О наноразмерном эффекте при упрочнении поверхностей трения методом электроакустического напыления

В.Х. Аль-Тибби (nb1979@mail.ru) (1), Ю.В. Кабиров (2), Д.Д. Дымочкин (1)

(1) Донской государственный технический университет, (2) Ростовский государственный университет

Введение. Проблема получения наноматериалов, предназначенных для различных областей техники, давно является предметом обсуждений в литературе [1,2]. В настоящее время известно (в первую очередь для металлов), что уменьшение размера кристаллических блоков ниже некоторого порогового значения приводит к значительному изменению физических свойств материала. Нанокристаллические материалы обладают высокой прочностью и твердостью, имеют более высокую вязкость разрушения и повышенную износостойкость. К наноматериалам, по международной терминологии, относят кристаллические материалы со средним размером зерен (областей когерентного рассеяния) менее 100 нм [1]. Данная статья посвящена новому способу получения наноструктурных покрытий методом электроакустического напыления (ЭЛАН) [3]. Такие покрытия позволяют заметно (в 6-8 раз) увеличить ресурс работы режущего инструмента и деталей машин. В основе метода ЭЛАН лежит использование высококонцентрированных потоков энергии электрической искры и продольно-крутильных ультразвуковых колебаний. Структурная схема установки электроакустического напыления приведена на рисунке 1.

Модель процесса ЭЛАН. Физическую модель процесса можно упрощенно представить следующим образом [4]. Волновод, а вместе с ним и электрод совершают продольно-крутильные колебания с частотой подаваемого от ультразвукового генератора сигнала.

Рисунок 1 - Структурная схема установки ЭЛАН

Система управления, используя сигнал с датчика обратной связи, подает разрядный импульс. В момент подачи разрядного импульса поверхности обоих электродов нагреваются, при этом в пространстве между анодом и поверхностью упрочняемой детали образуется мельчайшая «капелька» вещества анода, а на поверхности катода возникает микрометаллургическая ванна расплава материала катода. В дальнейшем, за счет энергии удара анода о подложку, а также за счет электрических сил, происходит перенос материала анода на поверхность катода, с последующим интенсивным гидродинамическим перемешиванием расплавленного вещества материалов электродов. После окончания процесса переноса начинается фаза кристаллизации на поверхности катода. Этот этап процесса является определяющим при формировании микроструктуры напыленного слоя. Роль продольно крутильных ультразвуковых колебаний, по нашему мнению, сводится к обеспечению равномерного перераспределения материалов электродов в покрытии, диффузии напыленного слоя в подложку и упрочнении подложки за счет интенсивной пластической деформации [3,4].

Постановка цели исследования. Известно, что при высоких скоростях охлаждения расплава (порядка 106 К/с) образование и рост новых центров кристаллизации значительно замедляется, а при достижении некоторого критического значения и вовсе прекращается [5]. При этом кристаллическая

структура не образуется. В то же время, если скорость охлаждения не превышает критического значения, материал будет иметь наноструктурное состояние. В ряде случаев можно использовать контролируемый переход материала из аморфной фазы в кристаллическую для получения необходимых свойств (в частности повышения износостойкости). Метод ЭЛАН имеет целый ряд описанных выше технологических особенностей, которые позволяют получать нано-псевдоаморфные износожаростойкие защитные покрытий.

В последнее время, по практическому использованию, нанокристаллические материалы приблизились, а возможно и опередили сплавы в аморфном состоянии. Это в первую очередь обусловлено тем, что они в меньшей степени склонны к релаксации в процессе работы, хотя по своим свойствам ничем не уступают аморфным материалам. Таким образом, более предпочтительно будет стремиться к получению в напыленном слое наноструктурных материалов, хотя бы и с аморфными включениями, что должно ощутимо повысить стабильность технологических свойств покрытия.

Результаты эксперимента. В настоящий момент применительно к задаче аттестации наноструктурных материалов развиваются дифракционные, спектроскопические и резонансные методы [2]. В нашем случае имелась возможность оценить параметры микроструктуры по измерению уширения дифракционных отражений.

Рентгеноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре УРС-50ИМ с использованием характеристического излучения железного анода рентгеновской трубки (25 кВ, 5 мА) с выделением АХа - спектральной линии образца и детектора по методу фокусировки Брэгга-Брентано [6]. При этом скорость движения детектора равнялась 1 град/мин, время интегрирования рентгеновских квантов -5 с. Измерение положения дифракционных максимумов выполнялось с точностью А(20) = ± 0.02 градуса, чему соответствует ошибка в определении межплоскостных расстояний d - Ad = ± 0.001 А.

Образцы для исследования из стали 45 имели форму цилиндра, с