ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 1, с. 59-68
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ,
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.29571:612.793:539.389.2
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ В СИСТЕМЕ Т1-Л1-АЛМАЗ МЕТОДОМ ТЕРМОРЕАКЦИОННОГО ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО УПРОЧНЕНИЯ
© 2004 г. А. Е. Кудряшов*, Е. И. Замулаева*, П. В. Вакаев*, Е. А. Левашов*, О. В. Малочкин*, Т. А. Свиридова*, С. Хосоми**
*Московский институт стали и сплавов, Технологический университет, 119049 Москва, Ленинский пр., 4 **Компания "Томей Даймонд", Япония Поступила в редакцию 29.10.2003 г.
Предложен новый способ осуществления процесса термореакционного электроискрового упрочнения (ТРЭУ), заключающийся в нанесении на подложку экзотермических составов шихт, в которых под действием энергии импульсных разрядов инициировалась химическая реакция образования целевого продукта. Определен оптимальный энергетический режим ТРЭУ-обработки шихтовых слоев состава Т1-А1-синтетический алмаз для получения покрытий с максимальным содержанием алмаза. Установлено, что для увеличения концентрации алмазов в покрытиях необходимо применение более термостойких алмазных зерен (гидрированных или плакированных титаном). Проведен комплекс исследований свойств полученных ТРЭУ-покрытий (фазовый состав, толщина, сплошность, износостойкость) на титановом сплаве ОТ4-1.
Прогресс современной промышленности во многом определяется развитием технологий инженерии поверхности. Одной из перспективных технологий инженерии поверхности является термореакционное электроискровое упрочнение (ТРЭУ), сочетающее в себе процессы электроискрового легирования (ЭИЛ) и экзотермического химического взаимодействия порошковых реагентов в межэлектродном пространстве [1-3].
Методом ТРЭУ были получены многофункциональные (износо-, жаро-, коррозионностойкие) защитные покрытия на основе интерметаллидов, карбидов, боридов, в том числе алмазосодержащие покрытия в системах Т1-А1-алмаз, Т1-В-алмаз [1-9].
Актуальной научно-технической задачей является получение толстослойных поликристаллических алмазных пленок на металлических подложках. Было предложено использовать алмазосодержащие ТРЭУ-покрытия в качестве подслоя для последующего осаждения алмазных пленок методом СУБ. Причем, по аналогии с [10], алмазные частицы в подслое (ТРЭУ-покрытии) одновременно являются центрами кристаллизации при осаждении алмаза из газовой фазы (эпитаксиаль-ный рост алмазной пленки) и обеспечивают высокую адгезию за счет "якорного эффекта".
Алмаз, являясь при высоких температурах и нормальном давлении термодинамически нестабильной модификацией углерода, при нагреве теряет свои прочностные свойства, а при изотерми-
ческой выдержке выше 1500 К [11] (что намного меньше температур в межэлектродном промежутке [12]) графитизируется.
В работах [13, 14] было установлено, что степень графитизации алмаза в волне горения зависит от целого ряда параметров: температуры и скорости горения; состава атмосферы; массового содержания алмаза в реакционной смеси; дисперсности и природы алмаза; взаимной растворимости и межфазного взаимодействия алмаза и связки; промежуточных и конечных продуктов синтеза; скорости охлаждения продуктов синтеза. Важным выводом [15] является тот факт, что сохранность алмаза в условиях СВС-процесса в большей степени зависит от времени его пребывания в высокотемпературной зоне, чем от абсолютного значения этой температуры.
Применительно к ТРЭУ, это означает, что для получения качественных алмазосодержащих покрытий необходимо подобрать оптимальные энергетические и частотные режимы обработки, характеризующиеся малой длительностью импульсных разрядов.
В связи с вышеизложенным целью данной работы являлось установление оптимальных частотно-энергетических режимов проведения процесса ТРЭУ в системе ТьЛ1-алмаз для получения качественных алмазосодержащих покрытий с максимальным содержанием алмаза.
Электрод - анод«+» (титан, медь)
ТРЭУ-покрытие
//ж\
Шихтовой слой
Рис. 1. Схема проведения процесса ТРЭУ.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для получения высококачественных (равномерных, сплошных) покрытий был предложен новый принцип проведения процесса термореакционного электроискрового упрочнения. Формирование покрытия происходит не за счет переноса материала на подложку в результате эрозии электрода, а путем нанесения на подложку шихтового экзотермического слоя заданного состава и последующего химического превращения в нем, поддерживаемого энергией импульсных разрядов. Схема проведения процесса показана на рис. 1.
Для снижения графитизации алмаза во время проведения процесса ТРЭУ в шихту вводили гидрид титана TiH2 в количестве 5% по аналогии с [3].
В работе использовались следующие порошковые материалы: титан марки ПТС производства "Тулачермет" (ТУ-14-1-3086-80 изм. 1-3) дисперсностью <45 мкм; алюминий марки АСД-4 (ТУ 48-5-230-82) < 63 мкм; гидрид титана TiH2 дисперсностью <50 мкм; синтетический алмаз марки IRM фирмы "Tomei Diamond" (Япония) дисперсностью 8/16 мкм, в том числе гидрированный IRM-OB и плакированный титаном IRM-Ti. Составы смесей, используемые в данной работе, приведены в табл. 1.
Шихтовой слой наносили на подложку первоначально в виде суспензии с жидким связующим.
Таблица 1. Составы смесей
№ Составы смесей, %
1 95% [(64%Т1-36%Д1) + 60% об. алмаз
синтетический 1ЯМ] + 5% ТЩ2
2 95% [(64%Т1-36%Д1) + 60 % об. алмаз
гидрированный ШМ-ОВ] + 5% ТЩ2
3 95% [(64%Т1-36%Д1) + 60 % об. алмаз
плакированный !ЯМ-Т1] + 5% ТШ2
После сушки (возгонки) связующего на подложке остается порошковый слой определенной толщины. В качестве связующего использовали спиртовой раствор канифоли либо смесь бензина галоши БР-1 (ТУ 38.401-67-08) и резинового клея (ГОСТ 2199-78). Общую толщину ТРЭУ-покры-тия варьировали путем повторного нанесения новой порции суспензии на уже сформированное покрытие. Электроимпульсную обработку шихтовых слоев осуществляли на воздухе с использованием промышленных установок "Alier-Metal" и "Эли-трон-22А" при варьировании частоты f и энергии импульсных разрядов E. В ряде экспериментов для повышения степени сохранности синтетического алмаза и его защиты от высокотемпературного окисления процесс ТРЭУ проводили в среде азота. При этом расход азота составлял 1 л/мин, а рабочий объем специальной камеры - 0.25 л.
Технические характеристики установок, используемых в работе, приведены в табл. 2.
Отличительной особенностью установки "Alier-Metal" в сравнении с "Элитрон-22А" является возможность изменения частоты импульсных разрядов тока в диапазоне 3000-20 Гц, применение высокочастотного вибровозбудителя, работающего на частоте 600 Гц, а также конструкция генератора. Генератор установки "Alier-Metal" независимый, т.е. генератор вырабатывает рабочие импульсы тока при любом положении вибратора. Генератор "Элитрон-22А" является зависимым, т.е. вырабатывает импульсы только в период "отхода" рабочего электрода от подложки, при нахождении электрода в зоне пробоя межэлектродного промежутка.
Для исследований получали двух- или пяти-слойные покрытия. Каждый слой обрабатывался в течение 1 минуты при заданной энергии импульсных разрядов.
В качестве материала подложки (катода) использовался титановый сплав ОТ4-1 размером 10 х 10 х 5 мм, а обрабатываемым электродом (анодом) служил титановый или медный стержень.
Подготовку металлографических шлифов проводили на полировальной машине фирмы "Struers" RotoPol-21 с применением алмазных суспензий с дисперсностью 6, 3, 1 мкм. Металлографические исследования выполнены на оптических микроскопах "Neophot-32" и "Axiovert 25 CA (Zeiss)" с системой анализа изображений "Видео тест".
Фазовый состав ТРЭУ-покрытий определялся методом рентгеноструктурного анализа на автоматизированном дифрактометре ДР0Н-4.0 с использованием монохроматизированного Cu, CoKa-из-лучения. Съемку вели по точкам в интервале углов 26 = (20°-120°), шаг съемки составлял 0.1°, экспозиция - 3-8 с. Для анализа полученных спектров применялся пакет программ, в котором ре-
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИИ Таблица 2. Технические характеристики электроискрового оборудования
Амплитудное Частота Период следова- Длительность Энергия единичного
значение тока импульсов тока ния импульсов импульсов импульсного разряда
I, A f, Гц П = 1/f, мкс т, мкс Е, Дж
Суммарная энергия импульсных разрядов за минуту ХЕ, кДж
100 200 375
Установка "Элитрон-22А" (зависимый генератор)
100 100 100
10000 10000 10000
100 100 100
0.08
0.3
0.7
Установка "Alier-Metal" (независимый генератор)
0.48 1.80 4.20
170 1300 769 25 0.13 10.14
170 2000 500 25 0.13 15.60
170 3000 333 25 0.13 23.40
170 450 2222 100 0.51 13.77
170 230 4347 200 1.02 14.07
ализованы стандартные методики обработки данных рентгеновского дифракционного эксперимента [16]. Объемные доли фаз и периоды решетки оценивались методом подгонки экспериментального спектра линейной комбинацией теоретических спектров фаз и задаваемого полиномом фона [17]. Относительная ошибка определения периодов решетки составляла ~0.0015. Статистическая ошибка определения объемных (весовых) долей фаз не превышала 2%. Систематические ошибки, связанные с рельефом образца, большими различиями коэффициентов поглощения для грубодис-персных смесей и c неоднородностью распределения фаз по глубине в пределах толщины анализируемого слоя не оценивались.
Микроструктуру изломов ТРЭУ-покрытий изучали на растровых электронных микроскопах "JSM-U3" (Япония) и "HITACHI S-3000N" (Япония) при ускоряющем напряжении 25кВ.
Определение стойкости покрытий к абразивному истиранию проводили на машине трения по схеме "вал-колодка". Покрытия наносили на предварительно притертую поверхность цилиндрических образцов (титановый сплав ОТ4-1) диаметром 5 мм. В качестве истирающего тела использовали ролик с алмазосодержащим слоем (алмаз - 40/60 мкм, 50%(об.) связка М1). Условия проведения эксперимента: скорость вращения ролика - 690 об/мин, скорость скольжения - 1 м/с, нагрузка на пару трения - 2.5 кг. Темп износа фиксировали непрерывно с помощью индуктивного датчика с точностью 0.1мкм. Данная методика подробно описана
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.