VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Повышение требований к надежности и долговечности деталей машин и технологического оборудования стимулирует развитие методов их поверхностного упрочнения и повышения износостойкости. В промышленности в зависимости от условий эксплуатации изделий применяются различные методы поверхностного упрочнения сталей и сплавов. Однако, известные методы упрочнения, имея свои достоинства и область применения, не в полной мере удовлетворяют современным требованиям к эффективности, универсальности и экономичности технологических процессов. Поэтому разработка эффективного, достаточно простого для освоения в промышленном производстве и экономичного метода упрочнения и повышения износостойкости деталей машин, включая многоцелевые гусеничные и колесные машины (МГКМ), является актуальной научной и практической задачей.

Наиболее перспективными можно считать методы поверхностного модифицирования деталей трибосистем с применением высококонцентрированных потоков энергии, к которым относится электроискровая обработка (ЭИО), позволяющая получать покрытия с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами.

Формирование покрытия при ЭИО происходит в результате сложных процессов, реализуемых на локальных участках поверхности обрабатываемой детали [1]. В результате на поверхности детали формируется покрытие, состоящее из материала катода, модифицированного элементами материала анода и межэлектродной среды, а толщина покрытия зависит от материала легирующего электрода (ЛЭ) и режимов обработки [2, 3].

Целью данной работы является исследование влияния материалов ЛЭ и технологических режимов обработки на характерный размер структуры, микрорельеф и триботехнические свойства покрытий, формируемых при ЭИО на поверхности стальных деталей.

Исследования проводились на образцах из конструкционной легированной стали 15ХГН2ТА, широко применяющейся для изготовления шестерен, осей, валов коробок передач автомобилей, МГКМ и других видов техники. Поверхности образцов подвергались ЭИО различными электродами: стандартный электрод марки Т15К6; электрод ИМХ2, содержащий 50%WC-Co, 50%Ni-Cr-B-Si; электрод Ш2 с минеральным сырьем Дальневосточного региона на основе TiC-Ni-Cr-Al-ШЛК (шеелитовый концентрат CaWO₄). Выбор ЛЭ производился на основе результатов ранее проведенных исследований [4].

Обработку образцов выполняли на установке ЭИО модели IMES-1001 с технологическими режимами: емкость конденсаторов С=34-240 мкФ; анодно-катодное напряжение U=80-160 В; продолжительность обработки t=2-4 мин/см². На сканирующем зондовом микроскопе NTEGRA Prima (НТ-МДТ, Россия) в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (к-АСМ) исследовали микрорельеф и определяли характерные размеры структурных элементов поверхностей исходных образцов и образцов, обработанных различными электродами.

Характеристики триботехнических свойств исследовали на специальной установке при схеме трения «палец-диск», контактном давлении Р=2,66 МПа и скорости скольжения V=1,20 м/с. В качестве контробразцов были использованы цилиндрические пальцы из композиционного материала на основе ПТФЭ. После каждого испытания контробразцы протирались, сушились, взвешивались на микроаналитических весах ВЛР-200 с погрешностью не более 0,25 мг.

Влияние технологических режимов ЭИО на скорость изнашивания сопряженных полимерных контробразцов изучали с использованием метода планирования полного многофакторного эксперимента типа N = 2³ = 8. Независимыми факторами были приняты: X₁ – анодно-катодное напряжение между легирующим электродом и поверхностью образца; Х₂ – разрядная емкость конденсаторов; Х₃ – продолжительность обработки. В качестве функции отклика принята скорость изнашивания полимерных контробразцов.

Исследование влияния электроискровой обработки на топографию покрытий, сформированных методом ЭИО на режимах: U=80-160 B; C=34-240 мкФ проводили в режиме к-АСМ (рис. 1).

а)	б)	в)
Рис. 1 Топография поверхности образцов, обработанных электродами: Т15К6 на режимах: U=120B; C=34мкФ (а); Ш2 на режимах: U=80B; C=150мкФ (б); ИМХ2 на режимах: U=160B; C=240мкФ (в)

Выполненное исследование позволило также определить характерный размер структурных элементов (D), высотные параметры шероховатости поверхности: среднее арифметическое отклонение профиля (Ra), глубину наибольшей впадины (R_V) и высоту наибольшего выступа (R_Р) профиля поверхностей образцов (табл. 1).

Табл. 1 Параметры поверхности исходного и модифицированных образцов

Образец / Параметр	D, нм	Ra, мкм	RР, нм	RV, нм
Сталь 15ХГН2ТА	2000-2500	≈1,6	379,0	344,8
Покрытие ЛЭ Т15К6	200-250	≈2,5	477,3	378,5
ПокрытиеЛЭ Ш2	150-200	≈3,2	504,1	485,7
ПокрытиеЛЭ ИМХ2	250-300	≈6,3	538,3	484,4

Анализ полученных значений параметров шероховатости исследуемых поверхностей показывает, что параметры: Ra, R_Р и R_V изменяются в зависимости от материала электрода. Параметры увеличиваются в следующем порядке: исходное состояние поверхности → обработка электродом Т15К6 → обработка электродом Ш2 → обработка электродом ИМХ2 (табл. 1). При этом, параметр Ra увеличивается в 1,5–3,9 раза. Наибольшее увеличение параметра шероховатости Ra до 6,3 мкм наблюдается при обработке электродом ИМХ2. Это может быть связано с более высоким уровнем энергетического воздействия при ЭИО данным электродом.

Полученные значения (табл. 1) характерных размеров структурных элементов поверхности показывают, что в модифицированных образцах по сравнению с исходным состоянием они уменьшаются в 8-13 раз. Минимальные размеры параметра D получены при ЭИО электродом Ш2.

Триботехнические свойства структур, формирующихся на стальной основе при ЭИО, оценивали по скорости изнашивания (J) полимерных контробразцов при трении скольжения по модифицированной поверхности стальных образцов, обработанных электродом ИМХ2. Оценку скорости изнашивания производили по величине скорости изнашивания полимерных контробразцов.

Установлено, что средняя скорость изнашивания полимерных контробразцов уменьшается в 1,7 раза при трении по модифицированному образцу.

Оптимизационное исследование методом «крутого восхождения» с движением по градиенту в область оптимума, позволило установить область оптимальных режимов ЭИО: напряжение U145-150B, емкость конденсаторов С225-230мкФ. Следовательно, вышеуказанный технологический режим целесообразно рекомендовать для ЭИО металлических деталей металлополимерных пар трения в качестве оптимального.

Заключение. Методом контактной атомно-силовой микроскопии определено значительное (в 8-13 раз) уменьшение характерных размеров структурных элементов (D) в покрытиях, сформированных ЭИО различными электродами, в сравнении с исходной (немодифицированной) поверхностью. Также установлено, что при ЭИО образуются поверхности с высотными параметрами шероховатости (Ra, R_V, R_Р), характерными и соизмеримыми с параметрами поверхности, полученными при чистовой механической обработке. При этом в результате обработки электродом ИМХ2 наблюдается наибольшее увеличение параметра шероховатости Ra в 3,9 раза, что объясняется более высоким уровнем энергетического воздействия при обработке данным легирующим электродом.

Методами планирования факторного эксперимента и статистической обработки полученных данных исследовано влияние режимов электроискровой обработки стальных поверхностей на износостойкость металлополимерной трибосистемы, а также установлены оптимальные режимы обработки: напряжение U=145-150 В, емкость конденсаторов С=225-230 мкФ, продолжительность обработки t=3-4 мин/см², обеспечивающие наибольшее снижение скорости изнашивания полимерного контртела и рекомендуемые при разработке технологических процессов ЭИО.

Библиографический список

1. Коротаев, Д.Н. Поверхностное электроискровое модифицирование в технологиях изготовления и ремонта деталей военной техники: монография [Текст] / Д.Н. Коротаев, В.Р. Эдигаров, Б.Ш. Алимбаева. Омск: ОАБИИ, 2014. – 196 с.

2. Алимбаева, Б.Ш. Синтез нанокомпозитных покрытий с повышенными физико-механическими свойствами методом электроискрового легирования [Текст] / Б.Ш. Алимбаева, Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков // Омский научный вестник. – Омск, 2013. – №2(120). – С. 133-136.

3. Алимбаева, Б.Ш. Физико-механические свойства и структурно-фазовое состояние конструкционной стали 15ХГН2ТА при электроискровом легировании в различных технологических условиях [Текст] / Б.Ш. Алимбаева, Д.Н. Коротаев, Ю.К. Машков, А.Ф. Мишуров // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2013. – №11. – С. 3-5.

4. Николенко, С.В. Новые электродные материалы для электроискрового легирования [Текст] / С.В. Николенко, А.Д. Верхотуров. – Владивосток: Дальнаука, 2005. – 218с.

Код для цитирования: Скопировать