Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
VAC 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
UDK 621.9.048.4 Электроэрозионная (электроискровая) обработка
BBK 341 Общая технология металлов
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The study objective is to obtain and study metal matrix alloys based on NiAl intermetallic compound with different concentrations of Ni for forming wear-resistant coatings on steel 45. The problems to which the paper is devoted are: obtaining electrode materials based on NiAl intermetallic compound with different concentrations of Ni and studying their structure; studying the mass transfer during electrospark deposition on steel 45; studying the comparative wear resistance of the coatings obtained. Research methods: electrode alloys are obtained by the method of liquid-phase self-propagating high-temperature synthesis; electro spark alloying is used to create wear-resistant coatings; the microstructure of the obtained alloys is studied by the method of metallographic analysis. The novelty of the work: for the first time, the influence of different Ni concentration values on the wear resistance of NiAl electrospark coatings on steel 45 is studied. Study results: the microstructure of the obtained alloys consists of doped Cr and Co grains of NiAl matrix with a different Ni/Al ratio, along the boundaries of which the compounds of all alloy components are located. When forming coatings by electrospark method, time dependences of changes in anode erosion, cathode gain and mass transfer coefficient are obtained. Conclusions: NiAl metal-based alloys with different concentrations of Ni were smelted using a liquid-phase SHS method using charge consisting of metal oxides and mineral concentrates containing tungsten and zirconium; the microstructure of the obtained alloys consists of doped Cr and Co grains baseds on NiAl, along which boundaries compounds of all the constituent components of the alloy are concentrated, including Zr and W. Experimental results of anode erosion, cathode gain, and mass transfer coefficient were obtained while forming the coatings with the alloys using electrospark method, and it was found during wear resistance tests that with an increase of Ni concentration in the alloy, the wear resistance increases.
metal matrix alloy, intermetallic materials, alloying, coatings, wear resistance
Введение
Одной из основных задач современной науки о материалах является получение функциональных покрытий, которые обеспечивают повышение свойств поверхностей машин и механизмов: твёрдость, износостойкость, жаростойкость, и др. Для формирования покрытий используется большое количество традиционных и новых методов. Большинство новых методов основано на использовании источников концентрированных потоков энергии (КПЭ) таких как лазер, взрыв, электрическая искра и ряд других. К числу наиболее часто применяемых методов, основанных на использовании электрической искры, относятся электроэрозионная обработка, электроэрозионное диспергирование [1] и электроискровое легирование (ЭИЛ) [2, 3]. В основе метода ЭИЛ лежит полярный перенос эродированного материала анода (материал для нанесения) на катод (деталь). К важным преимуществам покрытий, получаемых методом ЭИЛ, можно отнести высокую адгезию материала покрытия к материалу детали, отсутствие термических деформаций деталей при формировании покрытий, что обусловлено незначительным нагревом. Широкому внедрению в промышленное производство данного метода препятствуют такие его недостатки как недостаточный уровень автоматизации процесса низковольтного ЭИЛ и ограниченная номенклатура специализированных анодных материалов.
В большинстве работ, связанных с ЭИЛ, в качестве анодных материалов использовались стандартные твердые сплавы. Количество работ, где применялись другие материалы, значительно меньше [4]. Перспективными анодными материалами являются интерметаллидные сплавы, содержащие в составе фазы NiAl и Ni3Al. Интерметаллидные сплавы на основе системы Ni-Al позволяют повысить эксплуатационные свойства (жаростойкость, износостойкость) сформированных покрытий. Исходя из анализа литературных источников, на практике находят применение сплавы с фазой Ni3Al, а сплавы с фазой NiAl, хотя и имеют более высокие свойства, распространены мало из-за повышенной хрупкости. Фаза NiAl, в соответствии с диаграммой состояния, имеет широкую область гомогенности с изменением содержания Ni от 42 до 70 ат.% в сплавах, что, по-видимому, оказывает существенное влияние на свойства таких сплавов при формировании покрытий методом ЭИЛ.
Анодные материалы, предназначенные для ЭИЛ, в основном производятся порошковым методом, что предопределяет их высокую стоимость. Наиболее экономически целесообразным методом получения анодных материалов являются литейные технологии, но в этом случае структура анодных материалов зачастую дендритная и мелкозернистая. Поэтому все большее внимание исследователи уделяют методу жидкофазного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
В настоящей работе исследовали влияние изменения концентрации Ni в металломатричном комплекснолегированном сплаве на свойства и параметры покрытий, сформированных методом ЭИЛ.
Материалы и методы
Анодные материалы получали методом жидкофазного СВС с использованием в качестве шихты порошков оксидов технической чистоты (NiO, Cr2O3, CoO) и минеральных концентратов (шеелит, бадделеит) Дальневосточного региона России. Восстановителем являлся порошок алюминия марки ПА-4 [5]. Для эффективного разделения металлического и шлакового расплавов использовали добавки плавикового шпата. Концентрации основных составляющих шихты рассчитывались по известной методике [6]. После предварительной сушки (150 °С) порошков в течение 20 минут их смешивали в смесителе активаторного типа. Металлотермическую плавку проводили в атмосфере воздуха с верхним поджигом шихты в футерованном тигле. В результате СВС процесса в тигле формируется спек. Внутри спека, в нижней его части, располагается слиток каплевидной формы. Элементный состав полученных анодных материалов приведен в таблице 1.
В качестве катодов при ЭИЛ использовали образцы стали марки 45 в состоянии поставки. Покрытия формировали с использованием электроискровой установки разработанной в Институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН, в которой предусмотрена возможность изменять параметры электроискровых импульсов (длительность разрядных импульсов tр, скважность tск, энергия разряда в импульсе Е) в широком интервале. По результатам предварительных экспериментов были выбраны два режима: первый, обозначенный как (ʹ), tр=40 мкс, tск=50 %, Еʹ=3,12 Дж); второй, обозначенный как (ʹʹ), tр=80 мкс, tск=25 %, Еʺ=14,4 Дж (В дальнейшем режим 1 и режим 2 соответственно). Частота электроискровых импульсов во всех экспериментах не изменялась и составляла f=500 Гц.
Исследование микроструктуры анодных материалов и покрытий проводили с использованием оптического металлографического (Altami МЕТ 3 АПО) и растрового электронного (SU-70 Hitachi) микроскопов. Для оценки эффективности процесса ЭИЛ использовали суммы масс анода (Ʃ∆а
) и катода (Ʃ∆к), и коэффициент массопереноса (К= Ʃ∆а/Ʃ∆к). Измерение масс анода и катода проводили гравиметрическим методом на электронных весах Shinko Denshi HTR-220 CE с точностью ±·10-
Таблица 1
Элементный состав анодных материалов
Table 1
Elemental composition of anode materials
|
Анодный материал, № п/п |
Элементный состав анодных материалов ат, % |
|||||||
|
Ni |
Al |
Cr |
Co |
W |
Si |
Zr |
Fe |
|
|
1 |
51,8 |
29,6 |
10,5 |
3,4 |
1,5 |
1,2 |
1,2 |
0,18 |
|
2 |
47,4 |
35,7 |
9,6 |
2,9 |
1,9 |
1,2 |
0,85 |
0,17 |
|
3 |
45,5 |
33,1 |
9,6 |
4,1 |
1,8 |
0,7 |
0,9 |
0,3 |
|
Окончание табл. 1 |
||||||||
|
Анодный материал, № п/п |
Элементный состав анодных материалов ат, % |
|||||||
|
Ni |
Al |
Cr |
Co |
W |
Si |
Zr |
Fe |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
43,8 |
38,5 |
9,5 |
4,1 |
1,6 |
1,1 |
0,9 |
0,2 |
|
5 |
42,9 |
39,7 |
9,5 |
3,8 |
2,2 |
0,8 |
0,9 |
0,2 |
|
6 |
41,2 |
43,9 |
9,5 |
2,19 |
1,2 |
1 |
0,6 |
0,2 |
Результаты
Исследование макроструктуры слитков экспериментальных плавок показало наличие примерно одинакового количества и размеров пор, характерных для слитков, полученных методом жидкофазного СВС на воздухе. Высокой скоростью кристаллизации, которая характерна для этого процесса, объясняется отсутствие в структуре дендритов и формирование мелкозернистого строения структурных составляющих.
Изучение микроструктуры (рис. 1) проводили на нетравленных шлифах в режиме отраженных электродов с использованием растрового электронного микроскопа. Общий вид микроструктуры в исследуемых плавках существенно не отличается за исключением плавки 6, где видны игольчатые включения светлого оттенка. Кроме этого в металле плавки 4 видны более широкие межзёренные границы, состоящие из различных структурных составляющих.
Для исследования особенностей структурного строения металла плавок проводили микрорентгеноспектральный анализ по точкам (рис. 2). Результаты микрорентгеноспектрального анализа приведены в таблице 2. Содержание компонентов в структурных составляющих, имеющих сходный состав и строение, усредняли.
Рис. 1. Микроструктура анодных материалов: а – 1; б – 2; в – 3; г – 4; д – 5; е - 6
Fig. 1. Microstructure of anode materials
|
54 |
Рис. 2. Микроструктура и точки проведения микрорентгеноспектрального
анализа анодных сплавов: а – 1; б – 2; в – 3; г – 4; д – 5; е – 6.
Fig. 2. Microstructure and points of X-ray microanalysis of anode alloys:
а – 1; б – 2; в – 3; г – 4; д – 5; е – 6.
Таблица 2
Содержание элементов в точках анализа анодных материалов
Table 2
Element content at points of analysis of anode materials
|
Рис. 3а |
|||||||||
|
Точки анализа |
Содержание элементов, ат.% |
||||||||
|
Al |
Si |
Cr |
Co |
Ni |
Zr |
W |
|||
|
1-3 |
4.95 |
|
80.58 |
0.74 |
5.74 |
|
7.98 |
||
|
4-6 |
1.15 |
18.54 |
74.62 |
|
3.25 |
|
2.44 |
||
|
7-9 |
47.21 |
|
4.02 |
1.41 |
47.37 |
|
|
||
|
10 |
4.7 |
|
81.81 |
1.02 |
6.68 |
|
5.79 |
||
|
11-12 |
|
|
10.97 |
|
4.99 |
78.92 |
5.12 |
||
|
13 |
|
|
0.78 |
|
5.53 |
84.99 |
8.70 |
||
|
Рис. 3б |
|||||||||
|
1-6 |
3.75 |
|
53.49 |
|
5.11 |
|
37.64 |
||
|
7-9 |
29.98 |
|
60.18 |
|
3.11 |
|
6.73 |
||
|
10-11 |
|
|
2.47 |
|
5.93 |
77.99 |
13.62 |
||
|
12-14 |
5.48 |
16.87 |
71.63 |
|
1.88 |
0.57 |
3.55 |
||
|
15-17 |
15.39 |
|
38.78 |
0.36 |
14.42 |
18.17 |
12.88 |
||
|
18-20 |
52.13 |
|
|
1.79 |
42.94 |
|
|
||
|
Рис. 3в |
|||||||||
|
Точки анализа |
Содержание элементов, ат.% |
||||||||
|
Al |
Si |
Cr |
Fe |
Co |
Ni |
W |
|||
|
1-3 |
|
|
12.02 |
1.36 |
|
13.20 |
73.42 |
||
|
4-6 |
25.91 |
|
55.69 |
5.85 |
0.28 |
4.42 |
7.85 |
||
|
7-9 |
14.05 |
16.08 |
58.92 |
2.41 |
|
6.28 |
2.26 |
||
|
10-12 |
53.76 |
|
3.81 |
3.05 |
2.48 |
36.90 |
|
||
|
Рис. 3г |
|||||||||
|
1-2 |
|
|
76.43 |
|
2.11 |
|
21.46 |
||
|
3-4 |
40.83 |
|
44.32 |
|
3.20 |
|
11.66 |
||
|
5-7 |
42.07 |
|
47.41 |
|
3.14 |
|
7.37 |
||
|
8-9 |
5.50 |
23.59 |
66.28 |
|
1.13 |
|
3.50 |
||
|
10-12 |
21.15 |
9.34 |
48.66 |
0.35 |
9.22 |
8.87 |
2.40 |
||
|
13-15 |
56.52 |
3.36 |
20.39 |
0.52 |
9.79 |
9.42 |
|
||
|
16-18 |
6.61 |
22.21 |
67.17 |
|
1.32 |
|
2.69 |
||
|
19-21 |
59.08 |
|
35.22 |
|
2.29 |
|
3.41 |
||
|
22-24 |
59.94 |
|
3.10 |
2.16 |
34.80 |
|
|
||
|
Рис. 3д |
|||||||||
|
1 |
|
3.11 |
39.94 |
|
3.66 |
51.15 |
2.14 |
||
|
2 |
|
|
79.89 |
|
|
3.39 |
16.72 |
||
|
3-4 |
8.90 |
1.80 |
36.18 |
0.48 |
9.08 |
42.71 |
0.85 |
||
|
5-7 |
59.72 |
|
31.53 |
|
2.67 |
|
6.08 |
||
|
8-10 |
59.57 |
|
34.96 |
|
2.74 |
|
2.72 |
||
|
11-13 |
56.81 |
|
2.64 |
2.38 |
38.16 |
|
|
||
|
14-16 |
58.33 |
3.45 |
32.20 |
|
6.02 |
|
|
||
|
Рис. 3е |
|||||||||
|
1 |
|
|
3.05 |
13.44 |
|
21.22 |
|
62.29 |
|
|
2-3 |
3.32 |
|
|
55.54 |
|
8.65 |
|
32.49 |
|
|
4-6 |
48.02 |
|
|
19.07 |
0.25 |
23.46 |
6.78 |
2.42 |
|
|
7-9 |
58.18 |
|
|
2.41 |
0.98 |
38.43 |
|
|
|
|
10-12 |
59.9 |
0.99 |
|
35.80 |
|
2.60 |
|
0.71 |
|
|
56 |
На рисунке 3 приведены зависимости, характеризующие процесс получения покрытий методом ЭИЛ на образцах катодов стали 45 с использованием анодных материалов 1 - 6. Максимальную эрозию имеют анодные материалы 4 - 6, вне зависимости от скважности (рис. 3, а и б). Увеличение энергии электроискрового импульса (режим 2) приводит к росту эрозии анодного материала 4 до 2 раз (рис. 3, б). В противоположность эрозии, привес катода, который отражает толщину покрытий, максимален при использовании анодов 1, 3, 2 (рис. 3, в и г). Большая энергия электроискрового импульса (рис. 3, г) почти во всех случаях несколько увеличивает привес катода. Коэффициент массопереноса, по величине которого оценивается эффективность анодного материала при получении покрытий на конкретном катодном материале (сталь 45), приведен на рис. 3, д и е. На указанных рисунках приведены только анодные материалы 1 – 3, остальные (4 – 6) не обозначены в связи с их минимальными значениями.
В табл. 3 приведены показатели износостойкости (γиз) в зависимости от состава полученного сплава.
Рис. 3. Изменение эрозии анодов, массопереноса и коэффициента массопереноса
в зависимости от состава анодного материала и времени обработки
Fig. 3. Changes in anode erosion, mass transfer and mass transfer coefficient depending
on the composition of the anode material and processing time
Таблица 3
Показатель износостойкости в зависимости от состава анодного материала
Table 3
Wear resistance index depending on the composition of the anode material
|
Режимы ЭИЛ |
Анодный материал, № |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Показатель износостойкости, γиз |
||||||
|
Режим 1 |
5,4 |
2,2 |
1,9 |
2,3 |
2,6 |
2,1 |
|
Режим 2 |
6,1 |
3,6 |
2,9 |
4,0 |
1,8 |
2 |
|
57 |
Как следует из полученных результатов, с уменьшением содержания в шихте Ni износостойкость немонотонно снижается в последовательности 1 - 6. Наиболее существенно влияние режима нанесения заметно при использовании составов 4, 2, 5, что объясняется высокой чувствительностью использованных сплавов к формированию оксидов.
Выводы
1. Выплавлены NiAl металломатричные сплавы с различной концентрацией Ni методом жидкофазного СВС при использовании шихты, состоящей из оксидов металлов и минеральных концентратов, содержащих вольфрам и цирконий.
2. Микроструктура полученных сплавов состоит из легированных Cr и Co зерен основы NiAl, по границам которой сконцентрированы соединения всех составляющих компонентов сплава, включая Zr и W.
3. При формировании покрытий полученными сплавами с использованием ЭИЛ получены экспериментальные результаты эрозии анода, привеса катода, коэффициента массопереноса, при испытаниях на износостойкость установлено, что при увеличении концентрации Ni в сплаве износостойкость увеличивается.
1. Dvornik M.I., Mihaylenko E.A. Izmenenie sostava poroshkov tverdogo splava pri elektroerozionnom dispergirovanii v nasypnom sloe. Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. 2019;15;10 (178):478-480.
2. Burkov A.A., Kulik M.A. Uprochnenie FeCrMoWCBSi amorfnyh elektroiskrovyh pokrytiy karbidom vol'frama. Pis'ma o materialah. 2021;11;3(43):304-308.
3. Himuhin S.N., Ri H., Verhoturov A.D., Ri E.H. Formirovanie struktury sloya na metallah i splavah pri elektroiskrovoy obrabotke. Habarovsk: DVGUPS, 2010. 240 s.
4. Ri H., Ri E.H., Himuhin S.N., Astapov I.A. Elektrodnye materialy iz belyh chugunov dlya elektroiskrovoy obrabotki. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tehnika i tehnologii. 2012;01:8-13.
5. Khimukhin S.N., Eremina K.P. Microstructure peculiarities of intermetallic and composite coatings. Solid State Phenomena. 2021;316:783-788.
6. Gostischev V.V., Astapov I.A., Seredyuk A.V. i dr. Vysokotemperaturnyy sintez kompozitov na osnove alyuminidov nikelya. Neorganicheskie materialy. 2016;52;04:464-467.
7. Himuhin S.N., Gostischev V.V., Medneva A.V. i dr. Intermetallidnye pokrytiya posle ispytaniya na zharostoykost'. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2017;2 (55):125-133.
8. Himuhin S.N., Eremina K.P., Ri E.H. i dr. Struktura intermetallidnyh pokrytiy posle termociklirovaniya. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2018;9 (70):26-32.
9. Gostishchev V.V., Astapov I.A., Khimukhin S.N. Fabrication of nickel-aluminum alloys with tungsten and molybdenum borides by the method of self-propagating high-temperature synthesis. Inorg Mater Appl Res. 2017;8(4):546-50.
10. Merzhanov A.G. Samorasprostranyayuschiysya vysokotemperaturnyy sintez: Dvadcat' let poiskov i nahodok. Chernogolovka: ISMAN, 1989. 91 s.
