Full Text

Введение Электроэрозионная обработка (ЭЭО) основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала в основном под тепловым воздействием импульсов электрической энергии. Следующие друг за другом импульсные разряды производят выплавление и испарение микропорции материала; частицы расплавленного материала выбрасываются из зоны обработки развивающимся в канале разряда давлением, и электрод-инструмент (ЭИ) получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь. Электрод-инструмент должен изготовляться из эрозионностойкого материала, обеспечивать стабильную работу во всем диапазоне рабочих режимов ЭЭО и максимальную производительность, имея малый износ [1]. Разработка новых технологических процессов создания эрозионностойких материалов, обладающих низкой стоимостью и высокой износостойкостью, является весьма важной задачей и имеет большое экономическое значение, так как эрозионный износ электродов-инструментов может быть в 10-100 раз выше, чем объем снятого с детали металла, что значительно снижает эффективность или делает даже нецелесообразным применение метода электроэрозионной обработки [2]. Наиболее предпочтительными для удовлетворения требований к ЭИ являются композиционные материалы типа псевдосплавов. При переходе в такой гетерогенной структуре одной из фаз в жидкое состояние она силами поверхностного натяжения удерживается в порах тугоплавкой фазы, образующей капилляры [3]. В настоящее время разработаны композиционные материалы на основе меди с дисперсными добавками окислов, боридов, нитридов и бора, позволяющие улучшить эксплуатационные свойства электрода-инструмента [4]. При увеличении доли тугоплавкой составляющей повышается твердость и эрозионная стойкость электрода, но ухудшается электро- и теплопроводность, поэтому оптимизация состава материала может быть связана с повышением электропроводности тугоплавкой фазы. Перспективной тугоплавкой добавкой может быть карбосилицид титана Ti3SiC2 благодаря слоистой структуре и удельному электросопротивлению, не зависящему от температуры, как у большинства карбидов [5]. Карбосилицид титана Ti3SiC2 относится к семейству тернарных соединений со слоистой структурой с общей формулой MN+1AXN, где N = 1, 2 или 3; М - легкий переходный металл; А - элемент главной подгруппы (в большинстве случаев IIIA и IVA), а Х - углерод или азот. Плотноупакованные слои атомов титана чередуются со слоями атомов кремния, а атомы углерода занимают октаэдрические междоузлия между атомами титана. Более крупные, чем углеродные, атомы кремния располагаются в более просторных треугольных призмах. Соединения MN+1AXN относятся к новому классу твердых веществ наноструктурных слоистых материалов [6, 7]. Связи титан - углерод обладают исключительной прочностью, так как являются преимущественно металлическими, с ковалентными и ионными составляющими. Связи титан - кремний слабы, что обусловливает высокую подвижность плотноупакованных слоев титана, включающих атомы углерода, и позволяет производить сдвиг слоев в базальной плоскости без макроскопического разрушения материала [6]. Теплопроводность карбосилицида титана с повышением температуры почти не изменяется в отличие, например, от карбида титана. Высокая теплопроводность Ti3SiC2 обусловлена его хорошей электрической проводимостью; его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет 0,21-0,227 мкОм·м. Как и для металлов, удельное сопротивление линейно падает с понижением температуры [5]. Удельное сопротивление Ti3SiC2 ниже, чем у титана, и значительно ниже, чем у большинства керамических материалов [8]. Замечательной особенностью карбосилицида титана является независимость его удельного электросопротивления от температуры, как у большинства карбидов[4]. Цель работы - изучение формирования структуры в композиционном порошковом материале медь - карбосилицид титана и исследование эрозионной износостойкости электрода-инструмента из этого материала при электроэрозионной прошивке металлических сплавов. Методика эксперимента Для изготовления электродов из композиционных материалов использованы порошки электролитической меди ПМС-1 (ГОСТ 49-60-75) и карбосилицида титана, полученного методом реакционного спекания. Порошки смешивали в течение 4 ч. Из смесей прессовали образцы при давлении 600 МПа, затем образцы отжигали в вакуумной печи при температуре 700 °С и проводили повторное прессование при 600 МПа. Прессовки окончательно спекали в вакуумной печи при температуре (1070 ± 10) °С 2 ч. Композиционные материалы получали также методом инфильтрации прессовки карбосилицида титана медью при температуре 1200 °С. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре Shimadzu-XRD 6000 в CuКα-излучении. Идентификация фазового состава была выполнена по картотеке Международного центра дифрактометрических измерений. Электронно-микроскопические исследования проводили на растровом электронном микроскопе Tescan Vega3 Sem. Плотность композиционных материалов определяли по стандартной методике (ГОСТ 18898-89). Электросопротивление измеряли на цифровом программируемом миллиомметре GOM-802 на образцах размерами 6 ´ 6 ´ 50 мм. Испытания эксплуатационных свойств электродов проводили при электроэрозионной прошивке листа стали Х12Ф толщиной 5,5 мм с твердостью 58 HRC на станке Electronica Smart CNC на черновых режимах обработки Е81 (длительность импульса 100 мкс, пауза 32 мкс, сила тока 15А) и Е93 (длительность импульса 150 мкс, пауза 32 мкс, сила тока 20А). В качестве рабочей жидкости использовалось масло EDM Oil - IPOL SEO 450. Относительный износ электрода определяли по отношению глубины прошитого в стали отверстия к линейному износу электрода [9]. Результаты и обсуждение На дифрактограмме порошка карбосилицида титана (рис. 1, а), обнаружены рефлексы отражений практически от всех идентифицированных плоскостей [10] (табл. 1). На дифрактограмме композиционного материала, кроме меди, присутствуют рефлексы фаз, идентифицированных по работам[5] [10, 11] как Ti3SiC2, Ti5Si3, TiC, SiC, TiSi2 (рис. 1, б, табл. 2), что свидетельствует о частичном разложении карбосилицида и согласуется с данными исследованиями [12]. Межплоскостные расстояния в карбосилициде титана уменьшились. Поскольку карбосилицид имеет слоистое строение с расположением плоскостей Si между плоскостями TiC, то, учитывая слабую связь кремния с титаном, вероятно деинтеркалирование Si из слоев решетки карбосилицида [12, 13]. Межплоскостные расстояния меди немного увеличены, и микротвердость медной матрицы выше, чем чистой меди, что может быть следствием образования твердых растворов кремния в меди (табл. 3). Содержание углерода после спекания уменьшилось примерно на 5 % по сравнению с исходным. Рис. 1. Штрих-дифрактограммы Ti3SiC2 и спеченного порошкового материала медь - 37,5 об. % Ti3SiC2 Таблица 1 Межплоскостные расстояния порошка Ti3SiC2 Угол 2θ, ° Межплоскостные расстояния, нм Интенсивность, % Фаза (hkl) 30,080 0,2975 13 Ti3SiC2 (006) 32,257 0,2779 16 Ti3SiC2 (101) 35,693 0,2519 2 Ti3SiC2 (102) 37,206 0,242 4 Ti3SiC2 (103) 39,49 0,22845 100 Ti3SiC2 (104) 40,91 0,22093 75 Ti3SiC2 (008) 42,42 0,21337 37 Ti3SiC2 (105) 52,097 0,17581 3 Ti3SiC2 (0010) 58,292 0,15851 19 Ti3SiC2 (109) 60,301 0,15367 13 Ti3SiC2 (110) Таблица 2 Межплоскостные расстояния спеченного порошкового материала медь - 37,5 об. % Ti3SiC2 Межплоскостные расст., нм Интенсивность, % Фаза (hkl) Межплоскостные расст., нм Интенсивность, % Фаза (hkl) 0,2917 4 Ti3SiC2 (006) 0,20878 100 Cu (111) 0,26441 0,21 Ti3SiC2 (101) 0,18105 30,14 Cu (200) 0,25674 0,25 Ti5Si3 (002) 0,16096 0,24 Ti5Si3 (400) 0,25672 19,72 0,16096 11,34 0,2521 2 SiC 0,15448 0,46 SiC 0,24937 4,5 TiC 0,15270 1,46 Ti3SiC2 (110) 0,24482 31,07 Ti5Si3 (210) 0,15016 11,07 Ti5Si3 (222) 0,24425 0,4 0,15013 0,19 0,24285 11,52 Ti5Si3 (102) 0,14030 10,44 Ti5Si3 (213) 0,23828 0,31 0,13181 0,186 SiC 0,23823 11,56 0,13174 11,04 0,23052 2,98 TiSi2 (311) 0,13035 0,37 TiC 0,22688 5,18 Ti3SiC2 (104) 0,13034 11,63 0,21973 1,21 Ti5Si3 (211) 0,12790 12,94 Cu (220) 0,21964 25,97 Ti3SiC2 (008) 0,12478 12,19 TiC 0,21571 5,46 TiC 0,12473 0,27 Таблица 3 Микротвердость и содержание углерода в КМ после спекания Ti3SiC2 Кол-во Ti3SiC2, об. % HV, МПа Содержание углерода, мас. % 12,5 1070 ± 50 (медь) 4870 ± 100 (Ti3SiC2) 0,67 37,5 1070 ± 40 (медь) 5850 ± 100 (Ti3SiC2) 2,4 Энергодисперсионный анализ показал, что после твердофазного спекания системы медь - крабосилицид титана взаимодействие с медью приводит к превращению части зерен карбосилицида титана в карбид титана, карбид кремния, силицид титана TiSi2 и твердый раствор углерода на базе силицида титана Ti5Si3(С), имеющий неравномерную окраску по зерну (рис. 2). В зернах карбосилицида титана содержание кремния ниже стехиометрического примерно на 14 % ввиду деинтеркаляции кремния (табл. 4). Рис. 2. Микроструктура материала медь - карбосилицид титана Таблица 4 Элементный состав спеченного материала медь - карбосилицид титана Номер спектра Si Ti Cu Фаза 1 25,84 70,77 2,66 Ti5Si3 (С) 2 25,45 70,34 3,53 Ti5Si3 (С) 3 25,51 71,53 2,23 Ti5Si3 (С) 4 8,88 68,79 22,33 Ti3SiC2 + Cu 5 8,79 68,83 22,38 Ti3SiC2 + Cu 6 8,45 69,05 22,50 Ti3SiC2 + Cu 7 0,41 92,82 6,14 TiC 8 0,78 90,11 8,62 TiC 9 2,66 86,46 10,64 TiC 10 6,63 68,51 24,12 TiC 11 6,19 20,87 68,45 Cu 12 4,11 26,45 64,79 Cu Особенностями формирования структуры материала медь -карбосилицид титана при спекании является, во-первых, образование наряду с TiSi2 силицида Ti5Si3. Во-вторых, рефлексы отражений от большинства плоскостей Ti5Si3 раздвоены и межплоскостные расстояния немного отличаются от табличных, что, скорее всего, связано с образованием твердых растворов внедрения углерода Ti5Si3(С), что уже фиксировали в работе [14] при спекании данного карбосилицида. Меди в зернах силицида содержится не более 2 %, что согласуется с данными о том, что силицид не взаимодействует с медью (растворимость не более 3 %)[6]. Карты распределения элементов показали, что медь (до 20 %) в композиционном материале занимает дисперсные поры (диаметром меньше 1 мкм) в ламелеобразных зернах карбосилицида титана (рис. 3). а б Рис. 3. Микроструктура карбосилицида титана, спеченного с медью (а) и карта распределения меди на участке микроструктуры (б) Для исследования физико-химического взаимодействия были изготовлены композиционные материалы путем инфильтрации медью спеченного методом плазменно-искрового спекания порошка карбосилицида титана. Пористость спеченного карбосилицида титана была 11 %, после инфильтрации медью расчеты показали заполнение пор медью на 100 %. Исследования микроструктуры также выявили заполненные медью поры. Угол смачивания карбосилицида титана медью при температуре 1200 °С в вакууме составил 28,5° (рис. 4). Элементный анализ диффузионной пары карбосилицид титана - медь показал плавное уменьшение содержания меди от межфазной границы (рис. 5). Содержания кремния и титана при приближении к границе понижаются. Рис. 4. Угол смачивания карбосилицида титана медью при температуре 1200 °С в вакууме a б Рис. 5. Профиль линии карбосилицида титана, пропитанного медью (а), и распределение элементов в системе медь - карбосилицид титана, пропитанный медью (б): в сечении по линии на рисунке, а: титан (верхняя), медь (средняя), кремний (нижняя) Как и в случае твердофазного спекания, в карбосилициде формируются три типа зерен: карбида титана; карбосилицида титана с соотношением масс кремния и титана равным 0,13, близким к стехиометрии; области с высоким соотношением масс кремния и титана равным 0,34, характерным для силицида титана Ti5Si3. Светлые участки относятся к меди. Вблизи границы диффузионной зоны со стороны меди содержится кремний в количестве до 13 мас. %, в зернах карбосилицида титана меньше кремния, но больше меди, возможно, что кремний удаляется при деинтеркаляции, а медь заполняет дисперсные поры при образовании жидкой фазы. При увеличении концентрации карбосилицида титана с 12,5 до 37,5 об. % в меди пористость повышалась незначительно, так как между медью и карбосилицидом титана имеется физико-химическое взаимодействие, благоприятное для спекания; прочность при изгибе и твердость значительно увеличились. Электросопротивление композиционного материала увеличивалось при повышении концентрации карбосилицида титана, так как при спекании примерно половина карбосилицида превратилась в неэлектропроводный силицид титана (табл. 5). Таблица 5 Свойства порошкового спеченного материала медь - карбосилицид титана Концентрация Ti3SiC2, об. % Пористость, % НВ, МПа σизг, МПа ρ, Ом·м Относительный эрозионный износ, % Режим Е81 Режим Е93 0 0 400 500 0,021 5,6 6,9 12,5 2 650 280 0,06 3,2 5,2 25,0 6 770 300 0,010 - - 37,5 7 800 340 0,014 1,0 4,0 Износ электродов медь - карбосилицид титана при электроэрозионной прошивке на обоих испытанных режимах был меньше, чем у чистой меди (см. табл. 5). Хорошие эксплуатационные свойства обусловлены низкой пористостью, структурой, образующей наноразмерные капилляры для удержания расплава меди, и постоянством электросопротивления карбосилицида титана в диапазоне температур при электроэрозионной обработке. Выводы При спекании композиционного материала медь - карбосилицид титана происходит частичное превращение карбосилицида в твердый раствор Ti5Si3(С) и небольшие количества карбида титана, карбида кремния, силицида титана TiSi2, а содержание меди в зернах карбосилицида достигает 20 %. Возможно изготовление композиционного материала с высоким содержанием карбосилицида титана методом инфильтрации медью. Карбосилицид титана, впервые примененный для изготовления электрода-инструмента для электроэрозионной прошивки, показал перспективные свойства. При повышении концентрации в меди карбосилицида титана с 12,5 до 37,5 об. % пористость композиционного материала повышается незначительно, а твердость и прочность возрастают. Относительная эрозионная стойкость электродов из композиционных порошковых материалов медь - карбосилицид титана при прошивке инструментальной стали на черновом режиме в 5-6 раз ниже, чем у электрода из чистой меди. В изготовлении образцов для исследований принимал участие студент Пермского национального исследовательского политехнического университета О.П. Морозов.

About the authors

S. A Oglezneva

Perm National Research Polytechnic University

Email: osa@pm.pstu.ac.ru

V. G Gilev

Perm National Research Polytechnic University

Email: xray@pm.pstu.ac.ru

N. D Ogleznev

Perm National Research Polytechnic University

Email: fastrex@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.