Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду
Наведено дані щодо дослідження впливу технологічних параметрів процесу обробки металевих поверхонь потужним імпульсним електричним розрядом на їх топографію, структурний стан і механічні характеристики сформованого покриття мозаїчного типу. The data on the influence of technological parameters of th...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36995 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду / М.В. Бобер, В.М. Волкогон, С.К. Аврамчук, Н.Г. Палагута, А.О. Скринька // Доп. НАН України. — 2011. — № 1. — С. 70-75. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860256747550146560 |
|---|---|
| author | Бобер, М.В. Волкогон, В.М. Аврамчук, С.К. Палагута, Н.Г. Скринька, А.О. |
| author_facet | Бобер, М.В. Волкогон, В.М. Аврамчук, С.К. Палагута, Н.Г. Скринька, А.О. |
| citation_txt | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду / М.В. Бобер, В.М. Волкогон, С.К. Аврамчук, Н.Г. Палагута, А.О. Скринька // Доп. НАН України. — 2011. — № 1. — С. 70-75. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Наведено дані щодо дослідження впливу технологічних параметрів процесу обробки металевих поверхонь потужним імпульсним електричним розрядом на їх топографію, структурний стан і механічні характеристики сформованого покриття мозаїчного типу.
The data on the influence of technological parameters of the processing of metal surfaces by a powerful pulse electrical discharge on their topography, the structural state, and the mechanical characteristics of a formed covering of the mosaic type are given.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:50:01Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
1 • 2011
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 669.01:621.9
© 2011
М. В. Бобер, В. М. Волкогон, С.К. Аврамчук, Н. Г. Палагута,
А.О. Скринька
Особливостi формування топографiї i структури
зносостiйких покриттiв мозаїчного типу дiєю
iмпульсного електричного розряду
(Представлено академiком НАН України С.О. Фiрстовим)
Наведено данi щодо дослiдження впливу технологiчних параметрiв процесу обробки ме-
талевих поверхонь потужним iмпульсним електричним розрядом на їх топографiю,
структурний стан i механiчнi характеристики сформованого покриття мозаїчного
типу.
Застосування зносостiйких покриттiв на поверхнях пар, що працюють в умовах фрикцiй-
ного контакту, наприклад, рейка — колесо, є одним з перспективних шляхiв пiдвищення
надiйностi та термiну їх експлуатацiї, при цьому механiчна мiцнiсть гарантується власти-
востями основи, а опiр дiї зовнiшнiх факторiв (зносу) досягається локальним формуванням
поверхневих шарiв з високими фiзико-механiчними характеристиками.
Покращення механiчних властивостей поверхонь можна здiйснити рiзними способами,
серед яких найбiльш ефективними є електрофiзичнi методи, що базуються на використаннi
висококонцентрованих потокiв енергiї, наприклад, дiї на поверхню iмпульсного електрич-
ного розряду [1].
В Iнститутi проблем матерiалознавства НАН України останнiм часом розроблюється
метод поверхневого змiцнення, який полягає в обробцi поверхнi iмпульсним електричним
розрядом великої потужностi з утворенням на нiй визначеної мозаїчної архiтектури покрит-
тя, що має дискретний характер [2]. При дискретному характерi розмiщення кратерiв вiд
дiї iскрового електричного розряду на змiцнюванiй поверхнi формується напружено-дефор-
мований її стан i рiвень залишкових напруг, який визначається топографiєю поверхнi, —
фрагментованiстю i параметрами дискретного шару [3]. Зносостiйкiсть змiцненої таким
способом поверхнi буде забезпечуватись структурою, яка є подiбною до антифрикцiйних
матерiалiв, побудованих за правилом Шарпi. Топографiя змiцнюваної поверхнi залежить
70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №1
вiд електричних параметрiв процесу електроiскрової обробки, технологiчних параметрiв,
вплив яких на її характер i структуру не вивчався.
Розрахунки, виконанi на основi аналiзу напружено-деформованого стану такого покрит-
тя на елементах фрикцiйної пари, дали можливiсть здiйснити їх проектування за принципом
його мiнiмiзацiї. Обгрунтовано вибiр таких конструктивних параметрiв покриттiв дискрет-
ного типу, як суцiльнiсть, розмiр дiлянки та її глибина з урахуванням фiзико-механiчних
характеристик з умови виключення когезiйного розтрiскування, мiнiмуму концентрацiї на-
пруг та обмеження допустимих напруг при стисканнi [4].
Згiдно з розрахунками за критерiєм мiнiмального напруженого стану покриття та експе-
риментальними даними дослiджень, оптимальною є його суцiльнiсть в межах ψопт = ψопт
кр =
= Sкр/S0 = 55–65% [5], при якiй має мiсце найменше значення концентрацiї напруг, де Sкр —
площа поверхнi з дискретними включеннями; S0 — загальна площа змiцнюваної поверхнi.
Крок включення a приймається з умови
a = ka
√
πD2
max
4Ψопт
.
Тут ka — коефiцiєнт; Dmax 6 Cn = −
1
k
ln
[
0,1 +
σост
n
εkpEn
(
1 +
Enhn
E0H0
)]
— максимальний при-
ведений розмiр дiлянки дискретного покриття, де Cn — максимально припустимий крок
трiщини в суцiльному покриттi; σзал
n
— нормальнi залишковi напруги в покриттi; εkp —
критична деформацiя основи, перевищення якої призводить до когезiйного розтрiскування;
E0, En — модулi пружностi матерiалу основи i покриття, вiдповiдно; H0, hn — товщина
основи i покриття, вiдповiдно.
Метою даної роботи є дослiдження впливу технологiчних режимiв процесу електроi-
скрової обробки металевих поверхонь на характер формування їх топографiї та структуру
поверхневого шару.
Методики експериментiв та дослiджень. Для дослiджень брали зразки рейкової
сталi марки М76 або М75, склад яких наведено в табл. 1.
Електроiскрову обробку поверхнi дослiджуваних зразкiв рейкової сталi проводили дис-
ковим електродом iз сталi 65Г, поєднаним з однофазним генератором постiйного струму
для видачi електричних iмпульсiв з частотою до 100 Гц i потужнiстю до 25 кВт, при цьому
щiльнiсть потоку досягала 105–106 А/см2, а температура в каналi розряду — (8 · 10)3 ◦С.
Пiд час зворотно-поступального руху електрода вздовж деталi генератор виробляв
електричнi iмпульси постiйної частоти, амплiтуди та протяжностi, при цьому щiльнiсть по-
криття поверхнi мозаїчним шаром регулювалася за рахунок змiни швидкостi перемiщення
електрода вiдносно змiцнюваної поверхнi.
Розмiр кратерiв, їх розташування та регулярнiсть вивчали за допомогою мiкроскопу
МБС-9 при 60-кратному збiльшеннi. На дiлянках однакового розмiру зразкiв встановлю-
вали загальну кiлькiсть кратерiв та їх розмiри i визначали суцiльнiсть покриття, розра-
Таблиця 1. Склад рейкової сталi марки М76 та М75
Тип рейки Марка сталi
Вмiст елементiв, %
Вуглець Марганець Кремнiй Фосфор Сiрка
Тв60 М76 0,71–0,82 0,75–1,05 0,18–0,40 6 0,035 6 0,040
Тв65 М75 0,67–0,80 0,70–1,00 0,13–0,28 6 0,040 6 0,040
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №1 71
Рис. 1. Зовнiшнiй вигляд поверхнi зразка пiсля обробки потужним електричним розрядом
ховану як вiдношення площi зразка, зайнятого кратерами Sкр, до дослiджуваної площi
поверхнi S0.
Мiкроструктуру зразкiв рейкової сталi, отриманої електроiмпульсною обробкою, ви-
вчали за допомогою металографiчного мiкроскопу МIМ-10 та електронного мiкроскопу
Jeol Т-20. Мiкротвердiсть зразкiв вимiрювали пiрамiдкою Вiккерса за допомогою приладу
ПМТ-3 при навантаженнi 1Н. Порiвняльнi випробування на знос зразкiв з рiзною суцiль-
нiстю покриття здiйснювали за методикою [6], визначаючи зменшення їх маси в процесi
тертя.
Обговорення одержаних результатiв. Характеристики дискретного покриття, сфор-
мованого на рейковiй сталi М76, загальний вигляд якого наведено на рис. 1, значною мiрою
залежать вiд технологiчних параметрiв процесу, про що свiдчать данi табл. 2.
На змiцненiй поверхнi зразкiв спостерiгаються свiтлi та темнi дiлянки, причому свiтлi
дiлянки являють собою верхнi шари матерiалу навколо кратера. Електронно-мiкроскопiчнi
та металографiчнi дослiдження поперечного розрiзу поверхневого шару, сформованого дiєю
iмпульсного електричного розряду, показали наявнiсть трьох зон — “бiлого шару” (рис. 2, а),
що не пiддається травленню i не виявляється металографiчним методом, пiд яким знахо-
диться безпористий шар товщиною 80 мкм, який складається з мартенситу та карбiдiв
(рис. 2, б ). Нижче розмiщується пластична перехiдна зона товщиною 35–40 мкм (рис. 2, в),
Таблиця 2. Вплив показникiв технологiчних параметрiв процесу формування дискретних покриттiв на їх
характеристики
Технологiчнi параметри процесу Характеристики дискретного покриття
Сила
струму I ,
А
Напруга U ,
В
Швидкiсть
перемiщення
деталi, м/с
Частота
iмпульсiв,
Гц
Дiаметр
дiлянки d,
мм
Глибина проникнення
матерiалу електроду h,
мм
Щiльнiсть
дискретних
дiлянок ψ, %
15–20 10–200 0,5–0,7 100 3–4 0,1–0,4 35–40
4–5 0,1–0,4
20–100 25–40 0,7–1,0 100 4–5 0,2–0,5 40–45
5–6 0,3–1,5
20–100 25–40 0,5–0,7 100 4–5 0,2–0,5 45–55
5–6 0,3–1,5
50–100 25–40 0,7–1,0 100 5–7 0,2–0,5 55–65
7–8 0,3–1,2
50–100 25–40 0,5–0,7 100 5–7 0,2–0,5 70–75
7–8 0,3–0,7
72 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №1
Рис. 2. РЕМ-зображення (а) та оптичне металографiчне зображення (б –г) мiкроструктури поверхнi зразка,
змiцненої дiєю електричного розряду: а — “бiлий шар”, що виникає на поверхнi внаслiдок дiї електричного
розряду; б — мiкроструктура верхнього шару поверхнi змiцненого зразка; в — мiкроструктура промiжного
шару поверхнi змiцненого зразка; г — мiкроструктура поверхнi змiцнюваного зразка
яка виникає за рахунок протiкання процесiв взаємної дифузiї матерiалу електрода. Її мiкро-
структуру представлено троститом з карбiдною сiткою. Мiкроструктура матерiалу основи
складається з фериту, перлiту та цементитної сiтки (рис. 2, г).
З наведених даних видно, що пiд дiєю електричного розряду спостерiгається помiтне
подрiбнення структури поверхневого шару, що, на думку авторiв [7], свiдчить про його
нагрiвання до температури алотропного перетворення крупнозернистого α-залiза в мiлко-
дисперсну γ-фазу, яка при подальшому швидкому охолодженнi знову переходить в α-залiзо
без змiни розмiру зерна. Високу швидкiсть охолодження, яка супроводжується значними
змiнами об’єму i, як наслiдок, виникненням значних внутрiшнiх залишкових напруг розтя-
гу, пiдтверджує наявнiсть трiщин втоми на “бiлому шарi” (рис. 2, а). Отриманi результати
свiдчать про те, що пiд дiєю електричного розряду формується мозаїчне покриття гра-
дiєнтного типу, топографiя якого впливає на формування напружено-деформованого стану
змiцнюваної поверхнi [3] i, як наслiдок, на рiвень механiчних властивостей.
Оскiльки одним iз факторiв, який iстотно впливає на зносостiйкiсть змiцненої поверхнi,
є її твердiсть, то мiкродюриметричному дослiдженню пiдлягали як поверхня “бiлого шару”
навколо кратера, так i шари змiненої структури самого кратера в поперечному розрiзi.
Твердiсть “бiлого шару” змiнюється, знижуючись у напрямку вiд периферiйної зони довкола
кратера до його кромки (за стрiлкою A, рис. 1), i має значення 8,3–6,2 ГПа. Мiкротвердiсть
наступного змiненого шару становила 574 МПа, перехiдної зони — 464 МПа, в той час як
основа має величину 254–274 МПа.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №1 73
Таблиця 3. Вплив суцiльностi покриття, сформованого iмпульсним електричним розрядом, на його зносо-
стiйкiсть
Характеристика
покриття
Суцiльнiсть, % Без
покриття35 45 55 65 75
Вiдносний знос 0,8 0,7 0,6 0,6 0,75 1,0
Результати випробувань зносостiйкостi зразкiв, змiцнених дiєю iмпульсного електрично-
го розряду, що мали рiзну суцiльнiсть покриття, наведено в табл. 3. Вони свiдчать про те,
що iснує оптимальне значення суцiльностi мозаїчного покриття, яке знаходиться в межах
55–65%, при якому забезпечується максимальне збiльшення зносостiйкостi.
Таким чином, проведеними дослiдженнями встановлено, що топографiя змiцнюваної
металевої поверхнi, яка формується пiд дiєю потужного iмпульсного електричного розря-
ду, залежить вiд технологiчних параметрiв процесу електроiскрової обробки. Оптимальної
суцiльностi покриття змiцнюваної поверхнi порядку 55–65 % можна досягти за рахунок пра-
вильного сполучення електричних параметрiв розряду (частота iмпульсiв, величина розря-
ду) i швидкостi взаємного перемiщення електрода вiдносно оброблюваної деталi. В проце-
сi електроiскрової обробки металевої поверхнi формується градiєнтна мiкроструктура, що
складається з трьох шарiв, якi вiдрiзняються загальним станом та властивостями, причому
її дисперснiсть i твердiсть зменшуються в напрямку вiд поверхнi до основи змiцнюваного
матерiалу, що, за даними практичних випробувань змiцнених трамвайних рейок [8], сприяє
пiдвищенню зносостiйкостi його поверхнi до 2,5–3 разiв.
Наявнiсть у поверхневому шарi легованих дiлянок, якi не руйнуються в процесi тертя,
перериває пластичну течiю поверхнi, що значною мiрою знижує схильнiсть поверхнi до зче-
плення. Збiльшення кiлькостi легованих дiлянок поверхнi фрикцiйного контакту пiдвищує
ефект опору руйнування, але до визначеної межi, пiсля якої спостерiгається вiдшарування
крупних частинок. При подальшому збiльшеннi суцiльностi покриття вiдбувається крихке
руйнування втоми, що дає пiдстави зробити висновок про переваги дискретного покриття
перед суцiльним.
1. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Электроискровая обработка токопроводящих материалов. – Москва:
Изд-во АН СССР, 1959. – 184 с.
2. Волкогон В.М., Аврамчук С.К., Стрелец Е. В. Формирование упрочняющих покрытий под дейст-
вием мощного электрического разряда // Матер. 5-й Междунар. науч.-техн. конф. “Инженерия по-
верхности и реновация изделий”. – Киев: АТМ Украины, 2005. – С. 48–51.
3. Волкогон В.М., Аврамчук С.К., Павличук Т. В. та iн. Визначення оптимальної топографiї робо-
чих поверхонь фрикцiйних пар тертя, змiцнених дiєю iмпульсного електричного розряду // Наук.
нотатки. – 2007. – Вип. 20 (2). – С. 23–29.
4. Волкогон В.М., Аврамчук С.К., Антонюк В.С. и др. Оптимизация плотности упрочняющих дискрет-
ных покрытий с учетом напряженно-деформированного состояния системы “включение – основа” //
Матер. Междунар. конф. “Современное материаловедение: достижения и проблемы”. – Киев, 2005. –
С. 584–585.
5. Волкогон В.М., Дiгам М.С., Антонюк В.С. та iн. Особливостi формування змiцнюючих покрит-
тiв на рейках та їх характеристики в умовах потужного електричного розряду // Зб. наук. статей
“Проблеми ресурсу i безпеки експлуатацiї конструкцiй, споруд та машин”. – Київ, 2006. – С. 454–457.
6. Крагельский И.В. Трение и износ. – Москва: Машгиз, 1962. – 383 с.
7. Грозин Б.Д., Нижник С.Б. Фазовые и структурные изменения в углеродистой стали при импульсном
воздействии высоких температур и давлений // Физика металлов и металловедение. – 1961. – 12,
№ 1. – С. 84–90.
74 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №1
8. Волкогон В.М., Аврамчук С.К., Павличук Т. В., Бобер М.В. Особенности и эффективность упроч-
нения рельс действием мощного импульсного электрического разряда // Сб. науч. тр. Междунар.
науч. конф. “Актуальные проблемы физики твердого тела”. – Минск: Объед. ин-т физики твердого
тела и полупроводников НАН Беларуси. – 2007. – Т. 3. – С. 422–425.
Надiйшло до редакцiї 23.06.2010Iнститут проблем матерiалознавства
iм. I.М. Францевича НАН України, Київ
M.W. Bober, V. M. Volkogon, S.K. Avramchuk, N.G. Palaguta,
A.O. Skrynka
Specific features of the formation of a topography and a structure of
antiwear coverings of the mosaic type by the action of electric pulses
The data on the influence of technological parameters of the processing of metal surfaces by a
powerful pulse electrical discharge on their topography, the structural state, and the mechanical
characteristics of a formed covering of the mosaic type are given.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №1 75
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-36995 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:50:01Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бобер, М.В. Волкогон, В.М. Аврамчук, С.К. Палагута, Н.Г. Скринька, А.О. 2012-08-29T15:32:55Z 2012-08-29T15:32:55Z 2011 Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду / М.В. Бобер, В.М. Волкогон, С.К. Аврамчук, Н.Г. Палагута, А.О. Скринька // Доп. НАН України. — 2011. — № 1. — С. 70-75. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36995 669.01:621.9 Наведено дані щодо дослідження впливу технологічних параметрів процесу обробки металевих поверхонь потужним імпульсним електричним розрядом на їх топографію, структурний стан і механічні характеристики сформованого покриття мозаїчного типу. The data on the influence of technological parameters of the processing of metal surfaces by a powerful pulse electrical discharge on their topography, the structural state, and the mechanical characteristics of a formed covering of the mosaic type are given. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Матеріалознавство Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду Specific features of the formation of a topography and a structure of antiwear coverings of the mosaic type by the action of electric pulses Article published earlier |
| spellingShingle | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду Бобер, М.В. Волкогон, В.М. Аврамчук, С.К. Палагута, Н.Г. Скринька, А.О. Матеріалознавство |
| title | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду |
| title_alt | Specific features of the formation of a topography and a structure of antiwear coverings of the mosaic type by the action of electric pulses |
| title_full | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду |
| title_fullStr | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду |
| title_full_unstemmed | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду |
| title_short | Особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду |
| title_sort | особливості формування топографії і структури зносостійких покриттів мозаїчного типу дією імпульсного електричного розряду |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36995 |
| work_keys_str_mv | AT bobermv osoblivostíformuvannâtopografííístrukturiznosostíikihpokrittívmozaíčnogotipudíêûímpulʹsnogoelektričnogorozrâdu AT volkogonvm osoblivostíformuvannâtopografííístrukturiznosostíikihpokrittívmozaíčnogotipudíêûímpulʹsnogoelektričnogorozrâdu AT avramčuksk osoblivostíformuvannâtopografííístrukturiznosostíikihpokrittívmozaíčnogotipudíêûímpulʹsnogoelektričnogorozrâdu AT palagutang osoblivostíformuvannâtopografííístrukturiznosostíikihpokrittívmozaíčnogotipudíêûímpulʹsnogoelektričnogorozrâdu AT skrinʹkaao osoblivostíformuvannâtopografííístrukturiznosostíikihpokrittívmozaíčnogotipudíêûímpulʹsnogoelektričnogorozrâdu AT bobermv specificfeaturesoftheformationofatopographyandastructureofantiwearcoveringsofthemosaictypebytheactionofelectricpulses AT volkogonvm specificfeaturesoftheformationofatopographyandastructureofantiwearcoveringsofthemosaictypebytheactionofelectricpulses AT avramčuksk specificfeaturesoftheformationofatopographyandastructureofantiwearcoveringsofthemosaictypebytheactionofelectricpulses AT palagutang specificfeaturesoftheformationofatopographyandastructureofantiwearcoveringsofthemosaictypebytheactionofelectricpulses AT skrinʹkaao specificfeaturesoftheformationofatopographyandastructureofantiwearcoveringsofthemosaictypebytheactionofelectricpulses |