ИССЛЕДОВАНИЕ  РЕЗУЛЬТАТОВ  ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО  УПРОЧНЕНИЯСТАЛИ  БОРИДОМ  ТИТАНА

Иванова  Татьяна  Валерьевна

студент,  кафедра  Металловедения  и  порошковая  металлургия,  Самарский  Государственный  технический  университет

E-mail:  tatkaivanova11@mail.ru

Амосов  Евгений  Александрович

научный  руководитель,  доцент  кафедры  Металловедения  и  порошковая  металлургия,  Самарский  Государственный  технический  университет

Цель  работы:  исследование  результатов  электроискрового  упрочнения  стали  боридом  титана.

Борид  титана  —  тугоплавкое  соединение.  К  тугоплавким  металлам,  сплавам  и  соединениям  принято  относить  вещества,  плавящиеся  при  температурах  выше  1500—1600°С,  однако  на  практике  к  ним  нередко  относят  и  вещества  с  более  низкими  температурами  плавления,  но  имеющие  сходство  в  типе  химической  связи  и  некоторых  других,  кроме  точки  плавления,  свойствах.

Материал  для  упрочнения  был  получен  с  помощью  реакции  самораспространяющегося  высокотемпературного  синтеза  порошков  титана  и  аморфного  бора  и  представляет  собой  смесь  борида  титана  и  чистого  титана.

СВС-технологии  относятся  к  числу  энергоэффективных,  так  как  позволяют  получать  за  один  технологический  цикл  новые  вещества  и  материалы,  в  том  числе  порошковые  и  объемные  керамические  материалы,  используя  тепло  химических  реакций. 

СВС  —  специфическая  форма  гетерогенного  горения.  Организация  СВС  заключается  в  создании  порошковой  смеси  (шихты)  и  газовой  среды  и  локальном  инициировании  процесса  (зажигание).  Затем  происходит  самопроизвольное  распространение  волны  горения  и  остывание  синтезированного  продукта.  На  условия,  характер  и  скорость  распространения  фронта  горения,  зонную  структуру  волны  горения,  механизм  химических  и  структурных  превращений  в  волне,  максимальную  температуру  и  др.  влияют  химическая  природа  реагентов,  состав  и  структура  шихты,  параметры  окружающей  среды,  внешние  воздействия  (механические  и  энергетические).  Типичные  значения  параметров,  характеризующих  СВС:  размер  частиц  реагентов  0,1—100  мкм,  плотность  шихты  от  насыпной  до  60  %  от  плотности  реагентов,  давление  окружающего  газа  10²—10⁷  Па,  температура  инициирования  900—1500  К,  длительность  инициирования  0,5—3  с,  скорость  распространения  волны  0,1—10  см/с,  температура  горения  1500—3500  К,  скорость  нагрева  вещества  в  волне  10³—10⁶  К/с.  [1,  с.  359].

Борид  титана  был  нанесен  на  поверхность  стали  электроискровым  способом.  Электроискровое  нанесение  покрытий  основано  на  использовании  плазменных  импульсных  искровых  разрядов  в  воздушной  среде  при  периодическом  контактировании  электрода  с  изделием,  вследствие  чего  осуществляется  перенос  и  осаждение  расходуемого  материала  электрода  на  поверхность  изделия.

При  электроискровом  нанесении  покрытия  на  гибкие  и  сплошные  медные  шины  в  качестве  электродов  используются  никелевые,  оловянистые  и  серебряные  электроды.

При  использовании  электроискрового  нанесения  покрытия  для  упрочнения  инструмента  и  технологической  оснастки  в  качестве  электродов  применяют  твердые  сплавы  (Т15К6,  Т17К12,  ВК6,  ВК8,  ВК20  и  др.),  материалы  на  основе  карбидов  и  боридов  металлов  (TiC,  WC,  Мо2В5,  СrB2,  TaB2  и  др.),  графит  и  др.  Инструмент  и  детали  технологической  оснастки  подвергаются  ЭИНП  после  заточки  и  доводки.

Основными  преимуществами  электроискрового  нанесения  покрытия  являются:

·возможность  локального  формирования  покрытий  в  строго  указанных  местах  радиусом  от  долей  миллиметра  и  более,  не  защищая  при  этом  остальную  поверхность

·высокая  адгезия  с  основным  материалов;

·отсутствие  нагрева  и  деформаций  изделия  в  процессе  обработки;

·возможность  использования  в  качестве  электродов  различных  токопроводящих  материалов,  как  из  чистых  металлов,  так  и  их  сплавов,  порошковых  материалов  и  др.

·сравнительная  простота  технологии,  которая  не  требует  специальной  предварительной  обработки  поверхности;

·простота  обслуживания  и  надежность  оборудования,  которое  малогабаритно  и  транспортабельно;

·низкая  энергоемкость  ручных  и  механизированных  процессов  (0,5—2,0  кВт);

·высокий  коэффициент  переноса  материала  (60—80  %)  [2,  с.  132].

Рассмотрим  следующую  модель  процесса  электроискрового  нанесения  покрытия  из  TiB:  под  действием  электрического  разряда  происходит  испарение  борида  титана  и  его  оседание  на  упрочненную  поверхность.

Энергию,  необходимую  для  испарения,  можно  оценить  по  формуле

g=Lm,

 где:  L  —  удельная  теплота  парообразования, 

m  —  масса  испарившегося  вещества. 

Так  как  эта  энергия  поступает  из  энергии  электрического  разряда,  то,  очевидно

 g  ,

где:  С  —  емкость  конденсатора, 

U  —  напряжение.

Массу  осевшего  покрытия  оценим  по  формуле  m=ρSh,  где  ρ  —  плотность  материала  покрытия,  h-толщина  покрытия,  S  —  покрытая  площадь.

Учитывая  все  вышеизложенное,  можно  ожидать  что  между  энергией  разряда  и  толщиной  покрытия  наблюдается  следующая  взаимосвязь

h

то  есть  прямая  пропорциональность.

Нами  были  проведены  опыты  по  нанесению  упрочняющих  покрытий  на  поверхность  стальной  основы  электроискровым  способом. 

Для  нанесения  покрытия  была  использована  установка  для  ЭИУ.  Режимы  нанесения  были  следующие  (смотри  таблицу  1)

Таблица  1. 

Режимы  нанесения  покрытий

В  качестве  электрода  был  использован  материал,  полученный  в  ходе  следующей  реакции  самораспространяющегося  высокотемпературного  синтеза  (СВС):

Т_i  +  B→  T_iB

Данная  СВС  реакция  проводилась  с  использованием  порошка  титана  марки  ПТС  и  порошка  бора.  В  результате  СВС  реакции  получается  материал,  представляющий  собой  смесь  T_iB  и  титана.

Фазовый  анализ  поверхности  образца,  упрочненного  электроискровым  способом,  проводился  на  дифрактометре  ARL  X᾿TRA  на  медном  рентгеновском  излучении  он  показал,  что  на  поверхности  стальной  основы  есть  борид  титана,  оказавшийся  там  в  результате  электроискрового  переноса  материала,  полученного  СВС  способом.

Рентгеноструктурный  анализ  показал  наличие  пиков  от  борида  титана  (из  покрытия)  и  от  железа  (из  стальной  основы).

Толщина  покрытия,  нанесённого  на  основу  из  стали,  измерялась  с  помощью  толщиномера  «Константа  К6».  Измерение  толщины  покрытий,  нанесенных  при  разных  режимах,  показало  следующее  (смотри  таблицу  2,  в  скобках  указана  энергия  искрового  разряда  Q=CU²/2).

Таблица  2. 

Толщина  покрытий  борида  титана

Как  видно  из  таблицы  2,  с  ростом  напряжения  возрастает  средняя  толщина  покрытия,  что  является  вполне  ожидаемым  результатом.  Следует  также  отметить,  что  с  ростом  напряжения  (то  есть  с  ростом  энергии  искрового  разряда)  возрастает  и  разброс  толщин,  что,  очевидно,  ухудшает  качество  покрытия.

Следует  отметить,  что  нанесение  покрытий  сопровождается  появлением  напряжений  в  поверхностных  слоях  основа.  В  нашем  случае  после  нанесения  покрытий  на  плоскую  стальную  основу  толщиной  около  полмиллиметра  произошло  изгибание  основы. 

Следовательно,  напряжения,  возникающие  на  поверхности  основы,  являются  напряжениями  сжатия,  а  в  покрытии  существуют  напряжения  растяжения.  Возникновение  напряжений  можно  объяснить  различием  коэффициентов  термического  расширения  материалов  основы  и  покрытия,  которое  проявляется  при  охлаждении  образца  после  нанесения  покрытия.

Таким  образом,  проведенные  нами  опыты  позволили  установить,  что  с  помощью  электроискрового  способа  за  несколько  минут  на  поверхности  стальной  основы  можно  создать  покрытие  из  борида  титана  толщиной  5—10  микрометров  (что  вполне  достаточно,  например,  для  покрытия  режущих  инструментов).  И  нанесение  покрытий  сопровождается  возникновением  напряжений  в  образце.

Список  литературы:

1.Самсонов  Г.В.,  Эпик  А.П.  Тугоплавкие  покрытия.  —  М.:  Металлургия,  1976.  —  559  с

2.Электроискровое  легирование  металлических  поверхностей.  —  Кишинев:  Штиинца,  Под  ред  Ю.Н.  Петрова  1985.  —  198  с