Інженерія зносостійкої поверхні сплавів алюмінію при їх електроіскровому легуванні матеріалами на основі систем AlN–Ti(Zr)B2 та LaB6–ZrB2 - Автореферат
Дослідження кінетики електромасопереносу з урахуванням адгезійної взаємодії, змочування і формування вторинної структури. Аналіз методики отримання композиційних електроіскрових покриттів на сплавах алюмінію з великою твердістю та зносостійкістю.
Аннотация к работе
Однією з актуальних задач сучасного матеріалознавства є збільшення зносостійкості й твердості такого важливого класу конструкційних матеріалів як алюмінієві сплави, котрі широко використовують у авіабудівництві, аеронавтиці та інших галузях машинобудування. Серед перерахованих способів електроіскрове легування (ЕІЛ), яке відноситься до екологічно чистих технологій, відрізняється низькою енергоємністю, простотою процесу, малими габаритами обладнання у поєднанні з високою ефективністю збільшення рівня фізико-механічних властивостей поверхні. Однак ЕІЛ алюмінієвих сплавів традиційними компактними електродними матеріалами (металами, їх сплавами та металоподібними тугоплавкими сполуками) супроводжується інтенсивною електроерозією катоду з втратою маси деталі в результаті низької температури плавлення алюмінію. Позитивний досвід кишинівської школи дослідників (Михайлів В.В., Абрамчук А.П. та інші) ЕІЛ сплавів алюмінію порошковими сумішами показав, що досягнутий за цих умов перерозподіл енергії іскрового розряду за рахунок часткової втрати енергії у міжелектродному проміжку (МЕП) забезпечує приріст маси катоду (деталі). У дисертації висунуто припущення щодо можливості досягнути аналогічного ефекту у процесі ЕІЛ компактним електродом і у випадку, якщо під дією іскрового розряду за умов високотемпературного окиснення матеріал електроду еродує з утворенням у МЕП пару й частинок діелектричних компонентів, які створюють екрануючу "хмару" над поверхнею алюмінієвого катоду, при цьому пригнічуючи його ерозію.Вперше розроблені покриття на сплавах алюмінію зі збільшеними зносостійкістю і твердістю завдяки електроіскровому легуванню (ЕІЛ) електродними матеріалами нового покоління, котрі забезпечують формування легованого шару без втрати маси деталі. Встановлено особливості ЕІЛ цими матеріалами Al-сплавів: взаємовплив структуроутворення в покритті зі змочуванням продуктів електроерозії алюмінієм, а також утворення в міжелектродному проміжку (МЕП) непровідних фаз, які забезпечують екранування поверхні Al-катода від дії іскрового розряду. На підставі дослідження структури, фазового складу покриттів та електродних матеріалів (металографія, РФА, МРСА, СЕМ), кінетики електромасопереносу та змочування вперше встановлено такі закономірності формування ЕІЛ-покриттів на Al-сплавах: - фазовий склад покриття, який відрізняється від складу матеріалу легуючого електроду, зі збільшенням часу ЕІЛ не змінюється; встановлено наявність одних і тих самих оксидних фаз у складі покриття й окалини на поверхні електроду, а також подібність мікроструктури й спектрів МРСА покриття і окалини. На відміну від покриття ТБСАН/АЛ9, інтенсивність зношування покриттів ЦЛАБ-1/АЛ9 и ЦБСАН/АЛ9 наближається до інтенсивності зношування матеріалу електрода ЦБСАН з підвищенням вантажно-швидкісних параметрів, що пояснюється тепловим захистом алюмінієвого сплаву діоксидом цирконію, багаторівневою глобулярною мікроструктурою легованого шару та свідчить про близькість складу вторинних структур покриття і електроду.
Вывод
адгезійний композиційний електроіскровий
1. Вперше розроблені покриття на сплавах алюмінію зі збільшеними зносостійкістю і твердістю завдяки електроіскровому легуванню (ЕІЛ) електродними матеріалами нового покоління, котрі забезпечують формування легованого шару без втрати маси деталі.
2. Вибрано та розроблено склад композиційних електродних матеріалів на основі ALN і LAB6 (на матеріал системи LAB6-ZRB2 отримано деклараційний патент України). Встановлено особливості ЕІЛ цими матеріалами Al-сплавів: взаємовплив структуроутворення в покритті зі змочуванням продуктів електроерозії алюмінієм, а також утворення в міжелектродному проміжку (МЕП) непровідних фаз, які забезпечують екранування поверхні Al-катода від дії іскрового розряду.
3. На підставі дослідження структури, фазового складу покриттів та електродних матеріалів (металографія, РФА, МРСА, СЕМ), кінетики електромасопереносу та змочування вперше встановлено такі закономірності формування ЕІЛ-покриттів на Al-сплавах: - фазовий склад покриття, який відрізняється від складу матеріалу легуючого електроду, зі збільшенням часу ЕІЛ не змінюється;
- кінетика масопереносу при ЕІЛ алюмінієвих сплавів (коефіцієнт масопереносу дорівнює 20…60 %) має трьохстадійний характер, котрий є типовим для тугоплавких сплавів. Установлена залежність електроерозійної стійкості легуючого електроду від матеріалу катоду, яка визначається впливом зворотнього масопереносу;
- ЕІЛ-покриття являє собою матрицю на основі алюмінію системи Al-O-N-B, армовану тугоплавкими сполуками;
- встановлено наявність одних і тих самих оксидних фаз у складі покриття й окалини на поверхні електроду, а також подібність мікроструктури й спектрів МРСА покриття і окалини. Зроблено припущення, що в зоні трибоокиснення як покриття, так і електроду можливе утворення твердих розчинів на основі мулітів, тіаліту й ZRO2, які відіграють роль твердої змазки при сухому терті ковзання;
- структура покриття визначається змочуванням продуктів електроерозії електроду Al-сплавом. Глобулярна дискретна структура формується у випадку селективного змочування легуючих компонентів та реалізується при ЕІЛ матеріалами на основі ALN. Гомогенна суцільна структура формується при близьких до нулю контактних кутах змочування легуючих компонентів і реалізується при ЕІЛ матеріалами з великим вмістом бору (ЦЛАБ-1, LAB6, B6Si).
4. Покриття характеризуються градієнтним розподілом фазових складових за товщиною: кількість Al збільшується в напрямку до основи з утворенням на межі плівки оксиду алюмінію (товщиною 5…10 мкм), що передбачає плавне зменшення мікротвердості H у тому ж напрямку. Мікротвердість покриттів (4…10 ГПА) в 3…8 рази більше H сплаву АЛ9 (H = 1,2 ГПА).
5. Інтенсивність зношування (I) покриттів системи LAB6-ZRB2 у 2…3 рази менше, ніж сплаву АЛ25 при сухому терті, й зменшується з підвищенням часу ЕІЛ та при наступній лазерній обробки. Результати обговорені з позицій формування в зоні трибоконтакту вторинних оксидних плівок за участю Al2O3, La2O3, ZRO2, твердих розчинів на основі ZRO2 та оксиду бору, які відіграють роль рідкої змазки до температури 650C.
6. На відміну від покриття ТБСАН/АЛ9, інтенсивність зношування покриттів ЦЛАБ-1/АЛ9 и ЦБСАН/АЛ9 наближається до інтенсивності зношування матеріалу електрода ЦБСАН з підвищенням вантажно-швидкісних параметрів, що пояснюється тепловим захистом алюмінієвого сплаву діоксидом цирконію, багаторівневою глобулярною мікроструктурою легованого шару та свідчить про близькість складу вторинних структур покриття і електроду. При цьому покриття ЦБСАН збільшує електрохімічну стійкість сплаву АЛ9 у 3%-ному розчині NACL.
7. Сформульовано вимоги до матеріалу електроду та фізико-хімічна модель ЕІЛ алюмінієвих сплавів компактним електродом, яка базується на виборі й співвідношенні структурних складових матеріалу електрода, котрі забезпечують утворення в МЕП екрануючої "хмари" з діелектричних компонентів продуктів електроерозії, та на змочуванні алюмінієвим сплавом легуючих компонентів, що відповідають за структуроутворення легованого шару. Кількість фаз у матеріалі електрода, що відповідають за утворення непровідникових продуктів електроерозії електрода (ALN, Al2O3, B2O3), повинно бути більше чи дорівнювати 50% (мас.).
8. Зроблено практичні рекомендації щодо використання розроблених покриттів: - ЕІЛ-покриття можна використовувати у парах тертя ковзання, наприклад для зміцнення алюмінієвих підшипників ковзання шестеренчастих насосів;
- запропоновано спосіб попередньої обробки алюмінієвих сплавів для нанесення газотермічних покриттів, котрий полягає у попередньому ЕІЛ підкладки матеріалом, близьким за складом до композиційного порошку, який наносять. На новий спосіб подана заявка на патент України.
2. Тепленко М.А., Лавренко В.А., Подчерняева И.А., Юречко Д.В., Швец В. А. Повышение стойкости к коррозии и износу хромистой стали при электроискровом легировании электродом ALN-ZRB2-ZRSI2 // Порошковая металлургия. - 2003. - № 3/4. - С. 25-34.
5. Подчерняева И.А., Юречко Д.В. Кинетика электроискрового массопереноса с использованием композиционной керамики систем ALN-Ti(Zr)B2-Ti(Zr)Si2 и LAB6-ZRB2 // Электрические контакты и электроды: Сб. науч. трудов. - Киев: ИПМ НАНУ. - 2003. - С. 158-167.
6. Григорьев О.Н., Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Юречко Д.В., Варюхно В.В. Жаро- и износостойкие композиционные материалы и покрытия на основе ALN-TIB2 // Новые огнеупоры. - 2004. - № 7. - С. 68-74.