научная статья по теме НОВЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОБАЛЬТОВО-ХРОМИСТОГО СПЛАВА Машиностроение

Текст научной статьи на тему «НОВЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОБАЛЬТОВО-ХРОМИСТОГО СПЛАВА»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

< 1, 2008

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

УДК 533.924.621

© 2008 г. Иванов В.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Коныжев М.Е.

НОВЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОБАЛЬТОВО-ХРОМИСТОГО СПЛАВА

Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия микроплазменных разрядов с образцами из кобальтово-хромистого сплава. Установлено, что в приповерхностном слое образцов, обработанных микроплазменными разрядами, формируется переплавленная область с сильно измененными физико-химическими свойствами материала. После микроплазменной обработки поверхность образцов становится значительно более шероховатой, что улучшает поверхностное сцепление (адгезию) образцов с различными материалами (керамика, пластмасса, пластик и др.) при создании прочных композитных структур.

В работе [1] изложены результаты исследований влияния микроплазменной обработки [2] на свойства приповерхностного слоя образцов из Ni-Cr сплава. Исследования, представленные в настоящей работе, являются продолжением изучения воздействия универсального плазменного метода обработки изделий из металлов и сплавов, основанного на новых принципах возбуждения импульсных микроплазменных разрядов, способных упрочнять металлические изделия со сложной формой поверхности.

В настоящей работе метод микроплазменной обработки использовали для эффективной модификации поверхности образцов из кобальтово-хромистого (Co-Cr) сплава с составом: Co-65,7%, Cr-26,3%, Мо-7,4%, Si-0,6%, применяемого в ортопедической стоматологии при изготовлении металлокерамических изделий. Основные цели работы состояли в следующем: исследовать возможность применения микроплазменного метода для формирования прочного микрорельефа на поверхности Co-Cr сплава; сравнить эффективность применения микроплазменного метода и традиционного пескоструйного метода создания микрорельефа на поверхности Co-Cr сплава; изучить свойства микрорельефа, образующегося на поверхности образцов из Co-Cr сплава в результате их взаимодействия с микроплазменными разрядами; исследовать металлофизические и трибо-технические характеристики обработанных образцов.

Экспериментальные установки и методы исследований. Исследования характеристик плазмы, необходимых для устойчивого возбуждения импульсных микроплазменных разрядов на поверхности металлов, проводили в ИОФ РАН на установке СФЕРА [3]. Изучение металлофизических, триботехнических и микроструктурных свойств поверхности металлических образцов, обработанных микроплазменными разрядами, выполняли в ИМАШ РАН.

Шлифованные образцы из Со-Сг сплава с шероховатостью ~2-3 мкм имели форму параллелепипеда 4 х 4 х 12 мм. Были изготовлены и исследовались 12 образцов. Образцы предварительно выдерживали в воздухе при температуре 950° в течение 5 минут. В результате такой термообработки на поверхности образцов возникал оксидный слой толщиной несколько микрометров. Импульсный поток плазмы создавали плазменным инжектором в результате импульсного высоковольтного электрического разряда (электрическое напряжение 7 кВ, электрический ток 1,5 кА, длительность знакопеременного импульса 20 мкс), возникающего на поверхности плазмообразующего диэлектрического материала (полиметилметакрилат). Основным ионным компонентом плазмы являлись ионы водорода (90-80%) и углерода (10-20%), а доля более тяжелых ионов составляла менее 1% [3].

Образцы из Со-Сг сплава подвергали микроплазменной обработке в двух режимах: 1 - температура отжига Т = 950°, стартовый ток разряда I = 200 А, количество импульсов плазмы N = 10; 2 - температура отжига Т = 950°, стартовый ток разряда I = 800 А, количество импульсов плазмы N = 10.

Микротвердость образцов измеряли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-60). Микрорельеф поверхности образцов оценивали на профилографе-профилометре (модель 201). Запись профилограмм проводили при вертикальном х2000 и горизонтальном х200 увеличении. С помощью профилограмм измеряли максимальные значения высоты микрорельефа Нтах и величины механического износа образцов при триботехнических испытаниях.

Для изучения микроструктуры приповерхностного слоя металлических образцов был использован метод скользящего пучка рентгеновских лучей [4]. Метод дает возможность проводить исследования при разных углах наклона зондирующего пучка лучей к исследуемой поверхности образца и изучать деформации микроструктуры в тонких приповерхностных слоях материала при глубине, изменяющейся в интервале значений от десятых долей микрометра до десятков.

Триботехнические испытания исследуемых образцов проводили в лабораторных условиях на восьмипозиционной машине трения с возвратно-поступательным движением сопряженных образцов [5]. Средняя скорость относительного скольжения образцов 0,19 м/с. Максимальная нагрузка на образцы составляла 1250 Н. В качестве смазочного материала применяли солидол. Для определения сравнительной износостойкости и ан-тифрикционности материалов пары трения (образец из Со-Сг сплава - контробразец из стали 20, цементация, закалка) испытания проводили при ступенчато повышаемых давлениях от 0,2 МПа до достижения предельно допустимых значений, при которых происходили задир пары, "катастрофический" износ и резкое увеличение силы трения. В процессе испытаний на машине трения измеряли значения износа и силы трения между поверхностями образца и контробразца.

Полученные данные о микрорельефе, микротвердости, изнашивании, предельно допустимых давлениях на материал и о коэффициентах трения Со-Сг образцов, обработанных микроплазменными разрядами, сравнивали с характеристиками контрольных образцов, прошедших двухступенчатую термомеханическую обработку: термическую (нагревание при температуре 950° в течение 5 минут) и механическую (пескоструйную). При пескоструйной обработке микрорельеф на поверхности Со-Сг образца формировался в результате его взаимодействия с воздушным потоком, содержащим твердые микрочастицы кремния с характерным размером 10-20 мкм.

Экспериментальные результаты исследований. Характеристики импульсного потока водородно-углеродной плазмы при обработке образцов из Со-Сг сплава аналогичны характеристикам плазмы при обработке №-Сг сплава [1, 3]: скорость распространения фронта плазмы 1 ■ 10-5 ■ 10 см/с; длительность спадающего во времени импульсного потока плазмы 20 мкс; электронная температура плазмы в плазменном потоке 10 эВ; плотность плазмы в зоне размещения Со-Сг образцов изменяли в диапазоне от 5 ■ 10 до 1 ■ 10 см- ; вероятность возбуждения микроплазменных разрядов на образцах близка к 100%; величина падения напряжения на стадии протекания электрического тока 50 В; средняя эффективность обработки поверхности 0,2 см2/импульс.

Рис. 1

к, мкм

Рис. 2

В результате многократно повторяющихся циклических процессов быстрого плавления и остывания локальных участков приповерхностного слоя образцов за 7-10 импульсов плазмы инжектора на поверхности образцов формировался сплошной переплавленный слой, имеющий развитую структуру поверхностного микрорельефа. Микрофотографии1 поверхности образцов из Со-Сг сплава в исходном состоянии (а) и после микроплазменной обработки (б) даны на рис. 1.

Исходные образцы из Со-Сг сплава имели слабо выраженный микрорельеф, возникающий в результате предварительной обработки (шлифовки). Измеренная на профи-лографе-профилометре высота микрорельефа образцов поперек направления шлифования составляла величину Нтах = 2^3 мкм (рис. 2, а). Шероховатость поверхности образцов после пескоструйной обработки характеризовалась несколько большей высотой микрорельефа Нтах = 3^5 мкм на всех обработанных гранях (рис. 2, б).

После микроплазменной обработки Со-Сг сплава в режиме 1 на поверхности образуется микрорельеф (рис. 2, в), мало отличающийся от грани к грани и от образца к образцу, характеризующийся высотой неровностей Нтах = 7^13 мкм. Микроплазменная обработка в режиме 2 приводила к формированию микрорельефа со значениями высот неровностей, изменяющихся в больших пределах Нтах = 5^14 мкм (рис. 2, г). Таким образом, при обработке Со-Сг образцов микроплазменными разрядами чем больше величина стартового тока разряда, тем разбросы в величинах высот формируемого рельефа (неравномерность микрорельефа) больше.

Микротвердость приповерхностных слоев образцов из Со-Сг сплава измеряли вплоть до глубины 7 мкм. Для исходного Со-Сг образца (без стандартной термомеханической

1 Микрофотографии образцов предоставлены Р.Х. Залавутдиновым.

Ну, кгс/мм' 900

700 -

500 -

300

Рис. 3. Изменение микротвердости Ну по глубине ё образцов из Со-Сг сплава: 1 - в исходном состоянии, 2 -после термической и пескоструйной обработки, 3 -после обработки плазмой в режимах 1 и 2

5 й, мкм

1

3

обработки) в приповерхностных слоях толщиной от 1 до 7 мкм микротвердость изменялась в диапазоне Ну = 820-740 кгс/мм2 (рис. 3, прямая 1).

После термической и пескоструйной обработки Со-Сг образцов величина их микротвердости (рис. 3, прямая 2) сильно уменьшалась по сравнению с исходным состоянием (рис. 3, прямая 1). Особенно заметно это снижение в приповерхностных слоях толщиной 1-2 мкм, где микротвердость не превышает значения 400 кгс/мм , которое в два раза меньше, чем в исходных образцах Ну = 800 кгс/мм . С увеличением глубины измерения микротвердость возрастает и в слое толщиной 5 мкм принимает значение Ну = 750 кгс/мм2, соответствующее значению микротвердости в исходном состоянии.

После микроплазменной обработки Со-Сг образцов в режимах 1 и 2 величина измеренной микротвердости в приповерхностных слоях толщиной от 1 до 7 мкм изменялась в интервале Ну = 400-360 кгс/мм (рис. 3, прямая 3). Таким образом, микроплазменная обработка Со-Сг образцов характеризуется снижением микротвердости приповерхностного слоя. Важно отметить, что снижение микротвердости не является определяющим параметром качества слоя, поскольку представляет интерес, прежде всего, значительное увеличение шероховатости приповерхностного слоя образцов и его устойчивости к сдвиговым деформациям.

Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что сплав на основе кобальта

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.

Показать целиком