CC BY
19
УДК 620.22:621.9.048.4 А.Е. Казанцева, Д.С. Губин
Омский государственный технический университет, г. Омск
ЗАВИСИМОСТЬ СИЛ АДГЕЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКЕ
В работе представлены результаты экспериментальных исследований формирования поверхностного слоя стали 18ХГТ методом электроискрового легирования, электродом ВК8. Сформированная многофазная структура поверхностного слоя, обладает комплексом повышенных эксплуатационных свойств.
Электроискровое легирование (ЭИЛ), позволяет получать поверхностные структуры с уникальными физико-механическими и трибологическими свойствами. Достоинством ЭИЛ является высокая прочность сцепления легированного слоя и материала основы, возможность нанесения на упрочняемую поверхность любых токопроводящих материалов, низкая энергоемкость процесса, простота выполнения технологической операции [1;2]. Электроискровое легирование, обладает широкими возможностями формирования в поверхностях определенной структуры, фазового и химического состава, позволяет улучшить их эксплуатационные свойства.
В зависимости от технологических режимов обработки микротвердость покрытия может 1,5 - 3,0 раза превышать микротвердость стальной основы [3]. При этом не оценивались в процессе модифицирования влияние фрикционного взаимодействия (силы трения, коэффициента трения) которые показывают энергетические затраты и термодинамику процесса.
В данной работе оценивали влияние различных режимов электроискровой обработки и материала легирующего электрода на адгезионную составляющую силы трения при фрикционном контакте покрытия с контрелом, исследования силы адгезии, возникающей между сканирующим зондом микроскопа и сформированным покрытием.
В работе исследовали образцы стали 18ХГТ, обработанные на установке «IMES -01-2», предназначенной для электроискровой обработки деталей машин с целью повышения изно-
366
состойкости, восстановления размеров изношенных деталей машин, нанесения серебра на электрические контакты и т. д. Обработка выполнялась на различных режимах , при этом напряжение между электродом варьировалось в пределах U = 80 - 160 В, емкость разряда конденсаторов С = 14 - 180 мкФ, частота разряда составляла 400 Гц. Контроль разрядного тока осуществлялся по стрелочному указателю, находящемуся на лицевой панели генератора ЭИЛ. В качестве электродного материала использовали наиболее прочный и износостойкий твердый сплав типа ВК8.
Электроискровое легирование проводилось по представленной методике. На зеркально отполированную поверхность образцов, закрепленных неподвижно, наносились единичные фрагменты анодного эрозивного материала. Основным упрочняющим фактором при ЭИЛ является электроэрозионный процесс, создающий анодно-катодный массовый поток. Воздействие потока электронов на поверхность анода создает эрозионную массу, обладающую повышенной степенью ионизации и сверхвысокой температурой. Приближаясь к катоду, эродированная масса вступает в активное физико-химическое взаимодействие с атомарным азотом и углеродом воздуха, окончательно формируя состав и энергетическое состояние анодного массового потока, и как следствие, структуру, состав и свойства образующегося модифицированного поверхностного слоя.
Морфологию поверхности легированного слоя и адгезионную составляющую силы трения при фрикционном контакте покрытия с контрелом проводили на сканирующем зон-довом микроскопе Solver PRO методом атомно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме сканирования на воздухе с использованием зондовых датчиков марки NSG10 с резонансной частотой 219 кГц и радиусом закругления кончика зонда 10 нм. Абсолютная погрешность определения силы адгезионного взаимодействия и поверхности в одной точке -
15 нН.
Традиционно в производстве детали из стали 18ХГТ подвергаются цементации, закалке в масле и последующему отпуску. В настоящей работе образцы изготавливали из стали в состоянии поставки (т.е. не подвергая цементации, закалке в масле и отпуску).
Для оценки сил адгезионного взаимодействия модифицированных образцов для стали 18ХГТ обработанной электродом ВК8, снимали кривые подвода - отвода зонда относительно поверхности образца, показывающие зависимость изгиба зонда под действием поверхностных сил при его подводе (отводе) к поверхности (от поверхности).
Влияние напряжения между электродами на силу адгезионного взаимодействия для стали 18ХГТ, обработанной электродом ВК8, показано на рис.1. Зависимость получена по средним значениям измерения силы адгезии в 30 точках поверхности при различных значениях емкости разрядного конденсатора.
F,нН200
160
120
80
40
80 100 120 140 160 и,В
1 2 3
Рис.1. Зависимость силы адгезионного взаимодействия от напряжения для стали 18ХГТ, легированной электродом ВК8 при емкости: 1 - 14 мкФ; 2 - 60 мкФ; 3 - 120мкФ
367
Анализ результатов исследования показывает, что сила адгезии при взаимодействии «зонд - модифицированная поверхность» существенно изменяется в зависимости от напряжения между электродами и разрядной емкостью в процессе обработки. С повышением напряжения в импульсе наблюдается увеличение силы адгезии до определенной величины, а затем наблюдается ее уменьшение, т.е. зависимость Б = { (и) имеет экстремальный характер.
Зависимость силы адгезионного взаимодействия от емкости конденсаторов электроискрового разряда, показана на рис.2, при различных значениях напряжения для исследуемых образцов.
Р,нН
160
120
80
0 40 80 120 160 С,мкФ
1 2 3 4
Рис.2. Зависимость силы адгезионного взаимодействия от емкости для стали 18ХГТ, легированной электродом ВК8 при напряжении: 1 - 80 В; 2 - 100 В; 3 - 120 В; 4 - 160 В
При ведении процесса обработки с различной емкостью величина адгезионного взаимодействия монотонно уменьшается с увеличением емкости. Изменение режимов электроискровой обработки существенно влияют на величину силы адгезии. Максимальное снижение силы адгезионного взаимодействия наблюдается при высокой разрядной емкости конденсаторов установки (160-180 мкФ) и напряжении между электродами ~80 и 160 В. При данных условиях легирования сила адгезионного взаимодействия достигает минимальных значений. Это явление связано с особенностями протекания реакции в межэлектродном промежутке между обрабатываемой поверхностью и легирующим электродом.
Как известно, искровой разряд характеризуется большей концентрацией энергии и высокими значениями термодинамических параметров - температуры и давления. Несмотря на кратковременность цикла электроискрового упрочнения в межэлектродном пространстве имеются все условия для протекания химических реакций и завершенных физических процессов. Это обеспечивается высокой температурой и наличием в составе анодного массового потока ионно-плазменной фазы.
В этих условиях более полная разрядка емкостей ЯС-генератора в установках ЭИЛ приводит к повышению энергии каждого электрического импульса в целом [3].Повышение энергии единичного искрового импульса приводит к увеличению температуры на поверхности, времени ее охлаждения, что влияет на завершенность химических реакций с образованием новых фаз. Это способствует уменьшению свободной энергии поверхности и, как следствие, приводит к снижению силы адгезии.
Эродированная масса легирующего электрода изотропно разлетается, попадает в электрическое поле между анодом и катодом, устремляется к катоду. Высокая температура и степень ионизации эродированных частиц материала электрода активизируют плазмохимические реакции и диффузионные процессы в поверхностном слое. Формирование модифициро-
368
ванного слоя заключается в взаимодействии активизированной исходной структуры упрочняемого материала с анодным потоком электродного вещества. В результате образуются новые фазы - интерметаллиды, карбиды, нитриды и т.д. Образующиеся соединения (рис.3) являются следствием микрометаллургических процессов, протекающих на поверхности катода в результате перемешивания и химического взаимодействия компонентов легирующего сплава с материалом катода. Полученные соединения уменьшают наличие свободных элементарных частиц поверхности путем их локализации в химические реакции, что приводит к уменьшению свободной поверхностной энергии и силы адгезионного взаимодействия.
Изменение силы адгезионного взаимодействия между поверхностями зависит от режимов электроискрового легирования. Повышение емкости разряда конденсатора установки ЭИЛ способствует снижению сил адгезионного взаимодействия модифицированных поверх-
ностей. При этом зависимость сил адгезионного взаимодействия от напряжения между электродом и обрабатываемой поверхностью имеет экстремальный характер. Наиболее благоприятным режимом обработки является режим, при котором емкость конденсатора установки равна 60 мкФ, напряжение между электродами равно 100 В.
Библиографический список
1. Верхотуров, А. Д. Технология электроискрового легирования металлических поверхностей / А. Д. Верхотуров, И. М. Муха. - Киев : Техника, 1988.-181 с.
2. Лазаренко, В. Р. Электроискровой способ изменения исходных свойств металлических поверхностей / В. Р. Лазаренко, Н. И. Лазаренко. - М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 177 с.
3. Ким, В. А. Самоорганизация в процессах упрочнения, трения и изнашивания режущего инструмента / В. А. Ким. - Владивосток : Дальнаука, 2001. - 203с.
