Інженерія зносостійкої поверхні сплавів алюмінію при їх електроіскровому легуванні матеріалами на основі систем AlN—Ti(Zr)B2 та LaB6—ZrB2 - Автореферат

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. 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. Для досягнення мети в дисертації поставлено такі завдання: встановити особливості структурних і фазових перетворень при ЕІЛ сплавів АЛ9, АЛ25, Д16Т композиційною керамікою на підставі комплексного дослідження структури та складу як покриттів, так і легуючих електродних матеріалів; Розроблено склад електродних матеріалів на основі ALN і LAB6 (на матеріал системи LAB6-ZRB2 отримано деклараційний патент України) та встановлено особливості ЕІЛ цими матеріалами Al-сплавів, що полягає у взаємозвязку структуроутворення у покритті з селективністю змочування продуктів електроерозії алюмінієм і в утворенні в міжелектродному проміжку непровідних фаз, котрі забезпечують екранування поверхні алюмінієвого катоду від дії іскрового розряду. Встановлено основні закономірності формування легованого шару на Al-сплавах, а саме: незалежність фазового складу покриття від часу обробки; утворення матричної структури покриття на основі алюмінію, армованої тугоплавкими сполуками і оксидними фазами з градієнтним розподілом фазових складових; трьохстадійний характер кінетики масопереносу з коефіцієнтом масопереносу 20-60 %; залежність структури покриття від змочування продуктів електроерозії електроду Al-сплавом.У першому розділі представлено огляд літератури стосовно існуючих методів нанесення покриттів на алюмінієві сплави, розглянуто особливості ЕІЛ, характеристики ЕІЛ та модель формування ЕІЛ-покриттів на тугоплавких металах, визначена мета і сформульовані завдання дослідження. Зроблено висновок, що ЕІЛ алюмінію та його сплавів традиційними матеріалами супроводжується втратою маси обробляємої деталі, це робить проблематичним використання цього методу до легких сплавів. Відомості щодо структури, складу, кінетики масопереносу, триботехнічних параметрів покриттів на алюмінієвих сплавах, які формуються при ЕІЛ компактними керамічними електродами, відсутні, що потребує проведення дослідження у зазначеному напрямку й встановлення впливу на характеристики покриття режимів тертя і складу легуючого електроду. У другому розділі описані методики вивчення складу, структури і властивостей електродних матеріалів та покриттів, устаткування для нанесення покриттів; охарактеризовано вихідні компоненти, склад електродних матеріалів і умови їх спікання (табл. Вибір електродних матеріалів на основі ALN (ТБСАН, ЦБСАН) і LAB6 (ЦЛАБ-1) обумовлений необхідністю: 1 - утворення непровідних фаз у МЕП у продуктах електроерозії (ALN, Al2O3 - у першому випадку, B2O3 - у другому) у кількості (? 50 % (мас.)), яка забезпечує екранування поверхні Al-катоду від дії іскрового розряду; 2 - наявності в складі матеріалу складових (TIB2, ZRB2, LAB6), котрі забезпечують канал провідності в МЕП і поверхневе легування твердими зносостійкими компонентами; 3 - утворення на поверхні покриттів у процесі як ЕІЛ, так і трибоокиснення фаз, що можуть відігравати роль твердої змазки в умовах сухого тертя.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; Установлена залежність електроерозійної стійкості легуючого електроду від матеріалу катоду, яка визначається впливом зворотнього масопереносу; 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.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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. Покриття силіциду бора на сплаві АЛ25 характеризується зменшенням коефіцієнта тертя (f) від 0,24 до 0,16 з прискоренням ковзання в діапазоні 1?V?7 м/с. 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 650 OC.

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.

1. Подчерняева И. А., Панасюк А. Д., Затуловский С. С., Юречко Д. В., Варюхно В. В., Блощаневич А. М. Структурообразование и массоперенос износостойких покрытий при электроискровом легировании Al-Si сплавов композиционной керамикой LAB6-ZRB2 // Сверхтвердые материалы. - 2003. - №6. - С. 50-59.

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.

3. Подчерняева И. А., Панасюк А. Д., Щепетов В. В., Юречко Д. В., Громенко В. Ю., Иващенко Р. К. Поверхностное модифицирование сплава АЛ9 при электроискровом легировании материалами системы ALN-Ti(Zr)B2-Ti(Zr)Si2 // Порошковая металлургия. - 2004. - №3/4. - С. 54-62.

4. Подчерняева И. А., Юречко Д. В., Панасюк А. Д., Тепленко М. А. Закономерности массопереноса и адгезионное взаимодействие при электроискровом легировании (ЭИЛ) сплава АЛ9 керамическими электродами ALN-Ti(Zr)B2-Ti(Zr)Si2 // Порошковая металлургия. - 2004. - №9/10. - С. 43-50.

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.

7. Юречко Д. В., Подчерняева И. А., Панасюк А. Д., Григорьев О. Н. Физико-химическая модель формирования износостойких покрытий на алюминиевых сплавах при электроискровом массопереносе композиционной керамики // Порошковая металлургия. - 2006. - № 1/2. - С. 51-58.

8. Подчерняева И. А., Панасюк А. Д., Уманский А. П., Юречко Д. В. Жаро- и износостойкие композиционные покрытия систем SIC-Al2O3, ALN-TIB2(ZRB2) и TICN-ALN // Материалы Двадцать четвертой ежегодной международной конференции и выставки “Композиционные материалы в промышленности”. Сб. науч. трудов. - Ялта, Крым. - 2004. - С. 196-198.

9. Подчерняева И. А., Панасюк А. Д., Фролов Г. А., Костенко А. Д., Юречко Д. В., Блощаневич А. М. Модель формирования и свойства электроискровых керамических покрытий для вакуумних узлов трения // Третья международная конференция “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”. Сб. науч. трудов. - Кацивели-Понизовка, Автономная республика Крым, Украина. - 2004. - С. 48-49.

10. Пат. 60724А Україна. Керамічний антифрикційний матеріал на основі дибориду цирконію / А. Д. Панасюк, О. М. Григорєв, І. О. Подчерняєва, В. В. Щепетов, Д. В. Юречко, М. О. Тепленко - Заявл. 11.02.2003; Опубл. 15.10.2003, Бюл. №10.

11. Григорьев О. Н., Подчерняева И. А., Панасюк А. Д., Юречко Д. В., Варюхно В. В., Коновал В. П. Износостойкие газотермические покрытия на основе системы ALN-TIB2-TISI2 // Материалы международной конференции "Современное материаловедение: достижения и проблемы": Сб. науч. трудов. -Киев, Украина. - 2005. - С. 577-578.

АНОТАЦИЯ

Юречко Д.В. Инженерия износостойкой поверхности сплавов алюминия при их электроискровом легировании материалами на основе систем ALN-Ti(Zr)B2 и LAB6-ZRB2. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2006.

Цель работы - создание износостойких электроискровых покрытий на алюминиевых сплавах без потери массы детали в процессе обработки за счет легирующих материалов систем ALN-Ti(Zr)B2-Ti(Zr)Si2 и LAB6-ZRB2 путем установления закономерностей структурообразования, массопереноса, фазовых превращений, смачивания и физико-механических свойств. Впервые реализована технология электроискрового легирования (ЭИЛ) поверхности алюминиевых сплавов компактными электродами, обеспечивающая коэффициент массопереноса до 60 %. Установлен трехстадийный механизм кинетики массопереноса, а также особенности структурообразования и фазовых превращений при электро-массопереносе, обусловленные разной смачиваемостью алюминием легирующих компонентов и заключающиеся в формировании в процессе ЭИЛ композиционного покрытия на основе Al-матрицы, армированной тугоплавкими компонентами. Компоненты с высокой смачиваемостью алюминием (ALN, Al2O3; ? ?? 40o) интенсивно вовлекаются в конвективные потоки расплава и формируют матричную структуру легированного слоя (толщиной ? 10 мкм) системы Al-N-O-B на основе алюминиевого сплава. Компоненты с низкой смачиваемостью алюминием (ZRB2, TIB2; ?? 40o) образуют на легированной поверхности армирующие глобулы (высотой 20…100 мкм) с повышенными твердостью и содержанием боридной составляющей, высота которых и площадь занимаемой ими поверхности тем больше, чем больше ?. Исследованы особенности трибологического поведения ЭИЛ-покрытий на сплавах АЛ9 и АЛ25 в условиях сухого трения скольжения в зависимости от режимов нанесения ЭИЛ-покрытия, состава электрода и режимов трения. Результаты обсуждены в рамках концепции формирования вторичных структур в процессе трибоокисления. Предложена физико-химическая модель ЭИЛ Al-сплавов компактным электродом и сформулированы требования к материалу легирующего электрода, основанные на выборе структурных составляющих материала электрода, обеспечивающих образование экранирующего "облака" диэлектрических компонентов продуктов электроэрозии в межэлектродном промежутке, и на селективности смачивания алюминиевым сплавом легирующих компонентов, ответственных за структурообразование легированного слоя.

Предложен новый способ предварительной обработки подложки для нанесения газотермических покрытий, суть которого состоит в предварительном ЭИЛ подложки материалом, состав которого близок к составу наносимого порошка.

Ключевые слова: электроискровое легирование, покрытия, алюминиевые сплавы, композиционная керамика, триботехнические параметры, коррозионная стойкость, фазовый состав и структура.

Юречко Д.В. Інженерія зносостійкої поверхні сплавів алюмінію при їх електроіскровому легуванні матеріалами на основі систем ALN-Ti(Zr)B2 та LAB6-ZRB2. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2006.

Мета роботи - створити зносостійкі електроіскрові покриття на алюмінієвих сплавах без втрати маси деталі в процесі обробки за рахунок легуючих матеріалів систем ALN-Ti(Zr)B2 і LAB6-ZRB2, встановити закономірності структуроутворення, масопереносу, фазових перетворень, змочування та фізико-механічних властивостей. Вперше реалізовано технологію електроіскрового легування поверхні алюмінієвих сплавів компактними електродами, що забеспечують коефіцієнт масопереносу до 60 %. Встановлено трьохстадійний механізм масопереносу, а також особливості структуроутворення та фазових перетворень при електромасопереносі, обумовлені різною змочуваністю алюмінієм легуючих компонентів та які полягають у формуванні в процесі ЕІЛ композиційного покриття на основі Al-матриці, яка армована тугоплавкими компонентами. Компоненти, у яких контактний кут змочування q << 40° (ALN, Al2O3), інтенсивно втягуються в конвективні потоки розплаву та формують матричну структуру легованого шару (товщиною 10 мкм) системи Al-N-O-B на основі алюмінієвого сплаву. Компоненти, у яких контактний кут змочування q ? 40° (ZRB2, TIB2), формують на легованій поверхні глобули. Досліджено особливості трибологічної поведінки ЕІЛ-покриттів на сплавах АЛ9 і АЛ25 в умовах сухого тертя ковзання в залежності від режиму нанесення ЕІЛ-покриття, складу електроду та режимів тертя. Запропоновано физико-хімічну модель ЕІЛ Al-сплавів компактним електродом та сформульовані вимоги до матеріалу легуючого електроду.

Запропоновано новий спосіб попередньої обробки підложки для нанесення газотермічних покриттів, суть якого полягає у попередньому ЕІЛ підложки матеріалом, склад якого наближається до складу порошку, що наноситься.

Ключові слова: електроіскрове легування, покриття, алюмінієві сплави, композиційна кераміка, триботехнічні параметри, корозійна стійкість, фазовий склад та структура.

Yurechko D.V. Structure formation and tribological properties of aluminum alloys under electric-spark alloying with materials of the ALN-Ti(Zr)B2 and LAB6-ZRB2 systems. - Manuscript.

Thesis for a candidates degree by speciality 05.02.01 - materials science. - I.N. Frantsevich Institute for Problems in Materials Science of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2006.

The goal of this study is to develop wear-resistant electric-spark coatings on aluminum alloys that do not suffer any weight loss in later processes. For this, alloying materials of ALN-Ti(Zr)B2 and LAB6-ZRB2 systems were investigated in terms of regularities of structure formation, mass transfer, phase transformations, wetting, and physical-mechanical properties. We realized for the first time the technology for the electro-spark alloying (ESA) of aluminum alloy surfaces with compact electrodes, which provide a mass transfer coefficient up to 60%. A three-stage mechanism of mass transfer kinetics was established, and the features of structure formation and phase transitions during electric mass transfer were identified. These features, which differ in wetting of aluminum with alloying components, determine the formation of the composite coating with an Al-matrix, that is reinforced with refractory components during the ESA process. The tribological behavior of the ESA coatings on AL9 and AL25 alloys under dry sliding friction was investigated in dependence of the ESA procedure, composition of the electrode and the friction conditions. A physical-chemical model for the electric-spark alloying of Al-alloys with compact electrodes is proposed. Additionally, the requisites for the material of the alloying electrode are formulated.

A new method for the substrate treatment of gas-thermal coatings is proposed, whose essential point is the primary ESA of the substrate with a material whose composition is close to that of the deposited powder.

Keywords: electric-spark alloying, coatings, aluminum alloys, composition ceramics, tribological parameters, corrosion resistance.

Размещено на .ru