Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ХИМУХИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕННОГО СЛОЯ НА МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ПРИ НИЗКОВОЛЬТНОЙ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКЕ
Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Комсомольск-на-Амуре - 2009
Работа выполнена в Институте материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук и в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тихоокеанский государственный университет г. Хабаровск.
Научный консультант: | заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Верхотуров Анатолий Демьянович (г. Хабаровск) |
Официальные оппоненты: | заслуженный деятель науки и техники СССР доктор технических наук, профессор Бурумкулов Фархад Хикматович, (г. Москва) |
доктор технических наук, профессор Ким Владимир Алексеевич (г. КомсомольскЦнаЦАмуре) | |
| доктор технических наук, профессор Гордиенко Павел Сергеевич (г. Владивосток) |
Ведущая организация: | Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН (г. КомсомольскЦнаЦАмуре) |
Защита состоится л 27 октября 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования КомсомольскийЦнаЦАмуре государственный технический университет по адресу: 681013 Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, КнАГТУ. E-mail: mdsov@knastu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.
Автореферат разослан л сентября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент А.И. Пронин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения не возможно без использования упрочняющих технологий. В настоящее время наибольший интерес представляют электрофизические методы нанесения и упрочнения измененных слоев на металлических поверхностях с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ) - лазерных, электронных, плазменных, и др.. К числу таких методов относится и технология получения измененных слоев путем электроискровой обработки, которая традиционно называется электроискровым легированием (ЭИЛ). Достоинства метода ЭИЛ - возможность нанесения на обрабатываемую поверхность (катод) компактным электродом (анод) токопроводящих материалов, высокая прочность сцепления наносимого слоя с материалом основы, низкая энергоемкость процесса, простота осуществления проводимых операций, улучшение физико-механических и химических свойств конструкционных материалов при нанесении на их поверхность сплавов со специальными свойствами.
Однако для метода электроискрового легирования не достаточно изучены условия возникновения, основные факторы и явления, сопровождающие протекание низковольтного электроискрового процесса; нет оценки степени их влияния на формирование структуры; не исследован механизм формирования структуры измененных слоев, его зависимость от исходной структуры электродных материалов; отсутствуют простые и эффективные методы неразрушающего контроля качества измененных слоев. Все указанные проблемы взаимосвязаны. Изучение условий возникновения и протекания электроискрового процесса позволит установить механизм формирования структуры измененных слоев в зависимости от электрических, механических и температурных параметров. Процессы структурообразования непосредственно определяют качественные характеристики измененных слоев, а их контроль в процессе формирования позволит оптимизировать свойства измененных слоев, определить необходимые параметры состава и структуры электродных материалов. Сложность исследования этих структур, обусловлена особенностями их образования посредством закалки микрообъемов расплава. Следует отметить, что при электроискровом легировании слои формируются в виде так называемых белых слоев (БС), которые обладают высокой стойкостью к воздействию кислот, что препятствует выявлению типа и морфологии структуры. Однако, БС на некоторых металлах (медь, алюминий) не образуется и структура слоя выявляется методами металлографии, что позволяет использовать эти металлы в качестве модельных при определении механизма структурообразования.
Традиционными анодными материалами для электроискрового легирования являются тугоплавкие дорогостоящие металлы и твердые металлокерамические сплавы на основе карбидов вольфрама и титана. Однако они не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электродным материалам для ЭИЛ, из-за высокой стоимости и эрозионной стойкости. В связи с этим, перспективным направлением в области создания покрытий на деталях из железоуглеродистых сплавов со специальными свойствами (жаростойкостью, коррозионностойкостью, износостойкостью и др.) может стать синтез комплексно-легированных белых чугунов, обеспечивающих снижение стоимости и повышение эксплуатационных свойств измененного слоя.
Необходимо отметить, что рассматривать структурообразование только в рамках метода ЭИЛ малопродуктивно. На практике работа многих технических объектов и механизмов сопровождается появлением электрической искры с параметрами близкими к ЭИЛ, например, в условиях токосъема на электрифицированных железных дорогах. При этом достаточно мощные электроискровые и электродуговые процессы в токосъемном узле изменяют структуру и свойства материалов. Для определения степени трансформации измененной структуры и свойств материалов необходимо разработать неразрушающие методы контроля.
Таким образом, диссертационная работа направлена на решение важной народно-хозяйственной проблемы - управление факторами, обеспечивающими формирование заданных свойств измененных слоев на металлических деталях, полученных в результате воздействия низковольтного электроискрового процесса.
Работа выполнялась в рамках: межрегиональной научно-технической программы Дальний Восток России (1997 - 1999 г.) Синтез литейных и металлургических материалов на базе дальневосточного минерального сырья, исследований Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН (2003 - 2005 г.) по заданию ГКНТП Разработка и получение функциональных материалов и покрытий с использованием минерального сырья и исследование их свойств (№ гос. регистрации 01.2.00106190) и Физико-химические и методологические основы создания функциональных материалов и покрытий с нанокристаллической и аморфной структурой с использованием концентрированных потоков энергии (2006 - 2008 г.), (№ гос. регистрации 01.2.0010619).
Систематизация и критический анализ материалов близких по тематике к исследованиям автора проведены на основании работ отечественных и зарубежных ученых: Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, Г.В. Самсонов, А.Д. Верхотуров, А.Е. Гитлевич, Б.Н. Золотых, Ф.Х. Бурумкулов Г.П. Иванов, В.А. Ким, Л.аГ.аМеркулов, Л.С. Палатник, И.З. Могилевский, Р. Хольм, К.К. Намитоков, О.В. Кудряков, Ю.аЕ.аКупцов, В.аВ.аКлюев, Ри Хосен, В.аЯ.аБерент,.и др.
Цель работы заключалась в разработке научных основ формирования структуры и свойств измененного слоя на металлах и сплавах с учетом влияния физических и технологических параметров процесса низковольтной электроискровой обработки.
Анализ путей достижения поставленной цели позволил сформулировать следующие задачи:
1. Определить условия возникновения и продолжительность стадий протекания низковольтного электроискрового процесса, влияние его основных факторов на процесс структурообразования получаемых слоев.
2. Выявить механизмы формирования структуры слоя при использовании электродов из меди, ее сплавов, железа и сталей с различным содержанием углерода в условиях различной температуры нагрева катода.
3. Разработать технологию получения и исследовать эксплутационные характеристики покрытий (износостойкость, коррозионостойкость, жаростойкость), выполненных анодными материалами на основе комплексно-легированных белых чугунов.
4. По результатам исследования влияния низковольтной электрической искры на структуру и свойства контактных проводов и вставок токоприемников железнодорожного транспорта определить механизм их разрушения и разработать методику неразрушающего контроля.
5. Разработать технологию получения покрытий на токопроводящих зажимах контактной сети, обеспечивающих уменьшение переходного электросопротивления между контактным проводом и зажимом для повышения эксплуатационной надежности.
Научная новизна.
1. Установлены и научно обоснованы механизмы формирования измененного слоя при низковольтной электроискровой обработке на катодах из меди и ее сплавов. В случае отсутствия дефектов (трещин и окисных пленок) слой состоит из столбчатых кристаллитов в нижней части и равноосных - в средней и верхней, а при наличии дефектов - из нескольких рядов столбчатых кристаллитов, нормально ориентированных к поверхности по всей его толщине.
2. Выявлен механизм образования белого слоя при использовании электродов из железоуглеродистых сплавов, который заключается в том, что в условиях постепенного наращивания слоя, за счет фазового наклепа и пластической деформации материала в подповерхностной его части возникает и расширяется зона с высокой микротвердостью и коррозионной стойкостью (БС).
3. Установлено, что для образования в слое участков, где кристаллиты основы и слоя представляют собой единое целое, перед нанесением покрытия необходимо проведение предварительной термической или химической активации поверхности катода. Увеличение размера зерна и снижение наклепа в электродных материалах из меди приводят к уменьшению толщины слоя и зоны термического влияния на катодах;
4. Впервые проведена одновременная регистрация электрических, световых и звуковых сигналов, которые сопровождают низковольтную электрическую искру, что позволило определить длительность стадий процесса ЭИЛ. Сравнительной оценкой факторов процесса показано, что основное влияние на увеличение твердости слоя оказывают деформации, обусловленные термоупругими напряжениями.
5. Исследовано влияние содержания углерода (от 3,2 до 5,5 мас. %, С), хрома и вольфрама (от 3,5 до 20 мас. %,) как по отдельности, так и в комбинациях на процесс структурообразования, фазовый состав, микротвердость, эрозию и массоперенос новых анодных материалов из белых чугунов для создания покрытий при ЭИЛ.
6. Исследованы механизмы разупрочнения и разрушения контактных проводов и угольных вставок, обусловленные электроискровыми и дуговыми процессами в области их контакта при токосъеме на железнодорожном транспорте, получены зависимости между микроструктурными и механическими свойствами контактирующих элементов с одной стороны и акустическими характеристиками - с другой.
Практическая значимость.
1. Впервые разработана технология получения и использования анодных материалов из доэвтектических, эвтектических, и заэвтектических комплексно-легированных белых чугунов, апробированы новые составы для нанесения покрытий, которые позволяют повысить эксплуатационные характеристики (окалиностойкость, износостойкость, коррозионостойкость) стальных и чугунных изделий.
2. Разработаны и созданы устройства и методики, которые в реальном времени позволяют проводить учет количества рабочих электроискровых импульсов, получать информацию о распределении температуры по длине анода, что способствует формированию сигналов обратной связи для обеспечения автоматизации процесса обработки.
3. Разработана технология получения покрытий из меди, медносеребряного и серебряноцинкового сплавов на контактных и заземляющих зажимах электрической сети железнодорожного транспорта, что позволяет снизить переходное электросопротивление и риск появления устойчивых окисных пленок в контактной области.
4. Разработаны режимы предварительного нагрева катода и финишной термической обработки покрытий, полученных методом электроискрового легирования, которые позволяют уменьшить неоднородность структуры и количество трещин в слое.
5. Разработаны и внедрены: методика неразрушающего автоматизированного контроля ультразвуковым методом мест на проводе, со структурой, измененной электроискровым и электродуговым воздействием; устройство и методика акустического контроля внутренней структуры материала контактного токопроводящего зажима; методика входного контроля угольных вставок.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается: использованием хорошо известных в материаловедении методов и методик; применением современных методик физических измерений, сертифицированной аппаратуры; применением современной вычислительной техники и программных средств автоматизации и обработки полученных результатов; согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями.
Реализация работы.
На основании проведенных исследований разработаны и внедрены составы комплексно-легированного белого чугуна для повышения жаро - и износостойкости форсунок для жидкотопливных агрегатов ТЭЦ 2, г. Хабаровск.
Для нужд ОАО РЖД разработаны и внедрены:
- устройство по оценке остаточного ресурса медных контактных проводов, ультразвуковым методом - Красноярская железная дорога;
- технология получения на питающих контактных зажимах покрытий, которые позволяют уменьшить переходное контактное электросопротивление и предотвратить появление устойчивых окисных пленок в контактной области - Дальневосточная железная дорога.
Разработано устройство по подсчету количества электроискровых процессов для использования в блоках управления автоматизированной электроискровой установки.
Предложена новая схема генератора для электроискровой установки на основе цифровых интегральных микросхем, что позволяет изменять в автоматическом режиме параметры импульса в широком интервале значений.
Полученные экспериментальные материалы по упрочнению поверхностей деталей методом ЭИЛ внедрены в учебный процесс ГОУВПО Тихоокеанского государственного университета и используются при чтении специальных разделов и курсов Материаловедение, Металловедение и термообработка, Специальные чугуны (г. Хабаровск).
Экспериментальные стенды и методики для проведения испытаний элементов контактной сети и токоприемников, а также научные результаты диссертации используются при проведении научно-исследовательских работ, научно-технических экспертиз и учебного процесса в Электроэнергетическом институте и институте повышения квалификации и переподготовки Дальневосточного государственного университета путей сообщения (г. Хабаровск).
В целом, результаты работы могут найти широкое применение в различных областях науки и техники и служить надежной базой для развития фундаментальных научных исследований в материаловедении, физике, химии, металлургии.
ичный вклад автора состоит в обобщении теоретических и экспериментальных результатов исследований проведенных автором как самостоятельно, так и в соавторстве со своими учениками и коллегами по научно-исследовательским и хоздоговорным работам. При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и постановка задач аналитических и экспериментальных исследований, научное руководство и непосредственное участие в экспериментах, обработка результатов и их интерпретация, написание большинства статей и выводов по ним, тезисов докладов, отчетов, а также разработка алгоритмов в зарегистрированных программных продуктах.
Эксперименты проводились совместно с аспирантами и соискателями ученой степени кандидата технических наук Муромцевой Е.В., Теслиной М.А., Ледковым Е.А., Гилем А.В., Титовым Е.А., Кочетовой И.В., Игнатенко И.В., научным руководителем или соруководителем которых автор являлся. Совместными являются научно-исследовательские результаты, связанные с выполнением бюджетных и договорных НИР, проводимых на Красноярской, Забайкальской отделениях железной дороги, где автор являлся ответственным исполнителем.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научно-технических конференциях: Научно-техническая конференция УДальний Восток РоссииФ (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.); Российская конференция Новые материалы и технологии (г. Москва 1997 г.); Конференция Синергетика-98 Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях (г. Комсомольск-на-Амуре, 1998г.); Международном симпозиуме Принципы и процессы создания неорганических материалов I Самсоновские чтения (г. Хабаровск, 1998г.); Международной научной конференции Синергетика Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000г.); Международном симпозиуме Принципы и процессы создания неорганических материалов II Самсоновские чтения (г. Хабаровск, 2000 г.); Международной конференции Разрушение и мониторинг свойств металлов (г. Екатеринбург, 2003 г.); 18-й международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях (г. Казань, 2005 г.); Всероссийской научно-практической конференции Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные проекты (г. Комсомольск-на-Амуре, 2005 г.); Пятой региональной научной конференции Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование (г. Хабаровск, 2005 г.); IV Региональной научной конференции Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование (г. Владивосток. 2003 г.): Международной конференции Современные технологии и материаловедение (г. Магнитогорск 2003 г.); Межвузовской научно-практической конференции Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте (г. Самара 2003 г.); Третьем международном симпозиуме Eltrans 2005 (г. Санкт-Петербург, 2005 г.); Региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения железных дорог (г. Хабаровск, 2005аг.); XVII Российской научно-технической конференции Неразрушающий контроль и диагностика (г.аЕкатеринбург, 2005аг.); 44-й, 45-й Всероссийских научно-практических конференциях ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности (г. Хабаровск, 2005, 2007агг.); VI региональной научной конференции Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование (г. Благовещенск, 2006 г.): 95 - 96.региональных научно-технических конференциях творческой молодежи Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования (г. Хабаровск, 2006 - 2008 гг.); III Российской научно-технической конференции Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций (г. Екатеринбург, 2007аг.); III Joint China Russia symposium Advanced materials processing technology (КНР, Харбин 2008 г.); VI Международной научно-технической конференции (г. Курск 2008 г.); 3-rd International conference on Manufacturing engineering (Kallithea of Chalkidiki, Grece, 2008 г.); 6-й Международной научно-технической конференции Проблемы качества машин и их конкурентоспособности (г. Брянск, 2008 г); I международной научно-практической конференции Инновации, качество и сервис в технике и технологиях (г. Курск 2009 г.).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 75 научных работах, в том числе в монографии, 6 патентах на изобретения, 2 программных продуктах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографии, включающей 284 источника, и приложений. Общий объем работы без приложений - 364 страницы, включая 104 рисунка и 37 таблиц. В приложениях представлены таблицы, рисунки и акты внедрения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность и сущность рассматриваемых научно-технических проблем, приведена структура работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе проведен обзор и анализ литературных данных по теоретическим и экспериментальным работам, посвященным электроискровой обработке, рассмотрены критерии подбора электродного материала и вопросы создания покрытий функционального назначения.
Изобретенный в 1943 году Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко метод электроискровой обработки, впоследствии разделился на два отдельных - электроэрозионная обработка (ЭЭО) и электроискровое легирование (ЭИЛ). Метод ЭИЛ в свою очередь подразделяется на высоковольтный и низковольтный (до 250 в). В данной работе рассматривается низковольтное ЭИЛ.
Основная часть известных публикаций имеет технологическую направленность и не связана с исследованием механизма протекания процесса и формированием структуры измененного слоя на электродах. В публикациях, где эти вопросы затронуты, предлагается два механизма, в основе которых контактное или бесконтактное начало процесса. Анализ результатов экспериментальных исследований по этому вопросу позволяет предположить контактное начало процесса низковольтного ЭИЛ, но до настоящего времени единого мнения не существует. Нет данных по стадиям развития процесса и степени влияния его факторов на формирование структуры и свойств измененного слоя на электродах.
В результате ЭИЛ (как и при использовании других источников КПЭ) на поверхности металлов и сплавов образуется слой, обладающий высокой стойкостью против воздействия растворов кислот, в публикациях он традиционно называется белый слой (БС). БС является основным препятствием для исследования структуры металлов и сплавов. Однако, структура некоторых металлов, например, меди и ее сплавов, выявляется методами металлографии, что можно использовать для исследования механизмов формирования слоя.
Основной интерес представляют исследования закономерностей формирования структуры БС железоуглеродистых сплавов, в связи с широким их использованием для нанесения покрытий. В отдельных работах структура БС исследована рентгеноструктурным методом, показана высокая степень измельчения и практически предельная (на гране деструкции материала) плотность дислокаций. Исходя из анализа результатов исследований структуры БС (где удалось ее выявить металлографически), затруднительно установить общие закономерности так как, авторами использовались различные режимы обработки, разноименные электродные материалы, зачастую содержащие легирующие элементы, что препятствует обобщению полученных результатов. Сравнительный анализ результатов исследований структуры и свойств БС полученных с использованием других источников КПЭ показал их сходство, что может способствовать лучшему пониманию процесса структурообразования БС при ЭИЛ.
Исследования в области электродного материаловедения в основном приведены в работах Самсонова Г.В. и Верхотурова А.Д., где указаны критерии выбора и принципы создания электродных материалов. Но до настоящего времени проблема выбора и синтеза новых электродных материалов с более низкой стоимостью является актуальной. Одним из перспективных анодных материалов является белый чугун, комплексное легирование которого позволит получить покрытия, обладающие рядом специальных свойств.
Перспективными являются исследования структурообразования материалов в технических объектах и механизмах, где их эксплуатация сопровождается появлением электрической искры с параметрами близкими к низковольтному ЭИЛ. Анализ показал недостаточное количество работ, в которых исследованы изменяющиеся в результате электроискрового воздействия структуры контактирующих материалов во взаимосвязи с параметрами акустического сигнала, для разработки технологии неразрушающего контроля их свойств.
Во второй главе приведена методология исследований, методы и материалы, использованные в работе. Представлена методика по выявлению структуры БС, и технология получения анодных материалов из чугунов и бронз.
К методологическим особенностям работы относится комплексный подход, заключающийся в изучении физических закономерностей протекания процесса, с определением степени влияния основных факторов, определяющих структурообразование. Основные закономерности формирования структур при ЭИЛ изучали, используя модельный материал - медь и ее сплавы. Затем исследовали закономерности структурообразования на железоуглеродистых сплавах с учетом влияния концентрации содержащегося в них углерода. Для этого была разработана методика выявления структуры БС, которая заключается в поочередном использовании травильных растворов. В процессе проведения исследований, полученные результаты сравнивались с закономерностями структурообразования, выявленными при использовании других источников КПЭ. Это позволило лучше понять механизмы структурообразования и использовать технологические приемы для решения ряда задач в исследуемом методе (рис. 1).
В качестве электродных материалов использовались: медь электролитическая, марки М00, М1, армко-железо, технически чистый и электродный вольфрам, уголь (ГОСТ - 14692-78), углеродистые стали (мас. %, С от 0,1 до 1,1), стали марок 10, 20, 30, 45, чугуны СЧ 20, СЧ 15. Методом литья были получены аноды из оловянистой бронзы (0Е10% Sn) и белых чугунов доэвтектического, эвтектического и заэвтектического составов (далее по тексту обозначаемые как состав 1, 2, 3 - соответственно). Ферровольфрам для добавок в белые чугуны получали методом алюминотермии из шеелитового концентрата. Для электроискровой обработки применялись серийно производимые установки Элитрон 22, Корона 1103, Элитрон 52Б, далее по тексту - установки I, II, III - соответственно. Дополнительно использовался цифровой генератор (Пат. 66512 РФ), позволяющий получать различную длительность и энергию электроискровых импульсов.
Исследование структуры проводили с использованием оптических микроскопов МИМ 8М, Micro-200, сканирующего атомно-силового микроскопа ЗНЛ NTEGRA, растрового микроскопа Eva с микрорентгеноспектральной приставкой и рентгеновских дифрактометров ДРОН-3 и ДРОН-7. Микротвердость определяли с использованием микротвердомера ПМТ 3. Испытания на износостойкость проводили на машине трения МТ-22П и с помощью центробежного ускорителя ЦУК - 3М. Шероховатость поверхности измеряли профилографом модели 296, Калибр 201. Элементный состав определялся на приборе Спектроскан - V. Измерение переходного электросопротивления проводилось с использованием полуавтоматического потенциометра Р348. Исследование параметров акустического сигнала проводилось с использованием прибора А1212, УК - 10 ПМ.
Рис. 1. Блок - схема проведения исследований
Разработанная методика выявления микроструктуры белого слоя на углеродистых сталях заключается в поэтапном использовании различных травильных растворов. На первом этапе проводилась обработка в реактиве 1 (Раствор HNO3 (4%) в этиловом спирте). Материал основы должен приобрести характерный матово-серый цвет, а БС при этом остается белым. На этом этапе почти не происходит видимых изменений на поверхности слоя, однако установлено, что для получения удовлетворительного конечного результата травления БС такая обработка необходима. Далее, на втором этапе травления, образец подвергался обработке в реактиве 2 (рабочем), приготовленном из исходного раствора реактива 2' (HNO3 Ца25амл, HCl - 50амл, K2Cr2O7 Ца12аг, H2O - 25 мл) в день применения и 2" (раствор А - 2 мл, HF Ц1 мл, Н2О Ц1 мл.). При необходимости можно провести дополнительную обработку пикриновой кислотой, что повышает контрастность структуры слоя.
В третьей главе изложены результаты по исследованию условий возникновения низковольтного электроискрового процесса и длительность стадий его развития. Определены основные факторы процесса (ударная волна, световая вспышка, импульс отдачи, термоупругие напряжения) ЭИЛ и проведена оценка величины инициируемых ими давлений на материал катода. Установлены закономерности формирования структуры ЗО (зона оплавления) на медных и стальных электродных материалах в однократном режиме.
Одновременная регистрация и исследование электрических сигналов и факторов процесса, позволила разрешить ряд неопределенностей, обусловленных условиями возникновения и стадиями протекания процесса, а также установить степень их влияния на структурообразование в измененном слое. Для проведения исследований был разработан специальный стенд, схема которого приведена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки |
Стенд был оборудован блоком, жестко закрепленным на неподвижной части корпуса вибратора с осветителем 4 и фотодиодом 5 (ФД-24). На аноде 1 закреплялась шторка 3, которая при вибрации анода модулировала световой поток, падающий от осветителя на фотодиод. Устройство позволяло фиксировать перемещение анода с точностью до 2 мкм. Регистрацию изменений электрических параметров в момент электроискрового процесса проводили с использованием осциллографов С1 - 55, TDS 2012 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На электроды 1,2 подавался импульс тока от генератора 7. Момент возникновения искрового процесса, сопровождающийся световой вспышкой фиксировали при помощи фотодиода 6 (ФД-3), расположенного непосредственно у места контакта, а возникающий звуковой сигнал - микрофоном 8 МДЭ - 30. С целью визуализации процесса использовали две цифровые фотокамеры (Nicon Coolpix 4500), закрепленные на окуляры бинокулярного микроскопа МБС 10. Как следует из анализа полученных результатов, первым условием искрообразования является совпадение момента физического контакта между электродами 1, 2 с импульсом генератора 7. Часть импульсов тока (Uи), не сопровождается световой вспышкой, что характеризует режим короткого замыкания. Поэтому вторым условием появления искры является возникновение контакта поперечным сечением менее определенной величины. Фотографирование в условиях затемнения, позволило зафиксировать стадии возникновения световой вспышки, появления и расширения плазменного облака и их взаимосвязь с разлетом эрозионных частиц и остыванием капель материала. На нескольких фотографиях поверхности катода в режиме непрерывной обработки обнаружены две капли разогретого металла, свидетельствующие о возможности одновременного существования двух эрозионных мостиков. Анализ полученных осциллограмм показал (рис. 3), что начало импульсов тока (А) и световой вспышки от фотодиода (Б) не совпадают по времени. При этом время задержки световой вспышки различно, но в предельном случае начало световой вспышки совпадает с максимумом тока генератора установки. Акустический сигнал (Г), учитывая скорость распространения звука в воздухе, совпадает со световой вспышкой, характеризуя момент взрыва материала в контактном мостике с возникновением плазменного облака. Таким образом, становится возможным установить стадии развития процесса и провести оценку степени влияния факторов процесса, на формирование вторичных структур в материалах электродов.
В момент возникновения контакта происходит нагрев материала в контактном мостике, с плавлением и последующим взрывом, который сопровождается ударной волной (1⋅106 Па). При этом появляется световая вспышка (310 Па) от плазменного облака. Испаряющийся материал формирует импульс отдачи (6,4⋅105 - 2,5⋅106 Па), в зависимости от длительности импульса установки с разлетом эрозионных частиц и выделением с поверхности расплава растворенных в нем газов. Локальный нагрев металла приводит к термоупругим напряжениям (0,5⋅108 Па), которые вызывают наклеп расположенного рядом материала. Используемый математический аппарат по оценке развиваемого давления в исследуемых материалах меди (М00) и стали (Ст. 3) заимствован из литературы по лазерной обработке, но с учетом экспериментально полученных данных по длительности стадий процесса и импульса отдачи.
Рис. 3. Осциллограммы сигналов |
Как следует из анализа результатов, термоупругие напряжения превалируют, что приводит к наклепу материала катода. В соответствии с установленными длительностями стадий протекания процесса ЭИЛ построена зависимость распределения температуры нагрева по поверхности и вглубь металла (рис. 4, а). Зависимость имеет пичковый характер, как и при импульсном лазерном воздействии. Деформации в материале распространяются аналогично распространению температурной волны. При этом упрочнение происходит только в слоях, где температура нагрева соответствует температуре холодной обработки давлением для соответствующего материала.
Процесс деформационного упрочнения при ЭИЛ моделировали в режиме однократных импульсов на стали 110Г13, которая используется в работах по исследованию взрывного воздействия на металлы. На рис.4, б видны линии скольжения расположенные в металле основы и ориентированные в направлении ЗО. Известную негомогенность свойств БС можно объяснить случайным характером распределения искровых процессов по времени и различным их количеством на конкретном участке.
а | б |
Рис. 4. Распределение температуры в зависимости от времени при различных расстояниях r от центра искрового канала до точки наблюдения (а) и линии скольжения в стали 110Г13 (б). 1 - r = 1 мкм, 2 - 2 мкм, 3 - 3 мкм, 4 - 4 мкм. | |
Процесс электроискровой обработки всегда сопровождается нагревом электродов и особенно анода. С увеличением времени обработки со стороны рабочего края анода заметно расширение зоны с высокой температурой. Как показали металлографические исследования, нагрев анода приводит к росту количества оксидов на поверхности и внутри анодного материала. Методом яркостной пирометрии были установлены зависимости распределения температуры нагрева анодов от их состава, размерных параметров и режимов электроискровой обработки. Для регистрации распределения температуры в процессе электроискровой обработки использовали специальную кольцевую насадку с расположенными внутри нее рабочими спаями двух термопар. Насадка, закрепляется на определенном расстоянии от рабочего конца анода, что позволяет измерять температуру в двух точках с передачей информации посредством АЦП в ПЭВМ. Далее, используя значения температур в двух точках и ранее полученные зависимости, методом аппроксимации программный комплекс рассчитывает распределение температур по всей длине анода в режиме реального времени, включая область наиболее нагретой части анода, где аппаратурное измерение затруднено. Разработанная методика и программный комплекс (свидетельство о регистрации № 2008610770) позволяют проводить регулировку режимов обработки в реальном времени. При этом расчетным путем программа подбирает длительность и скважность электроискровых импульсов цифрового генератора (Пат. 66512 РФ), при которых температура нагрева участка электрода не превышает заданную. Так как постоянно ведутся работы по созданию новых электродных материалов, в программе предусмотрена возможность обновления параметров материала.
Таким образом, на основании полученных результатов (2 - 4 главы) разработана и опробована система автоматизированного слежения и управления процессом обработки ЭИЛ (на базе станка с числовым программным управлением). В качестве входных сигналов и сигналов обратной связи для программного комплекса использовали: звуковой сигнал, напряжения Uи и Uп, температуру нагрева анода. Регулируемыми параметрами являлись: частота следования, амплитуда и длительность электроискрового импульса генератора, сила прижатия анода к катоду, скорость перемещения анода относительно катода. Для стабилизации условий обработки сделали насадку на анод, которая позволяет охлаждать верхнюю часть анода и создавать контролируемую газовую среду в области обработки.
Одним из принципов подбора режима обработки при ЭИЛ является массоперенос. При использовании эрозионностойких электродов в начале обработки отмечается уменьшение массы катода, хотя на его поверхности металлографическим и рентгенофазовым анализами обнаруживается слой анодного материала. Проведенными исследованиями установлено, что нагрев электродов приводит к уменьшению их массы за счет снижения толщины поверхностной паровоздушной пленки. При этом величина уменьшения массы паровоздушной плёнки прямо пропорциональна росту температуры нагрева (до 100 С), площади поверхности образцов и влажности окружающей атмосферы. Установлено, что для получения достоверных кинетических зависимостей изменения массы образцов при ЭИЛ необходимо охладить образцы до температуры окружающей среды перед их взвешиванием. Кроме этого отмечается более высокая амплитуда звукового сигнала в начале приработки, что свидетельствует о наличии паровоздушной пленки на поверхности катода и о возможности установить время окончания процесса приработки на катоде.
Механизмы структурообразования при ЭИЛ исследованы не достаточно - это связано со сложностью самого процесса. В тоже время работ посвященных изучению структурообразования при воздействии на металлы других источников КПЭ лазерного, взрывного, ионоплазменного - значительно больше. Это позволяет, находя аналогии в физике процессов, формирующихся структурах, лучше понять и объяснить механизм формирования структуры при ЭИЛ. В связи с этим был проведен сравнительный анализ структур материалов, образованных электроискровым разрядом, и структур, возникающих после лазерного оплавления (ЛО). Сравнительный анализ макро - и микроструктуры эрозионных следов от ЭИЛ и лазерного воздействия (с оплавлением), имеют ряд общих размерно-геометрических и структурных параметров и свойств.
Для экспериментов в режиме однократных импульсов использовали одноименные электроды из мало-, средне- и высокоуглеродистых сталей и установки I - III. Необходимо отметить широкий интервал колебаний размеров составляющих эрозионных следов (ЗО и зона оксидов), что согласуется с ранее полученными результатами. Исследование поверхностей и сечений эрозионных следов позволило составить схему расположения структурных составляющих (на примере сталь 45), которая не зависит от установки. Исключение составляет эрозионный след, полученный на установке III, где центральная часть ЗО содержит каплеобразный выступ - всплеск (по аналогии с ЛО), что связано с большей глубиной и объемом расплава ЗО и большей длительностью импульса генератора этой установки.
Во всех экспериментах БС не образуется, а составляющие структуры эрозионного следа выявляются стандартными травильными растворами. Причем травлением может выявляться как первичная, литая структура в виде кристаллитов, так и их внутреннее микроструктурное строение.
При использовании одноименных электродов из низкоуглеродистой стали, в ЗО обнаружены равноосные зерна, причем в центре размер зерен максимален от 9 до 21 мкм, а на краю - от 1,5 до 4 мкм, что характерно для расплава, существующего более длительное время. На установке III разница между размерами зерен в центре и периферии ЗО отличается не значительно, хотя в целом размеры изменяются в большем интервале (2,5-6 мкм), что объясняется относительно большим объемом расплава и его перемешиванием.
Максимальные отличия в формировании микроструктуры эрозионных следов при использовании электродов из средне- и высокоуглеродистой стали отмечаются при использовании установки III. Центральная часть поверхности ЗО представлена только ячеистой структурой. При этом поверхность валика ЗО состоит из участков с ячеистой и дендритной структурами, причем дендриты расположены послойно. Всплеск в центре ЗО (в том случае, когда он присутствует) состоит из дендритов с преимущественной ориентировкой осей первого порядка. По периферии ЗО в отдельных эрозионных следах выявляется мартенситная структура. В сечении ЗО ниже поверхности выявляется структура, состоящая из столбчатых кристаллитов. На поверхности столбчатые кристаллы выявляются как равноосные зерна или ячейки.
Из анализа полученных результатов следует, что образование равновесных кристаллитов в низкоуглеродистой стали, определяется узким интервалом ее кристаллизации и меньшими размерами ЗО. Микроструктура в большинстве случаев определяется как мартенсит, твердость которого зависит от содержания углерода в электродных материалах. Аналогичное структурное строение ЗО приводится исследователями в работах по ЛО. Дополнительно исследовали влияние длительности импульса генератора (от 9 до 600 мкс) на размер эрозионного следа на катоде стали марки 45 (анод - медь). При этом средний диаметр эрозионного следа на отожженном катоде изменяется от 180 до 730 мкм, а на закаленном - от 70 до 300 мкм. Отсутствие прямой зависимости между размером эрозионного следа и длительностью импульса подтверждает принятый в работе механизм низковольтного ЭИЛ и влияние исходного структурного состояния катода.
Таким образом, характер образующихся кристаллитов и их структура зависит от состава сплава, параметров установки и определяется законами неравновесной кристаллизации.
В четвертой главе установлен механизм структурообразования поверхностных слоев на меди, железе и их сплавах при ЭИЛ одноименными и разноименными электродами в многократном режиме. Определено влияние нагрева и охлаждения катода, состава окружающей атмосферы на структуру и свойства слоя. Установлен механизм формирования слоя и причины его высокой коррозионной стойкости и твердости.
Медь и ее сплавы, использованные в работе как модельные, не образуют белых слоев (БС), с характерной высокой твердостью и коррозионной стойкостью, структура поверхностного слоя в этом случае выявляется стандартными для материала основы травильными растворами. Поэтому вместо БС в этом случае будет использовано понятие ЗО. При использовании электродов из меди в ЗО обнаружены участки с двумя различными механизмами формирования структуры. По первому механизму, в случае отсутствия трещин и окисных пленок, слой является сплошным, хотя на поперечных шлифах ЗО можно условно разделить на три части по количеству равноосных зерен и размерным параметрам столбчатых кристаллитов (рис. 5, а). Нижняя часть, прилегающая к основе, при условии ширины трещин между слоем и ЗТВ (зона термического влияния) менее 0,3 мкм, состоит из мелких столбчатых кристаллитов (шириной 0,5Ц2 мкм, длиной 4Ц7 мкм). В этой части ЗО находятся только столбчатые кристаллиты, ориентированные перпендикулярно к основе, на отдельных участках они расходятся веерообразно (веерообразная кристаллизация). Средняя часть ЗО представлена равноосными зернами и столбчатыми кристаллитами. Верхняя часть ЗО состоит из равноосных или столбчатых кристаллитов с меньшими размерами, чем в средней части.
На участках, сформированных по второму механизму, характерных зон не обнаружено. Слой состоит из рядов столбчатых кристаллитов, которые расположены послойно друг над другом и разделены трещинами или окисными пленками (рис. 5, б).
а | б |
Рис. 5. Микроструктура ЗО в зависимости от механизма структурообразования: а - по первому; б - по второму. | |
При этом столбчатые кристаллиты уширяются в верхней части каждого подслоя. Размерные параметры столбчатых кристаллитов, особенно в нижней части слоя, не существенно отличаются от размеров кристаллитов нижней зоны слоя образованного по первому механизму.
Исследование влияния дополнительного нагрева катода на формирование структуры медного слоя показало, что предварительный нагрев медного катода до 50 С, не влияя на толщину слоя (40Ц50 мкм), уменьшает количество трещин, при этом структура формируется по первому механизму. На отдельных участках наблюдается перекристаллизация в ЗТВ, в этом случае кристаллиты в основе и нижней части слоя составляют единое целое. В литературе указан способ уменьшения количества трещин в слое посредством предварительного нагрева катода, но механизм явления не изучен. Проведенные исследования показали, что при нагреве происходит активация поверхности катода, вследствие удаления при нагреве части паровоздушной пленки (см. глава 3). Активация поверхности проводится и при других методах, например, плазменных и может быть рекомендована для ЭИЛ. Повышение температуры нагрева (от 50 до 150 С) приводит к росту количества оксидов в слое вследствие увеличения времени нахождения нагретой поверхности катода при температурах оксидообразования меди.
Обработка катода, погруженного в жидкий азот, приводит к формированию слоя с минимальным содержанием трещин и оксидов, состоящего из равноосных зерен размером 0,5 мкм, что связано с наличием защитной атмосферы и высокой скорости кристаллизации.
Известно, что состав и структура материала определяют его свойства. При неизменном составе основное влияние на свойства (твердость, коррозионную стойкость и т. д.) оказывает структура. Поэтому в работе исследовалось влияние исходного размера зерна медных электродов на структуру и параметры ЗТВ и слоя. Различные структуры в электродных материалах были получены посредством нагрева и выдержки в печи при температурах от 100 до 800а С. В основном термическая обработка электродов не существенно влияет на кинетические зависимости изменения масс электродов и структуру слоя. Образование изометрической структуры (при 400аС) и рост зерна при дальнейшем нагреве до 800 С в медных электродах приводят к увеличению эрозии анода и уменьшению привеса катода, толщины ЗО и ЗТВ. Наибольшая эрозия анода и наименьший привес катода отмечается при использовании электродов, термически обработанных при температуре 800 С. По-видимому, адгезия материала ЗО с увеличением размера зерна в электродных материалах уменьшается.
Наиболее существенно микроструктура электродов влияет на структуру и толщину ЗТВ. При обработке катода с исходной (линейно-ориентированной структурой) ЗТВ состоит из равноосных зерен (d = 4,4 мкм) и одного ряда вытянутых кристаллитов (длиной 17 мкм, шириной до 6 мкм). При температуре термообработки 400аС ЗТВ состоит из равноосных зерен (3,5-4 мкм, в 1,52 раза меньше размера зерна основы). ЗТВ практически отсутствует при использовании электродов с максимальным размером зерна (800 С). Параллельно с металлографическими исследованиями влияния термической обработки на размер зерна D и твердость H20 электродных материалов изучали возможность неразрушающего контроля этих параметров посредством измерения коэффициента ослабления (Δα) ультразвуковых (у.з.) колебаний. Как следует из анализа полученных результатов, параметры Δα, -D и H20 связаны линейной корреляционной зависимостью, причем Δα ~ -D и Δα ~ (- H20). В указанных экспериментах коэффициент корреляции достигал величин порядка 0,8 и более, что говорит о тесной связи рассматриваемых характеристик. Кроме этого дополнительным экспериментом показана возможность использования Δα акустического сигнала для оценки структуры и механических свойств медного контактного провода, используемого на железнодорожном транспорте, подвергнутого электроискровому воздействию.
Для изучения процесса рекристаллизации в слое, полученном при использовании электродов с исходной линейно-ориентированной структурой, проводили термическую обработку образцов со слоем при температурах 100, 200, 300 и 400 С и длительности выдержки в печи 600 с. Исходная микроструктура слоя состоит из большого количества зон, сформированных по второму механизму - послойно расположенных слоев столбчатых кристаллитов (шириной 1,6-3,7 мкм, длиной 5Ц11 мкм). Текстура в слое сохраняется до температуры термообработки, равной 300 С, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа. В образцах, термообработанных при 100 С, изменений в структуре слоя не обнаружено. Однако по данным рентгеноструктурного анализа при этой температуре начинается процесс уменьшения напряжений. Термическая обработка при 200 С способствует увеличению толщины столбчатых кристаллитов и появлению равноосных зерен, а нагрев до 300 С приводит к резкому увеличению количества равноосных зерен размером от 1 до 1,8 мкм. Структура слоя полностью состоит из изометрических зерен (1,3-2,4 мкм) после термической обработки при 400 С. Таким образом, температуры рекристаллизации в слое и электродных материалах не отличаются, что свидетельствует об отсутствии наклепа в слое.
Исследование механизма структурообразования при использовании разноименных электродных материалов проводили с использованием электродов из оловянной бронзы (до 10% масс, Sn), алюминиевой бронзы марки БрА9Ж3Л, малоуглеродистой стали и вольфрама. Олово и алюминий образуют с медью твердые растворы. В стали и вольфраме медь практически нерастворима. Механизм формирования слоя при ЭИЛ анодами из оловянной бронзы не отличается от механизма, приведенного выше, для медных электродов.
Материал катода из алюминиевой бронзы при использовании медных анодов легко идентифицируется в слое по составу (микрорентгеноспектральный анализ) и цвету (в оптическом микроскопе). Установлено, что в большинстве случаев в верхней и средней части слоя преобладает медь, а в нижней - бронза. Часть участков в слое по цвету занимает некоторое промежуточное положение между цветом бронзы и меди. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что цвет таких участков коррелирует с содержанием в них алюминия (от 2 до 8 мас. %). Чем меньше в металле алюминия, тем он ближе по цвету к меди. Характерно отсутствие в нижней зоне слоя мелких столбчатых кристаллитов, что связано с меньшей теплопроводностью бронзы. Слой в средней части состоит из крупных вытянутых кристаллитов (ширина 2,5-6 мкм, длина 6,4-23,8 мкм), не имеющих строго вертикальной ориентировки. Отклонение кристаллитов от вертикального положения (до 45) можно объяснить различием состава смежных участков (медь, бронза). Основное отличие микроструктуры слоя, сформированного на бронзе и на меди при использовании медного анода, заключается в размере зерна, что связано с более высокой температурой нагрева катода (рис. 6, а). В верхней части слоя формируются мелкие (ширина 0,7-2 мкм, и длина 5-13 мкм) столбчатые кристаллиты (идентичные столбчатым кристаллитам в слое со вторым механизмом структурообразования при обработке медными электродами). Структура ЗО меди формируется в соответствии с первым механизмом и не зависит от установки и используемого режима. Однако необходимо отметить наличие ряда участков в слое, где структура слоя отличается от выше описанной. На участках, которые по составу ближе к бронзе, микроструктура представлена крупными равноосными зернами (1,8-5,7 мкм). Другая часть участков с большим содержанием меди состоит из столбчатых кристаллов (ширина 2-5 мкм, длина 9-20 мкм.). Образование таких участков, по-видимому, происходит вследствие перемешивания материалов катода и анода с преобладанием одного из материалов, что и определяет форму и размеры кристаллитов.
а | б |
Рис. 6. Микроструктура переплавленного слоя: а,Ц слой, полученный на алюминиевой бронзе при ЭИЛ медью; б - слой, полученный на меди при ЭИЛ вольфрамом, 1 - участок вольфрама в слое, 2 - основа, 3 - участок меди в слое. | |
При обработке бронзовым анодом медного катода слой состоит из меди. Микроструктура слоя представлена вытянутыми кристаллитами, ориентированными перпендикулярно поверхности обработки. Характерное мозаичное строение слоя образуется и при использовании медных и стальных электродов. Выбор вольфрама и меди в качестве электродных материалов обусловлен тем, что эти металлы, практически не растворимы друг в друге и идентифицируются по цвету в оптическом микроскопе, что позволяет проследить характер их расположения в слое. Исследованием макроструктуры поверхности катода выявлено наличие металла анода (вольфрам). Микроструктура поверхности участков на катоде (медь), выявленная металлографическим травлением, представлена равноосным зерном размером от 1 до 2 мкм. Исследование поперечных шлифов катодов выявило наличие в слое (толщиной до 120 мкм) трех типов включений. К первому типу относятся глобулярные и близкие к ним по форме отдельные включения меди и вольфрама. Второй тип - включения каплевидной формы, состоящие из двух половинок обоих металлов. Третий тип представлен частицами вольфрама с признаками хрупкого разрушения. Необходимо отметить, что включения третьего типа в большинстве случаев располагаются в нижней части слоя (6, б). Отмеченная особенность характеризует начальный момент формирования слоя, при котором преобладает хрупкое разрушение анода. Таким образом, экспериментально установлено, что микроструктура участка слоя определяется его составом, который изменяется в результате протекания процессов прямого и обратного массопереноса.
Процесс электроискровой обработки всегда сопровождается разлетом эрозионных частиц. Исследования внутренней структуры показали, что после приработки, т.е. образования вторичной структуры, вместо одной крупной поры частицы имеют рассеянную пористость. Размер зерен в эрозионных частицах не зависит от характера пор и соответствует размеру зерен в слое. При увеличении шероховатости поверхности катода от 0,74 до 3,5 мкм растет средняя величина размера эрозионных частиц, что подтверждает контактный механизм низковольтного ЭИЛ.
Для изучения структурообразования железоуглеродистых сплавов использовали электроды из низко-, средне-, высокоуглеродистых сталей и серого чугуна. При применении одноименных электродов с увеличением содержания углерода в материале электродов масса катода и эрозия анода возрастают независимо от используемой установки. Слои, полученные с использованием электродов, изготовленных из углеродистых сталей и чугунов, содержат поры, причем их количество возрастает с увеличением содержания углерода в электродах. Механизм появления пор обусловлен выделением газа СО при кипении расплава. Количество и размер пор существенно уменьшается по мере приближения к основе.
Разработана методика выявления микроструктуры белого слоя на углеродистых сталях посредством использования поэтапного травления с применением реактива сложного состава вместо стандартного, используемого в обычной практике.
Слои, полученные методом ЭИЛ, отличаются высокой неоднородностью распределения твердости по сечению, что требует проведения финишной термической обработки. Температура нагрева для проведения отпуска выбиралась в интервале от 100 до 400 С. Минимальный разброс значений твердости между составляющими слоя отмечается при температуре отпуска равной 100-200 С, однако, при этом твердость уменьшается. Дальнейшее повышение температуры отпуска, приводит к резкому снижению твердости, поэтому оптимальной температурой нагрева является 100 С.
Как и для меди термическая активация поверхности катодов из высокоуглеродистых сталей до 50 С приводит к практически полному отсутствию в слое поперечных трещин, структура ЗТВ не отличается от структуры основы. На катодах из мало- и среднеуглеродистых сталей, структура ЗТВ и основы не отличаются при более высокой температуре дополнительного нагрева (100-150 С). Как и при финишной термической обработке, дополнительный нагрев катода до указанных температур не существенно снижает величину твердости слоя и уменьшает неоднородность ее распределения по сечению. Нагрев катодов из углеродистых сталей до более высокой температуры (250-400 С) приводит к формированию однородной структуры слоя, при этом твердость его по сечению резко падает вследствие уменьшения скорости охлаждения.
Полученные результаты исследований по изменению структуры слоя, в условиях дополнительного нагрева катода и финишной термической обработки, подтверждаются рентгеноструктурным анализом. Исходная микроструктура слоев на катодах из углеродистых сталей содержит мартенсит и остаточный аустенит. Термическая обработка низкоуглеродистых катодов при 200 С приводит к формированию мартенсита отпуска с сохранением остаточного аустенита. При нагреве до 100 С в структуре слоя на образцах из высоко- и среднеуглеродистых сталей существенных изменений не наблюдается.
Установленный ранее механизм формирования структуры ЗО и ЗТВ при ЭИЛ в однократном режиме позволил выявить существенное влияние термоупругих напряжений на формирование слоя на катоде. Для исследования механизма формирования слоя на катоде в многократном режиме использовались одноименные электроды из армко-железа, стали марки 110Г13, средне- и высокоуглеродистых сталей. Эксперимент проводили после подбора оптимальных технологических параметров обработки и получения качественного слоя. Поверхность катодов разделяли на 5 равных частей. Затем в течение первой минуты обрабатывали все пять частей, в течение второй минуты - 4 части, в течение третьей - 3 части и т.д. В результате на поперечной поверхности шлифа слой представлен в виде ступенек различной толщины, что позволяет проследить кинетику формирования структуры и изменение твердости в различных частях слоя. При этом слой по вертикали условно разделили на три части, в зависимости от положения по отношению к основе: нижняя, средняя, верхняя. Нижняя часть слоя граничит с одной стороны с основой, а с другой со средней частью. Верхняя часть соответственно находится на поверхности слоя. В образцах стали марки 45, микротвердость изменяется в зависимости от увеличения толщины слоя (рис. 7,аа).
Как видно из приведенных результатов, на начальном этапе при первых проходах анода по катоду, образуется слой, имеющий толщину 15-19 мкм. Микротвердость в сечении этой части слоя соответствует мартенситу закалки (6500 МПа). При этом в ЗТВ микротвердость также увеличивается. Увеличение продолжительности обработки, приводит к формированию слоя с большей толщиной. При увеличении толщины слоя до 25-38 мкм происходит повышение твердости в его нижней (8000 МПа) и средней частях. Увеличение микротвердости объясняется пластическим деформированием в результате действия термических напряжений. В дальнейшем при увеличении толщины слоя в средней части одновременно протекают на различных участках два процесса: отпуск (4000 МПа) и пластическая деформация (12000 МПа). Следует отметить, что твердость верхней зоны слоя остается неизменной на протяжении всего периода обработки. Это связано в первую очередь с постоянным наплавлением нового материала и последующим мартенситным превращением, причем упрочнения за счет пластического деформирования не происходит из-за нагрева этой зоны плазмой. Обычно толщина нижней упрочненной части слоя составляет 10-20 мкм, средней - 30-40 мкм, верхней - 15-20 мкм, в большинстве случаев толщина частей слоя зависит от общей толщины слоя, которая в свою очередь определяется содержанием углерода в материале электродов.
При использовании электродов из высокоуглеродистых сталей характер распределения твердости в слое практически соответствует распределению твердости в слое на среднеуглеродистой стали. Вследствие большего содержания углерода в высокоуглеродистых стали значения микротвердости в слое выше.
а | б |
в | г |
Рис. 7. Изменение микротвердости в сечении слоя при ЭИЛ одноименными электродами в зависимости от продолжительности обработки: а - сталь марки 45; б - 110Г13, 5 минута; в - армко-железо. Продолжительность (минуты) отработки: 1 - 1; 3 - 3; 5 - 5. | |
Результаты, полученные с использованием стали 110Г13, согласуются с данными распределения твердости в слое на средне- и высокоуглеродистых сталях (рис. 7, б). В этом случае микроструктура нижней и средней части слоя содержит кристаллы, практически разделенные пополам, и эти половинки сдвинуты относительно друг друга линиями скольжения, что обусловлено возникающими растягивающими напряжениями.
Были проведены сравнительные исследования относительного содержания углерода в частях слоя микрорентгеноспектральным методом. Установлено, что концентрация углерода в слое даже несколько снижается по сравнению с его содержанием в основе. Это можно объяснить угаром углерода при кипении расплава. В тоже время наблюдается увеличение концентрации углерода в ЗТВ за счет его диффузии из основы. Таким образом, перераспределение углерода на образование слоя с высокой твердостью не влияет. Дополнительно, уточняя влияние углерода на появление областей с локально высокой микротвердостью, был проведен эксперимент, в котором использовали электроды, изготовленные из армко-железа (рис. 7, в). При этом микротвердость достигает высоких значений, что можно объяснить деформационным упрочнением, не исключая механизм твердорастворного упрочнения газами окружающей атмосферы.
Далее в работе изучали влияние атмосферы окружающих газов на формирование структуры слоя. Наиболее интенсивно микротвердость увеличивается при ЭИЛ в среде кислорода и азота, что подтверждает механизм твердорастворного легирования атомами этих газов (рис. 8, а).
На рис. 8, б показаны интервалы изменения твердости в исследуемых образцах, где видно наличие участков с высокой твердостью даже в атмосфере аргона. Появление таких участков можно объяснить действием деформационных механизмов упрочнения. Поэтому повышение твердости при ЭИЛ в основном происходит за счет деформационного механизма и дополнительно, вероятно, за счет твердых растворов с газами, последнее используется в процессах ионной имплантации. При сравнении условий ионной имплантации и процесса ЭИЛ наиболее вероятно поступление газов в материал слоя через повторно переплавленный металл с оксидами. Равномерное распределение газа по объему металла в ЗО невозможно из-за неравномерного расположения и размеров окисленных участков, поэтому в сечении слоя возникают области с различной концентрацией газов, что является еще одной причиной формирования в слое участков с различной микротвердостью.
а | б |
Рис. 8. Влияние атмосферы окружающих газов на микротвердость слоя: а - среднее значение микротвердости; б - разброс значений микротвердости: - продувка ионизированным воздухом, - продувка воздухом, - продувка аргоном, - продувка смесью газов кислород и аргон, - продувка азотом, - обработка в жидком азоте. | |
Исследование макроструктуры поверхности образцов, обработанных в контролируемой газовой среде, показало практически полное отсутствие видимых окисных пленок (аргон, азот, жидкий азот). Интересно, что массоперенос максимален в кислородсодержащей среде, а минимальный - в аргоне, что подтверждает результаты других исследователей. Полученный результат объясняется разупрочнением материала анода за счет образования оксидов железа в слое на аноде.
Таким образом, механизм формирования БС заключается в следующем. В процессе проведения электроискровой обработки происходит постепенное наращивание слоя (рассматривается только положительный массоперенос). Начиная с определенной толщины слоя, в подповерхностной его части протекают многократно повторяющиеся процессы упрочнения, аналогичные процессам высоко - и низкотемпературной термомеханической обработки, которые приводят к формированию БС. БС на поверхности слоя не образуется. Поверхностная часть слоя не упрочняется ввиду высокой температуры ее нагрева в режиме непрерывной обработки. Необходимо отметить, что деформационный механизм образования БС превалирует при использовании сталей, которые не содержат в своем составе значительного количества легирующих элементов. Одновременно с деформациионным механизмом на формирование БС влияет насыщение слоя атомами кислорода и азота, о чем свидетельствуют результаты обработки в среде аргона, где количество участков с высокой микротвердостью уменьшается.
Для стальных электродов были проведены исследования влияния исходных структур на кинетические параметры процесса электроискрового легирования и качество полученных слоев. Использовали электроды из стали марки 45 с феррито-перлитной, сорбитной, трооститной и мартенситной структурами, полученными методами термической обработки. Обработка результатов проводилась методом регрессионного анализа. Факторным анализом установлено, что максимальную значимость (массоперенос и качество поверхности) имеют закалочные микроструктуры электродов (троостит, мартенсит). Это можно объяснить тем, что при электроискровой обработке на поверхности электродов возникают структуры закалки, поэтому предварительное создание закалочных структур в электродах способствует увеличению производительности. Использование других структур требует дополнительного времени для структурных перестроек, т. е. приработки электродов.
В пятой главе приводятся результаты исследования белых чугунов использующихся в качестве анодных материалов для ЭИЛ. Изучалось влияния углерода, хрома, вольфрама и их комплекса (Cr +W) на процесс структурообразования, фазовый состав, массоперенос и эрозионные свойства электродных материалов, качество и свойства покрытий.
В литературе отмечено применение анодного материала из белого доэвтектического чугуна для ЭИЛ, но возможности этого материала использованы не в полной мере. В данной работе исследованы следующие составы чугунов: 13,04амас.% С; 2-4,35 мас.% С; 3-4,8 мас.% С. На первом этапе изучалось влияние температуры отбора расплава и состава чугуна на микроструктуру и эрозию анодных материалов, а также на массоперенос. Электроды получали литым способом из чугунов составов 1 - 3 путем отбора расплава в кварцевые трубки при различных температурах: 1550, 1450, 1380, 1230 С. Получение анодного материала непосредственно из расплава в кварцевых трубках позволяет исключить этап механической обработки и этим уменьшить затраты на его производство. Учитывая различие размеров структурных составляющих верхних и нижних частей электродов по высоте кварцевой трубки, проводили исследования по выявлению дисперсности структуры на показатели искровой обработки. При этом основное влияние оказывает микроструктура электродных материалов, более мелкие структурные составляющие верхних частей анодов имеют меньшие показатели эрозии, за исключением электродов состава 3, где наблюдается хрупкое разрушение крупного цементита. Таким образом, эрозионные свойства анодного материала зависят от дисперсности структурных составляющих, выпавших в момент затвердевания. Для дальнейших исследований использовалась только нижняя часть электрода. Установлено, что показатели искровой обработки определяются как содержанием углерода, так и температурой отбора. Концентрация углерода в электроде оказывает наибольшее влияние на массоперенос и эрозию. Электродные материалы, полученные при температурах 1230-1450 С имеют максимальный массоперенос независимо от содержания углерода в анодных материалах, но температура 1230 С для доэвтектических сплавов лежит в интервале кристаллизации и поэтому для дальнейших исследований использовали электроды, выплавленные при температуре 1380 -1450 С.
Увеличение содержания углерода повышает эрозионные свойства анода и массоперенос на катод, но ухудшает качество получаемых при ЭИЛ покрытий. Наиболее предпочтительным структурным состоянием катода является закаленное, при котором наблюдается наибольший массоперенос. В целом по массопереносу и качеству получаемого покрытия наиболее оптимальным является анодный материал из чугуна эвтектического состава. Также установлено, что эрозия чугунных анодов всех составов 1Ц3 и массоперенос при работе на установке I больше, чем на установке II.
На следующем этапе исследовалось влияние хрома и вольфрама на структурообразование, эрозию электродов из белых чугунов трех составов 1Ц3 и массоперенос, а также оценивалось качество получаемых при ЭИЛ покрытий.
Хром. Содержание хрома варьировалось в пределах по мас.%: 3,5; 7,0; 10,5; 14,0; 17,5. Вследствие быстрого охлаждения и наличия хрома в чугунах формируется закаленная структура анодных материалов. Микроструктура анодных материалов состава 1 до 10,5 мас.% Сr состоит из мартенсита закалки и ледебуритной эвтектики. Дальнейшее увеличение содержание хрома способствует образованию тригонального карбида (FeCr)7С3 взамен легированного цементита (FeCr)3С, сохранению и росту стабилизированного (остаточного) аустенита и измельчению карбидной эвтектики. Микротвердость легированного цементита возрастает от 800 до 1000 H50 при 10,5 мас.% Cr и 1900 Н50 при 17,5 мас.% Сr. Микротвердость карбидной эвтетики постоянно возрастает по мере увеличения содержания хрома от 0 (600 Н50) до 17,5 мас.% (1100 Н50). Микротвердость металлической основы изменяется по экстремальной зависимости: ее повышение до 10,5 мас.% можно объяснить легирующим действием хрома на металлическую основу - мартенсит (при 0-500 Н50 и при 10,5 мас.% Сr - 600650 Н50), а снижение микротвердости при дальнейшем увеличении содержания хрома связано с наличием стабилизированного аустенита (при 17,5 мас.% Сr - 400 Н50).
Микроструктура анодного материала из эвтектического чугуна при содержаниях хрома более 10,5 мас.% состоит из тригонального карбида и аустенитно-мартенситной структуры. По мере повышения содержания хрома наблюдается тенденция измельчения всех структурных составляющих. Микротвердость легированного цементита возрастает до 1100 Н50 (10,5 мас.% Сr), а микротвердость тригонального карбида К2 - до 1800-1900 Н50 при 17,5мас.% Сr. Значения микротвердости карбидной эвтектики зависит от содержания хрома примерно также как в доэвтектическом электродном материале. Микротвердость металлической основы несколько ниже (500-550 Н50 при 3,5-10,5амас.% Сr и 400 Н50 при 17,5 мас.% Сr) в сравнении с анодным материалом состава 1. В анодном материале состава 3 происходит резкое измельчение первичной карбидной фазы (тригонального карбида и карбида цементитного типа), а металлическая основа представляет собой продукты распада переохлажденного аустенита и стабилизированный аустенит при больших содержаниях хрома. Микротвердость металлической основы от содержания хрома изменяется по экстремальной зависимости: в чугуне состава 1 максимум микротвердости наблюдается при 7,0 мас.% Сr, в чугуне состава 2 - при 10,5 мас.% Сr, в чугуне состава 3 - при 14,0 мас.% Сr.
Исследовалось влияние микроструктуры (химического состава) хромистых анодных материалов на процессы их эрозии и массопереноса на катодных материалах. Катодами служила сталь марки 45 в отожженном и закаленном состояниях. Анализируя полученные результаты в целом необходимо отметить, использование анодов составов 2 и 3 (10,5 мас.%) позволяет получить наиболее высокие показатели эрозии и массопереноса на отожженных и закаленных катодах. Слои полученные хромистым анодным материалом состава 3, имеют повышенную хрупкость и скалываются при воздействии внешней нагрузки. Визуально-оптическим контролем установлено, что высокое качество покрытий наблюдается при использовании хромистых анодных материалов состава 2 на установках I и II. На основании полученных результатов наиболее эффективным является использование состава 2 с содержанием хрома 7-10,5 мас.% и установки II.
Вольфрам. Содержание вольфрама изменялось в пределах по мас.%: 3,5; 7,0; 10,5; 14; 17,5. С термодинамической позиции вольфрам, как и хром, способствует ферритизации металлической основы и образованию карбидной фазы цементитного типа. В условиях быстрого охлаждения проявляется кинетический фактор, заключающийся в кристаллизации метастабильной квазикарбидной фазы, стабилизации аустенита и образовании и мартенсита закалки. Эти особенности следует учесть при описании структурообразования вольфрамовых чугунов.
На основании структурно-фазового анализа и данных по микротвердости структурных составляющих установлено, что анодный материал состава 3 (до 3,5 мас.% W) состоит из мартенсита закалки, стабилизированного остаточного аустенита и карбида цементитного типа. При увеличении содержания вольфрама до 7,0 мас.% структурное состояние и фазовый состав не изменяются, но при этом наблюдается резкое измельчение дендритов аустенита и карбидной эвтектики. В анодных материалах с содержанием вольфрама 10,5-17,5 мас.% увеличивается доля карбида Fe3W3С с одновременным снижением количества карбида цементитного типа (FeW)3С. В чугуне эвтектического состава до 3,5амас.% W структура состоит из продуктов распада переохлажденного аустенита и легированного цементита. Дальнейшее увеличение содержания вольфрама приводит к формированию мартенсита закалки, стабилизированного аустенита и вольфрамовой карбидной эвтектики. При этом измельчаются структурные составляющие. В анодном материале состава 3 до 7,0 мас.% W структура состоит из мартенсита закалки и легированного цементита, а свыше кристаллизируется, наряду с карбидом цементитного типа, карбид комплексного состава и остается большое количество остаточного аустенита. Наблюдается укрупнение первичного карбида цементитного типа по мере повышения концентрации вольфрама.
Анализ данных измерения микротвердости структурных составляющих анодного материала состава 1 показал, что до 7,0-10,5 мас.% W микротвердость металлической основы существенно возрастает вследствие образования мартенсита закалки. При дальнейшем повышении содержания вольфрама микротвердость начинает снижаться из-за наличия стабилизированного аустенита. По аналогичной причине микротвердость карбидной эвтектики снижается. Кроме того, при большом содержании вольфрама (более 10,5 мас.% W), наряду с карбидом цементитного типа, кристаллизуется карбидная фаза (Fe3W3)С, микротвердость которой существенно выше, чем карбида типа (FeW)3С. В электродном материале состава 2 намечается тенденция постоянного повышения микротвердости всех структурных составляющих. Аналогичный характер изменения микротвердости структурных составляющих наблюдается и в электродном материале состава 3. Такой характер изменения микротвердости обусловлен тем, что при больших содержаниях углерода в сплавах остается меньшее количество свободного вольфрама (не связанного с углеродом), способного стабилизировать аустенит. С увеличением содержания углерода значение микротвердости первичной карбидной фазы и карбидной эвтектики существенно возрастает.
При ЭИЛ на установке II увеличение содержания вольфрама усиливает эрозию анодных материалов и массоперенос на закаленный катод, вне зависимости от количества углерода. Исключением является эрозия анода состава 3, которая возрастает при содержаниях 14,0-17,5 мас.% W хотя массоперенос изменяется монотонно. Это обусловлено наличием в структуре заэвтектического анодного материала крупных цементитных пластинок, которые хрупко разрушаются в процессе ЭИЛ. Аналогичные зависимости параметров ЭИЛ получены на установке II, однако эрозия и массоперенос незначительны, за исключением сплавов 3 с содержанием 14,0-17,5 мас.% W. Таким образом, процессы эрозии и массопереноса определяются двумя факторами - микроструктурой и длительностью импульса применяемых установок. Визуально-оптичекая оценка качества поверхности катодов показала, что наилучшее качество покрытий получено при использовании чугуна состава 2 с содержанием вольфрама 7-17,5 мас.%.
Комбинированное влияние хрома и вольфрама. При комбинированном легировании анодного материала состава 1 выявлены существенные изменения в структурообразовании. Так, при постоянном содержании вольфрама (3,5амас.%) увеличение концентрации хрома до 14,0 мас.% способствует измельчению структурных составляющих, кристаллизации тригонального карбида (при содержании хрома более 10,5 мас.%) и аустенизации металлической основы наряду с наличием мартенситной структуры. Увеличение содержания вольфрама до 7,0 мас.% не оказывает существенного влияния на структурообразование чугуна. При больших содержаниях хрома (17,5-24 мас.%) и вольфрама (10,5 мас.%) кристаллизуются первичные карбиды, и наблюдается огрубление структурных составляющих. Аналогичная картина структурообразования выявлена и в чугуне состава 2. В анодных материалах состава 3 увеличение содержания хрома (3,5-10,5 мас.%) при постоянной концентрации вольфрама (7,0амас.%) также измельчает структурные составляющие (первичный аустенит, карбидная эвтектика), особенно заметно измельчение первичных карбидных частиц. Увеличение общего содержания легирующих элементов (Cr и W) способствует кристаллизации более мелких структурных составляющих. Таким образом, при повышении общего содержания хрома и вольфрама в анодных материалах из чугунов с различной концентрацией углерода наблюдается измельчение структурных составляющих, уменьшение количества мартенсита закалки и увеличение доли стабилизированного аустенита.
Искровая обработка комплексно-легированными анодами проводилась на установках I и II, в качестве катодных материалов использовали сталь марки 45 в отожженном и закаленном состояниях.
Установлено, что в анодных материалах из доэвтектического чугуна увеличение содержания хрома (3,5; 7,0; 10,5; 14,0 мас.%) при постоянной концентрации вольфрама (3,5 мас. %) снижает показатели эрозии и массопереноса при ЭИЛ на установке I. При использовании закаленных катодов показатели ЭИЛ несколько выше, чем на отожженных. Повышение общего содержания хрома и вольфрама приводит к увеличению массопереноса, особенно это заметно на закаленных катодах (γа = -11810-4 г/см2; γк= 8010-4 г/см2; при 21,0 мас.% Cr и 14,0 мас.% W). Следовательно, для повышения эффективности следует применять закаленный катод и проводить ЭИЛ на установке II.
Рис. 9. Изменение массы отожженного катода и анода от добавок вольфрама и хрома в анодный материал состава 2. |
Использование состава 2 при увеличении содержания вольфрама от 3,5 до 21 мас.% и постоянных концентрациях хрома (3,5; 7; 14 мас. %) улучшает показатели эрозии и массопереноса на установке II. Причем, чем больше вольфрама в анодных материалах, тем выше массоперенос и эрозия, особенно на закаленных катодах.
Необходимо отметить, что максимальные значения эрозии и массопереноса достигаются при использовании комплексно-легированных чугунов составов 2 и 3 (17,5-21 мас.% Cr и 10,5-21 мас.% W) с применением закаленных катодов и установки I (γк ≅(126-145)10-4 г/см2 и γа≅ -20010-4 г/см2).
На основании полученных результатов для составов 1- 3, закаленных и отожженных катодов были построены трехмерные диаграммы (рис. 9), позволяющие выбрать концентрацию добавок легирующих элементов в зависимости от эрозии анода и массопереноса на катод.
В проведенных исследованиях показана возможность получения необходимой структуры и свойств новых анодных материалов для создания покрытий с заданными свойствами методом ЭИЛ на основе белых чугунов посредством изменения содержания углерода (от 3,2 до 5,5 мас. %, С) и добавкой хрома и вольфрама (от 3,5 до 21 мас. %,), как по отдельности, так и в комбинации.
В шестой главе приведены результаты исследования изменения структуры и свойств медных контактных проводов от электроискровых и дуговых процессов, возникающих в токосъемном узле электровоза. Исследованы механизмы разрушения контактных проводов и вставок. Приведены методики оценки состояния медного контактного провода и угольной контактной вставки неразрушающим акустическим методом.
Многолетнее проведение комиссионных экспертиз образцов разрушенного в условиях эксплуатации контактного провода позволило установить, что структура меди в области разрушения в ряде случаев аналогична слоям, полученным при ЭИЛ. При этом разрушенные участки проводов имеют вид, приведенный на рис.10, а, б, и хотя внешне области разрушения различны, службы статистики их не разделяют и классифицируют как пережог. При пережоге процесс разрушения происходит в результате кратковременного действия электрического тока (дуговое воздействие). Кроме этого, еще одним известным механизмом разрушения является отжиг, к которому относят процесс разупрочнения нагартованного контактного провода в результате его нагрева электрическим током выше предельно допустимых температур. Таким образом, основной задачей исследования являлось установление механизма разрушения контактного провода и возможность обнаружения мест электроискрового и электродугового повреждения контактного провода на основе ранее установленных закономерностей изменения параметров ультразвукового сигнала от структуры (см. глава 4).
Исследования проводили с использованием контактных проводов марок МФ-100 и МФ-85 с целью определения механизмов их разрушения. В лабораторных условиях проводили эксперимент с нагревом провода исходного состояния с последующим его испытанием на разрыв. Только нагрев провода до 240 С приводит к значительному его удлинению и уменьшению поперечного сечения. Влияние электроэрозионной лунки как дефекта на прочностные свойства провода исследовали посредством создания на его поверхности U - образных поперечных надрезов, глубиной до 1 мм. При этом предел прочности в различных экспериментах уменьшается на 20 %, что непосредственно не может привести к разрушению. Но в условиях эксплуатации многократные электроэрозионные процессы в месте дефекта приведут к разрушению провода (рис 10, а). Было исследовано влияние продолжительности нагрева провода дугой, на изменение прочности после остывания. Потеря прочности возрастает пропорционально продолжительности воздействия и в предельном случае (15 с.) составляла 50 %. Использование специального стенда (Пат. 64568) позволило провести натурные эксперименты, где воздействовали искрой и дугой на провод, находящийся при номинальной растягивающей нагрузке. При определенной продолжительности воздействия наблюдается появление локального участка с сужением поперечного сечения провода (рис.10, а). В условиях движения электровоза столь длительного воздействия на участок провода не происходит, но необходимо принять во внимание более высокие значения эксплуатационных токов, что адекватно большой длительности.
Для обнаружения участков с локальным разупрочнением контактного провода использовали метод ультразвукового контроля. В главе 4 была установлена корреляционная связь между изменяющейся в результате термического воздействия структурой, твердостью контактного провода и коэффициентом затухания () ультразвукового сигнала. В поставленных экспериментах для анализа использовались три группы образцов медного контактного провода. Первая группа была получена с участков контактной сети Дальневосточного отделения железной дороги после различных сроков эксплуатации. Вторая и третья группы - образцы проводов в состоянии поставки, подвергшиеся различным тепловым нагрузкам в лабораторных условиях (вторая группа - нагрев в условиях свободного конвективного теплообмена с окружающей средой током силой 240-420 А до температур 100 - 250 С без выдержки, третья группа - нагрев током с последующей выдержкой продолжительностью 1800 с при заданной температуре). В качестве контрольного образца использовали провод в состоянии поставки. После полного остывания образцов проводили: статические испытания на растяжение (Fp); металлографические исследования структуры; измерение акустических характеристик.
Измерения проводили с использованием раздельно совмещенного преобразователя прибора А1212 на частоте 5 и 10 МГц. Для исключения ряда методических и систематических погрешностей в работе использовали метод сравнения. При этом относительные изменения коэффициента затухания УнагруженныхФ образцов по отношению к контрольному определялись по изменению огибающей амплитуд переотраженных эхо - импульсов. Как показал анализ результатов, зависимости изменения параметра α (Δα) и усилия разрыва (FР) от температуры нагрева для второй и третьей групп совпадают, однако во второй группе, вследствие большей степени неравновесности процесса нагрева, разброс данных от образца к образцу выше, чем для третьей. Найденные закономерности, согласуются с данными металлографии и коррелируют с измеренными значениями усилий разрыва. При этом измерения на частоте 10 МГц более чувствительны к изменениям структуры провода. Проводилась оценка регрессионных связей результатов обработки (при анализе температурный диапазон разбит на два интервала 100 - 180 С и 160 - 250 С). В интервале температур 100-180 С связь между величинами FP - Т и Δα - Т достаточно слаба (за исключением Δα - Т при измерении на частоте 10 МГц). В интервале 160-250 С модуль коэффициента корреляции для этих величин больше 0.85, т.е. связь между ними значима. Для величин Δα - FP связь существенна для обоих температурных интервалов (за исключением измерений на частоте 10 МГц для первого интервала). Таким образом, измерения коэффициента затухания у.з. колебаний позволяют достаточно надежно оценивать и структуру, и прочность провода.
Для выяснения механизма разупрочнения контактного провода проводили металлографические исследования. Микроструктуру провода изучали на поперечных и продольных шлифах. В качестве микрообъекта отвечающего за изменение прочности провода для исследований нами было выбрано действительное зерно. Подготовку образцов и подсчет размеров зерен проводили по ГОСТ 21073.0-75-ГОСТ 21073.4-75. Предлагаемый ГОСТом средний размер зерна мало информативен. Поэтому нами проводился подсчет количества зерен с разбивкой по размерным группам. Было принято 7 размерных групп (мкм): первая - менее 0.5, вторая - от 0.5 до 1, третья от 1 до 2, четвертая от 2 до 4, пятая от 4 до 8, шестая от 8 до 16 и седьмая - более 16.
Подсчет количества зерен в группах в поперечных и продольных сечениях проводили на фотографиях микроструктур. Как следует из анализа полученных результатов нагрев до 140 С не приводит к существенному перераспределению в размерных группах. При температуре 140 С заметен некоторый рост количества зерен группы 5 за счет уменьшения в 3 и 4 группах. Нагрев провода до температуры 250 С. заметно увеличивает количество зерен входящих в 3 - 5 группы. Исследование размерных параметров зерен в продольных шлифах согласуется с результатами, полученными выше. Зерна образцов в продольном сечении имеют большие размеры вследствие направленной пластической деформации полученной в процессе изготовления.
Значения твердости зерен в поперечном сечении уменьшаются линейно в зависимости от температуры. Минимальная твердость зерен обнаружена в образце провода нагретого до температуры 250 С. В продольном сечении отмеченной закономерности не наблюдается. Необходимо отметить, что твердость зерен первой группы образцов изменяется в более широком интервале и средние значения твердости зерен ниже, чем для исходного провода, что объясняется не установленной интенсивностью токовой нагрузки провода в условиях эксплуатации. Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что при температурных нагрузках в лабораторных условиях и в условиях эксплуатации происходит разупрочнение провода, сопровождающееся уменьшением твердости зерен. При этом показана возможность контроля прочностных свойств контактного провода посредством измерения коэффициента затухания ультразвуковых колебаний
При исследовании изменения коэффициента затухания у.з. колебаний в зависимости от длительности дугового воздействия и расстояния (l) между точкой воздействия и точкой измерения установлено (рис. 11), что длительность дугового воздействия на провод прямо пропорциональна увеличению коэффициента затухания. По мере удаления от точки воздействия сигнал уменьшается, что характеризует уменьшение структурных изменений. Наиболее значительные изменения коэффициента затухания получены на образцах провода разрушенных пережогом. Структура материала в месте пережога разделяется на ЗО и ЗТВ. Значения твердости материала непосредственно в ЗО изменяются в интервале 98-103 Н10 кг/мм2, металл содержит пустоты, идентифицируемые как газовая пористость, дефект обнаруживаемый при ЭИЛ (см. глава 4). Как показали исследования, по коэффициенту затухания у.з. колебаний места с измененной структурой материала провода обнаруживаются на расстоянии ±20 мм от непосредственного места воздействия.
В большинстве случаев при рассмотрении механизмов разупрочнения контактного провода не учитывают наличие второго контакта - вставки. Процессы, происходящие в области контакта, и свойства поверхности самой вставки непосредственно влияют на прочностные свойства провода. Анализ вида повреждений в зависимости от мест расположения на полозе токоприемника имеющего три ряда вставок проводили путем осмотра их поверхности в локомотивном депо Хабаровского отделения железной дороги. Наиболее поврежденными, вне зависимости от времени года являются первый и третий ряд вставок. Причина образования сколов на передней, набегающей части вставки первого ряда, заключается в ударном разрушении вставки контактного провода. Сколы на сбегающей части вставки третьего ряда в основном вызваны искровым и дуговым воздействием. На поверхности обнаружены локальные лунки с краями неправильной формы и диаметром от 1 до 10мм и более. В лабораторных условиях были проведены эксперименты по электроискровому и дуговому воздействию на поверхность увлажненной и сухой вставок (пат. 64568). При этом наблюдалось взрывообразное разрушение с образованием лунок, аналогичных обнаруженным ранее на поверхности вставок бывших в эксплуатации. Макроструктура эрозионного следа на увлажненной поверхности вставки имеет большую концентрированность эрозионного следа и количество эрозионных частиц меди. На передней и задней частях вставок из эксплуатации обнаружены отложения меди в виде мелкодисперсного порошка. Отложения образованы тонкими пластинами от механического износа и глобулярными эрозионными частицами. Внутренняя структура эрозионных частиц аналогична эрозионным частицам, приведенным в главе 3.
Исследования материала вставок до использования в эксплуатации выявило в них существенную структурную неоднородность. Для входного контроля качества вставок и ранжирования их по свойствам была разработана методика ультразвукового контроля. При этом можно проводить сортировку, выявляя вставки с более высоким качеством, которые необходимо устанавливать на более ответственные места в токоприемнике.
Полученные в главе результаты позволили разработать схему диагностического комплекса с использованием блоков инспекционной лаборатории контактной сети (ВИКС). Комплекс включает регистрацию величины контактного нажатия, фиксирование электроискровых и дуговых явлений при прохождении ВИКС дефектного места с учетом звуковых сигналов и радиоизлучения. Экономическая эффективность от внедрения устройства по контролю мест разупрочнения контактного провода в расчете на одну дистанцию электроснабжения с 2008 на 2009 год составляет 777 тыс. рублей.
В седьмой главе приведены примеры применения полученных результатов для повышения эксплуатационных свойств (износостойкость, жаростойкость и коррозионностойкость) покрытий, полученных анодными материалами из легированных чугунов. Исследованы причины нагрева и увеличения переходного электросопротивления (Rп) токопроводящего бронзового зажима. Разработана технология получения методом ЭИЛ покрытий из меди и серебряноцинкового сплава на контактных поверхностях токопроводящего зажима, и на контактных поверхностях стального зажима заземляющего провода.
Одним из наиболее важных элементов контактной сети железных дорог является токопроводящая арматура и, в частности, токопроводящие зажимы. Токопроводящие зажимы (рис. 12), стягиваемые болтами, используются для передачи электрического тока на контактные провода, с поверхности последнего, через скользящий контакт производится съем электропитания электровозом. Нагрев зажима в условиях эксплуатации приводит к обрыву контактного провода (15% случаев от общего числа обрывов). Известно, что причиной нагрева зажима является увеличение (Rп) между зажимом и соединяемыми проводами, вызванное нарушением контакта обусловленное деформацией зажима, ослаблением креплений и окислением контактных поверхностей. В ряде случаев деформация зажима вызвана наличием дефектов, образующихся в процессе изготовления. Производство зажима методом литья увеличивает риск формирования в изделии структурной, химической неоднородности и трещин, что может отрицательно сказываться на его прочности и электропроводности. Для определения степени развития внутренних дефектов в виде пор и трещин (от 0,1 до 1 мм) была разработана методика ультразвукового неразрушающего контроля (прибор А 1212). Более эффективной оказалась методика акустического контроля, по анализу спектра вынужденных колебаний (1-40 кГц) с применением цифровых методов обработки сигнала, прибор внедрен в условиях эксплуатации на Забайкальской железной дороге в виде измерительного комплекса (ВКЗ-1). Расчетная экономическая эффективность от внедрения устройства составит более 100 тыс. рублей на 2011 год
Отсутствие дефектов не гарантирует надежную работу зажима потому, что возникающие на контактной поверхности окисные пленки приводят к росту Rп зажима с последующим его нагревом, разупрочнением и разрушением. Для зажимов уменьшение Rп достигается обычно путем увеличения площади контакта за счет увеличения момента затяжки (Мз) болтов (рис. 12, б). При этом площадь контакта увеличивается вследствие деформации контактных площадок и проникновения более твердого (алюминиевая бронза) материала в более мягкий (медь). Было установлено, что уменьшение Rп только за счет увеличения момента затяжки зажима малоэффективно, так как даже при моменте затяжки большем, чем нормативный (40 Нм), необходимая площадь контакта не достигается.
В процессе работы контактов Rп не остается постоянным, оно сильно зависит от состояния контактных поверхностей, т. е. от качества их обработки и степени окисления. После образования окисной пленки Rп увеличивается на 58%, при этом повышается температура нагрева зажима. Одним из перспективных методов снижения переходного электросопротивления зажима является нанесение покрытия на контактные поверхности. Наиболее часто в качестве материала для покрытий используется медь.
а | б |
Рис. 12. Токопроводящий бронзовый зажим и его общее Rп: а - токопроводящий зажим; б - зависимость общего Rп от Rп двух контактных поверхностей: 1 - контактная поверхность I, 2 - контактная поверхность II, 3 - общее Rп; регламентируемое значение Rп, обозначено пунктиром (25 мкОм). | |
Используя ранее полученные результаты (глава 3), на контактных поверхностях бронзовых зажимах было сформировано медное покрытие с минимальным количеством дефектов. Исследованная микроструктура медного покрытия представлена вытянутыми кристаллитами, причем более мелкие находятся в нижней части покрытия шириной от 1,2 до 4,5 мкм и длиной от 4,2 до 15 мкм. В центральной и верхней частях слоя отдельные кристаллиты крупнее, в ширину от 5 до 13 мкм, в длину от 11 до 28 мкм. Примерно такая же картина наблюдается с распределением равноосных зерен в слое. Испытания показали, что медное покрытие на контактных поверхностях зажимов не может гарантировать стабильное и низкое значение Rп из-за образования на поверхности меди устойчивых окисных пленок.
Наиболее часто для контактов используют серебро, оксидная пленка которого легко разрушается при нагреве до 190С и имеет малую механическую прочность. В качестве материала для покрытия применяли сплав на основе серебра 70% серебра и 30% цинка (рис. 13). Данный сплав значительно дешевле серебра, а указанные свойства окисной пленки сохраняются. Структура серебряноцинкового покрытия представлена вытянутыми кристаллитами шириной от 0,5 до 1,2 мкм, длиной от 1,7 до 5,3 мкм и равноосными зернами от 0,6 до 2,2 мкм. Оптимальная шероховатость поверхности покрытия составляет 8,4-11 мкм. При этом твердость покрытия (Н20=584 МПа) меньше твердости контактного провода (Н20=800-850МПа), гибкого шлейфа и зажима, что позволяет обеспечить максимальную площадь контакта при номинальной величине затяжки зажима. Переходное электросопротивление зажимов с серебряноцинковым покрытием ниже переходного электросопротивления свежезачищенных зажимов без покрытия, в среднем на 24 %.
Рис. 13. Результаты термоциклирования при шероховатости поверхности покрытия 8,4-11 мкм: - момент затяжки 30 Нм, - момент затяжки 40 Нм (нормируемый).
В процессе эксплуатации переходное сопротивление зажимов с серебряным покрытием увеличивается на 1545 %, за счет образования окисных пленок, однако, даже после образования окисных пленок переходное сопротивление не превышает нормируемое значение.
При допустимой величине нагрева (900 С) Rп зажимов с серебряноцинковым покрытием снижается на 17-20%, что связано с разрушением окисных пленок на поверхности покрытия. Моделирование процесса термоциклирования (рис. 13), подтверждает возможность стабилизации значений Rп зажима. Тепловизионным контролем определено, что за время, равное прохождению электровоза по участку, температура нагрева зажима не превышает допустимых значений, что повышает надежность зажима, увеличивает срок его эксплуатации и снижает риск аварий на железной дороге.
Наряду с бронзовыми зажимами в электрической сети железнодорожного транспорта для соединения заземляющих проводников используются и стальные зажимы. По результатам ранее проведенных экспериментов наиболее эффективным способом увеличения количество точек контакта без изменения величины момент затяжки и конструкции зажима является формирование покрытия с заданной шероховатостью. В качестве анодов использовали сталь 10. Однако полученное покрытие увеличивает переходное электросопротивление, что объясняется формированием БС со структурой мелкоигольчатого мартенсита обладающего повышенным содержанием дефектов кристаллического строения. Для снижения значений переходного электросопротивления методом ЭИЛ формировали покрытия из меди и медносеребряного сплава (Cu - 89 %, Ag - 15 %, P - 4 %). Используя термическую активацию поверхности и оптимальный режим обработки, в покрытии была сформирована структура по первому механизму (глава 4). После проведения сравнительных испытаний в окислительной среде зажимы с медносеребрянным покрытием показали наилучшие характеристики.
Таким образом, используя известные преимущества и недостатки (шероховатость покрытий) метода ЭИЛ, наряду с формированием заданной структуры можно повысить надежность бронзовых и стальных зажимов в условиях эксплуатации.
Белые чугуны комплексно-легированные вольфрамом и хромом, использовались в качестве анодного материала для создания покрытий на деталях. Образцы с покрытиями исследовались на износостойкость, коррозионностойкость и окалиностойкость.
Износостойкость исследовалась на катодных материалах стали марки 45 с покрытием и без него, в состоянии поставки и после низкотемпературного отжига при 300-400 С (НТО) в течение двух часов. Покрытие, полученное составом 2 с добавками хрома в количестве 3,5 мас.%, при увеличение содержания вольфрама (по мас. %: 3,5; 7,0; 10,5; 14,0) не оказывает влияния на скорость износа (0,42 г/ч). Рост концентрации хрома (мас.%: 7,0; 10,5; 14,0; 21,0) и вольфрама (до 17,5 мас.%) способствует резкому снижению скорости изнашивания (0,28 г/ч при 21 мас.% Cr и 17,5 мас.% W). При высоком содержании вольфрама (21 мас.%) скорость износа покрытия резко возрастает (0,45 г/ч), так как выкрашивается карбид вольфрама. Следовательно, существует оптимальное соотношение ингредиентов (Cr и W) в комплексно-легированном анодном материале для достижения максимальной износостойкости покрытия. При НТО максимальная износостойкость наблюдалась при 3,5 мас.% W (0,19 г/ч). Повышение концентрации хрома и вольфрама до 21,0 мас.% приводит к снижению износостойкости покрытия (0,42 г/ч). Для сравнения испытывали покрытия, полученные твердым металлокерамическим сплавом марки ВК-6, скорость износа составляла 0,35 г/ч.
При отжиге подложки-катода и дополнительном катод - покрытие (двойной отжиг) скорость износа существенно снижается из - за структурных изменений в покрытии (превращение остаточного аустенита и мартенсита закалки в отпущенный мартенсит) и снятие внутренних напряжений в кристаллических решетках слоя и основы. Максимальная износостойкость покрытий из комплексно-легированного чугуна отмечается после двойного отжига. Оптимальные значения износостойкости получены при использовании состава 2 (при 3,5 мас.% Cr и 10,5 мас.% W - 0,18 г/ч; при 21,0 мас.% Cr и 17,5 мас.% W - 0,16 г/ч). Таким образом, показана целесообразность использования комплексно-легированного белого чугуна в качестве анодного материала для получения покрытий на среднеуглеродистых сталях для повышения их износостойкости.
Коррозионностойкость исследовали на катода из стали марки 45 (отожженное и закаленное состояние) и на чугунных образцах СЧ 15. Для сравнения использовали сталь марки 45 без покрытия в отожженном (6,910-3 г/ч) и закаленном (3,410-3 г/ч) состояниях и последующим НТО и чугун СЧ 15 без покрытия (4,910-3 г/ч), а также чугун состава 1 с 52,5 мас.% Cr (7,010-3 г/ч). Максимальная коррозионностойкость отожженных катодов получена при использовании анодного материала из доэвтектического чугуна с 17,5 мас.% Cr на установках I (1,310-3 г/ч) и 2 (2,110-3 г/ч). С увеличением содержания углерода скорость коррозии возрастает. Комплексное легирование анодного материала хромом и вольфрамом не приводит к повышению коррозионностойкости покрытий. В случае применения закаленных катодов с последующим НТО коррозионностойкость покрытий мало зависит от содержания углерода и хрома, а также от типа применяемых при ЭИЛ установок (2,3-2,510-4 г/ч). При использовании чугунного катода (СЧ 15) состав анодного материала (17,5 мас.% Cr) и тип установок влияют на коррозионностойкость покрытий примерно таким же образом, как и на отожженном катоде из стали марки 45 (для установки I - (2,0-2,9)10-4 г/ч и для установки II - (2,2-5,3)10-4 г/ч). В отличие от стальных катодов, на чугунах покрытия повышают коррозионностойкость при использовании электродных материалов следующих составов: состав 2 + 3,5 мас.% Cr + 3,5 мас.% W (1,110-3 г/ч для установки I); состав 2 + 3,5 мас.% Cr + 14,0 мас.% W (1,410-3 г/ч для установки I); состав 2 + 14,0 мас.% Cr + 3,5 мас.% W (1,910-3 г/ч для установки I).
Окалиностойкость покрытий, полученных при ЭИЛ на установках I и II, исследовалась при температуре нагрева 920 С и времени выдержки до 13 часов. Анализ кинетических параметров окисления (n - показатель степени параболической функции, энергия активации) показал, что в случае использования установки II удельный прирост массы (Δ m) и энергия активации (Q) окисления значительно больше, чем при использовании установки I. При этом величина показателя степени окисления (n = 1,25) выше, чем при использовании установки I. При повторном нагреве установленная закономерность сохраняется, но значения кинетических параметров значительно меньше, чем при первом нагреве. В качестве сравнения использовали покрытия полученные анодными материалами, содержащими технически чистый хром и твердый сплав марки ВК 6. Максимальная скорость окисления покрытия ВК 6 происходит в результате недостаточной адгезии слоя к основе. Покрытия на основе белых чугунов составов 1 Е3 с 17,5 мас.% W более окалиностойки и близки к покрытию из чистого хрома. Составы 1 с 52,5 мас.% Cr и 2 с 17,5 мас.% Cr имеют низкую окалиностойкость всвязи с малой толщиной покрытия. Максимальную окалиностойкость при первом нагреве показало покрытие, полученное с использованием анода на основе состава 2 с содержанием 21 мас. % Cr и 17,5 мас. % W. Повторный нагрев приводит к нарушению сплошности пленки, образовавшейся в результате первого нагрева, о чем свидетельствует характер кинетических зависимостей. Для устранения этих недостатков применено двухслойное покрытие, сначала чистым хромом, а затем электродом вышеуказанного состава, которое позволило снизить скорость окисления в условиях двух нагревов в два раза.
Как показали исследования для повышения окалиностойкости чугуна в катодном материале необходимо иметь феррито-графитную структуру (после полного графитизирующего отжига). В противном случае может произойти графитизация чугуна в катодном материале, вследствие чего его размер растет и наблюдается разрушение оксидной пленки, предохраняющей от дальнейшего окисления. Наиболее окалиностойкими являются многослойные покрытия, получаемые следующими анодными материалами: FeMn + Cr + состав 2 (по мас.%: 14 Cr; 21 W; 10 Al); FeMn + Cr + состав 3 (по мас.%: 21 Cr; 14 W; 10 Al); состав 2 (по мас.%: 14 Cr; 21 W; 17 Al). Скорость окисления многослойных покрытий, полученных анодными материалами 1-3 составляет соответственно 210 г/м2, 100 г/м2, 240 г/м2 после однократного нагрева при 920 С в течение 13 часов.
Таким образом, показана возможность повышения эксплутационных свойств покрытий с использованием анодов из комплексно-легированных белых чугунов.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Научные основы структурообразования металлов и сплавов при ЭИЛ позволяют получать покрытия с заданными свойствами при: предварительной активации поверхности катода и приработке анода; проведении процесса обработки в автоматизированном режиме реального времени с регулированием температуры анода и катода; контролируемом составе окружающей газовой среды; подборе анодного материала соответствующего состава структуры и свойств; финишной термической обработке.
2. Использование электродов из меди и ее сплавов в качестве модельных материалов для изучения структурообразования позволило установить два основных варианта микроструктурного строения слоя на катодах. При отсутствии дефектов (трещин и окисных пленок) слой состоит из столбчатых кристаллитов в нижней части и равноосных - в средней и верхней, а при наличии дефектов - из слоев столбчатых кристаллитов нормально ориентированных к поверхности и разделенных дефектами. Установлено, что при использовании электродов меди, бронз, стали и вольфрама слой на катоде формируется в результате многократного переноса материала между электродами, даже в условиях монотонного увеличения массы на катоде.
3. Разработанная методика выявления структуры БС железоуглеродистых сплавов посредством поочередного использования ряда травильных растворов позволила исследовать механизм его формирования. Установлено, что в условиях постепенного наращивания слоя на катоде, в нижней его части начинает формироваться, и расширяется с увеличением толщины слоя зона с высокой микротвердостью и коррозионной стойкостью (БС) в результате деформации от термоупругих напряжений, фазового наклепа и твердорастворного упрочнения атомами кислорода и азота.
4. Одновременная регистрация световой вспышки, акустического сигнала, электрических параметров и перемещения анода позволила установить продолжительность и стадии низковольтного электроискрового процесса, а сравнительный анализ основных факторов процесса по величине давления в материале катода показал, что основное влияние на увеличение твердости слоя оказывают деформации, обусловленные термоупругими напряжениями. Разработана методика контроля распределения температуры по длине анода термопарами непосредственно в процессе обработки, на основе предварительно установленных закономерностей полученных методом яркостной пирометрии.
5. Разработана технология получения новых анодных материалов из белых чугунов доэвтектического, эвтектического и заэвтектического составов методом отбора их расплавов в кварцевые трубки. Исследовано влияние добавок (мас.%: 3,5 - 21,0) легирующих элементов (Cr, W) как по отдельности, так и в комплексе на их структуру и свойства, а полученные ЭИЛ покрытия на стальных и чугунных изделиях позволяют повысить эксплуатационные свойства (окалиностойкость, износостойкость, коррозионостойкость). Максимальные значения эрозии и массопереноса, лучшие показатели эксплуатационных свойств и качества покрытий достигаются комплексным легированием (Cr + W) белых чугунов этектического и заэвтектического составов.
6. Исследование влияния исходного размера зерна в медных электродах на структуру и параметры ЗТВ и слоя показало, что наибольшая эрозия анода и наименьшие привес катода и толщина ЗО и ЗТВ отмечаются при использовании электродов с изометрической структурой (нагрев 800 С). При использовании стальных электродов с различной исходной структурой максимальный массоперенос и высокое качество поверхности обеспечивается электродами с закалочными структурами (троостит, мартенсит), использование других структур требует приработки.
7. Для уменьшения количества дефектов в покрытии и на границе с основой необходимо проведение термической активации поверхности катода посредством нагрева, например, высокоуглеродистые стали достаточно нагревать до 50 С, а низко- и среднеуглеродистые до 100 С, более высокие температуры нагрева резко уменьшают твердость слоя. Финишная термическая обработка с нагревом до температуры 100 С и выдержкой продолжительностью не менее 600 с. позволяет существенно повысить однородность микроструктурного строения слоя по сечению.
8. Исследования измененных электроискровым и дуговым воздействием структур медных контактных проводов и угольных вставок, позволили выявить механизм разрушения проводов контактной сети, заключающийся в возникновении локальной пластической деформации вследствие электроискрового или электродугового воздействия на провод. Полученные корреляционные зависимости между изменением структуры провода от искрового воздействия с одной стороны и коэффициентом затухания ультразвукового сигнала и механическими свойствами провода с другой, позволили разработать методику определения поврежденных мест.
9. Разработаны и внедрены: методика неразрушающего автоматизированного контроля ультразвуковым методом мест с измененной электротермическим воздействием структурой и остаточного ресурса контактных проводов, устройство и методика акустического контроля внутренней структуры материала контактного токопроводящего зажима и угольной вставки. Получены покрытия из меди и медносеребряного и серебряноцинкового сплавов на контактных и заземляющих зажимах, что позволяет снизить переходное электросопротивление и риск появления устойчивых окисных пленок в контактной области. Покрытия, полученные методом ЭИЛ на рабочей поверхности форсунок котлоагрегатов с применением анода из белого комплексно-легированного чугуна эвтектического состава, позволяющие увеличить жаро-износостойкость в два раза по сравнению с форсунками без покрытия.
Основные положения диссертации опубликованы в 75 работах, наиболее значимые из которых следующие:
1. Химухин, С.Н Ферровольфрам из Дальневосточного сырья / С.Н. Химухин, Ри Хосен, Е.В. Попова // Литейное производство. - 1997. - № 8Ц9 - С.а12.
2. Химухин, С.Н. Электродный материал из белых чугунов, легированных хромом /С.Н. Химухин // Вопросы материаловедения. - 2005. - № 4 (44). - С.а37Ц42.
3. Химухин, С.Н. Условия возникновения искрового процесса при низковольтной электроискровой обработке / С.Н. Химухин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 1. - С. 12Ц15.
4. Верхотуров, А.Д. Электродный материал из белых чугунов, легированных вольфрамом / А.Д. Верхотуров, С.Н. Химухин //Перспективные материалы. Ц2006. - № 5 - С. 49Ц53.
5. Верхотуров, А.Д. Белый чугун в качестве электродов для электроискровой обработки / А.Д. Верхотуров, Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин // Перспективные материалы. - 2005. - № 2. - С. 61Ц66.
6. Химухин, С.Н. Особенности структурообразования при электроискровой обработке меди / С.Н. Химухин, А.Д. Верхотуров, М.А. Теслина // Технология металлов. - 2007. - № 5. - С.14Ц17.
7. Теслина, М.А. Формирование эрозионных частиц при электроискровой обработке / М.А. Теслина, С.Н. Химухин, А.Д. Верхотуров // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 8. - С. 45Ц48.
8. Кондратьев, А.И. Влияние исходной структуры электродов на параметры процесса электроискрового легирования / А.И. Кондратьев, Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 6. - С.а2630.
9. Пячин, С.А. Установка для исследования электрических и оптических параметров импульсных искровых разрядов / С.А. Пячин, Б.Я. Маслов, С.Н. Химухин, М.А. Пугачевский / Измерительная техника. - 2003. - № 8. - С.а4346.
10. Кондратьев, А.И. Влияние термообработки на акустические характеристики материалов / А.И. Кондратьев, А.Н. Иванов, С.Н. Химухин // Дефектоскопия. - 2006. - № 3. - С. 28Ц36.
11. Кондратьев, А.И. Построение математической модели процесса электроискрового легирования. / А.И. Кондратьев, И.В. Кочетова, С.Н. Химухин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. - № 8. - С. 6Ц9.
12. Ли, В.Н. Механизмы разупрочнения и разрушения контактного провода / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, С.Н. Химухин, Е.В. Муромцева // Дефектоскопия. - 2003. - № 12. - С. 32Ц38.
13. Ли, В.Н. Контроль микроструктуры контактного провода акустическим методом / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, С.Н. Химухин, Е.В. Муромцева // Дефектоскопия. - 2003. - № 12. - С. 39Ц45.
14. Ли, В.Н. Построение математической модели нагрева контактного провода электрической дугой / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, И.В. Кочетова, С.Н.аХимухин // Контроль. Диагностика. - 2005. - № 8. - С. 16Ц18.
15. Ли, В.Н. Улучшение характеристик токопроводящих зажимов контактной сети / В.Н. Ли, С.Н. Химухин // Мир Транспорта. - 2005. - № 2. - С.а5256.
16. Ли, В.Н. О механизмах разрушения угольных вставок токоприемников / В.Н. Ли, С.Н. Химухин // Мир Транспорта. - 2005. - № 3. - С. 80Ц82.
17. Ли, В.Н. Разработка методов контроля угольных вставок токоприемников / В.Н. Ли, П.В. Костюк, С.Н. Химухин // Контроль. Диагностика. - 2006. - № 6 (96). - С.20Ц23.
18. Ли, В.Н. Диагностика токопроводящих зажимов контактной сети / В.Н. Ли, П.В. Костюк, А.И. Кондратьев, С.Н. Химухин // Контроль. Диагностика. - 2006. - № 5.ЦС.а2731.
19. Ли, В.Н. Неразрушающий контроль состояния контактного провода / В.Н. Ли, А.И. Кондратьев, Е.А. Титов, И.В. Игнатенко, С.Н. Химухин // Изв. вузов. Приборостроение. СПб: Изд-во Санкт-Петебургского гос. ун-та информ. технологий, механики и оптики, 2007. - № 9. Т. 50. - С.а6165.
20. Ли, В.Н. Улучшение токопроводящих свойств зажимов контактной сети / В.Н. Ли, И.В. Игнатенко, С.Н. Химухин, М.А. Теслина // Вестник Ростовского ГУПС. - 2008. - № 4.- С. 119 - 124.
21. Davydov, V.M. Improvement of coating quality obtained by electro spark alloying with nonabrasive ultrasonic finishing polishing/ V.M. Davydov, S.N. Khimukhin, E.A. Ledkov, A.V. Gil // 3-rd International conference on Manufacturing engineering. Kallithea of Chalkidiki, Grece, 1-3 October, 2008. C. 199-204.
22. Муромцева, Е.В. Влияние действительного зерна анодного материала на массоперенос при электроискровом легировании / Е.В. Муромцева, С.Н.аХимухин // Принципы и процессы создания неорганических материалов: материалы международного симпозиума (I Самсоновские чтения). Хабаровск: Дальнаука, 1998. - С. 101.
23. Химухин, С.Н. Некоторые закономерности искровой обработки электродными материалами из белых чугунов. Бюллетень научных сообщений / С.Н. Химухин, Е.Ф. Кабакова, Е.В. Муромцева // Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1999. - № 4. - 99 с.
24. Муромцева, Е.В. Использование белого чугуна в качестве электродного материала для электроискрового легирования. / Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин, Е.Ф. Кабакова, Хосен Ри // Вестник Амурского государственного университета. - 2000. - Вып. 9. С. 20Ц21.
25. Ри Хосен Технология выплавки ферровольфрама. Создание материалов и покрытий при комплексном использовании минерального сырья / Хосен Ри, С.Н.Химухин, Е.В. Попова, Е.В. Муромцева и др. - Владивосток: Дальнаука, 1998.
26. Маслов, Б.Я. Влияние энергии электроискрового импульса на размер следограммы / Б.Я. Маслов, С.Н. Химухин // Принципы и процессы создания неорганических материалов, материалы международного симпозиума (II Самсоновские чтения). Хабаровск: Дальнаука, 2000. - С. 215Ц216.
27. Маслов, Б.Я. Исследование условий возникновения искрового разряда при низковольтной электроискровой обработке / Б.Я. Маслов, Е.В. Муромцева, Н.Ф. Бомко, С.Н. Химухин // Вестник Амурского государственного университета. - 2001. - Вып. 11. С. 50Ц52.
28. Ли, В.Н. Использование диагностического комплекса на базе ВИКС для оценки состояния контактного провода / В.Н. Ли, Е.А. Титов, С.Н. Химухин // Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте: тр. 3-го междунар. симп. Eltrans 2005. - СПб.: Типография Сфера-Медиа Арт, 2005. - С. 101Ц102.
29. Кондратьев, А.И. Условия искрообразования и влияние структуры электродов на показатели процесса ЭИЛ / А.И. Кондратьев, Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин // Исследования Института материаловедения в области создания материалов и покрытий. - Владивосток: Дальнаука, 2001. - С. 231.
30. Кузьменко, А.П. Механизмы микроструктурирования при лазерной обработке / А.П. Кузьменко, С.Н. Химухин, Н.А. Кузьменко // Вестник ТОГУ, - 2007. - № 4 (7). - С. 123Ц134.
31. Titov, E.A. Investigation of loss of strength mechanisms and monitoring of contact wire characteristics / E.A. Titov, V.N. Li, S.N. Khimukhin, E.V. Muromtseva, M.A. Teslina // Modern materials and technologies 2007. Materials of international VIII Russia-China Symposium: two volumes / Khabarovsk: Pacific National University, 2007. - Vol. 2. аЦаP.а49Ц52.
32. Verhoturov A.D. About application of regularity of the self-organizing theory and following description of processes at electro spark alloying method / Verhoturov A.D., S.N. Khimukhin, Gill A.V. // Modern materials and technologies 2007. Materials of international VIII Russia-China Symposium: two volumes / Khabarovsk: Pacific National University, 2007. - Vol. 1. ЦаP.а49Ц52.
33. Ледков Е.А. Стабилизации электроискровой обработки / Е.А. Ледков, В.М. Давыдов, С.Н. Химухин и др. // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях. Материалы I международной научно-практической конференции Ч. 2. - / Курск: Изд-во КурГТУ, 2009. - С. 76 - 79.
34. Пат 2181646 РФ С2 7В23Н9/00 Электродный материал для электроискрового легирования / Е.В. Муромцева, С.Н. Химухин; (РФ); заявитель и патентообладатель ИМ ХНЦ ДВО РАН (RU). - 20001022392006108337, заявл. 28.01.00; опубл. 27.04.02. Бюл. № 12.Ц 3 с.: ил
35. Пат. 64568 РФ, U1 МПК B60M 1/12. Испытательный стенд для образцов токоподающего провода / В.Н. Ли, С.Н. Химухин, Е.А. Титов, И.В. Игнатенко (РФ); заявитель и патентообладатель ДВГУПС (RU). - № 2007107634; заявл. 28.02.07; опубл. 10.07.07. Бюл. № 19.Ц 3 с.: ил.
36. Пат. 64569 РФ, U1 МПК B60M 1/24. Зажим для соединения проводов контактной подвески / В. Н. Ли, С. Н. Химухин, М.а А.аТеслина, И. В. Игнатенко (РФ); заявитель и патентообладатель ДВГУПС (RU). - № 2007107639; заявл. 28.02.07; опубл. 10.07.07. Бюл. № 19.Ц 3 с.: ил.
37. Пат. 66512 РФ, U1 МПК G01B7/00 Цифровой генератор формирования импульсов / И.В. Кочетова, Б.Я. Маслов, С.Н. Химухин (РФ); заявитель и патентообладатель ТОГУ (RU). - 2006108337, заявл. 16.03.06; опубл. 10.09.07 г. Бюл. № 25.Ц 3 с.: ил
38. Пат. 2328362 РФ, С2 7В23Н9/01 Электродный материал для электроискрового легирования / Химухин С.Н., Муромцева Е.В. (РФ); заявитель и патентообладатель ДВГУПС (RU). - № 2008027634; заявл. 28.02.08; опубл. 10.06.08. Бюл. № 10.Ц 2 с.: ил.
36. Пат. 57447 РФ, U1 МПК G01B7/00 Устройство для подсчета количества искровых процессов при электроискровом легировании / Кочетова И.В. Химухин С.Н. (РФ); заявитель и патентообладатель ТОГУ (RU). - 2006117543, заявл. 22.05.06; опубл. 10.10.06 г. Бюл. № 23.Ц 4 с.: ил
37. Кочетова И.В., Химухин С.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008610770 Программа для оптимизации рабочих параметров электроискровых установок для получения покрытий с заданными свойствами / Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.02 2008 г.
39. Кочетова И.В., Химухин С.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611327 Программа для исследования электроискрового процесса на механизм формирования вторичных структур материалов/ Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17.03 2008 г.
40. Ли, В. Н. Неразрушающий контроль элементов контактной сети и токоприемников электроподвижного состава электрифицированных железных дорог: монография / В.Н.аЛи, С.Н.аХимухин. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - 266 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям