CC BY
105
УДК 621.762+621.923.74-408
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА НА ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПРИ ПРОШИВКЕ ТИТАНА И СТАЛИ
Н.Д. Оглезнев, С.А. Оглезнева
Исследовано влияние содержания тугоплавкой фазы в системах «медь - тугоплавкий металл», «медь - графит», ««медь - керамика» на электросопротивление, относительную износостойкость электродов-инструментов из композиционного материала при прошивке сплава ВТ 5 и стали Х12Ф. Определено, что относительная износостойкость при электроэрозионной прошивке электрода-инструмента из композиционных материалов на основе меди, содержащих тугоплавкие металлы, более всего зависит от жаростойкости тугоплавкого металла; в системах на основе меди с неметаллами относительный износ уменьшается при использовании электропроводных и обладающих капиллярным эффектом керамических фаз.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, электрод-инструмент композиционный материал, электросопротивление, эрозионная стойкость, производительность.
В современном авто- и авиастроении последнее время увеличиваются объемы обработки труднообрабатываемых материалов - жаропрочных, коррозионно стойких, титановых [6]. В автомобилестроении из титана и его сплавов изготавливают клапаны, подвески, соединительные тяги, шатуны, которые намного легче стальных, поэтому подвергаются меньшим инерционным нагрузкам, что позволяет увеличить число оборотов и мощность двигателя.
Основным способом изготовления титановых изделий являются литье и последующая механическая обработка. Однако способ литья титановых сплавов обладает недостатками - низкой размерной точностью изготовления, так как сплавы плохо поддаются фрезерованию (титан склонен к налипанию на инструмент и задиранию, а также к окислению при нагреве); литейные свойства титана не позволяют отливать тонкостенные изделия. При механической обработке некорректно выбранным инструментом или неверном режиме обработки возможны локальные перегревы металла, сопровождаемые образованием оксида и изменением кристаллической решетки [2]. Поэтому одним из эффективных способов изготовления заготовок из титана является электроэрозионная обработка (ЭЭО). Основным преимуществом ЭЭО является отсутствие механического контакта с инструментом [3]. Процесс обработки заключается в том, что импульсы тока расплавляют и испаряют металл, под действием гидродинамических сил рабочей жидкости частицы металла выбрасываются из зоны разрядов. Электрод, углубляясь в заготовку, создает впадину, повторяющую его форму.
Разработка новых эрозионно стойких материалов, обладающих низкой стоимостью и высокой износостойкостью, имеет большое экономическое значение, так как эрозионный износ электродов-инструментов (ЭИ), изготовленных из меди, латуни, чугуна, может быть в 10 - 100 раз выше, чем объем снятого металла с детали, что значительно снижает эффективность или делает даже нецелесообразным применение метода электроэрозионной обработки (ЭЭО) [4]. Наиболее предпочтительными для удовлетворения требований к ЭИ являются композиционные материалы типа псевдосплавов [4, 5]. При увеличении доли тугоплавкой составляющей повышается твердость и эрозионная стойкость электрода, но ухудшается электро- и теплопроводность, поэтому оптимизация состава материала может быть связана с заменой тугоплавкой фазы на твердую и электропроводную.
Цель работы - исследование влияния электросопротивления композиционных материалов электродов-инструментов на относительный износ и производительность при электроэрозионной прошивке сталей.
Порошок меди смешивали с порошками тугоплавких фаз, из смесей прессовали образцы, затем образцы спекали в вакуумной печи при температуре 1100 0С 2 часа. Испытания эксплуатационных свойств электродов [3] проводили при электроэрозионной прошивке листов стали Х12Ф толщиной 5,5 мм с твердостью 58 HRC и сплава титана ВТ 5 толщиной 4 мм на станке Electrónica Smart CNC на черновых режимах обработки Е92 (длительность импульса 150 мкс, пауза 32 мкс, сила тока 20 А). Относительный износ электрода определяли по отношению объема прошитого в стали отверстия к объемному износу электрода. В качестве РЖ использовалось масло EDM Oil - IPOL SEO 450.
Экспериментальные исследования физико-механических свойств композиционных материалов системы «медь - тугоплавкий металл» показали, что при увеличении добавки тугоплавкой фазы у образцов увеличивается пористость, что связано с отсутствием химического взаимодействия при спекании меди с металлическими тугоплавкими фазами [6] и сокращением площади металлического контакта
Увеличение количества добавок с высоким электросопротивлением и одновременно рост пористости приводят к увеличению удельного электросопротивления композиционного материала (рис. 1).
При прошивке титанового сплава наблюдали очень высокий износ электродов, что является характерным для обработки титана (относительный износ может достигать 200 % и более).
В материалах электродов, содержащих более 12,5 об. % карбида титана, износ был катастрофически высоким, возможно, из-за высокого электросопротивления (табл. 1). Наименьший износ был у электродов с минимальным количеством графита и карбида титана, высокая производительность - в системе меди с 20 об. % графита.
Оба фактора - пористость и электросопротивление - оказали влияние на относительный износ электрода: чем больше были пористость и электросопротивление композиционного материала, тем больше был износ (система «медь - молибден») (рис. 2).
О 20 40 60 80
об. тугоплавкой фазы, %
Рис. 1. Удельное электросопротивление композиционных материалов
систем «медь - хром», «медь - вольфрам», «медь - молибден», «медь - графит» в зависимости от содержания тугоплавкой добавки
Таблица 1
Относительный износ и производительность электродов
при прошивке ВТ 5
Состав электрода Отн. износ, % Производительность, мм /мин
Си + 0,4 об. % графита 70 1,66
Си + 20 об. % графита 100 2,44
Си + 12,5 об. % НС 66 1,8
Си + 25 об. % НС 1780 -
Си + 37,5 об. % НС 1780 -
Медь М1 100 2,22
Относительный износ электрода из чистой меди составил 6,9 %. Меньшее значение износа было в системах «медь - хром» и «медь -вольфрам». Относительный износ систем, содержащих молибден, был самым высоким, возможно, ввиду окисления молибдена (оксид молибдена образуется при 600 0С и способен к испарению [6]). При исследовании от-
носительного износа ЭИ на разных режимах было установлено, что наилучшей износостойкостью обладают электроды системы Си-Сг (относительный износ был меньше в 2 раза).
_ медь М1
- / Мо
___ \Л/
О □ е- -© Сг
н >4 \с
1 1 1 1 1 1 1
О 20 40 60 80
об. тугоплавкой фазы, %
Рис. 2. Износ электрода от содержания тугоплавкой фазы в системах «медь - хром», «медь - вольфрам», «медь - молибден», «медь - графит» при электроэрозионной прошивке стали
В отличие от молибдена взаимодействие хрома с кислородом при повышении температуры протекает сначала довольно активно, затем резко замедляется благодаря образованию на поверхности металла оксидной пленки, которая разрушается при 1200 °С [6].
При добавлении коллоидального графита к порошку меди пористость незначительно снижалась с увеличением его содержания, так как при прессовании меди с добавками графита, действующего как твердая смазка, в прессовке была достигнута более высокая плотность. Наблюдали незначительное повышение электросопротивления при увеличении объема коллоидального графита до 18 об. %, возможно, связанное с образованием дополнительной пористости при сокращении металлического контакта при спекании, ухудшающем свойства проводимости по сравнению с чистой медью (рис. 1). Относительный износ ЭИ из спеченного порошка чистой меди был больше в 15 раз, чем в композиционных материалах «медь -графит» (рис. 2).
В системе «медь - графит» улучшение эксплуатационных свойств достигнуто за счет низкого электросопротивления композиционных материалов даже с достаточно высокой пористостью (до 13 %). Кроме того, улучшение свойств обусловлено формированием трехмерной сетки из тугоплавкой электропроводной фазы с меньшим размером ячейки (капилляра) за счет более высокой дисперсности частиц тугоплавкой фазы - графита.
При увеличении объема тугоплавкой керамической фазы у всех образцов увеличивается пористость ввиду сокращения металлического контакта при спекании. Наибольшая пористость была у систем с карбидами вольфрама, титана и карбонитридом титана, так как эти соединения не взаимодействуют с медью [6], а наименьшая - в системах с карбосилици-дом титана. При увеличении объема тугоплавкой фазы, обладающей высоким значением электросопротивления по сравнению с медью, наблюдали повышение электросопротивления (рис. 3).
0.16
0 10 20 30 40
об. тугоплавкой фазы, %
Рис. 3. Удельное электросопротивление композиционных материалов на основе меди с добавлением карбида вольфрама, карбида титана, карбонитрида титана, карбосилицида титана
Увеличение количества добавок с высоким электросопротивлением и одновременно рост пористости приводят к увеличению удельного электросопротивления композиционного материала. Наиболее высокие значения электросопротивления установлены в системах с карбосилицидом титана, у которых пористость была наиболее низкой, но, очевидно, имеется химическое взаимодействие с медью с образованием неэлектропроводных фаз. В системах с карбидами вольфрама и титана, а также с карбонитри-дом титана электросопротивление было меньше и при увеличении количества тугоплавкой добавки изменялось незначительно, так как не было взаимодействия с медью этих добавок, и рост электросопротивления был обусловлен только уменьшением объема меди в материале. Относительный износ электродов-инструментов сравнивали между собой и с медью марки М1 (рис. 4).
Производительность работы электродов-инструментов при обработке стали была самой высокой в системах на основе меди, содержащих 25 % вольфрама и во всех системах, содержащх графит (табл. 2).
Рис. 4. Относительный износ электрода на основе меди с различным содержанием карбида вольфрама, карбида титана, карбонитрида титана, карбосилицида титана при электроэрозионной прошивке
стали
Таблица 2
Производительность электродов на основе меди при прошивке Х12Ф
№ Тугоплавкая фаза об. % Производительность, мм3/мин Е92
1 Сг 35 36,2
2 Сг 50 33,5
3 W 25 63,18
4 W 35 42,8
5 W 50 36,6
6 W 80 -
7 С 0,4 52,8
8 С 4,0 49,7
9 С 20,0 46,9
10 НС 12,5 37,7
11 НС 25 -
12 НС 37,5 12,3
13 Т1з81С2 12.5 11
14 Т1з81С2 37,5 8
При повышении концентрации ШС в меди износ электрода при прошивке уменьшался (рис. 4) при увеличении содержания от 12,5 до 25 %, так как в системе есть смачивание и образуется более прочный каркас из тугоплавких частиц, который удерживает расплав меди капиллярными силами [6], и чем больше объем твердой фазы, тем капилляры мельче и силы поверхностного натяжения больше. У систем с карбидом титана и карбонитридом титана износ электрода возрастал при повышении их концентрации (рис. 4) так как медь не смачивает поверхности этих тугоплавких фаз [6] и в этих материалах довольно высокая пористость. Однако при невысоких концентрациях (12,5 %) относительный износ примерно в 2 раза меньше, чем у меди.
Износ электродов с Т1381С2 на обоих испытанных режимах был меньше, чем у меди (рис. 4). Хорошие эксплуатационные свойства обусловлены низкой пористостью, а также, вероятно, его слоистой структурой, образующей наноразмерные капилляры для удержания расплава меди, и постоянством электросопротивления карбосилицида титана в диапазоне температур при ЭЭО [7,8]. Наиболее эффективно проявили себя системы «медь - 12,5 % ТЮ» и «медь - 12,5 % ТЮ№>.
К увеличению электросопротивления КМ привели увеличение количества добавки с высоким электросопротивлением, пористость и химическое взаимодействие между медью и добавкой. При исследовании относительного износа ЭИ при прошивке инструментальной стали на черновых режимах было установлено, что наилучшей износостойкостью обладают системы «Си - Сг» (износ в 2 раза меньше, чем у М1) «Си - С» (износ в 8 - 15 раз меньше, чем у М1); «Си - Т138Ю2»; « Си - ТЮ», «Си - ТЮ№» при содержании до 12, 5 об. % (износ в 2 раза меньше). Производительность при обработке стали была выше в системах, содержащих вольфрам и графит. При обработке титана лучшие эксплуатационные свойств показали системы «медь - графит».
В проведении эксперимента участвовали студенты ПНИПУ О.В. Доливец, К.А. Мазуренко, О.П. Морозов.
Список литературы
1. Елисеев Ю.С., Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники / под ред. Б.П. Саушкина. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2010. 437 с.
2. Модестов А. Титан-керамические облицовки // Зубной техник. 2003. № 3. С. 50 - 53.
3. Серебреницкий П.П. Современные электроэрозионные технологии и оборудование: учеб. пособие. СПб: Балт. гос. техн. ун-т, 2007. 228 с.
4. Авраамов Ю. С., Шляпин А. Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся компонентов: получение, структура, свойства. М.: МГИУ, 1999. 208 с.
5. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов / под ред. В.П. Смоленцева. Т. 1. М.: Высшая школа, 1983. 247 с.
6. Двойные и многокомпонентные системы меди / под ред. С.В. Шухардина М.: Наука, 1979. 248 с.
7. Каченюк М.Н. Получение и исследование износостойкости композиционного материала на основе карбосилицида титана // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2010. № 1. С. 23-27.
8. Пат. 2341839 Российская Федерация, МИК H01C7/00. Электропроводящий композиционный материал, шихта для его получения и электропроводящая композиция /Лепакова О. К., Голобоков Н. Н., Китлер В. Д., Шульпеков А. М., Максимов Ю. М.; патенотообладатель Томский научный центр сибирского отделения российской академии наук (ТНЦ СО РАН). Заявл. 31.10.2007; опубл. 20.12.2008.
Оглезнев Никита Дмитриевич, ассист., fastrexamail. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Оглезнева Светлана Аркадьевна, д-р техн. наук, проф., _fastrexa mail.ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
EFFECT OF ELECTRIC RESISTANCE OF ELECTRODES ON ITS PERFORMANCE CHARACTERISTICS BY EDM OF TITANIUM AND STEEL
N.D. Ogleznev, S.A. Oglezneva
The influence of the content of the refractory phase of systems "copper - refractory metal", "copper - graphite ", "copper - ceramics " on the electrical resistance, relative wear resistance of the electrode made of composite material by EDM of titanium and steel It is determined that the relative wear resistance at EDM firmware electrode-tool made of composite materials based on copper, containing refractory metals, more just depends on the heat resistance of the refractory metal; systems based on copper with nonmetals relative wear is reduced when using electrically conductive and having a capillary effect ceramic phases.
Key words: electrical discharge machining, the tool-electrode, composite material, electrical resistance, erosion resistance, productivity.
Ogleznev Nikita Dmitrievich, assistant, fastrex a mail. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Oglezneva Svetlana Arkadjevna, doctor of technical sciences, docent, professor, fa-strex@mail.ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University
