Full Text

Введение Самые распространенные материалы электродов для электроэрозионной обработки (ЭЭО) изготавливают на основе меди. Однако анализ литературы показывает, что износостойкость композиционных материалов для электродов-инструментов (ЭИ) недостаточно высока, а механизмы износа и улучшения износостойкости материалов для электроэрозионной обработки практически не изучены. Поскольку условия работы электродов-инструментов для прошивки весьма сходны с условиями работы электрических контактов, большинство закономерностей формирования структуры и механизмов работы электроконтактных материалов могут быть применимы для электродов-инструментов при электроэрозионной обработке. Наиболее предпочтительными считают композиционные материалы, содержащие смесь электропроводной и тугоплавкой фаз. При расплавлении такой системы жидкий металлический сплав удерживается в капиллярной пористой системе тугоплавкого каркаса с помощью сил поверхностного натяжения Лапласа. Тугоплавкая фаза должна быть механически прочной, а ее электропроводность не имеет значения; легкоплавкая фаза должна смачивать тугоплавкую фазу; тугоплавкая и легкоплавкая фазы не должны взаимодействовать между собой [1]. При кристаллизации композиционного материала (КМ) легкоплавкая фаза кристаллизуется на поверхностях зерен тугоплавкой фазы. Известными составами материалов для электроконтактов и ЭИ, получаемых из порошков, являются системы на основе меди или серебра с добавлением W, Mo, C, Ni, WC, Zr2O3, TiO2, CdO, ZnO, SnO, Al2O3 и др. [2-4]. Таким образом, улучшение эксплуатационных свойств электродов может быть выполнено при добавлении тугоплавких фаз. Исходя из этого цель работы - исследование микроструктуры и свойств электродов-инструментов из порошковых композиционных материалов для электроэрозионной обработки на основе меди, содержащих карбид, карбонитрид, карбосилицид титана. Методика эксперимента Электроды были изготовлены методом порошковой металлургии из порошков меди ПМС-1 (ГОСТ 49-60-75) и порошков тугоплавких фаз: карбида титана углетермического (ТУ 6-09-492-75), карбонитрида титана КНТ-20-80 (ТУ МИХМ-2009), ВК-8 (8 % кобальта и 92 % карбида вольфрама) (ГОСТ 3882-74), карбосилицида титана (синтезированного Институтом химии КомиНЦ УрО РАН реакционным спеканием) [5]. Порошки металла и тугоплавких соединений смешивали в смесителе, затем из смесей прессовали электроды в виде параллелепипедов, далее спрессованные образцы спекали в вакуумной печи с промежуточными допрессовками и окончательно спекали в вакуумной печи при температуре (1070 ± 10) °С 2 ч. Микроструктуру композиционных материалов после спекания изучали на полированных и травленых шлифах, а также в изломах при помощи оптического микроскопа AXIOVERT 40 MAT при увеличении 50-500 и электронного сканирующего микроскопа Tescan Vega 3 SEM, оснащенного энергодисперсионным спектрометром X-Max 50. Содержание углерода в композиционных материалах определяли с соответствии с ГОСТ 12344-88 на приборе «АУС-8144». Фазовый состав исследовали рентгенофазовым анализом с использованием дифрактомета XRD-6000 Shimadzu в KαCu-излучении. Расшифровку дифрактограмм выполняли по справочным таблицам [6]. Плотность композиционных материалов измеряли по ГОСТ 18898-89. Электросопротивление определяли на миллиомметре GOM-802. Твердость спеченных КМ измеряли с помощью пресса Бринелля в соответствии с ГОСТ 9012-59. Изучение прочностных характеристик образцов без нанесения трещины на трехточечный изгиб производили на машине FP 10/1 по ГОСТ 18227-85. Эксплуатационные свойства ЭИ испытывали на станке Electronica Smart CNC при электроэрозионной прошивке стали Х12Ф с использованием масла EDM Oil - IPOL SEO 450 в качестве рабочей жидкости. Шероховатость обработанной поверхности измеряли с помощью профилометра Mahr Perthometer S2 по ГОСТ 2789-73. Производительность ЭИ при ЭЭО вычисляли по отношению времени работы инструмента к объему выработанного материала (мм3/мин). Относительный износ электрода рассчитывали по отношению глубины отверстия в стали к линейному износу электрода [4]. Результаты и обсуждение Данные рентгенофазового анализа показали в составе композиционных материалов, содержащих карбид или карбонитрид титана, медь и соответствующее соединение титана, что свидетельствует об отсутствии взаимодействия в системах при спекании. В составе композиционного материала с карбосилицидом титана обнаружены фазы меди, карбосилицид титана Ti3SiC2, силициды титана Ti5Si3 и TiSi2, карбиды титана и кремния TiC и SiC соответственно, что не противоречит данным работ [6-8] и согласуется с данными исследований [9, 10] о частичном разложении карбосилицида титана. В структуре спеченных КМ различимы медная матрица и керамические тугоплавкие частицы (рис. 1). После спекания количество углерода в материалах, содержащих карбид и карбонитрид титана, не изменилось, а в материалах, содержащих карбосилицид титана, понизилось на 5 % по сравнению с исходным (табл. 1). а б в Рис. 1. Микроструктура спеченных порошковых композиционных материалов на основе меди, содержащих 37,5 об. %: а - карбонитрида титана; б - карбосилицида титана; в - карбида титана В спеченных КМ на основе меди, содержащих карбонитрид титана, микротвердость основы (меди) практически не зависела от количества тугоплавкой добавки (см. табл. 1) ввиду отсутствия взаимодействия меди с керамическими частицами. Микротвердость медной основы в материалах, содержащих карбид титана, возрастала при снижении концентрации карбида титана (см. табл. 1). Микротвердость медной основы в материалах, содержащих карбосилицид титана, была значительно более высокой, чем в псевдосплавах с карбидом и карбонитридом титана, но от концентрации карбосилицида титана не зависела. Наблюдалась более высокая микротвердость частиц карбосилицида в материалах с более высокой его концентрацией. Таблица 1 Содержание углерода и микротвердость КМ после спекания Концентрация тугоплавкой фазы, об. % Концентрация углерода, мас. % HV, МПа 12,5 TiCN 1,02 970 ± 50 25 TiCN 2,15 940 ± 40 37,5 TiCN 940 ±40 12,5 Ti3SiC2 0,67 1070 ± 50 (медь) 4870 ± 100 (Ti3SiC2) 37,5 Ti3SiC2 2,4 1070 ± 40 (медь) 5850 ± 100 (Ti3SiC2) 12,5 TiC 1,25 1340 ± 55 25 TiC 2,6 1110 ± 50 37,5 TiC 4,35 1010 ± 40 Исследования материалов, содержащих соединения титана, были проведены в сравнении с известными составами медь - карбид вольфрама. Пористость спеченных КМ увеличивалась с увеличением доли тугоплавких частиц, так как количество металлических контактов при спекании уменьшалось, поэтому в системах, содержащих карбиды вольфрама, титана и карбонитрид титана, не взаимодействующих с медью, пористость была достаточно высокой [11], а наименьшую пористость наблюдали в материалах, содержащих карбосилицид титана, отличающихся физическим и химическим взаимодействием (табл. 2). Таблица 2 Физико-механические свойства КМ Концентрация тугоплавкой фазы, об. % Пористость после спекания, % Твердость НВ, МПа Предел прочности на изгиб, МПа 12,5 TiC 6 590 ± 20 150 ± 30 25 TiC 8 650 ± 20 150 ± 30 37,5 TiC 14 650 ± 20 160 ± 30 12,5 Ti3SiC2 3 620 ± 20 250 ± 20 37,5 Ti3SiC2 6 750 ± 30 300 ± 30 Окончание табл. 2 Концентрация тугоплавкой фазы, об. % Пористость после спекания, % Твердость НВ, МПа Предел прочности на изгиб, МПа 12,5 TiCN 12 650 ± 20 Не опр. 25 TiCN 13 790 ± 30 150 ± 30 37,5 TiCN 14 Не опр. 110 ± 10 12,5 WC 11 Не опр. Не опр. 25 WC 13 770 ± 40 250 ± 20 37,5 WC 22 880 ± 60 300 ± 30 В соответствии с правилом аддитивности свойств КМ повышение содержания керамических фаз, обладающих высоким удельным электросопротивлением, а также пористостью, привели к повышению удельного электросопротивления композиционного материала (рис. 2). Рис. 2. Удельное электросопротивление композиционных материалов на основе меди, содержащих карбосилицид титана, карбонитрид титана, карбид титана, карбид вольфрама В материалах с карбидами вольфрама и титана, а также с карбонитридом титана электросопротивление было меньше, чем в материалах с карбосилицидом титана, и при увеличении количества тугоплавкой добавки изменялось незначительно, так как в этих системах не было взаимодействия тугоплавких частиц с медью и рост электросопротивления был обусловлен только сокращением количества меди в композиционном материале. В системе, где имеется химическое взаимодействие керамических частиц карбосилицида титана с медью, образование твердых растворов и неэлектропроводных фаз также оказало влияние на увеличение значения электросопротивления КМ, что согласуется с данными работы [11]. Твердость спеченных КМ увеличивалась пропорционально увеличению твердости и концентрации тугоплавких и твердых керамических частиц (см. табл. 2), особенно в КМ, содержащих карбосилицид титана и карбид вольфрама. Поскольку в системах медь - карбид вольфрама и медь - карбосилицид титана есть смачивание [12], а во второй системе имеет место образование твердых растворов и инфильтрация [10, 12-14], то прочность на изгиб этих материалов была наиболее высокой (см. табл. 2). В системах на основе меди с карбидом и карбонитридом титана нет взаимодействия на межфазной границе [12], поэтому здесь была высокая пористость и низкая прочность на изгиб (см. табл. 2). Относительный износ разработанных электродов из КМ, по сравнению с относительным износом ЭИ из чистой меди марки М1, был меньше при обоих режимах прошивки (характеристики режимов представлены в табл. 3) (рис. 3, а, б). Таблица 3 Режимы ЭЭО Параметры Режим Е81 Режим Е92 Напряжение, В 50 50 Сила тока, А 15 20 Скважность 1,32 1,82 Частота, Гц 10 6,67 Хотя тенденции изнашивания ЭИ на обоих режимах одинаковы, по абсолютному значению износ больше на более грубом режиме Е92. Износ электродов в системе с карбидом вольфрама при увеличении его концентрации в меди от 12,5 до 25 % уменьшался на обоих режимах ЭЭО (см. рис. 3), так как в этой системе формируется каркас из тугоплавких частиц, который смачивается расплавленной медью и удерживает ее с помощью капиллярного взаимодействия [13]; повышение концентрации частиц твердой фазы приводит к образованию более мелких капилляров с высокими значениями удельной поверхности тугоплавкого каркаса и сил поверхностного натяжения. В системах с карбидом и карбонитридом титана, наоборот, относительный износ электродов на обоих режимах ЭЭО увеличивался с повышением их концентрации (см. рис. 3, а, б), так как поверхности этих тугоплавких фаз не смачиваются расплавленной медью [12]. Однако в КМ, содержащих малые количества частиц карбида или карбонитрида титана (12,5 об. %), относительный износ ЭИ был в два раза меньше, чем у чистой меди, что связано с наличием центров кристаллизации жидкой меди на частицах керамики. а б Рис. 3. Относительный износ электродов систем медь - соединение титана в зависимости от содержания тугоплавкой фазы: а - режим Е81; б - режим Е92 Хорошие эксплуатационные свойства установлены у ЭИ, содержащих Ti3SiC2, на обоих режимах испытаний. Относительный износ данных составов был меньше, чем у ЭИ из меди, особенно на режиме Е81 (см. рис. 3). Улучшение свойств обеспечивалось за счет низкой пористости электрода, а также слоистой наноструктуры карбосилицида титана, служащей капиллярами для удержания расплавленной меди. Кроме того, меньший износ может быть связан с высокими свойствами проводимости карбосилицида при высоких температурах в процессе ЭЭО. Производительность обработки ЭИ с карбосилицидом титана была значительно ниже, чем медных. Производительность ЭИ, содержащих невысокие концентрации керамических тугоплавких частиц, была сопоставима с производительностью из чистой меди (составы с карбидом и карбонитридом титана) (табл. 4). Таблица 4 Точность обработки, шероховатость поверхности, производительность электродов на основе меди при электроэрозионной прошивке стали Х12Ф Количество тугоплавкой добавки к меди, об. % Отклонение на сторону, мкм Ra, мкм Производительность, мм3/мин Е81 Е92 12,5 TiC 0,3-0,2 12 45 37,7 25 TiC Не опр. Не опр. 33 Не опр. 37,5 TiC Не опр. Не опр. 11 12,3 12,5 TiCN 0,1-0,15 16,5 32 48 25 TiCN 0,1-0,15 15,5 28 14 37,5 TiCN 0,1-0,2 11,5 12 10 12 Ti3 SiC2 Не опр. Не опр. 18 11 25 Ti3 SiC2 0,1-0,1 5 Не опр. Не опр. 37,5 Ti3 SiC2 Не опр. Не опр. 6 8 12,5 WC 0,1-0,15 15 Не опр. Не опр. 25 WC 0,2-0,5 11,5 Не опр. Не опр. Без добавок 0,15-0,15 14 34,7 49,7 Точность обработки (отклонение на сторону) и шероховатость обработанных поверхностей при прошивке инструментальной стали Х12Ф на режиме Е81 была не хуже, чем при ЭЭО медным электродом, более высокая точность достигалась на составах с карбонитридом титана и карбосилицидом титана (см. табл. 4). Наименьший параметр шероховатости поверхности Ra отверстия был после обработки ЭИ, содержащим карбосилицид титана (см. табл. 4). Известно, что точность обработки напрямую зависит от высокой износостойкости электродов, поэтому достаточным комплексом эксплуатационных свойств обладают составы ЭИ, содержащие карбосилицид титана. Разработанные электроды системы медь - карбид титана были испытаны при прошивке титанового сплава (табл. 5). Таблица 5 Производительность и относительный износ электродов при электроэрозионной прошивке сплава ВТ5 Состав электрода Производительность, мм3/мин Относительный износ, % Cu + 12,5 об. % TiC 1,8 66 Медь М1 1,5 100 Износ ЭИ из КМ был значительно выше, чем при прошивке стали, что является характерным для ЭЭО титана, однако меньше, чем износ электрода из меди при сопоставимых показателях производительности обработки Заключение На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. При спекании систем медь - карбид титана и медь - карбонитрид титана химического взаимодействия между фазами не обнаружено, в системе медь - крабосилицид титана наблюдали диссоциацию карбосилицида титана с образованием твердых растворов кремния в меди. 2. Пористость была наименьшей в системе медь - крабосилицид титана благодаря химическому взаимодействию с медью по этой же причине, однако и электросопротивление было самым высоким среди разработанных КМ; в системах с карбидом и карбонитридом титана с увеличением доли тугоплавкой фазы увеличивалась пористость, электросопротивление в этих системах было меньше, чем в известной системе медь - карбид вольфрама. 3. Прочность на изгиб была в два раза выше в системах с карбосилицидом титана по сравнению с карбидом и карбонитридом титана. 4. Установлено, что системы на основе меди, содержащие карбид титана, карбонитрид титана и карбосилицид титана, обладают лучшей износостойкостью при прошивке инструментальной стали на черновых режимах, чем чистая медь и материал медь - карбид вольфрама. Точность обработки материалом медь - карбосилицид титана была выше, чем при обработке чистой медью и другими исследованными материалами.

About the authors

N. D Ogleznev

Perman National Research Polytechnic University

S. A Oglezneva

Perman National Research Polytechnic University

L. M Grevnov

Perman National Research Polytechnic University

T. R Ablyaz

Perman National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.