984;6:47-50. (in Russ). [Koval'chenko M.S., Paustovskij A.V., Kirilenko S.N. i dr. Jelektroiskrovoe legirovanie stali bezvol'framovymi tverdymi splavami // Poroshkovaja metallurgija. 1984. № 6. S. 47-50].
4. Kolgachev A.E., Panin S.V, Pochivalov Y.I., Antipina N.A. Effect of pre- nanostructuring of the surface layer on the wear resistance of the titanium alloy VT6 subjected to chemical and thermal treatment, Math. Tomsk Polytechnic. Univ. 2006(309)2:144-148. (in Russ). [Kolgachev A.E., Panin S.V., Pochivalov Ju.I., Antipina N.A. Vlijanie predvaritel'nogo nanostrukturirovanija poverhnostnogo sloja na iznosostojkost' titanovogo splava VT6, podvergnutogo himiko-termicheskoj obrabotke // Izv. Tomskogo politehn. un-ta. 2006. T. 309, № 2. S. 144-148].
5. Kudryashov A.E., Levashov E.A., Vetrov N.V. et al. A new class of electric-spark coatings for products made of titanium alloys, working in extreme conditions, Math. universities. Powder metallurgy and functional coatings. 2008;3:34-45. (in Russ). [Kudrjashov A.E., Levashov E.A., Vetrov N.V. i dr. Novyj klass jelektroiskrovyh pokrytij dlja izdelij iz titanovyh splavov, rabotajushhih v jekstremal'nyh uslovijah jekspluatacii // Izv. vuzov. Poroshkovaja metallurgija i funkcional'nye pokrytija. 2008. № 3. S. 34-45].
6. Levashov E.A., Kudryashov A.E., Pogozhev Yu.S. et al. Features of formation of nanostructured electric-spark coatings on titanium alloy OT4-1 using dispersion-strengthened nanoparticles electrode materials systems TiC-Ti3AlC2, Math. Universities. Non-ferrous metallurgy. 2007;5:54-64. (in Russ). [Levashov E.A., Kudrjashov A.E., Pogozhev Ju.S. i dr. Osobennosti formirovanija nanostrukturirovannyh jelektroiskrovyh zashhitnyh pokrytij na titanovom splave OT4-1 pri ispol'zovanii dispersno-uprochnennyh nanochasticami jelektrodnyh materialov sistemy TiC-Ti3AlC2 // Izv. vuzov. Cvetnaja metallurgija. 2007. N 5. S. 54-64].
7. Muha I.M., Verkhoturov A.D., Gnedova S.V. Material alloy electrodes on the basis of hard alloys WC-Co with microaddings boron, Electronic Materials Processing. 1981;5:24-27. (in Russ). [Muha I.M., Verhoturov A.D., Gnedova S.V. Material legirujushhih jelektrodov na osnove tvjordyh splavov WC-Co s mikrodobavkami bora // Jelektronnaja obrabotka materialov. 1981. № 5. S. 24-27].
8. Nazarenko O.B. Electroexplo nanopowders: preparation, properties, applications, ed. A.P. Ilyin. Tomsk, Tomsk Univ. Press, 2005, 148 p. (in Russ). [Nazarenko O.B. Jelektrovzryvnye nanoporoshki: poluchenie, svojstva, primenenie / pod red. A.P. Il'ina. Tomsk: Izd-vo Tom. un-ta, 2005. 148 s.].
9. Namitokov K.K. EDM phenomenon. M., Energiya, 1978. 456 p. (in Russ). [Namitokov K.K. Jelektrojerozionnye javlenija. M.: Jenergija, 1978. 456 s.].
10. Nicolenco S.V., Verkhoturov A.D. New electrode materials for electric-spark alloying. Vladivostok, Dal'nauka, 2005, 219 p. (in Russ). [Nikolenko S.V., Verhoturov A.D. Novye jelektrodnye materialy dlja jelektroiskrovogo legirovanija. Vladivostok: Dal'nauka, 2005. 219 s.].
11. Panov V.S., Chuvilin A.M. Technology and properties of sintered hard alloys and products made of them. M., MISA, 2001, 452 p. (in Russ). [Panov V.S., Chuvilin A.M. Tehnologija i svojstva spechennyh tverdyh splavov i izdelij iz nih. M.: MISIS, 2001. 452 s.].
12. Sereda N.N., Koval'chenko M.S., Belik I.T. et al. The use of hard alloys based on titanium carbide as a wear-resistant materials and tool blade, Powder metallurgy. 1977;5:94-97. (in Russ). [Sereda N.N., Koval'chenko M.S., Belik I.T. i dr. Ispol'zovanie tverdyh splavov na osnove karbida titana v kachestve iznosostojkih materialov i lezvijnogo instrumenta // Poroshkovaja metallurgija. 1977. № 5. S. 94-97].
13. Tretyakov V.I. Fundamentals of physical metallurgy and production technology of sintered hard alloys. M., Metallurgy, 1976, 512 p. (in Russ). [Tretjakov V.I. Osnovy metallovedenija i tehnologii proizvodstva spechennyh tverdyh splavov. M.: Metallurgija, 1976. 512 s.].
14. Khimukhin S.N., Rea Hosen, Verkhoturov A.D., Rea E.H. Formation of the structure layer on metals and alloys under electric discharge machining. Khabarovsk, Univ DVGUPS, 2010, 239 p. (in Russ). [Himuhin S.N., Ri Hosen, Verhoturov A.D., Ri Je.H. Formirovanie struktury sloja na metallah i splavah pri jelektroiskrovoj obrabotke. Habarovsk: Izd-vo DVGUPS, 2010. 239 s.].
15. Sheveleva T.A., Verkhoturov A.D., Nikolenko S.V. et al. Influence of additives et al datolite concentrate electrode materials TiC-Ni-Mo on the properties of the surface layer of steel after spark alloying, Electronic Materials Processing. 1991;1:26-30. (in Russ). [Sheveleva T.A., Verhoturov A.D., Nikolenko S.V. i dr. Vlijanie dobavok datolitovogo koncentrata v jelektrodnye materialy TiC-Ni-Mo na svojstva poverhnostnogo sloja stalej posle jelektroiskrovogo legirovanija // Jelektronnaja obrabotka materialov. 1991. № 1. S. 26-30].
16. El-Eskandarany M.S. Fabrication and characterizations of new nanocomposite WC/Al2O3 materials by room temperature ball milling and subsequent consolidation, J. of Alloys and Compounds. 2005(391)1-2:228-235.
17. Kusano Y., Acker K. Van, Hutchings I.M. Methods of data analysis for the micro-scale abrasion test on coated substrates, Surf. Coat. Technol. 2004(183)2-3:312-327.
18. Nikolenko S.V., Kuz'menko A.P., Timakov D.I., Abakymov P.V. Nanostructuring a Steel Surface by Electrospark Treatment with New Electrode Materials Based on Tungsten Carbide, Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2011(47)3:217-224.
19. Nikolenko S.V., Pyachin S.A., Burkov A.A. Formation of electrospark coatings of the VK8 hard alloy with the Al2O3 additive, Russian J. of Non-Ferrous Metals. 2011(52)1:56-61.
20. Nikolenko S.V. Surface Nanostructuring of Steel 35 by Electrospark Machining with Electrodes Based on Tungsten Carbide and Added Al2O3 Nanopowder, Russian Engineering Research. 2011(31)6:556-561.
21. Radek N., Bartkowiak K. Performance properties of electro-spark deposited carbide-ceramic coatings modified by laser beam, Physics Procedia. 2010(5):417-423.
22. Zamulaeva E.I., Levashov E.A., Kudryashov A.E. et al. Electrospark coatings deposited onto an Armco iron substrate with nano- and microstructured WC-Co electrodes: Deposition process, structure, and properties, Surface & Coatings Technology. 2008(202):3715-3722.
