Влияние режима электроискровой обработки поверхности конструкционного графита на эрозионную стойкость

Введение

Износостойкость, высокотемпературная, эро­зионная и коррозионная стойкости являются необходимыми свойствами материалов, рабо­тающих при высоких температурах, давлени­ях, скоростях и в прочих агрессивных средах, что характерно для изделий авиационной и космической промышленности. Наиболее тяжелые условия для работы материалов на­блюдаются в стартовых двигателях и непо­средственно сопловых блоках ракет и ускори­телей, где за счет сгорания топлива образует­ся высокотемпературная плазма.

Для увеличения стойкости деталей в агрессивных средах их поверхности модифици­руют с помощью концентрированных потоков энергии, например, низкотемпературной плазмой, лазерным, электронным или ионным из­лучением, а также импульсными разрядами [1].

В настоящее время в данных узлах чаще всего применяются вкладыши из графита из- за уникального набора физико-химических свойств этого материала. Он не растворяется в кислотах, обладает низким коэффициентом трения, проводит электрический ток, жаро­стоек в отсутствие кислорода - температура плавления достигает 3800 °С. Соответственно, детали, изготовленные из графита, способны без изменения эксплуатационных характери­стик работать в таких средах, в которых невоз­можно использовать другие конструкционные материалы. В то же время графитовые вклады­ши в современных изделиях уже работают на пределе возможностей. Дальнейшее увеличе­ние характеристик изделий выполнимо только с ростом эрозионной стойкости графита.

Для повышения эрозионной стойкости графита можно использовать метод электроис­крового легирования, который является эффек­тивным методом модификации поверхности конструкционных материалов [2].

Авторы данного метода Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко [3-6] описывают этот процесс как перенос материала анода на поверхность катода при протекании искровых (импульсных) разрядов в газовой среде. Указанный метод прост в использовании, не требует специаль­ной подготовки работников, также не требуется особая подготовка рабочей поверхности детали и ее предварительный подогрев. Электроис­кровое легирование позволяет формировать модифицированный слой с высокой адгезией и улучшенными свойствами из любых токо­проводящих материалов. При этом формиру­ется поверхностная пленка до 100 мкм, что позволяет модифицировать поверхность без существенного увеличения толщины изделия. В некоторых работах [7, 8] показана техноло­гия легирования стальных поверхностей гра­фитом.

В данной статье в качестве катода ис­пользуется графит, а анодом выступают ме­таллы. Поверхность образцов после легиро­вания обрабатывали лазерным излучением для уменьшения шероховатости. Была пред­принята попытка определить влияние разных режимов электроискрового легирования на эрозионную стойкость графита при темпера­туре плазмы 1800 °С.

Таким образом, цель работы состоит в определении оптимальных режимов электро­искрового легирования поверхности графи­та, обеспечивающих улучшение эрозионной стойкости.

Объекты и методы исследований

При выполнении эксперимента применя­лись пластины из конструкционного графита МПГ-7 размером 4×25×25 мм. Свойства гра­фитовых образцов следующие:

• плотность ≥1,7 г/см³;
• размер зерна . .90 мкм;
• пористость 15 %.

Электроискровое легирование проводи­лось на установке Элитрон-52А [9]. Установка предназначена для упрочняюще-легирующей электроэрозионной обработки поверхностей деталей машин, режущего инструмента, штам­пов и других металлических изделий. В каче­стве анода использовались электроды из ти­тана, вольфрама и ванадия диаметром 3 мм, изготовленные методом самораспространяю- щегося высокотемпературного синтеза (СВС) [10]. Технические характеристики установки Элитрон-52А следующие:

• потребляемая мощность 0,9 кВт;
• напряжение питающей сети 220 В;
• энергия импульса 0,1.6,8 Дж;
• частота импульсов 100 Гц;
• рабочий ток 0,3.3,8 А;
• толщина наносимого покрытия до 100 мкм;
• шероховатость наносимого покрытия 2,5.16 мкм;
• максимальная производительность 4 см³/мин.

Анализ литературы [8, 11] позволил по­добрать 4 режима (табл. 1) электроискрового легирования, наиболее подходящих для моди­фикации поверхности графита.

Для того чтобы уменьшить шерохова­тость поверхности после электроискрового ле­гирования и сохранить требуемый по чертежу допуск толщины образцов, а также увеличить сплошность покрытия, каждый образец был обра­ботан на лазерной установке Bulat HTF-150 [12]. Ранее авторы настоящей статьи уже показали положительный результат применения такого способа гибридной обработки поверхностей разных материалов за счет лазерной сварки, которая прочно сцепляет поверхность обра­ботанной детали. Опираясь на данные работы, авторы подобрали оптимальные параметры лазерной обработки:

• напряжение на дуге 320 В;
• частота 6 Гц;
• длительность импульса 7 мс;
• шаг по оси Y0,2 мм;
• шаг по оси X 0,35 мм;
• фокусировка 8 мм;
• форма импульса - колокол.

Эрозионную стойкость образцов графита с модифицированной поверхностью опреде­ляли при воздействии плазменного потока с постоянными температурой и давлением, об­разованного плазмотроном в инертной среде (аргон) [11]. В течение испытания фиксиро­вались время воздействия плазменной струи, температура и убыль массы образцов. Обра­ботка плазменным потоком проходила при следующих режимах:

• температура торможения 1800 °С;
• давление торможения 0,5 атм;
• длина струи 8 мм.

Результаты и обсуждение

Результаты электроискрового легирования графита для образцов МПГ-7 приведены в табл. 2.

Графики зависимостей прироста массы и шероховатости от энергии импульсов пред­ставлены на рис. 1 и 2 соответственно.

Из данных, представленных в табл. 2 и на рис. 1 и 2, видно, что при повышении энергии импульсов масса образцов графита увеличива­ется. Вероятно, в процессе электроискрового легирования с металлическим электродом на поверхности графита протекает реакция C + + Ме ^ МеС с образованием пленки карбида титана, вольфрама или ванадия в зависимо­сти от материала анода. Соответственно, чем больше приложенная энергия, тем толще кар­бидная пленка. В то же время с увеличением энергии импульсов растет и шероховатость поверхности нанесенного слоя, что негативно скажется при эксплуатации изделия, так как необработанная поверхность может повредить ответную деталь при соприкосновении дета­лей, также могут образоваться риски и забо­ины, влияющие на заданный размер изделия.

Следует отметить, что образцы, легиро­ванные титаном, обладали меньшей шерохова­тостью, чем образцы, легированные вольфра­мом и ванадием.

На рис. 3 представлены зависимости тем­пературы образцов, легированных титаном, вольфрамом и ванадием, от времени воздей­ствия плазменной струи плазмотрона. В табл. 3 приведены значения убыли массы и максимальной температуры образцов в конце экс­перимента.

Температура образцов при воздействии плазменной струи монотонно возрастает в те­чение всего времени эксперимента, и характер зависимости температуры от времени сход­ный для всех образцов (см. рис. 3). При этом модификация поверхности графита снижает скорость нагрева образцов.

Видно, что образцы Ti-1 и Ti-2, а также Ti-3 и Ti-4 характеризуются одинаковыми зави­симостями температуры от времени испытания. Температуры образцов с модифицированной по­верхностью систематически ниже, чем у образца графита. При этом образцы Ti-3 и Ti-4 нагрева­ются значительно медленнее, чем Ti-1, Ti-2 и С.

Образцы W-3 и V-3 обладают схожими зависимостями температуры от времени ис­пытания друг с другом и образцами Ti-1 и Ti-2, но в то же время нагреваются быстрее, чем образцы Ti-3 и Ti-4.

В конце эксперимента температура у об­разцов Ti-1 и Ti-2 составила 1550 и 1525 °С - на 100 и 125 °С ниже, чем у немодифицирован- ного образца графита (1660 °С). Температура образцов W-3 и V-3 оказалась ниже в среднем на 80 °С, чем у образцов Ti-1 и Ti-2. Темпера­тура образцов Ti-3 и Ti-4 в конце эксперимента была значительно ниже - 1290 и 1275 °С со­ответственно. Это на 371 и 380 °С ниже, чем у немодифицированного образца графита, и в среднем на 183 °С ниже, чем у образцов W-3 и V-3. При этом убыль массы образцов Ti-3 и Ti-4 на 28, 40 и 65 % меньше, чем у образцов W-3 и V-3, Ti-1 и Ti-2, С соответственно, что свидетельствует о большей эрозионной стой­кости образцов Ti-3 и Ti-4.

Учитывая минимальную эрозионную стойкость и низкую скорость нагрева образ­цов Ti-3 и Ti-4 по сравнению с образцами Ti-1, Ti-2 и W-3, V-3, можно утверждать, что для электроискрового легирования поверхности графита лучше всего подходят режимы RC-3 и RC-4 в сочетании с электродом из титана. Од­нако если учесть более низкую шероховатость образца Ti-3 по сравнению с образцом Ti-4, то можно заключить, что оптимальным режимом электроискрового легирования графита из рас­смотренных является RC-3 в сочетании с элек­тродом из титана.

Заключение

Результаты работы показывают, что опти­мальным режимом электроискрового леги­рования поверхности графита является RC-3: энергия импульсов 3 Дж при рабочем токе 1,5 А в сочетании с электродом из титана.

Сочетание электрода из титана и режима легирования RC-3 позволяет получить макси­мально эрозионностойкую поверхность с мини­мальной для такой стойкости шероховатостью и значительно снизить скорость нагрева детали.

Таким образом, легирование поверхно­сти графита титаном по режиму RC-3 позволит увеличить время работы соплового блока или уменьшить толщину детали при сохранении прежней длительности работы.