в российской академии естественных наук
УДК 621.9.048.4
применение технологии электроискрового легирования и перспективных наноструктурированных электродных материалов для повышения стойкости штамповой оснастки
© Кудряшов Александр Евгеньевич, канд. техн. наук; Левашов Евгений Александрович, д-р техн. наук, проф., действительный член РАЕН
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва. E-mail: aekudr@rambler.ru
Аксенов Леонид Борисович, д-р техн. наук, проф., член-корр. АТН РФ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Россия, Санкт-Петербург Петров Владимир Маркович, д-р техн. наук, проф.
Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ). Россия, Санкт-Петербург Статья поступила 21.07.2010 г.
Рассмотрены особенности формирования, состав, структура и свойства электроискровых покрытий на инструментальной штамповой стали Х12МФ при использовании твердосплавных электродных материалов на основе карбида и борида титана, нанодисперсного карбида вольфрама. Изучена кинетика массопереноса при варьировании параметров импульсных разрядов. Исследованы структура, состав и свойства полученных электроискровых покрытий (сплошность, толщина, микротвердость, коэффициент трения, износо- и жаростойкость). Показано успешное применение разработанной технологии в промышленности.
Ключевые слова: электроискровое легирование (ЭИЛ); самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС); электрод; покрытие; нанопорошки; структура; графит.
Одной из эффективных технологий увеличения стойкости дорогостоящего штампового инструмента является технология электроискрового легирования (ЭИЛ). К достоинствам технологии ЭИЛ относятся высокая адгезия покрытий, возможность локальной обработки поверхности, относительная простота, не требующая применения сложного и дорогостоящего оборудования. Процесс является экологически чистым, характеризуется низким энергопотреблением.
Как правило, для повышения стойкости штампов используются стандартные твердые сплавы на основе карбида вольфрама марок ВК и ТК [1-3]. Однако они не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электродным материалам для ЭИЛ, в связи с их высокой эрозионной стойкостью, низким коэффициентом переноса, низкой жаростойкостью карбида вольфрама, высокой стоимостью.
Более перспективны для обработки штампов электродные материалы, получаемые по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), на основе карбидов титана, хрома, диборида титана, нитрида титана. В работах [4-10] было установлено, что введение в состав СВС-шихты наноди-° сперсного тугоплавкого компонента способствует модифицированию структуры продуктов синтеза, что в а свою очередь позитивно влияет на свойства формируемых покрытий (повышаются сплошность, твердость | покрытий, их износо- и жаростойкость, снижается < коэффициент трения) [11-15]. Также представляет г интерес для обработки штампов использование нано-
структурированного электродного материала WC-Co с частицами карбида вольфрама менее 80 нм.
Целью данной работы являлось изучение структуры, состава и свойств покрытий на штамповых сталях Х12МФ и 5ХНМ при использовании перспективных наноструктурированных и дисперсно-упрочненных наночастицами электродных материалов производства НИТУ МИСиС, а также апробирование технологии упрочнения штампов на отечественных предприятиях.
В качестве электродов для технологии ЭИЛ применяли:
- дисперсно-упрочненные наночастицами твердосплавные материалы (на основе карбидов, боридов, нитридов с модифицированной структурой, полученные по технологии СВС) путем введения в исходную реакционную смесь нанодисперсных добавок тугоплавких металлов и соединений, выполняющих роль модификаторов в процессе структурообразования [5-10]. Эти материалы получили название СТИМ (синтетический твердый инструментальный материал). Все материалы группы СТИМ соответствуют ТУ 1984-012-11301236-2008;
- твердосплавные наноструктурированные материалы системы WC-Co с частицами карбидной фазы средним размером «80 нм. Материалы марки СНМ (спеченный наноструктурированный материал) были изготовлены по технологии вакуумного спекания [16, 17] в соответствии с ТУ 1984-017-11301236-2004.
Составы базовых электродных материалов и нано-дисперсных добавок приведены в табл. 1.
Таблица 1. Состав применяемых электродных материалов
Электродный материал (система) Химический состав, мас. % Нанодисперсный порошок
CTOM-9/20A Ti 66,7 -Al 20,0 - B 13,3 ZrÜ2, Al2O3, NbC,
(TiB2-TiAl) WC-Co, WC, W
СТИМ-3Б Ti 57,6 - С 16,8 - Cr 15,6 - Ni 10,0 ZrÜ2, Al2O3, NbC,
(TiC-Cr3C2-Ni) WC-Co, WC, W
СТИМ-40НА Ti 48,0 - C 12,0 - Al 12,6 - Ni 27,4 ZrO2, NbC, W
(TiC-NiAl)
СТИМ-40ТА Ti 73, - C 12,0 - Al 14,4 ZrÜ2, Al2O3, NbC,
(TiC-ТШ) WC-Co, WC, W
СТИМ-20Н Ti 64,0 - C 16,0 - Ni 20,0 (Mo - 0,5%Al2O3), ZrO2, Al2O3,
(TiC-Ni) Мо
СТИМ-2/40НЖ Ti 48,0 - C 12,0 - Ni 26,6 - Cr 11,6 - - Al 1,4 - Fe 0,4 ZrÜ2, Al2O3 NbC,
(Ж-ХН70Ю) WC-Co, WC, W
СТИМ-2/30НМ Ti 52,5 - C 17,5 - Mo 9,0 - Ni 21,0 -
(TiC-Ni-Мо)
СНМ-8 WC 92,0 - Co 8,0 WC-Co
В качестве материала подложек выбраны наиболее распространенные штамповые стали Х12МФ и 5ХНМ (ГОСТ 5950-2000). Размеры образцов для исследований 10x10x5 мм.
Для нанесения покрытий использовали установки Alier-Metal-2002, Alier-303 Metal и Alier-Metal G53 (НИТУ МИСиС - SCINTI SRL, Россия-Молдова). Формирование поверхностного слоя на стальной подложке проводили на воздухе при варьировании суммарной энергии импульсных разрядов Е в диапазоне 0,27-43,20 кДж/мин.
Кинетику массопереноса (удельную эрозию анода Да и удельный привес катода Дк) определяли гравиметрическим способом на весах марки KERN 770 (Kern & Sohn GmbH, Германия) с точностью 10-4 г в течение 10 мин через каждую минуту легирования. Суммарный привес катода ЕДк [18] определяли по формуле
2ДК=|ДК1 +ДКг +... + AKJ/p, см3, (1
где Ак — привес катода за i-ю минуту легирования, г; i = 1, 2.. .10; р — плотность электродного материала, г/см3.
Аналогично рассчитывали суммарную эрозию анода ЕДа.
Шлифы готовили на полировальной машине Roto Pol-21 (Struers, Дания), после чего проводили химическое травление 5%-ным раствором HNO3 в этиловом спирте в течение 30-60 с.
Макроструктурные исследования, включая определение толщины и сплошности покрытий, выполнены на оптических микроскопах Neophot-32 и Axiovert 25 CA (Carl Zeiss AG, Германия) с системой анализа изображений «Видеотест». Твердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке 50 г по ГОСТ 9450-76. Для определения фазового состава покрытий использовали рентгеновский дифрактометр ДРОН-3. Съемку вели по точкам (в режиме шагового сканирования) с использованием монохроматического Си-Ка излучения (длина волны излучения 1,54178 А) в интервале углов 26 = 10°^110°; шаг съемки составлял 0,1°; экспозиция 3-4 с. Качественный фазовый анализ осу-
ществляли с использованием картотеки JCPDS.
Исследование микроструктуры и состава образцов проводили на растровом электронном микроскопе JSM-6480LV фирмы JEOL (Япония) с энергодисперсионной приставкой INCA ENERGY Dry Cool фирмы OXFORD INSTRUMENTS. Микрорентгеноспектраль-ный анализ (МРСА) выполняли с использованием программного обеспечения Analysis station. Изображение формировалось при ускоряющем напряжении 15 кВ, токе эмиссии 10 мА и разрешении микроскопа 10 А.
Шероховатость покрытий оценивали по параметру Ra на профилометре марки Surftest SJ-400 (фирмы Mitutoyo, Япония).
Испытания на жаростойкость выполнены в электропечи SNOL 7,2/1200 (АО «UMEGA», Литва) при 500 °С и выдержке в течение 60,5 ч.
Трибологические исследования проводили на машине торцевого трения [19]. Режимы испытаний: частота вращения n = 103 мин-1; линейная скорость и = 14,6 м/мин; прикладываемая нагрузка на образец 7,85 МПа в отсутствии смазочной среды; периодичность измерения величины износа - через каждые 5 мин. Максимальное время испытаний - 70 мин. В каждом испытании одновременно использовали три образца. Нагрузку на образец задавали с помощью нагружающих рычагов и эталонных грузов, реализующих кратную схему нагружения. Критерием стойкости покрытий являлась интенсивность изнашивания I, которую определяли как отношение величины износа, измеренного прямым методом, к пройденному пути трения I = (A H/L)-10-6, (2)
где АН — линейная величина износа слоя покрытия, мкм; L — путь трения, м.
Для проведения трибологических исследований при повышенных температурах (400-450 °С) покрытия наносили на образцы из штамповой стали 5ХНМ.
Трибологические свойства покрытий определяли на трибометре фирмы CSM Instruments (Швейцария) по схеме pin-on-disk [20]. В качестве контртела использовали шарики диам. 3 мм из сплава WC-6% Co. Линейная скорость вращения образцов с покрытием
< и
■■ 3
Рис. 1. Зависимость суммарного привеса катода ЕДк от времени ЭИЛ; режим обработки ЕЕ = 28,80 кДж/мин;
/ = 400 Гц; I = 200 А; т = 200 мкс: 1 — СТИМ-40НА+'№нано; 2 — СТИМ-40НА+ЫЬСнано; 3 — СТИМ-40НА; 4 — СТИМ-40НА+ZrO2нано
^ мин
2 3
1
3 "10
•к
< -15 -20 -25
Рис. 2. Зависимость суммарного привеса катода ЕЕДк от времени ЭИЛ; установка Alier-Metal 2002; электродный материал СТИМ-9/20А; энергетический режим обработки, кДж/мин: 1 — ЕЕ = 0,27; 2 — ЕЕ = 27,54; 3 — ЕЕ = 0,41; 4 — ЕЕ = 1,22; 5 — ЕЕ = 3,65
0
1
5
4
составляла 5 см/с, нагрузка 5,0 Н, длина пробега контртела 150 м. Значения коэффициента трения в зависимости от длины пробега контртела обрабатывали непрерывно на компьютере при помощи программы 1ш^итХ.
Для снижения коэффициента трения и увеличения износостойкости покрытия проводили вторичную электроискровую обработку углеродсодержащим электродом [17, 21]. Другим способом являлось введение в поверхностный слой покрытия порошка диселе-нида вольфрама WSe2 марки ХЧ (ТУ 6-09-5224-85).
Для получения качественных электроискровых покрытий для каждой системы электродных материалов экспериментально определяли оптимальный режим обработки, характеризующийся высокой скоростью формирования покрытия с удовлетворительной шероховатостью поверхности.
Установлено, что при применении электродов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.