CC BY
65
УДК 669.14.254.017:621.793
Сравнительная износостойкость покрытий электроискрового легирования c применением СВС-электродов с нанодисперсными модификаторами*
Л. Б. Аксенов, В. М. Петров, А. Е. Кудряшов, А. А. Галышев
Ключевые слова: износостойкость, штамповые стали, электроискровое легирование.
Проблема стойкости штампового инструмента
Стойкость инструмента в процессах обработки металлов давлением во многом определяет их эффективность. Поэтому остается актуальным решение проблемы повышения стойкости формообразующих элементов штамповой оснастки.
Преобладание того или иного вида разрушения зависит от большого количества факторов, в том числе и от вида технологического процесса [1]. Более 70% случаев выхода из строя инструмента для холодной объемной штамповки происходят из-за износа. Поэтому для повышения стойкости штампов, матриц и пуансонов для холодных пластических операций формообразования широко применяются покрытия различных типов.
Одним из эффективных методов упрочнения рабочих поверхностей деталей машин и инструментов является технология электроискрового легирования (ЭИЛ), позволяющая формировать поверхностные слои с высокой прочностью адгезии к подложке [2]. Традиционно в качестве электродных материалов (ЭМ) используют металлы и их сплавы, графит, а также твердые сплавы, в основном на основе карбидов вольфрама (марок ВК и ТК), получаемые по технологии порошковой металлургии (спеканием) [3]. Однако такие твердые сплавы не всегда удовлетворяют требованиям,
*Работа выполнена в рамках гранта № 3616 Международного научно-технического центра (МНТЦ)
предъявляемым к электродным материалам, из-за их высокой эрозионной стойкости, низкого коэффициента переноса, низкой жаростойкости, высокой стоимости.
Принципиально новый подход в технологическом процессе получения электродов для ЭИЛ открывается с применением технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и ее модификаций: силового силового компактирования и экструзии, проведенных методом СВС.
В результате исследований [3] было установлено, что введение в шихту, полученную с помощью технологии СВС, тугоплавких на-нодисперсных компонентов приводит к модифицированию структуры сплавов, это, в свою очередь, способствует улучшению свойств покрытий и повышает срок службы различных, в том числе деформирующих, инструментов.
В данной работе поставлена цель изучить износостойкости электроискровых покрытий на штамповой инструментальной стали Х12МФ, выполненных из материалов на основе диборида титана (система Т.-В-А1) и нанесенных методом СВС.
В качестве электродов (анодов) применялись полученные с помощью технологии СВС сплавы марки СТИМ 9/20А (синтетический твердый инструментальный материал, СТИМ), в том числе модифицированные нанодисперс-ными компонентами — диоксидом циркония и карбидом ниобия. Состав и свойства применяемых электродных материалов приведены в табл. 1. Как видно, введение в шихту
№ 3 (57)/2010
Таблица 1
Состав и свойства электродных материалов
Марка электродного материала* Состав шихты, % масс. Плотность р, г/см3 Напряжение текучести <г, МПа Коэффициент трещиностойкости 1 К1с, МПа х м1 Твердость HV, ГПа
Титан Бор Алюминий Диоксид циркония Карбид ниобия
СТИМ 9/20А 66,7 13,3 20,0 — — 3,96 680 18,0 13,8
СТИМ 9/20А0Кн 59,1 11,8 17,7 11,4 — 4,12 844 21,0 16,5
СТИМ 9/20АКНн 57,3 11,4 17,2 — 14,1 4,23 853 22,0 18,6
"Составы электродных материалов соответствуют ТУ 1984-012-11301236-2008.
Энергетические режимы обработки
Таблица 2
Режим Амплитудное значение тока I, A Частота f, Гц Длительность импульса т, мкс Период следования импульсов П*, мкс Энергия единичного импульсного разряда Е, Дж Время обработки образца, мин
1 2 120 120 800 3200 80 20 1250,0 312,5 0,192 0,048 9 1
* П = 1/f.
тугоплавких нанодисперсных компонентов способствует повышению свойств материалов (прочности, трещиностойкости, твердости).
Нанесение электроискровых покрытий проводили на установке Alier-303 Metal (Alier-Metal, Россия, Молдова). Формирование поверхностного слоя осуществлялось на воздухе, воздействие импульсного разряда на все участки обрабатываемой поверхности было поочередным и локальным, анод многократного проходил над одним и тем же участком катода, отсутствовала синхронизация импульсов тока с частотой касания электрода с образцом (схема независимого генератора). Частота вибрации рабочего инструмента составляла 600 Гц.
Энергетические режимы нанесения покрытий приведены в табл. 2. Данные режимы обеспечивали получение покрытий толщиной ~25 мкм с высокой сплошностью (100%) и с минимальной шероховатостью. Для уменьшения шероховатости нанесенных покрытий, проводили повторную обработку сформированных покрытий в условиях низкоэнергетического режима (выглаживания) в течение 1 мин.
Для повышения износостойкости образцов из стали Х12МФ с электроискровыми покрытиями применяли дополнительную обработку поверхности покрытия электродом из графита (ТУ 16-538.240-74) (время обработки — 1 мин) или наносили на поверхность покрытия порошок диселенида вольфрама WSe2.
Основная проблема упрочнения поверхностей нанесением покрытий связана с обеспечением значительной адгезии между покрытием и подложкой при минимальном уровне межфазных напряжений. Применительно к покрытиям антифрикционного назначения возникает противоречие между требованием
высокой адгезии покрытий с подложкой и минимальной — с материалом контртела.
Защитная роль покрытия сводится к торможению генерируемых в подложке дислокаций, перераспределению нормальных и тангенциальных напряжений, сглаживанию эпюры контактных напряжений в поверхности при нанесении высокопрочных покрытий, испытывающих преимущественно упругую деформацию.
Сглаживание оказывает заметное влияние, если толщина покрытий сравнима со средним расстоянием между пятнами фактического контакта. Эффективность высокопрочных покрытий на мягкой подложке, определяемая их прочностными характеристиками, проявляется лишь при малых сближениях контактирующих поверхностей. Основная роль покрытий связана с изменением контактных условий на границе раздела двух тел и закономерностями деформации нижележащих слоев основного материал в случае больших нагрузок. Таким образом, роль высокопрочных покрытий сводится к снижению контактных давлений за счет увеличения несущей способности поверхности и снижения адгезионного взаимодействия на пятнах фактического контакта. Возможность поглощения и рассеяния энергии высокопрочными материалами ограничена вследствие проявления их высокой хрупкости.
Взаимосвязь толщины покрытия и параметров шероховатости проявляется в том, что микропрофиль предельно тонких покрытий определяется структурой исходной поверхности, за исключением случаев очистки поверхности, например, аргоном. Микропрофиль зависит исключительно от условий нанесения, если толщина покрытия значительно больше высоты микронеровностей на исходной
а)
Рис. 1. Вид поверхности образцов без покрытия (а), с покрытиями и локальными выступами (б) и впадинами (в)
поверхности, например, имеет размер капельной фазы при напылении электродуговых ионно-плазменных покрытий.
Шероховатость поверхности и параметры формирования покрытий имеют существенное значение, если значения толщины находятся в промежуточном диапазоне. Выборочный входной контроль шероховатости поверхности показал, что шероховатость поверхности покрытий Яа изменяется в диапазоне 1,43-4,34 мкм. Данная
величина не вполне удовлетворяет требованиям к шероховатости поверхности штампов, матриц и пуансонов для холодного деформирования, но достаточна для штампов, предназначенных для горячей штамповки. Кроме того, анализ топологии поверхности покрытий (рис. 1) показывает локальные выступы и впадины, которые оказывают влияние на характер фрикционного контакта и долговечность покрытий.
Исследование износостойкости покрытий
К настоящему времени получили распространение следующие методы исследований износостойкости деформирующего инструмента:
• Прямые исследования. Сравниваются инструменты из разных материалов, в том числе с разными покрытиями, в реальных условиях эксплуатации. Недостатки метода: высокая себестоимость, значительные временные затраты, отсутствие возможности провести сравнение с учетом большого числа факторов, например покрытий.
• Модельные исследования. Проводятся на моделях максимально воспроизводящих условия работы реального инструмента. Преимущества: дешевле и быстрее, чем прямые исследования.
• Модельные исследования на образцах с использованием стандартных или модифицированных методов исследования, применяемых в трибологии. Это наиболее быстрый и дешевый метод исследований для сравнительного анализа, но необходимо проверять результаты в реальных условиях производства.
• Компьютерное моделирование — наиболее перспективное направление, но в настоящее время пока недостаточно развитое для получения достоверной информации, так как нужны адекватные модели поведения различных новых покрытий.
Поэтому для получения сравнительных данных об износостойкости новых покрытий в необходимом объеме наиболее целесообразно использовать специализированные машины трения, применяемые для трибологических испытаний. Известно более 50 видов машин и технологий испытаний фрикционного контакта. Среди тех и других можно выбрать наилучшие только в одной узкой области. Для трибологических испытаний износостойких покрытий, имеющих небольшую толщину (до 50 мкм), наиболее пригодными следует считать машины трения возвратно-поступательного и вращательного типа. У них характер относительного движения образцов и контртела лучше всего соответствует процессам обработки металлов давлением. В данном исследовании в качестве инструментальной стали для нанесения покрытий
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
использовалась сталь Х12МФ. Она чаще всего применяется для изготовления штампов для холодного деформирования металлов. Для проведения испытаний изготавливались образцы цилиндрической формы, диаметром 12 мм, имеющие фаски и закаленные до твердости НИС 60...62.
В качестве показателя износостойкости для оценки стойкости покрытий наиболее целесообразно использовать интенсивность изнашивания I (мгновенная, средняя), которая вычисляется как отношение значения износа, определяемого прямым методом измерения, к обусловленному пути трения, на котором происходит изнашивание.
I =
АН
где АН — линейная величина износа слоя покрытия; Ь — путь трения.
Испытания сравнительной изностойкости покрытий на машине торцевого трения (рис. 2) проводились в определенных условиях:
• частота вращения п — 103 об/мин;
• линейная скорость V — 14,6 м/мин;
Рис. 2. Образцы с покрытием в оправке и контр-тело (а) и установка торцевого трения для исследования износа с относительным вращательным движением (б)
• давление от прикладываемой нагрузки на образец (давление максимально приближено к величине, действующей в процессах обработки металлов давлением, и соответствует возможностям испытательной машины) — 4,7 МПа;
• смазочная среда отсутствует;
• время испытаний (измерение износа до частичного истирания покрытия, или другого явления, препятствующего продолжению испытаний) — каждые 5 мин;
• число одновременно испытываемых образцов: три.
Скорость относительного движения обеспечивала изменение температуры исследуемых образцов в диапазоне 20-50 °С, поскольку исследовалась износостойкость без влияния температуры, то есть приблизительно при комнатной температуре.
Испытания сравнительной изностойкости покрытий проводились на машине 77МТ-1 (конструкция Санкт-Петербургского государственного политехнического университета) возвратно-поступательного действия (рис. 3) при следующих режимах:
• прикладываемая нагрузка на образец — 2 МПа;
• максимальная скорость перемещения ползуна — 6,8 м/мин;
• смазочная среда отсутствует;
• время испытаний (измерение износа до частичного истирания покрытия, или другого явления, препятствующего продолжению испытаний) — каждые 5 мин;
• величина хода — 44 мм;
• количество ходов — 100 ход/мин
• количество одновременно испытываемых образцов — 3 (рис. 4).
Результаты испытаний аппроксимированы линейными зависимостями по параметру интенсивности изнашивания. Все покрытия показали стойкость выше базового образца (без покрытия) по обеим методикам исследований (табл. 4) по критерию относительной износостойкости К = 10/1, где 10 — интенсивность изнашивания образца без покрытия;
/ * а \ \ <--->
---- 1 1 х9
1 т
Рис. 3. Схема установки для исследования сравнительного износа при возвратно-поступательном движении контр-тела:
1 — основание; 2 — электродвигатель; 3 — муфта; 4 — редуктор; 5 — рычаг; 6 — опорная пята; 7 — оправка с образцами; 8 — контр-тело; 9 — груз; I — плечо рычага
1
2
3
Рис. 4. Опытные образцы в оправке и контр-тело
Таблица 4
Относительная износостойкость покрытий
Покрытие
TiB2-TiAl + ZrO2 нано
TiB2-TiAl + NbC нано
TiB2-TiAl
TiB2-TiAl + графит
TiB2-TiAl + халькоге-нид WSe2
Образец без покрытия
Относительная износостойкость K
Машина торцевого трения
7,33
7,09
1,26
1,50
1,09
1,00
Машина возвратно-поступательного действия
10,00
3,33
2,50
1,67
1,43
1,00
а)
Рис. 5. Отсутствие отслоения покрытия с частичным износом по всей поверхности образца (а) и полным износом покрытия на части поверхности образца (б)
I — интенсивность изнашивания покрытия. При этом отслоения покрытия не наблюдалось на всех этапах износа покрытия вплоть до его полного износа (рис. 5).
Показана пригодность обоих методов три-ботехнических испытаний для оценки износостойкости нанесенных покрытий. Однако предпочтение следует отдать методу испытаний на машине торцевого трения. При относительном однонаправленном движении пары трения достигается большая стабильность результатов, а относительное движение соответствует процессам обработки металлов давлением и не вызывает задиров.
Выводы
Исследованные электроискровые покрытия, нанесенные электродами системы Т1-В-А1, существенно (до 7 раз) увеличивают износостойкость образцов из штамповой стали Х12МФ. Существенное влияние на долговечность покрытий оказывает исходная топография поверхности покрытий. Поэтому важно совершенствовать способы нанесения покрытий с целью улучшения их топографии, а именно для снижения шероховатости и достижения однородности поверхности, при условии возможности их нанесения на криволинейные поверхности.
Термические режимы нанесения исследованных покрытий позволяют предполагать их успешное применение для штампов горячего деформирования металлов.
Литература
1. Аксенов Л. Б. Системное проектирование процессов штамповки. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1990. 240 с.
2. Левашов Е. А., Кудряшов А. Е., Шевейко А. Н. и др. Об успехах применения технологии электроискрового легирования в металлургии и машиностроении // Цветные металлы. 2003. № 6. С. 73-77.
3. Левашов Е. А., Малочкин О. В., Кудряшов А. Е. и др. Исследование влияния нанокристаллических порошков на процессы горения и формирование состава, структуры и свойства сплава системы Ti-Al-B // Цветные металлы. 2002. № 3. C. 60-65.
4. Tercelj M., Panjan P., Urankar I. et al. A newly designed laboratory hot forging test for evaluation of coated tool wear resistance // Surface & coatings technology. 2006. Vol. 200. P. 3594-3604.
5. Yoshinari T. Trend in process tribology focusing on die life — key technology for precise and efficient production // R&D Review of Toyota CRDL. 1999. Vol. 34, N 4. Р. 1-10.
6. Петров В. М. Применение модификаторов в узлах машин для решения триботехнических задач. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 282 с.
