структура и химический состав покрытия, сформированного

Сборник научных трудов ЛТИ. Выпуск 5, 2011
55
4. Полуавтоматические линии на нижних складах / Д.К. Воевода, В.В. Назаров,
Ф.Е. Захаренков [и др.]. – М. : Лесн. пром-ть, 1979. – 104 с.
5. Коршунов, А.А. Сортировка пиловочных бревен / А.А. Коршунов. – М. : Лесн.
пром-ть, 1979. – 104 с.
6. Отлев, И.А. Технологические расчёты в производстве древесностружечных
плит / И.А. Отлев. – М. : Лесн. пром-ть, 1979. – 240 с.
7. Вальщиков, Н.М. Рубительные машины / Н.М. Вальщиков, Э.П. Лицман. – М. :
Лесн. пром-ть, 1980. – 96 с.
8. Гомонай, М.В. Многорезцовые рубительные машины / М.В. Гомонай. – М. :
Лесн. пром-ть, 1990. – 144 с.
9. Стерлин, Д.М. Сушка в производстве фанеры и древесностружечных плит /
Д.М. Стерлин. – М. : Лесн. пром-ть, 1977. – 384 с.
10. Акулов, А.П. Конструкции машин для получения высокодисперсных порошков / А.П. Акулов, В.П. Першин, К.К. Карандашов // Сб. науч. тр. ЛТИ
ТГАСУ ; гл. ред. Э.И. Удлер. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 2003. – 117 с.
11. Карасёв, Е.И. Оборудование предприятий для производства древесных плит /
Е.И. Карасёв, С.Д. Каменков ; под общ. ред. Е.И. Карасёва. – Изд. 2-е. – М. :
ГОУ ВПО МГУЛ, 2006. – 320 с.
УДК 621.793.79
Д.В. ЛЫЧАГИН, докт. физ.-мат. наук, профессор,
С.А. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, доцент,
А.В. ЧУМАЕВСКИЙ, аспирант
СТРУКТУРА И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
ПОКРЫТИЯ, СФОРМИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫМ МЕТОДОМ
Проведены исследования химического состава, внутренней структуры стали 45 с покрытием, нанесенным электровзрывным методом. Обнаружено, что
компоненты системы «покрытие – подложка» имеют низкое взаимное проникновение, граница покрытия и подложки является неравномерной, с большим
количеством мелких и крупных неровностей. Медное покрытие характеризуется довольно высокой пористостью, вблизи границы происходит измельчение
зерен пластинчатого перлита с образованием зернистого перлита.
В настоящее время существует большое количество различных
твердосмазочных покрытий, к которым относятся металлические по-
56
Д.В. Лычагин, С.А. Беляев, А.В. Чумаевский
крытия, покрытия на основе слоистых смазок, полимерные самосмазывающиеся материалы, спеченные самосмазывающиеся материалы,
комбинированные, композиционные материалы и т. д. [1]. Методы
нанесения покрытий подразделяются на газопламенные, гальванические, электролитические, плазменные и т. д. Напыление покрытий
с помощью электрического взрыва является одним из перспективных
методов создания материалов триботехнического назначения. Данный
метод основан на явлении распыления проводника под действием
прилагаемого к нему импульсного электрического тока килоамперного диапазона. Это явление положено в основу электровзрывной технологии получения ультрадисперсных порошков, известной еще с середины ХХ века и являющейся довольно перспективной в наши дни [2].
В настоящее время в литературе имеется мало публикаций, касающихся сведений о формировании структуры напыляемых покрытий
[3]. Целью данной работы является изучение структуры и химического состава покрытия, сформированного электровзрывным методом.
Электровзрывная обработка внутренней цилиндрической поверхности образцов проводилась при напряжении 4–4,2 кВ, ёмкости
батареи 2,4⋅10–3 Ф, энергии разряда 19,2–21,2 кДж. В качестве распыляемого объекта использовался проводник из меди M1 (Cu 99.9%) d=2
мм, в качестве подложки – углеродистая сталь 45 (С 0,42–0,5 %,
Si 0,17–0,37 %, Mn 0,5–0,8 %, Cr < 0,25 %) в состоянии поставки. Образец цилиндрической формы Dвнутр = 40 мм, L = 10 мм. Для исследований были подготовлены образцы в форме сегментов путем радиального разрезания исходного кольца. Шероховатость стальной подложки до напыления Rz = 0,87 мкм. Поверхность приготовленного шлифа
перед структурными исследованиями была протравлена раствором,
содержащим 4 % HNO3 и 96 % этилового спирта, для выявления зерен
стали. Определение химического состава покрытия и подложки и исследование их структуры проводили на растровом электронном микроскопе TESCAN VEGA II LMO, совмещенном с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) при ускоряющем напряжении 20 кВ. Микрозондовый анализ проводился путем построения
карты распределения элементов на выбранной области (рис. 3, 4).
Чувствительность прибора составляет 0,05 вес. %.
Структура и химический состав покрытия
57
Проведенные исследования показали, что исходная структура
стали на большой глубине практически не изменяется и представлена
пластинчатым перлитом и ферритом (рис. 1). Это свидетельствует
о поверхностном характере обработки и низкой глубине зоны термического влияния.
10 мкм
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение неизмененной феррито-перлитной структуры сердцевины подложки
Граница покрытия и подложки имеет неравномерную структуру
с большим количеством крупных и мелких неровностей, что обусловлено высокой скоростью и неравномерностью происходящих процессов (рис. 2). Наблюдается механическое перемешивание материалов
подложки и покрытия, вызванное предположительно перегревом поверхности подложки выше температуры плавления и резким охлаждением до твердого состояния (рис. 2, б). В ранее проведенном исследовании [3] было показано, что скорость распыляемых частиц меди,
58
Д.В. Лычагин, С.А. Беляев, А.В. Чумаевский
ударяющих в подложку, значительно превосходит скорость звука, что
может способствовать, наряду с температурой, образованию таких
крупных дефектов.
а
б
в
100 мкм
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение приграничной зоны покрытия и подложки в режиме отраженных электронов:
а – увеличенное изображение механического перемешивания компонентов; б – изображение пор в режиме вторичных электронов; в – место отбора детального МРСА
Пористость покрытия также представляется довольно высокой,
при большом увеличении наблюдается неоднородность строения пор
(рис. 2, а).
Структура и химический состав покрытия
59
На рис. 3 представлены карты распределения меди и железа при
увеличении в 667 крат, на рис. 4 – меди, железа и углерода при увеличении в 13300 крат.
а
200 мкм
б
в
Рис. 3. Снимок приграничной зоны в режиме вторичных электронов
(а), карты распределения элементов:
б – CuKα; в – FeKα
В ходе МРСА анализа выявлено низкое взаимное проникновение компонентов покрытия и подложки. Максимальная концентрация
углерода в подложке выявляется в зернах перлита (рис. 4, а, г), в покрытии концентрация углерода незначительна и в основном находится
60
Д.В. Лычагин, С.А. Беляев, А.В. Чумаевский
на уровне ошибки эксперимента. На снимке, представленном на
рис. 4, а, наблюдается измельчение пластинчатого перлита с образованием зернистого перлита, из чего можно сделать вывод о достаточно высокой температуре нагрева поверхности подложки в процессе
нанесения покрытия.
5 мкм
а
б
в
г
Рис. 4. Электронно-микроскопическое участка границы покрытия и подложки изображение в режиме вторичных электронов (а), карты
распределения элементов по участку:
б – FeKα; в – CuKα; г – CKα
Структура и химический состав покрытия
61
Данные, полученные в ходе МРСА, имеют скорее качественный,
чем количественный характер вследствие влияния на общую картину
углерода, определение которого представляется довольно затруднительным и требует дополнительных исследований. Также влияние на
данные оказывают различные примеси, такие как: марганец, кремний,
хром, сера, фосфор и т. д., содержание которых в сумме довольно существенно.
В результате электровзрывной обработки в системе «покрытие –
подложка» наблюдается низкая взаимная диффузия элементов вследствие оплавления подложки распыленными частицами. Неоднородность распределения покрытия на подложке является достаточно высокой из-за фазовых превращений, высокой скорости нагрева, охлаждения и соударения частиц распыленного проводника с материалом
основы. Вследствие неравномерности происходящих процессов установление физических закономерностей формирования покрытий данного вида представляется довольно затруднительным. Поэтому необходимо проведение дальнейших детальных исследований структуры,
фазового состава и свойств системы «медное покрытие – стальная
подложка», формирующейся при электровзрывной обработке.
Микроанализ был проведен в ЦКП «Аналитический центр геохимии природных систем» Томского государственного университета.
Нанесение покрытия выполнено в лаборатории электроимпульсного напыления Литовского университета сельского хозяйства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Витязь, П.А. Твердосмазочные покрытия в машиностроении / П.А. Витязь. –
Минск : Беларус. наука, 2007. – 170 с.
2. Анненков, Ю.М. Основы электротехнологий / Ю.М. Анненков. – Томск :
Изд-во ТПУ, 2005. – 208 с.
3. Selective transfer phenomenon in lubricated sliding surfaces with copper and its alloy coatings made by electro-pulse spraying Wear / J. Padgurskas, V. Snitka,
V. Jankauskas [etc.]. – 2006. – V. 260. – P. 652–661.