Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 26 УДК 621.9.048.4.06 ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ МАГНИТНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ШЛИФОВАНИИ Докт. техн. наук, проф. СПИРИДОНОВ Н. В., канд. техн. наук СОКОРОВ И. О., аспиранты НЕРОДА М. В., ЦИОНЕНКО Н. М. Белорусский национальный технический университет, Барановичский государственный университет Одним из способов улучшения эксплуата- ционных свойств деталей, изготовленных из конструкционных сталей и сплавов, является нанесение на их поверхность защитных покры- тий, которые увеличивают твердость, износо- стойкость, повышают антикоррозийные свой- ства [1–3]. Используются различные виды покрытий, в частности ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01, ПГАН-33 (на основе Ni–Cr и других добавок, таких как Si, B, Fe, Mo) [4–6]. Известны также покрытия на основе Ni–Al, Al–Co, Al–Mg–Cu, Al2O3, Al2O3 + Cr2O3 и др. [4–7]. Существует ряд методов нанесения покры- тий, в частности газотермические, плазменно- детонационный, метод газопорошковой лазер- ной наплавки [8–11]. При этом в ряде случаев необходима финишная обработка поверхности покрытия. В качестве методов обработки ис- пользуются оплавление покрытия электронным пучком или плазменной струей [12–13], элект- роконтактная обработка [14], шлифование и ряд комбинированных методов обработки. Одним из наиболее доступных и техноло- гичных способов является напыление покрытия ПГ-СР4 газопламенным методом на основу из конструкционной стали 45. Однако при этом качество поверхности полученного покрытия невысокое и требуется дополнительная обра- ботка. В качестве обработки выбран метод маг- нитно-электрического шлифования (МЭШ) как наиболее доступный в условиях промышленно- го производства. В основе МЭШ лежат процессы, связанные с механическим резанием зернами абразива, электроэрозионным и термическим воздействи- ем электрического (технологического) тока на поверхность упрочняющего покрытия под вли- янием внешнего магнитного поля. Методика приготовления образцов и ме- тоды анализа. Нанесение покрытий проводили газопламенным способом. Газопламенное напыление образцов производили на установке ТРУ-БПИ [15]. В качестве горючего газа при- меняли метилацетиленовую фракцию (МАФ) ТУ-38.102.12–89, в качестве транспортирующе- го – воздух. Расход МАФ составлял 1,0–1,2 м3/ч, расход кислорода (ГОСТ 5583–79) 4,0–4,5 м3/ч, расход воздуха – 0,2 м3/ч, дистанция напыле- ния – 180–220 мм. Химический состав материа- ла защитного покрытия ПГ-СР4: Ni – основа, Cr ~ 17 %; С ~ 0,8; Fe ~ 0,7; Si ~ 3,5; B ~ 3 %. Толщина напыленного защитного покрытия ПГ-СР4 составляет 0,5–2,0 мм. Твердость по- крытий находится в пределах 55–62 HRC. То- пография поверхностного слоя покрытия, по- лученного газопламенным напылением само- флюсующимся порошком марки ПГ-СР4, пока- зана на рис. 1. Видно, что поверхность защит- ного покрытия до обработки имеет пористую структуру. Пористость покрытия находится в Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 26 пределах 25–30 %, а шероховатость поверхно- сти – 160–320 мкм. Рис. 1. Поверхностный слой газотермического защитного покрытия без оплавления, ×60 Наблюдение микрорельефа поверхности упрочняющего покрытия до и после обработки МЭШ исследуемых образцов осуществлялось с помощью растрового электронного микро- скопа модели LEO1455VP (Минск, БГУ). Ис- следования проводили как при нормальном па- дении пучка на поверхность образца, так и при наклоне образца на 30°. Ускоряющее напряже- ние составляло 20 кВ. Изображение в растро- вом электронном микроскопе формировалось при сканировании узким электронным лучом (диаметр пучка – 50–500 Å) участка поверхно- сти упрочняющего покрытия. Влияние режимов МЭШ на шероховатость поверхности оценивали по профилограммам, полученным с помощью профилографа-профи- лометра модели АБРИС-ПМ7. Измерения ше- роховатости поверхности проводили по мето- дикам, изложенным в ГОСТ 2789–73. Экспериментальные результаты и их об- суждение. Поверхность, полученная путем га- зопламенного напыления покрытия ПГ-СР4, показана на рис. 2. Ее микрорельеф определя- ется неоднородностью распределения элемен- тов покрытия. Рис. 2. Поверхность, сформированная газопламенным напылением После обработки образца посредством МЭШ с режимами, приведенными в табл. 1, получена поверхность, топография которой изображена на рис. 3. Обозначения, используемые в табли- це, следующие: n – частота вращения круга; s – скорость продольной подачи; I – сила тех- нологического тока; t – глубина резания; В – зна- чение вектора магнитной индукции, направлен- ного вдоль обрабатываемой поверхности. Таблица 1 Начальные режимы обработки МЭШ № рис. n, мин–1 s, мм/мин I, А t, мм В, Тл Ra, мкм 3 2000 120 5 0,005 0,100 3,800 Рис. 3. Топография поверхности покрытия ПГ-СР4 после обработки МЭШ с режимами, указанными в табл. 1 Основную роль при образовании рельефа для данных режимов обработки играют процес- сы механического резания зернами абразива. На поверхности отчетливо видны следы, остав- ленные зернами абразива, поверхность не оплавлена, по краям пор наблюдается частич- ное затекание в них никеля. Шероховатость поверхности составляет 3,8 мкм. При увеличении глубины резания и значе- ния магнитной индукции (табл. 2), рельеф по- верхности формируется также в основном за счет резания зернами абразива. Топография поверхности изображена на рис. 4. С увеличением глубины резания в зоне об- работки реализуются большие мощности за счет увеличения площади контакта зерен абра- зивного круга с поверхностью покрытия. Также возрастает сила резания и возникают растяги- вающие напряжения, в результате чего на по- верхности покрытия образуются микротрещи- ны. При данных режимах обработки наблю- дается более интенсивное сглаживание пор. Вершины бороздок, которые оставлены зерна- Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 27 ми абразива, незначительно оплавлены. Наблюдаются также следы электроэрозионного воздействия, но их количество невелико. При увеличении скорости подачи круга и значения магнитной индукции (табл. 3) количество энер- гии, выделяющейся в виде теплоты в зоне обра- ботки, резко возрастает, что приводит к изме- нению характера рельефа поверхности (рис. 5). Таблица 2 Режимы обработки МЭШ при увеличении глубины резания № рис. n, мин–1 s, мм/мин I, А t, мм В, Тл Ra, мкм 4 2000 120 5 0,05 0,15 1,26 Рис. 4. Топография поверхности покрытия ПГ-СР4 после обработки МЭШ с режимами, указанными в табл. 2 Таблица 3 Режимы обработки МЭШ при увеличении скорости подачи № рис. n, мин–1 s, мм/мин I, А t, мм В, Тл Ra, мкм 5 2000 2800 5 0,05 0,20 1,20 Рис. 5. Топография поверхности покрытия ПГ-СР4 после обработки МЭШ с режимами, указанными в табл. 3 Следы от механического воздействия зерен абразива сглажены. Затекание материала по- крытия в поры происходит более интенсивно. С увеличением продольной подачи и значения магнитной индукции электроэрозионное дей- ствие технологического тока уменьшается. При режимах, связанных с увеличением си- лы технологического тока (табл. 4) формиру- ется рельеф поверхности, представленный на рис. 6. Таблица 4 Режимы обработки МЭШ при увеличении силы тока № рис. n, мин –1 s, мм/мин I, А t, мм В, Тл Ra, мкм 6 2000 2800 15 0,05 0,15 0,57 Рис. 6. Топография поверхности покрытия ПГ-СР4 после обработки МЭШ с режимами, указанными в табл. 4 При обработке МЭШ на режимах, показан- ных в табл. 4, с увеличением технологического тока до 15 А значительно повышается темпера- тура в зоне обработки. Поверхность оплавляет- ся, материал покрытия претерпевает структур- ные изменения. Металл, находящийся в жидко- пластическом состоянии, удаляется из зоны под действием механической силы резания зернами абразива. Резкий нагрев поверхности приводит к по- явлению микротрещин на поверхности пори- стого покрытия. Рельеф поверхности имеет не- значительное число царапин, остающихся от зерен абразивного материала круга. Количество лунок, образованных в результате электроэро- зионного разрушения поверхности, возрастает. С целью предотвращения образования мик- ротрещин и лунок были выбраны режимы, в которых сила тока, скорость продольной по- дачи и глубина резания уменьшены. Но для поддержания достаточной мощности в зоне об- работки была увеличена частота вращения кру- га (табл. 5). Соответствующий рельеф поверх- ности представлен на рис. 7. Таблица 5 Режимы обработки МЭШ при увеличении частоты и уменьшении силы тока и глубины резания № рис. n, мин –1 s, мм/мин I, А t, мм В, Тл Ra, мкм 7 3000 1400 10 0,025 0,150 0,460 Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 28 Рис. 7. Топография поверхности покрытия ПГ-СР4 после обработки МЭШ с режимами, указанными в табл. 5 При обработке поверхности газотермиче- ского защитного покрытия на режимах, приве- денных в табл. 5 на поверхности (рис. 7), видно более равномерное распределение микронеров- ностей, ширина электроэрозионных лунок не превышает 1 мкм. Шероховатость поверхности находится в пределах 0,46 мкм. Однако присут- ствуют микротрещины. Уменьшение шероховатости поверхности было достигнуто при дальнейшем увеличении частоты вращения, повышении силы тока, зна- чения магнитной индукции. Соответствующие режимы обработки ука- заны в табл. 6, а топография поверхности – на рис. 8. Таблица 6 Режимы обработки МЭШ, соответствующие минимальной шероховатости поверхности № рис. n, мин–1 s, мм/мин I, А t, мм В, Тл Ra, мкм 8 4000 2800 15 0,05 0,30 0,34 Рис. 8. Топография поверхности покрытия ПГ-СР4 после обработки МЭШ с режимами, указанными в табл. 6 Исходя из приведенных выше данных, мож- но сделать вывод, что технологические пара- метры МЭШ оказывают влияние на форми- рование микрорельефа защитного покрытия, причем основное воздействие оказывают элек- трофизические параметры процесса. Рассмотрим влияние технологического тока. Как было отмечено выше, основными факто- рами при этом являются электроконтактное и электроэрозионное разрушения материала по- верхности. Электроэрозионное воздействие при- водит к испарению материала в локальной об- ласти, соответствующей месту попадания ис- кры на поверхность. В данном месте возникает лунка, имеющая диаметр 0,1–0,5 мкм и глубину до 0,3 мкм. Наиболее отчетливо лунки наблю- даются на рис. 8. Этот эффект приводит к по- вышению производительности процесса обра- ботки, но качество обработки поверхности снижается. Поэтому целесообразным является снижение интенсивности процессов данного типа. В то же время электроконтактные явле- ния приводят к повышению температуры в зоне обработки, и именно они обеспечивают оплав- ление неровностей на поверхности, оставляе- мых зернами абразива. Рассмотрим выступ, который образован при резании зерном абразива (рис. 9). При после- дующем анализе, который позволяет выявить общие закономерности процесса, считаем ма- териал однородным с удельным сопротивлени- ем ρ, плотностью γ, удельной теплоемкостью с и коэффициентом теплопроводности κ. Рис. 9. Форма выступа, сформированного под действием зерна абразива Предположим также, что в поперечном се- чении профиль выступа представляет собой трапецию. Угол, под которым сходятся про- должения боковых сторон трапеции, равен α. Сопротивление элемента выступа высотой dh определяется по формуле ( ) , 2 tg 2 dhdR lh = ρ α (1) где h – расстояние от точки О по вертикали вниз; l – длина выступа. Полное сопротивление выступа рассчиты- ваем по формуле l 0 dh Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 29 ( ) 2 1 ln 2 tg 2 hR l h ρ = α . Количество теплоты, выделяемое в элемен- те высотой dh при протекании электрического тока I в течение времени dt, определяется с уче- том (1) по закону Джоуля – Ленца ( ) 2 . 2 tg 2 dhdQ I dt lh = ρ α (2) Количество теплоты, которое отдает эле- мент в окружающую среду за счет теплообмена с воздухом через боковую поверхность, рассчи- таем следующим образом: ( )отд ос ( ) , cos 2 dhdQ kl T T dt= − α (3) где k – коэффициент теплоотдачи между мате- риалом поверхности и окружающей средой. Составляя уравнение теплового баланса для элемента высотой dh на основе выражений (2) и (3), выразим скорость изменения температу- ры в зависимости от его положения h ( )2 ос 2 2 1 grad , sin( / 2) k T TdT I T dt c b h h  − ρ = − κ +  γ α  (4) где ( )2 tg / 2b l= α – параметр, определяемый геометрией образца. Анализируя (4), приходим к выводу, что скорость изменения температуры быстро уменьшается при увеличении расстояния h от вершины выступа. Наибольшее количество теплоты выделяется именно при вершине вы- ступа, а поскольку отвод теплоты в глубь вы- ступа замедлен, то данный процесс обеспечива- ет повышение температуры при его вершине до температуры плавления. Очевидно, чем больше величина силы тока, тем большая часть высту- па будет оплавлена. Также следует отметить, что чем меньше угол при вершине конуса, тем более эффективен процесс электроконтактного оплавления. На основании рассмотрения можно сделать вывод о том, что для достижения высо- кого качества обработки МЭШ токопроводя- щий абразивный круг должен содержать зерна из диэлектрического материала. Форма и раз- мер зерен должны обеспечивать, с одной сто- роны, уменьшение электроэрозионного воздей- ствия, а с другой – формирование выступов с профилем, наиболее подверженным оплав- лению. Рассмотрим влияние магнитного поля на формирование микрорельефа в зоне обработки. В связи с этим следует отметить два основных эффекта, которые реализуются при наложении магнитного поля в направлении, параллельном обрабатываемой поверхности и перпендику- лярном току. Первый связан с возникновением в магнитном поле силы Лоренца, которая стре- мится изменить направление скорости заря- женных частиц: sin ,F qB= υ α где υ – скорость частиц; α – угол между векто- ром скорости и направлением магнитного поля. Наиболее существенное влияние сила Ло- ренца оказывает на электроны, движущиеся в канале искового разряда, возникающего в воз- духе между токопроводящим кругом и обраба- тываемой поверхностью. В результате действия силы Лоренца канал искрового разряда откло- няется в сторону, и, вследствие того что элек- троны обладают различными скоростями, они будут двигаться по окружностям разного ради- уса , mR qB ⊥υ= В результате происходит расширение ис- крового канала (рис. 10). Рис. 10. Влияние силы Лоренца на расширение искрового канала В этом случае поверхностная плотность энергии искрового разряда при его воздействии на поверхность уменьшается вследствие увели- чения площади, а образующаяся лунка будет иметь меньшие глубину и диаметр, что приве- дет к уменьшению шероховатости. Второй эффект связан с возникновением до- полнительного давления в зоне обработки. Так υ1 R1 R2 υ2 B Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 30 как основа материала покрытия ПГ-СР4 обла- дает свойствами ферромагнетика, вблизи по- верхности материала (и особенно неровностей с малым радиусом кривизны) происходит ис- кривление силовых линий магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля определя- ется по формуле 2 0 2 Hw µµ= и имеет размерность давления. При этом повышение температуры в зоне обработки до значений, превышающих точку Кюри, приводит к переходу материала в пара- магнитное состояние. Таким образом, на гра- нице «воздух – расплав» и на границе «рас- плав – ферромагнитная основа» возникает до- полнительное давление, направленное в глубь материала и приводящее к растеканию распла- ва по его поверхности. Из анализа эксперимен- тальных данных также следует, что увеличение значения магнитной индукции предотвращает появление микротрещин на обрабатываемой поверхности (рис. 5 и 8). В Ы В О Д Ы Установлено, что микрорельеф поверхности защитного покрытия ПГ-СР4, нанесенного ме- тодом газопламенного напыления на поверх- ность стали 45, существенно зависит от пара- метров обработки МЭШ. При этом наряду с величинами, определяющими режимы резания, особую роль приобретают электродинамиче- ские характеристики процесса. Так, повышение технологического тока приводит к оплавлению неровностей на поверхности заготовки. Нало- жение магнитного поля на область обработки также приводит к возникновению факторов, определяющих шероховатость поверхности. Вариацией указанных выше параметров было достигнуто удовлетворительное качество обра- ботки поверхности. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Азаренков, Н. А. Структура и свойства защитных покрытий и модифицированных слоев / Н. А. Азаренков, В. М. Береснев, А. Д. Погребняк. – Харьков, 2007. – 560 с. 2. Ионно-лучевая и ионно-плазменная обработка ма- териалов / К. К. Кадыржанов [и др.]. – М.: МГУ, 2005. – 640 с. 3. Физико-химическое состояние покрытия из стали 316L, нанесенного на подложку из малоуглеродистой ста- ли SS-400 / А. Д. Погребняк [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2004. – Т. 24, № 47. – С. 44–52. 4. Структура и свойства твердого сплава, нанесенно- го на твердую подложку с помощью импульсно-плазмен- ных технологий / А. Д. Погребняк [и др.] // ЖТФ. – 2001. – Т. 71, вып. 7. – С. 111–118. 5. Погребняк, А. Д. Формирование гибридных по- крытий TiN/Cr/Al2O3 на подложку из стали AISI 321 / А. Д. Погребняк, Ю. А. Кравченко // Поверхность. Рент- геновские, синхронные и нейтронные исследования. – 2006. – № 11. – С. 1–23. 6. Structure and Properties of Coatings Ni base deposited using a plasma jet before and after electron beam irradiation / A. D. Pogrebnyak [et al.] // Vacuum. – 2007. – Vol. 81, № 10. – P. 1243–1251. 7. Структура и свойства покрытия из Ni–Cr–B–Si– Fe/WC–Co, нанесенного на подложку из стали и меди / А. Д. Погребняк [и др.] // ФИП. – 2008. – Т. 6, № 1–2. – С. 92–97. 8. Эффект облучения электронным пучком на струк- туру и свойства никилевого сплава, нанесенного плазмен- ной струей / А. Д. Погребняк [и др.] // ЖТФ. – 2004. – Т. 30, № 2. – С. 164–167. 9. Структура и свойства порошкового покрытия на основе после нанесения концентрированными потоками энергии / А. Д. Погребняк [и др.] // ФХОМ. – 2005. – № 11. – С. 35–41. 10. Погребняк, А. Д. Модификация свойств материа- лов и осаждение покрытий с помощью плазменных струй / А. Д. Погребняк, Ю. Н. Тюрин // УФН. – 2005. – Т. 3, № 5. – С. 514–543. 11. Влияние химического состава на трибологические свойства хромоникелевых покрытий, полученных мето- дом газопорошковой лазерной наплавки / А. В. Макаров [и др.] // Изв. Челяб. науч. центра. – 2009. – Вып. 2 (44). – С. 28–33. 12. Погребняк, А. Д. Эффект облучения электронны- ми и ионными пучками на физико-механические свойст- ва титановых сплавов / А. Д. Погребняк, Е. А. Базыль, Н. В. Свириденко // Успехи физики металлов. – 2004. – Т. 5. – С. 257–281. 13. Дуплексная обработка никилевого сплава, нане- сенного на подложку из стали 3 / А. Д. Погребняк [и др.] // Трение и износ. – 2004. – Т. 25, вып. 1. – С. 71–78. 14. Токарев, А. О. Электроконтактная обработка га- зотермических покрытий / А. О. Токарев // Трение, износ, смазка. – 2008. – Т. 10, № 2. – С.34–40. 15. Кудинов, В. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование: учеб. для вузов / В. В. Кудинов, Г. В. Бобров. – М.: Металлургия, 1992. – 432 с. Поступила 03.01.2011