Исследование свойств антифрикционного покрытия из индия на поверхности баббита

СОДЕРЖАНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ СИМВОЛОВ ЕДИНИЦ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ ВВЕДЕНИЕ

1. СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

1.1 Железо и сплавы на его основе

1.2 Сопротивление материалов разрушению

1.3 Химический состав и механические свойства стали 20

1.4 Антифрикционные сплавы

1.4.1 Баббиты

1.5 Электроискровой метод получения покрытий

1.5.1 Физическая модель процесса электроискрового легирования

1.5.2 Влияние режимов электроискрового легирования на формирование упрочнённого слоя

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Методика экспериментальных исследований

2.1.1 Подготовка исследуемых образцов

2.1.2 Микротвердометр ПТМ-3

2.1.3 Растровая электронная микроскопия

2.1.4 Рентгеноструктурный анализ

2.2 Результаты исследований

3. ОХРАНА ТРУДА

4.1 Анализ опасных и вредных факторов при исследованиях

4.2 Расчет защитного заземления

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Кредит как основной источник привлечения финансовых ресурсов: понятие и роль кредита

4.2 Сущность и функции кредита

4.3 Условия и формы кредитования ВЫВОДЫ ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ ЭИЛ — электроискровое легирование;

ЭП — электронный пучок;

ЭЛО — электронно-лучевая обработка;

ЭЛТ — электронно-лучевая трубка;

ПТБ — правила технической безопасности;

ПТЭ — правила технической эксплуатации;

ПУЭ — правила устройства электроустановок;

РСА — рентгеноструктурный анализ;

РЭМ — растровая электронная микроскопия;

ПЭВМ — персональная электронная вычислительная машина;

ВТУ — видео-терминальное устройство;

АО — акционерное общество.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем современного машиностроения является повышение качества деталей и узлов механизмов, используемых в различных областях техники, которые должны отвечать ряду требований, одним из которых является обеспечение высокой надежности их в узлах трения машин. При их работе существует взаимодействие функциональных поверхностей пары трения, что приводит к разрушению поверхности с изменениями в поверхностном слое материала и повышением температуры. Поэтому большая часть деталей выходит из строя по причине увеличенного износа, вызванного большими удельными нагрузками, высокими скоростями приложения нагрузок при малых скоростях скольжения, работой в условиях загрязнения абразивом, пылью, конденсатом.

В последние годы наряду с традиционными технологиями упрочнения поверхностей металлов закалкой и наплавкой токами высокой частоты, химико-термической обработкой и другими способами все активнее используются высококонцентрированные источники нагрева: плазменная струя, лазерный луч, электронный и ионный пучки. Их внедрение позволяет резко сократить энергозатраты, интенсифицировать процессы упрочнения, уменьшить коробление деталей, исключить необходимость использования различных сред, а также полностью автоматизировать процесс.

В данной работе исследовались структура и свойства баббита Б83 после нанесения на его поверхность антифрикционного покрытия, полученного искро-дуговым легированием в среде азота. Данное покрытие необходимо для того, чтобы продлить срок службы материала и улучшить его антифрикционные свойства.

1. СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

1.1 Железо и сплавы на его основе Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них — сталь и чугун — представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы.

Железо является переходным металлом IV периода восьмой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, порядковый номер 26. Удельный вес равен 7,82 г/см³; температура плавления 1539⁰С; атомный вес 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe, а технические сорта 99,8 — 99,9% Fe. Железо известно в двух полиморфных модификациях б и г. б-железо существует при температурах ниже 910⁰С и выше 1392⁰С. Для интервала температур 1392 — 1539⁰С б-железо нередко обозначают как д-железо.

Кристаллическая решетка б-железа — объемно-центрированный куб с периодом решетки 0,28 606 нм. До температуры 768⁰С б-железо магнитно (ферромагнитно). г-железо существует при температуре 910 — 1392⁰С.

Кристаллическая решетка г-железа — гранецентрированный куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910⁰С.

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы Периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см³, атомная масса 12,011, температура плавления 3500 °C, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а высокоуглеродистых сплавах и виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы — феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит — твердый раствор углерода и других примесей в б-железе. Различают низкотемпературный б-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный дферрит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д.

Аустенит — твердый раствор углерода и других примесей в г-железе. Предельная растворимость углерода в г-железе — 2,14%. Атом углерода в решетке г-железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R (R — атомный радиус железа) и в дефектных областях кристалла.

Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в г-железе по сравнению с б-железом. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fе₃С. В цементите содержится 6,67% углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит. Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью.

Железо имеет основную долю по изготовлению и применению среди остальных металлов (в виде его сплавов — стали, чугуны, ферросплавы). Популярность железа связана с рядом таких причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространенностью ее руд в природе.

Сплавы железа являются основными конструкционными материалами, применяемыми в машиностроении, транспорте, строительстве и т. д. Варьируя состав и структуру, способы обработки, получают железоуглеродистые сплавы с самыми разнообразными свойствами, что делает их универсальными конструкционными материалами.

Стали — основной конструкционный материал, применяемый для производства машин, инструмента, приборов, различных аппаратов и конструкций. Их отличает благоприятное сочетание механических, физико-химических и технологических свойств.

Стали подразделяют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и типу структуры.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. Легированными называют стали, содержащие в своем составе специально введенными легирующие элементы (никель, хром, молибден, титан, ванадий вольфрам и др.), или стали с повышенным (более 0,5 — 1,0%) содержанием кремния или марганца.

Введение

легирующих добавок в сталь повышает механические свойства или придает им специальные свойства, например жаростойкость, жаропрочность кислотостойкость и др. Так в зависимости от этих основных свойств легированные стали разделяют на три группы: нержавеющие (коррозионно-стойкие); жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные. Нержавеющие стали обладают высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал в разных агрессивных средах. Наиболее распространены из этой группы — хромистые (13—30% Сr), хромоникелевые (до 10—12% Ni), хромоникельмолибденовые стали.

Нержавеющие стали как конструкционный материал широко используют в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности и как декоративный материал — в архитектуре и автомобилестроении. Кроме того, они применяются для изготовления режущих инструментов, штампов, лопаток паровых турбин.

По назначению стали делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.

По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества (выплавляют только углеродистые), качественные, высококачественные и особовысококачественные (выплавляют только легированные). Качество стали определяется совокупностью таких показателей, как однородность состава, строения и свойств стали. Качество стали снижают вредные технологические примеси: сера, фосфор, газы и по их содержанию судят о качестве стали.

Стали обыкновенного качества содержат от 0,06% S и 0,07% Р, качественные — не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные — не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные — менее 0,015% S и 0,025% Р.

По степени раскисления и характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.

По типу структуры стали классифицируют в отожженном и нормализованном состоянии. В отожженном состоянии в зависимости от типа структуры различают шесть классов сталей: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные (содержащие в структуре первичные карбиды), аустенитные (образуются при добавлении значительных количеств Ni или Mn), ферритные (при введении Сг, Si, V, W).

Для углеродистых сталей характерны структуры первых трех классов, для легированных — всех шести классов.

По типу структуры в нормализованном состоянии различают следующие основные классы сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.

Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали повышаются твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

В углеродистой стали кроме железа и углерода содержатся еще постоянные (технологические) примеси таких элементов, как сера, фосфор, кремний, марганец.

Кислород, азот и водород — вредные скрытые примеси. Их роль наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами).

Углеродистые конструкционные стали подразделяют на стали обыкновенного качества и качественные.

1.2 Сопротивление материалов разрушению Ни одно покрытие не будет оказывать эффективного действия, если, кроме защитных свойств, не будет обладать определенными механическими свойствами — прочностью, твердостью, пластичностью и т. д. [5,6].

Подавляющее большинство разрушений стальных деталей имеет хрупкий характер без какой-либо заметной пластической деформации. Такие разрушения могут возникать как в процессе изготовления полуфабрикатов и деталей, так и в процессе их эксплуатации.

К первой группе хрупких разрушений относятся: образование флокенов, закалочных трещин, хрупких разрушений в процессе травления и наводороживания при гальванических покрытиях, образование трещин в случае контакта с жидкими металлами, при сварке и других операциях.

Ко второй группе относятся хрупкие разрушения стальных деталей, возникающие в результате хладноломкости, повышенной чувствительности к надрезам, а также поломки деталей из сталей высокой твердости, обладающих низким сопротивлением хрупкому разрушению (отрыву).

Развитие техники вызвало широкое применение сталей высокой прочности. Практика же показывает, что во многих случаях стали с высоким пределом прочности оказываются весьма склонными к хрупкому разрушению. Следует специально отметить, что проблема хрупкого разрушения не может быть ограничена в настоящее время проблемой хладноломкости. Наряду с хладноломкостью возникают хрупкие разрушения, которые кратко могут быть сформулированы, как повышенная чувствительность к надрезу и трещине, склонность к замедленному разрушению и высокая восприимчивость к воздействию различных поверхностно-активных сред.

Хладноломкостью называется свойство ряда металлов, в том числе и сталей, образовывать хрупкое разрушение при достаточно низких температурах нагружения.

Элементы машин и конструкций, изготовленные из металлов, их сплавов и других материалов, под действием приложенных к ним внешних усилий претерпевают деформацию.

Но от любого материала, как конструкционного материала, требуется не только высокое сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.

Обычно сопротивление деформации объединяют в общее комплексное понятие прочность, а сопротивление разрушению — надежность.

Если разрушение происходит не за один, а за многие акты нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (к микроразрушению относятся такие процессы, как износ, усталость, коррозия), то это характеризует долговечность материала.

Для улучшения свойств материалов обычного состава их легируют такими элементами как хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Эти элементы придают материалам определенные свойства: прочность, твердость, прокаливаемость, износостойкость и т. д.

Очевидно, высококачественный конструкционный материал должен быть одновременно прочным, надежным и долговечным.

1.3 Химический состав и механические свойства стали 20

В данной дипломной работе рассматривается образец, основу которого составляет материал сталь 20. Данная сталь относится к качественным углеродистым конструкционным сталям (ГОСТ 1050−74), их выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляются более высокие требования по химическому составу и структуре: содержание серы? 0,04%, фосфора ?0,035−0,04%, а также меньшее количество неметаллических включений, регламентированные макрои микроструктура[9].

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20,…, 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (табл. 1.1).

Таблица 1.1 — Химический состав и механические свойства стали 20

Стали 15, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормальном виде. Стали поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки и предназначаются для менее ответственных деталей. Сталь хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Эти стали используются для деталей машин, упрочняемых цементацией, работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок (например, кулачковых валиков, рычагов, осей, втулок, шпинделей, вилок и валиков переключения передач, толкателей клапанов, пальцев рессор и многих других деталей автотракторного, сельскохозяйственного и общего машиностроения).

Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность её к образованию при сварке горячих и холодных (при низких температурах) трещин [2,9].

1.4 Антифрикционные сплавы Антифрикционные сплавы применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения. Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам, определяется условиями работы вкладыша подшипника. Эти сплавы должны иметь достаточную твёрдость, но не очень высокую, чтобы не вызвать сильного износа вала; сравнительно легко деформироваться под влиянием местных напряжений, т. е. быть пластичными; удерживать смазочный материала поверхности; иметь малый коэффициент трения между валом и подшипником.

Для обеспечения этих свойств, структура антифрикционных сплавов должна быть гетерогенной, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений более твёрдых частиц (рис. 1.1). При вращении вал опирается на более твёрдые частицы, обеспечивающие износостойкость, а основная масса, истирающаяся более быстро, прирабатывается к валу и образует сетьмикроскопических каналов, по которым циркулирует смазочный материал и уносятся продукты износа.

Рисунок 1.1 — Схема образования микрорельефа на трущиеся поверхности подшипникового сплава [10]

Кроме того, сплавы должны обладать хорошей теплопроводностью и устойчивостью к коррозии в среде масел, иметь невысокую температуру плавления для удобства заливки, хорошую адгезию (сцепляемость) со стальной основой (вкладышем).

Желательно, чтобы подшипниковые сплавы обладали достаточно хорошими механическими свойствами, особенно пределом выносливости для предотвращения выкрашивания из-за появления усталостных трещин. Предел выносливости подшипника уменьшается с увеличением слоя сплава, залитого на стальной вкладыш, и с увеличением рабочей температуры. Чтобы подшипник надёжно работал в условиях ударных нагрузок, материал подшипника должен обладать достаточно высокой ударной вязкостью.

Для возможности передачи нагрузки на более прочную стальную основу, сплавы должны иметь невысокий модуль упругости.

1.4.1 Баббиты Основными подшипниковыми сплавами на основе цветных металлов являются тугоплавкие и легкоплавкие сплавы. К тугоплавким относятся бронзы и латуни, из которых вкладыши подшипников получают преимущественно путем механической обработки на станках. Используются они, как правило, в тяжелонагруженных узлах трения. Бронзовые вкладыши подшипниковго сплава изготовляют из оловянистой, безоловянисоюй и свинцовистой бронз. Благодаря неоднородной структуре бронзы, смазка хорошо удерживается на поверхности вкладыша. Микроструктура антифрикционных бронз приведена на рис. 1.2.

У оловянистых бронз — твердый раствор является мягкой основой, а эвтектоид () — твердыми включениями. В промышленности применяют высокооловянистые и малооловянистые бронзы, дополнительно легированные другими элементами: Бр010, БрО19, БрОФ10−1,БрОЦС6−6-3, БрОЦСНЗ 3−7-5−1, БрОЦС 3−12−5 и др. Бронзы могут быть литейными или обрабатываемыми давлением. Безоловянисные бронзы значительно дешевле, но уступают им по антифрикционности: БрСуФС6−12 — 0, 3, БрСуФ6 -1, ВрСуН6 — 2, БрАЖ9 — 4, БрАЖН10 — 4 — 4 и др.

Рисунок 1.2 — Микроструктура литых бронз: а) — БрОФ10−1, дендритытвердого раствора и эвтектика (++Cu₃P); б) — БрАЖ9−4, включения эвтектоида (+) по границамтвердого раствора, внутри которого — включения железосодержащей фазы

Широкое распространение получили свинцовистые бронзы: БрСЗО, БрОС5−25 и др. Латуни (рис. 1.З) для изготовления подшипников скольжения применяют многокомпонентные: ЛКС80−3-3, ЛМЦС58−2-2, ЛАЖМц66−6-3−2 и др., но по антифрикционным свойствам они значительно уступают бронзам.

К легкоплавким относятся баббиты, применяемые только в биметаллическом исполнении при заливке сплава тонким слоем на стальной вкладыш. По антифрикционным показателям баббиты превосходят другие сплавы для подшипников скольжения, но уступают им по теплостойкости, имеют низкую усталостную прочность. Основой сплавов являются свинец, олово, цинк и алюминий с другими легирующими элементами. Наиболее применяемы в нашей промышленности баббиты систем Рв-Sв и Sn-Sв цифры — содержание олова (%). Буквы Н, С, Т, К — соответственно никель, свинец, теллур и кальций — основные легирующие элементы.

Рисунок 1.3 — Микроструктура латуней; а) — ЛКС80−3-3 эвтектоид () расположен между зернамифазы и включения Pd (темные точки); б) — ЛМЦС58−2-2, -фаза, расположена по границамтвердого раствора и включения Pd (темные точки)

Наилучшим баббитом на оловянной основе является сплав Б83 (ГОСТ 1320−74), который состоит из 83% Sn; 11% Sb и 6% Сu. Как видно из диаграммы состояния Sn-Sb (рис. 1.4,а), структура сплава (рис. 1.5) будет представлять мягкую пластичную основу из — твердого раствора (темный фон) и небольшого количества распределенных более твердых кристаллов ' - раствора, на основе химического соединения SnSb, Медь вводится в сплав, для предотвращения ликвации ' - кристаллов, путем образования тугоплавкого химического соединения Cu₃Sn, которое, кристаллизуясь первым, образует как бы скелет, на котором задерживаются кристаллы '.

На основании анализа диаграммы состояния Pb-Sb (рис. 1.4,б) можно определить, что наилучшим составом баббита для обеспечения антифрикционных свойств являются сплавы, расположенные близко к эвтектике.

а)

б)

Рисунок 1.4 — Диаграммы состояний: а) — диаграмма состояния Sn-Sb; б) — диаграмма состояния Pb-Sb.

Рисунок 1.5 — Микроструктура баббитов: а) — Б83, темная основа представляет — твердый раствор, светлые кристаллыфаза (SnSd) и химическое соединение Cu₃Sn — светлые звездочки; б) — Б16, светлые кристаллы фаза (SnSd)_, эвтектика (+) и химическое соединение Cu₃Sd виде игл

Сплавы тройной системы обозначаются сочетанием букв (какой легирующий элемент) и цифр (содержание легирующего элемента в процентах), например, ЦАМ10−5 содержит алюминия 10%, меди 5%, остальное цинк и примеси. С учетом диаграммы состояния Zn-Cu (рис. 1.7) структура цинковых баббитов будет определяться соотношением алюминия и меди и состоять из первичных выделенийфазы или (Cu₃Zn) -фазы, представляющей собой твердые включения, двойных эвтектик или, или и тройной эвтектики. темные участки — тройная эвтектика (); б — ЦАМ5−10, светлые участки — кристаллы (Cu₃Zu)-фазы, эвтектика () и тройная эвтектика (.

Алюминиевые баббиты являются двухфазными высоколегированными системами, в которых мягкой основой является твердый раствор на базе алюминия, а химические соединения — твердыми включениями. Сплавы на основе алюминия применяют как в биметаллическом исполнении (ACM, AM, A09−1, А020−1), так и монометаллическом, обладающие повышенной конструкционной прочностью (АМКО-1, АМКО-3, АМгК-1, АНМгК-1)[10,11].

Рисунок 1.6 — Диаграмма состояния Zn-Al

Рисунок 1.7 — Диаграмма состояния Zn-Cu

В данной дипломной работе исследуется покрытие, нанесённое на баббит марки Б83 (ГОСТ 1320−74). Данный баббит используется в подшипниках турбин судовых дизелей, турбонасосов, турбокомпрессоров, электрических и других тяжелонагруженных машин. Баббит Б 83 является многокомпонентным сплавом, но основой его служит система Sn — Sb. Содержание основных элементов: Sn — основа, Sb 10−12%, Cu 5,5−6,5%. Сумма примесей составляет не более 0,55%.

Мягкая основа сплава — б-твёрдый раствор сурьмы в олове, а твёрдые кристаллы — в?-фаза; эта фаза представляет собой твёрдый раствор на основе химического соединения SnSb.

Сурьма и олово отличаются по плотности, поэтому сплавы этих металлов способны к значительной ликвации. Для предупреждения этого дефекта в баббиты вводят медь. Она образует с сурьмой химическое соединение Cu₃Sn. Это соединение имеет более высокую температуру плавления и кристаллизуется первым, образуя разветвлённые дендриты, которые препятствуют ликвации кубических кристаллов в? (SnSb). Кроме того, кристаллы образуют в баббите твёрдые включения, дополнительно повышающие износостойкость вкладышей.

Свойства Б83 следующие: плотность 7,4 г/см³, t_пл = 380 ^оС, у_в = 9 кгс/мм², д = 6%, коэффициент трения (со смазкой) 0,005.

На рис. 1.5, а приведена микроструктура баббита Б83. Тёмное поле представляет собой пластичную массу б-твёрдого раствора сурьмы и меди в олове, светлые кристаллы квадратной формы являются соединением SnSb (в?-фазой), а кристаллы в виде звёздочек или удлинённых игл — соединением Cu₃Sn.

1.5 Электроискровой метод получения покрытий

Процесс электроискровой обработки металлов основан на использовании действия электрического импульсного разряда, проходящего между электродами, в результате протекания которого наблюдается направленный выброс материала (преимущественно материала анода). Если же разряд происходит в газовой среде, то указанное явление будет сопровождаться дополнительным процессом, заключающимся в отложении части выброшенного материала на противоположном электроде. Электроискровой импульсный разряд применяется в основном при электроискровой размерной обработке металлов и сплавов, а также при электроискровом легировании поверхности одного из электродов.

При электроискровой размерной обработке импульсы тока в течение длительного времени проводят съём некоторого объёма металла (обычно анода), благодаря чему электрод-инструмент (катод) внедряется в обрабатываемую деталь.

Метод электроискровой размерной обработки широко распространён в промышленности, создано промышленное оборудование разнообразных параметров, конструкций и производительности с механизацией и автоматизацией основных операций процесса эрозийной обработки.

Метод электроискрового упрочнения до сих пор не получил достаточного распространения, однако он весьма перспективен для нанесения покрытий, обладающих высокой стойкостью в условиях трения скольжения, качения в присутствии абразива в широком интервале температур, высокой эмиссионной способностью, а также для ремонтной практики.

В настоящее время электроискровое легирование используется для увеличения надёжности и долговечности деталей машин и механизмов, аппаратов и приборов (контактов электрических машин, деталей высоковольтной разъеденительной аппаратуры, рабочих поверхностей станин токарных станков, шаропрокатных валков); легирования рабочих поверхностей инструмента для увеличения его износостойкости (режущего, штамповочного, кокилей); размерного восстановления деталей машин.

Основные особенности электроискрового способа нанесения металлических покрытий заключается в следующем: покрытия имеют большую прочность сцепления с материалом основы; покрываемые поверхности не требуют предварительной подготовки; возможно нанесение покрытий не только из металлов и их сплавов, но и композиционных материалов. Следует добавить, что при электроискровом легировании поверхностей даже маложёстких деталей не наблюдается заметной деформации. Оборудование для электроискрового легирования просто по конструкции и удобно в обслуживании. Однако небольшая глубина легированного слоя, его высокая шероховатость и пористость затрудняют широкое использование данного способа упрочнения в промышленности.

1.5.1 Физическая модель процесса электроискрового легирования

Модель процесса электроискрового легирования, которая позволяла бы описать явления, происходящие за время одного цикла обработки, в настоящее время не существует. Были предложены различные модели процесса, объясняющие отдельные экспериментальные факты. Наиболее полная модель заключается в том, что при сближении электродов напряжённость «электрического поля» увеличивается. При некотором расстоянии между электродами она будет достаточна для возникновения искрового электрического разряда. Через возникающий канал сквозной проводимости пучок электронов фокусировано ударяется о твёрдую металлическую поверхность анода (рис. 1.8, а). Энергия движения остановленных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. В связи с тем, что в данный момент система броском освобождает накопленную энергию, плотность тока значительно превосходит критические значения. В результате этого от анода отделяется капля расплавленного металла, которая движется к катоду (рис. 1.8, б), опережая движущийся анод.

В процессе отделения от анода летящая капля успевает нагреваться до высокой температуры, закипает и «взрывается». Цепь тока прерывается, сжимающие усилия электромагнитного поля исчезают и поэтому образовавшиеся частицы летят широким фронтом (рис. 1.8, в). Так как перегретая капля и частицы находились в соприкосновении с газом, то по составу и свойствам они могут отличаться от исходного материала анода. Расплавленные частицы, достигнув катода, свариваются с ним и частично внедряются в его поверхность (рис. 1.8, г). Процесс на этом не заканчивается, поскольку вслед за частицами движется электрод, включенный в систему, уже

Рисунок 1.8 — Схема процесса нанесения покрытий на металлические поверхности: а) — момент пробоя межэлектродного промежутка; б) — отделение от анода капли расплавленного металла; в) — взрыв расплавленной капли; г) — осаждение и внедрение материала анода на катоде; д) — момент контактов электродов; е) — расхождение электродов

успевшую вновь накопить энергию. Через раскалённые частицы, лежащие на катоде, происходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом движущейся массы анода.

На следующем этапе процесса при механическом контакте электродов частицы свариваются между собой и прогревается тонкий слой поверхности катода, на котором они расположены. При этом помимо диффузии под действием электрического тока перенесённых частиц в толщу катода происходят химические реакции между этими частицами и материалами катода. Механический удар по раскалённой массе материалов проковывает полученное покрытие (рис. 1.8, д), чем значительно увеличивает его однородность и плотность. Далее анод движется вверх, а на поверхности катода остаётся прочно соединённый с ним слой материала анода (рис. 1.8, е).

Из приведённой модели процесса электроискрового упрочнения следует, что перенос материала анода происходит с момента пробоя межэлектродного промежутка до соприкосновения его с поверхностью катода; с момента пробоя и до соприкосновения электродов происходят два импульса тока; вещество переносится в жидкокристальном состоянии.

Следует отметить, что данная модель процесса электроискрового легирования разработана применительно к «чистовому легированию», т. е. для случая высоких напряжений и небольших значений токов короткого замыкания (I<10−20 A). Для «грубого легирования» (I_к.з.>10 A; U_x.x<50−60 В) описанная модель требует некоторого уточнения в связи с незначительной величиной пробивного расстояния между электродами.

1.5.2 Влияние режимов электроискрового легирования на формирование упрочнённого слоя

В процессе электроискрового легирования наступает момент, когда при увеличении времени обработки толщина слоя не только не растет, но и уменьшается. Поэтому для практического использования метода необходимо установление оптимального времени упрочнения. Можно заметить, что интенсивность процесса переноса материала анода на катод имеет максимальное значение в течение 2−3 минут обработки. Объясняется это тем, что в первые минуты обработки в поверхностном слое накапливаются напряжения, обусловленные градиентом температур в зоне поражения разрядом, а также разницей удельных объемов образующихся и матричной фаз. По прошествии 2−3 минут значения напряжений в некоторых объемах превышают предел прочности материала легированного слоя и происходит его частичное разрушение. В это время начинает наблюдаться уменьшение веса катода. В дальнейшем происходит как перенос вещества анода на катод, так и разрушение ранее образовавшегося слоя покрытия. В зависимости от того, какой процесс превалирует, и наблюдается увеличение или уменьшение веса катода за данный промежуток времени.

Одним из серьезных недостатков процесса электроискрового легирования является сравнительно высокая шероховатость упрочненной поверхности. После нанесения покрытия поверхность становится неровной, волнистой и при упрочнении карбидами не сплошная, а в виде сферических бугров и неглубоких кратеров. Поэтому упрочненные детали в большинстве случаев невозможно использовать в парах трения. Все это требует тщательного изучения закономерности изменения шероховатости упрочненной поверхности при практическом применении процесса электроискрового легирования. Следует отметить, что систематическое изучение влияния материалов электродов, режимов обработки и межэлектродной среды на формирование упрочненной поверхности не проводилось.

Как указывалось, в процессе электроискрового легирования поверхностный слой катода значительно меняет свои физико-химические и механические свойства. Для практики наибольший интерес представляет достигаемая чистота, твердость, напряженное состояние упрочняемой поверхности, ее эксплуатационные свойства. После электроискрового легирования твердость упрочняемого слоя обычно повышается и зависит от свойств материала легирующего электрода и режимов процесса электроискрового упрочнения и незначительно зависит от свойств упрочняемого материала. Эти экспериментальные данные позволяют сделать очень интересный и важный в практическом отношении вывод, в соответствии с которым детали, в эксплуатационных условиях имеющих большой износ, могут изготавливаться из простых углеродистых сталей с последующим упрочнением поверхности методом электроискрового легирования.

Твердость упрочняемого слоя часто на порядок превышает твердость исходной поверхности. Влияние режима упрочнения на твердость слоя происходит главным образом за счет мощности и длительности обработки. Повышение мощности режима в большинстве случаев снижает твердость упрочняемой поверхности. Также экспериментально было установлено, что с увеличением длительности процесса электроискрового легирования микротвердость легируемого слоя и подслоя снижается. Большое влияние на твердость слоя оказывает межэлектродная среда. При проведении процесса в среде азота структура слоя улучшается, и твердость его растет.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Методика экспериментальных исследований

2.1.1 Подготовка исследуемых образцов Изучение структуры металлов, а также непрозрачных неметаллических материалов требует специальной подготовки образца. Для того чтобы увидеть структуру металла необходимо предварительно создать гладкую шлифованную поверхность, а потом осуществить его химическое травление.

Подшипниковые сплавы состоят из твердых частиц интерметаллических соединений в мягкой матрице богатой оловом. При изготовлении шлифов из этих сплавов необходимы такие же предосторожности, как и для шлифования сплавов на основе свинца и олова. Хорошие результаты дает шлифование с использование микротома. Образцы шлифуются с очень слабым нажимом. Полирование вести таким образом, чтобы избежать наволакивания мягкой матрицы на твердые частицы, и чтобы рельеф от этих частиц не был слишком заметен.

Травление полированных металлографических поверхностей химическими реактивами — средство дифференциации структурных составляющих, так как после полирования большинство фаз, за исключением неметаллических включений, которые могут быть определены благодаря их характерным цветам, заметно не выявляются. Травление может осуществляться химическим растворением или окислением с помощью нагрева (термическое травление) или при пропускании электрического тока через раствор (электролитическое травление). Дифференциация составляющих, проводимая травлением, может быть либо результатом неодинаковой скорости растворения фаз, создающее рельеф, либо результатом образования тонкой, прозрачной, плотно прилегающей пленки, участки которой, соответствующие различным составляющим или различным зернам, по-разному окрашенным (цветное травление).

Под действием химических реагентов в чистых металлах и однофазных сплавах, прежде всего, выявляются границы зерен. Более длительное или более интенсивное действие реагента приводит к выявлению фигур травления, которые обычно имеют правильную геометрическую форму, отвечающую кристаллическому строению металла.

При двух и более фазах основная задача сводится к более полному проявлению границ между разными по природе фазами и избирательному выявлению зерен одной и той же фазы. Эту задачу решить одним средством практически не удается. Поэтому в многофазных сплавах вначале выявляют общую микроструктуру, а затем применяют тот или иной способ избирательного выявления фаз. В соответствии с этим все реактивы делятся на две группы:

а) универсальные;

б) специального назначения.

В общем случае, чем больше физико-химическое различие фаз в многофазном сплаве, тем успешнее и в более короткое время их можно выявить. Фазы, мало отличающиеся по растворимости в данных условиях, практически раздельно не выявляются, их выявление сводится лишь к очерчиванию границ.

При неоднородности состава и структуры сплава по сечению также следует применять способы избирательного травления.

В нашем случае для травления применялся следующий реактив:

— 5 г. хлорного железа;

— 15 мл. соляной кислоты;

— 60 мл. воды.

Этот реактив применяется для травления оловянно-свинцовистых сплавов с сурьмой, подшипниковых луженых сплавов, баббитов.

Образец травится погружением в реактив на время от 30 с. до 3−5 мин. При повторном травлении добавляется 250 мл. спирта. Соотношение кислоты и воды может изменяться в пределах от 1:4 до 1:45.

Малые образцы лучше травить, пользуясь часовым стеклом, а большие — чашкой, в которой образец устанавливают наклонно и на него наливают капельницей или пипеткой реактив.

Перед травлением образцов, долго лежавших на воздухе, их поверхность необходимо активизировать, применив кратковременное полирование и промывание спиртом.

Если образец не дотравлен, его следует дотравить повторным травлением. Повторное травление должно незамедлительно следовать за первым. Вторичному травлению должно предшествовать полирование в течение 1−3 минут. Электролитическое полирование особенно желательно в том случае, когда необходимо поверхность шлифа от заваливания, что важно при исследовании деталей, подвергшихся химико-термической обработке, наклепыванию поверхностного слоя и т. п.

Для выявления ряда структур требуется многократное полирование, чередующееся с травлением.

При наличии составляющих, резко различающихся по твердости и травимости, попеременное травление с полировками хуже однократного, так как приводит к сильному разъеданию границ фаз.

Выявление структуры при травлении следует контролировать с помощью микроскопа, причем контроль выявляемой структуры следует вести при том же увеличении, при котором будет производиться изучение и фотографирование шлифов.

Также немалое внимание следует уделить хранению полученных шлифов и протравленных поверхностей. После травления, промывки и сушки шлифы следует помещать в эксикаторы или герметически закрываемые шкафы с хлористым кальцием, а лучше всего в шкафы с вакуумом. Основными причинами, вызывающими образование окисленных мест на шлифах, являются промывная вода и воздух. Для уменьшения окисления следует применять специальный пассивирующий раствор при полировании и промывке. Длительное предохранение шлифов от окисления производится смазыванием их поверхности тонким слоем канадского бальзама или кедрового масла. Получающаяся тонкая пленка прозрачна и не препятствует изучению шлифов. Для устранения пленки шлифы надо протирать бензином или спиртом.

2.1.2 Микротвердометр ПТМ-3

Измерение твердости вследствие скорости и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия строить заключения об его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металлов в металлических изделиях и деталях. Ее исследованием занимались авторы многих работ [14, 15].

Исследование твердости обусловлено такими преимуществами ее измерения:

— Между твердостью пластических металлов, которая определяется способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом временным сопротивлением), существует количественная зависимость. Размер твердости характеризует временное сопротивление металлов, которые получают во время испытаний на растягивание сосредоточенную пластическую деформацию (шейку). Это связано с тем, что при испытаниях на растягивание наибольшей погрузке, которое передует разрушению, и отнесение к его начальной площади (временное сопротивление), отвечает сосредоточенная пластическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогичная деформации, которая создается в поверхностных пластах металла при измерении твердости вдавливанием наконечника. По величинам твердости можно определять некоторые пластические свойства материалов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также границу выносливости металлов.

— Измерение твердости по технике выполнения провести значительно более просто, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытание твердости не требует изготовления специальных образцов и выполняется непосредственно на деталях, которые проверяются, после зачистки на поверхности равной горизонтальной площади, а иногда даже и без такой подготовки. Измерение твердости выполняется быстро, например, при вдавливании конуса за (30−60) с., а при вдавливании шарика за (1−3) мин.

— Измерение твердости обычно не тянет за собою разрушение исследуемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовления специальных образцов из детали.

— Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких пластах, толщина которых не превышает (для некоторых способов измерения твердости) десятых частей миллиметра, или в микрообъемах металла.

Тест на микротвердость очень часто используют на практике. Его применяют для измерения твердости тонких пленок, покрытий. Пирамидка индентора с хорошо известной геометрией перемещается по исследуемой области материала с помощью положенной нормальной возрастающей нагрузки. При достижении максимальной величины нормальная нагрузка уменьшается к частичной или полной релаксации. Эта процедура выполняется повторно; на этой стадии эксперимента положение индентора связано с поверхностью образца и тщательно фиксируется. Для такого нагруженного-ненагруженного цикла величине положенной нагрузки относится в соответствие положения индентора. Результирующая кривая нагрузки-положения представляет собой данные, какие характерны для исследуемого материала.

Измерение микротвердости компонентов образца — Сталь 20, баббита Б83 и напылённого на него индия выполняли с помощью метода Виккерса, что дает возможность измерять твердость тонких поверхностных слоев. В качестве индентора использовали четырехгранную алмазную пирамидку с ромбическим основанием и углами между ребрами 130° и 172^°30. Расчет микротвердости по Виккерсу ведется относительно нагрузки к площади проекции отпечатка, определяемого по величине большой диагонали с использованием формулы (2.10) [15]:

(2.1)

где P — нагрузка, [г]; d — длина большой диагонали отражения.

Исследование микротвердости образца Сталь 20 с залитым баббитным вкладышем и напыленным на него покрытием из индия проводилось с помощью микротвердометра ПТМ-3, который представляет собой микроскоп, предназначенный для измерения микротвёрдости металлов, сплавов, стекла, абразивов, керамики, минералов и других материалов.

Оптическая схема микроскопа показана на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 — Оптическая схема микротвердомера ПМТ-3

Осветительное устройство позволяет рассматривать исследуемый предмет как в светлом поле (справа), так и в темном поле (слева).

При исследовании предметов в светлом поле луч от источника света 1 через конденсор 2, светофильтр 3, коллективную лиизу 4 и ирисовую диафрагму 5 попадает на отражательную пластинку 6. Далее луч проходит в объектив 7, попадает на исследуемый предмет 8, отражается от него, снова попадает в объектив 7 и, пройдя отражательную пластинку 6, ахроматическую линзу 9 и призму 10, образует изображение предмета в фокальной плоскости окуляра-микрометра 11.

Переход к работе в темном поле осуществляется поворотом держателя 12 отражательной пластинки и зеркала.

Освещенность предмета при наблюдении в светлом поле регулируется изменением диаметра диафрагмы 5.

Призма 10 отклоняет луч на 45°, что создает удобства при работе на приборе.

После измерения результаты были обработаны в Microsoft Exel и были построены графические зависимости изменения микротвердости от глубины измерения на поперечном шлифе.

2.1.3 Растровая электронная микроскопия Использование растровой электронной микроскопии дает возможность изучения морфологии поверхности и исследование внутренней структуры при рассмотрении косых шлифов.

Растровые электронные микроскопы (РЭМ) получают все большее применение для непосредственного наблюдения поверхностей, потому, что у них лучше разрешающая способность и глубина резкости, чем у оптических микроскопов. Разрешение приближается к величине, достижимой в обычных электронных микроскопов, с применением в качестве образцов реплик с поверхности. Кроме того, возможно прямое наблюдение изменений морфологии поверхности во время термообработки.

На рисунке 2.2 показана схема растрового электронного микроскопа. При помощи конденсорной системы формируется тонкий плоскопараллельный пучок диаметром порядка 10 нм. Попадая в область отклоняющей системы 6, пучок начинает перемещаться как по оси y, так и по оси x, причем частота сканирования и частота развертки в ЭЛТ 14 абсолютно совпадают.

Рисунок 2.2 — Схема сканирующего электронного микроскопа: 1-катод; 2-управляющий электрод; 3-анод; 4-первая конденсорная линза; 5-вторая конденсорная линза; 6-катушки развертки; 7-стигматор; 8-объективная линза; 9-диафрагма; 10-объект исследования; 11-генератор развертки; 12-блок увеличения; 13-ЭВМ; 14-электронно-лучевая трубка; 15-видеоусилитель; 16-два фотоэлектронных умножителя; 17-детектор рентгеновских лучей; 18-линия регистрации поглащенного электронного пучка; 19-линия регистрации прошедшего электронного пучка Сканирующий пучок попадая на объект 10 может отразиться, поглотиться, пройти сквозь объект, создать рентгеновское излучение, создать люминесцентное излучение.

Регистрирующая система современных микроскопов может быть настроена на тот или иной вид излучений, порождаемых сканирующим электронным пучком. Чаще всего регистрирующая система настроена на отраженные или вторичные электроны. Эти электроны падают на люминофор фотоэлектронного умножителя 16 и создают сигнал. Этот сигнал идет в видеоусилитель 15 и преобразуется ЭВМ 13 в изображение. Причем при формировании изображения используется частота развертки генератора 11. Если электронный микроскоп не снабжен ЭВМ, то с видеоусилителя 15 сигнал подается на управляющий электрод ЭТЛ 14.

Яркость в трубке модулируется с помощью сигнала, который возникает в результате взаимодействия пучка и элемента поверхности образца, на который он попадает. Таким образом, величина сигнала преобразуется в контраст изображения. Количество собранных электронов зависит от природы поверхности образца и от ее наклона по отношению к зонду. Следовательно, изображение получается в перспективе.

В электронной микроскопии могут быть использованы и другие сигналы, дающие контраст. В качестве примера можно назвать рассеянные в обратном направлении электроны и токи, наведенные электронным пучком в полупроводниковых образцах. Сигналы последнего типа можно использовать для воспроизводимости переходов и других электронных неоднородностей интегральных схем.

Морфологию образца исследовали на растровом электронном микроскопе РЭМ-102Э при увеличении 2000.

2.1.4 Рентгеноструктурный анализ Влияние ЭИЛ на фазовый состав изучали с помощью дифракции рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный анализ (РСА) образца после ЭИЛ проводился на установке ДРОН-2.0. Дифрактограммы снимались на углах 2 от 20° до 120 в медном K-излучении.

Дифрактометр предназначен для проведения разных рентгенографических исследований поликристаллических образцов и монокристаллов. Универсальность прибора, обусловленная возможностью использование разных вариантов геометрии снятие, сменных специализированных приставок к гониометру, изменения детекторов, а также применение разных методов регистрации дифракционной картины. Геометрия снятия может изменяться в широких границах, которые достигается использованием трубок с разными размерами фокуса.

Технические характеристики ДРОН-2.0: границы измерения углов дифракции от — 90 + 164°, точность измерения углов дифракции ± 0.005 град суммарная погрешность измерения интенсивности за 10 часов работы не больше 0.5%.

Расшифровывание дифрактограмм выполнялось по такой методике:

а) сначала определяют, к какому типу структуры принадлежит фаза, которая исследуется, (гексагональная, тетрагональная, кубическая и др.);

б) из формулы Вульфа-Брегга

2dsin=nl, (2.2)

где d — межплоскостное расстояние; - угол падения; n — порядок отражения; - длина волны, находят межплоскостные расстояния d:

. (2.3)

Для медного излучения =1.5418 нм.

в) определив межплоскостное расстояние d, с использованием таблиц-дублетов находят возможные элементы или соединения. Например, если проводится обработка образца железа, то наибольшее внимание необходимо обратить на межплоскостные расстояния, которые отвечают межплоскостным расстояниям предполагаемого материала;

г) идентифицировав некоторые пики, которые отвечают исследуемому материалу, ищут другие пики на дифрактограмме, которые отвечают этому материалу. При этом необходимо учитывать интенсивность одних пиков относительно других для каждого материала;

д) определяют поправку на погрешность прибора (инструментальную погрешность) по пикам, которые идентифицированы, и переградуируют шкалу углов 2, учитывая эту погрешность;

е) вычисляют межплоскостные расстояния по формуле (2.3);

ж) с использованием таблиц-дублетов определяют фазы неидентифициро-ванных пиков, которые остались. Зная материал основы, необходимо обращать внимание на наиболее возможные соединения.

з) определяют параметры решетки материала, который идентифицируется по пикам, которые находятся на больших углах 2 дифрактограммы. Например, для тетрагональной решетки параметры решетки, а и с можно определить, решив систему двух уравнений, если знать межплоскостные расстояния двух интерференционных пиков этой фазы d₁ и d₂:

(2.4)

где h, k, l — индексы Миллера; а и с — параметры решетки.