Керамічний електродний матеріал на основі нітриду алюмінію для електроіскрового легування алюмінію та його сплавів

Керамічний електродний матеріал для електроіскрового легування алюмінію і його сплавів, який містить нітрид алюмінію, який відрізняється тим, що додатково містить диборид титану та/або цирконію, гексаборид лантану та карбід кремнію при такому співвідношенні компонентів, мас. %: диборид титану та/або цирконію 30-40 гексаборид лантану 10-16 карбід кремнію 1-5 нітрид алюмінію решта. Винахід відноситься до галузі порошкової металургії, а саме до електродних матеріалів для електроіскрового легування (ЕІЛ) алюмінію та його сплавів. Матеріал, що заявляється, може бути використаний в машинобудуванні для нанесення зносостійких антифрикційних композиційних покриттів на деталі машин і пристроїв з алюмінію і його сплавів, що працюють в умовах сухого тертя при підвищених швидкісно-навантажувальних параметрах. Відомо, що ЕІЛ алюмінію і його сплавів традиційними компактними електродними матеріалами (металевими сплавами та твердими сплавами на основі металоподібних тугоплавких сполук) неможливо внаслідок низької температури плавлення алюмінію, що призводить до його інтенсивної ерозії під дією іскрового розряду і руйнування деталі протягом всього процесу обробки [В .В. Ми хайлов, А.П. Абрамчук. Особенности электроискрового легирования алюминия и его сплавов / Электронная обработка материалов, 1986. №2. С. 36–40]. При цьому ерозія алюмінієвого катоду перевищує прирощування його маси. Так, існує електродний матеріал на основі дибориду титана [А.Д. Вер хотуров, И.А. Подчерняева, Ф.Ф. Егоров и др. Закономерности формиро вания покрытий на стали при электроискровом легировании гетерофазными материалами ТіВ2Мо / Порошковая металлургия, 1983. №12. С. 61– 63], що містить такі компоненти, (мас.%): молібден – 20¸25 диборид титану– решта Цей матеріал забезпечує досить високий коефіцієнт масопереносу К (до 30%) при ЕІЛ сталей, але при ЕІЛ алюмінію і його сплавів процес супроводжується безперервним зменшенням маси деталі по вказаній вище причині. Найбільш близьким за складом є електродний матеріал [Panasyuk A.D., Podchemyaeva LA., Andrievsky R.A., Teplenko M.A., Katashinsky V.P., Timofeeva I.I. Structure and properties of electricspark, laser and magnetron coatings using A1NTiB2/ZrB 2 composite materials//Functional materials.v.8--1.-2001-P. 129-134.], який містить такі компоненти, (мас.%): нітрид алюмінію – 50 диборид титану (цирконію) - 50 В цьому випадку ефект прирощування маси при ЕІЛ алюмінію і його сплавів досягається за рахунок знаходження в міжелектродному зазорі (19) UA (11) 79775 (13) C2 (21) 20041008518 (22) 20.10.2004 (24) 25.07.2007 (46) 25.07.2007, Бюл. №11, 2007р. (72) Панасюк Алла Денисівна, Подчерняєва Ірина Олександрівна, Григорьєв Олег Миколайович, Варюхно Володимир Васильович, Юречко Дмитро Віталійович, Уманський Олександр Павлович (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М.ФРАНЦЕВИЧА Н АЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) SU 1273351 A1, 30.11.1986 US 5316718 A, 31.05.1994 EP 1285897 A2, 26.02.2003 3 79775 діелектричної компоненти нітриду алюмінія, яка екранує поверхню катоду від дії іскрового розряду. Недоліком цього матеріалу є низький коефіцієнт масопереносу (К £ 10%) і висока інтенсивність зношування покриття. В основу винаходу "Керамічний електродний матеріал на основі нітриду алюмінію для електроіскрового легування алюмінію та його сплавів" поставлена задача шляхом додання гексабориду лантану та карбіду кремнія і дотримання оптимального кількісного співвідношення інгредієнтів забезпечити підвищення коефіцієнту масопереносу, зниження інтенсивності зношування покриття. Поставлена задача вирішується тим, що у керамічному електродному матеріалі на основі нітриду алюмінію, диборид титану та/або цирконію, гексаборид лантану та карбід кремнію знаходяться у такому співвідношенні (мас.%): диборид титану та/або цирконію - 30¸40 гексаборид лантану- 10¸16 карбід кремнію - 1¸5 нітрид алюмінію - решта. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу і те хнічного результату очевидний із нижче наведеного опису. Як основа матеріалу використовується нітрид алюмінію, який є діелектричною компонентою і при проходженні через міжелектродний зазор в процесі ЕІЛ частково окислюється з утворенням теж діелектричних сполук оксиду та оксинітриду алюмінію. Частинки та пари вказаних непровідних фаз утворюють шар над поверхнею алюмінієвого катоду, який частково екранує поверхню від дії іскрового розряду і зменшує ерозію алюмінієвого катоду, що обумовлює підвищення коефіцієнту масопереносу К. Цей ефект посилюється за рахунок гексабориду лантану, який теж частково окислюється при проходженні через міжелектродний зазор з утворенням непровідної фази оксиду лантану. Диборид титану та/або цирконію є провідною компонентою матеріалу електрода, яка забезпечує, з одного боку, електропровідність матеріалу електрода, а з другого, - утворення в матеріалі покриття 4 в процесі ЕІЛ та на його поверхні в процесі трибоокислення твердих розчинів оксидів АІ2 О3-ТіО3, АІ 2О 3-В2О 3, Аl2О3-Lа2 О3, La2О3-В 2О 3, Al 2O3-SiO 2 та ZrO2, які можуть грати роль твердих мастил в процесі тертя без змащування, знижуючи інтенсивність зношування. При цьому діоксид цирконію внаслідок низької теплопровідності захищає підкладку від нагріву. Наявність їх підтверджується розподілом елементів на поверхні покриття за даними мікрорентгеноспектрального аналізу. Такі ж тверді розчини оксидів можуть утворюватися також в процесі трибоокислення самого матеріалу електрода, що дозволяє рекомендувати його для самостійного застосування як ефективний антифрикційний матеріал. Запропонований електродний матеріал може використовува тися для ЕІЛ деталей машин і пристроїв з алюмінію та його сплавів трибологічного призначення, що працюють в умовах сухого тертя при підвищених швидкісно-навантажувальних параметрах, а також самостійно як матеріал деталей і пристроїв трибологічного призначення. Матеріал одержували таким чином: керамічний електродний матеріал одержували методом порошкової металургії. Вихідні порошки нітриду алюмінію, дибориду титан у та/або цирконію, гексабориду лантану та карбіду кремнію змішували та розмелювали в відповідних співвідношеннях в середовищі ацетону або спирту-ректифікату в планетарному млині протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім присіювали через сито. Середній розмір частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітови х пресформах в температурному інтервалі 1760-1820°С, під тиском 3540МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Отримані зразки використовували в якості електродів для ЕІЛ сплаву АЛ9. При цьому визначили параметри електромасопереносу в процесі ЕІЛ та інтенсивність зношування отриманого електроіскрового покриття. Таблиця Склад матеріалу електрода, коефіцієнт електромасопереносу при ЕІЛ (К) сплаву АЛ9 та інтенсивність зношування електроіскрового покриття (I) № п/п 1 2 3 4 5 Прототип: Склад матеріалу, мас.% A1N ТІВ2 та/або ZrB2 LаВ6 Ni 54 52 50 48 40 29 33 35 41 40 29 33 35 41 40 10 12 14 9 16 6 3 1 2 4 50 50 50 – – Коефіцієнт масопе- Інтенсивність знореносу, шування, I±0.8 К±5% мм 3/см .км 28 10 39 20 60 5 35 12 20 7 10 40 5 79775 Приклади одержання матеріалу: Приклад 1. Порошки нітриду алюмінію, дібориду титана, гексабориду лантану, карбіду кремнію змішували у співвідношенні 54:29:10:6 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середній розмір частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітови х пресформах у температурному інтервалі 1760-1820°С, під тиском 35-40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Приклад 2. Порошки нітриду алюмінію, дібориду цірконію, гексабориду лантану, карбіду кремнію змішували у співвідношенні 52:33:12:3 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середній розмір частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітови х пресформах у температурному інтервалі 1760-1820°С, під тиском 35-40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Приклад 3. Порошки нітриду алюмінію, дібориду титана, гексабориду лантану, карбіду кремнію змішували у співвідношенні 50:35:14:1 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середній розмір частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітови х пресформах у температурному інтервалі 1760-1820°С, під тиском 35-40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Приклад 4. Порошки нітриду алюмінію, дібориду цірконію, гексабориду лантану, карбіду кремнію змішували у співвідношенні 48:41:9:2 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середній розмір частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в гра Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 6 фітови х пресформах у температурному інтервалі 1760-1820°С, під тиском 35-40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Приклад 5. Порошки нітриду алюмінію, дібориду титана, гексабориду лантану, карбіду кремнію змішували у співвідношенні 40:40:16:4 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середній розмір частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітови х пресформах у температурному інтервалі 1760-1820°С, під тиском 35-40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. З наведених у таблиці властивостей видно, що матеріал, який заявляється під номером 3 має оптимальні параметри, а саме більший коефіцієнт електромасопереносу при ЕІЛ алюмінієвого сплаву та забезпечує нижчу інтенсивність зношування покриття порівняно з прототипом. Коефіцієнт електромасопереносу (К) при ЕІЛ алюмінієвого сплаву АЛ9 визначали гравітаційним методом з точністю 10-4г, як відношення прирощування маси катоду ( D к) до величини ерозії аноду ( D а) за питомий час обробки t=2мін/см 2. Інтенсивність зношування (I, мм 3/см .км) визначали по схемі торцевого тертя без змазки на установці УММТ-1 Національного авіаційного Університету при навантаженні Р=10МПа та швидкості ковзання 1,4м/с, коефіцієнт взаємодії дорівнював 1. Ме ханічна обробка поверхні електродів алмазними кругами проводилася по довжині зразків. По ребрам знімались фаски. Матеріал, що заявляється, можна використати в якості матеріалу електрода для електроіскрового зміцнення деталей з алюмінію і його сплавів, які працюють в умовах сухого тертя при високих швидкісне навантажувальних параметрах, зокрема, для поршнів ДВС в автомобілебудуванні, а також в авіабудуванні, легкій, хімічній промисловості та ін. Матеріал, що пропонується, може бути використаний також у вигляді порошків в різних методах газотермічного напилення та лазерної обробки з метою отримання зносостійких покриттів. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601