Випуски $\rightarrow$ Том 23, випуск 1 (2022)

Електроіскрове леґування металевих поверхонь графітом

В. Б. Тарельник$^1$, О. П. Гапонова$^2$, Є. В. Коноплянченко$^1$

$^1$Сумський національний аграрний університет, вул. Герасима Кондратьєва, 160, 40021 Суми, Україна
 $^2$Сумський державний університет, вул. Римського-Корсакова, 2, 40007 Суми, Україна

Отримано 27.09.2021; остаточна версія — 19.01.2022 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Оглянуто та проаналізовано актуальні на сьогоднішній день наукові дослідження в області поверхневого оброблення металевих поверхонь концентрованими потоками енергії (КПЕ) — електроіскрового леґування (ЕІЛ), яке уможливлює одержання поверхневих структур з унікальними фізико-механічними та трибологічними властивостями на нанорівні. Досліджено вплив параметрів ЕІЛ графітовою електродою (електроіскрова цементація — ЕЦ) на якість цементованого шару. Мікроструктурна аналіза показала, що в структурі можна виділити три характерні зони: цементовий («білий») шар, перехідну зону з дрібнодисперсним зерном і зону основного металу. Встановлено, що із ЕЦ зі збільшенням енергії розряду та часу леґування збільшується не лише товщина зміцненого шару, а й шерсткість поверхні. Задля досягнення необхідних параметрів розмірів і шерсткости робочої поверхні деталі після ЕЦ необхідне застосування методу безабразивного ультразвукового фінішного оброблення (БУФО). Крім цього, в результаті застосування БУФО понижується шерсткість поверхні, залишкові напруги змінюються з розтягувальних на стискальні, збільшується втомна міцність деталі. Також для пониження шерсткости оброблюваної поверхні запропоновано технологію ЕЦ застосовувати поетапно, понижуючи на кожному наступному етапі енергію іскрового розряду. З метою підвищення параметрів якости поверхневого шару, одержаного ЕЦ, запропоновано використовувати порошок графіту, який наноситься на оброблювану поверхню перед леґуванням. При цьому до 100% збільшується суцільність леґованого шару, до 80 мкм підвищується глибина дифузійної зони вуглецю, до 9932 МПа і до 230 мкм зростають мікротвердість «білого» шару та його товщина відповідно. Локальна мікрорентґеноспектральна аналіза одержаних покриттів показала, що при ЕЦ традиційним способом з енергією розряду у 0,9, 2,6 і 4,6 Дж забезпечується формування поверхневого шару з підвищеним вмістом Карбону глибиною 70, 100 і 120 мкм відповідно, а з використанням порошку графіту — 80, 120 і 170 мкм. Вміст Карбону у 0,72–0,86% по мірі заглиблення понижується до вмісту в основному металі — 0,17–0,24%. В приповерхневому шарі, сформованому за новою технологією, пори заповнені вільним графітом, який може бути використаний в якості твердого змащення для поліпшення експлуатаційних характеристик деталей пар тертя.

Ключові слова: електроіскрове леґування, графіт, цементація, мікроструктура, якість, зносостійкість.

Citation: V. B. Tarelnyk, O. P. Gaponova, and Ye. V. Konoplianchenko, Electric-Spark Alloying of Metal Surfaces with Graphite, Progress in Physics of Metals, 23, No. 1: 27–58 (2022); https://doi.org/10.15407/ufm.23.01.027

Цитована література   
  1. I.P. Shatskyi, V.V. Perepichka, and L.Ya. Ropyak, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 42, No. 1: 69 (2020) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.42.01.0069
  2. A. Umanskii, M. Storozhenko, I. Hussainova, A. Terentiev, A. Kovalchenko, and M. Antonov. Powder Metall. Met. Ceram., 53, Nos. 11–12: 663 (2015); https://doi.org/10.1007/s11106-015-9661-3
  3. O. Umanskyi, M. Storozhenko, M. Antonov, O. Terentyev, О. Koval, and D. Goljandin, Key Engineering Materials, 799: 37 (2019); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.799.37
  4. M.S. Storozhenko, A.P. Umanskii, A.E. Terentiev, and I.M. Zakiev, Powder Metall. Met. Ceram. 56, Nos. 1–2: 60 (2017); https://doi.org/10.1007/s11106-017-9872-x
  5. O. Umanskyi, M. Storozhenko, G. Baglyuk, O. Melnyk, V. Brazhevsky, O. Chernyshov, O.Terentiev, Yu. Gubin, O Kostenko, and I. Martsenyuk, Powder Metall. Met. Ceram. 59, Nos. 7–8: 434 (2020); https://doi.org/10.1007/s11106-020-00177-y
  6. F.A.P. Fernandes, S.C. Heck, R.G. Pereira, A. Lombardi-Neto, G.E. Totten, and L.C. Casteletti, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 40, No. 2: 175 (2010).
  7. S. Yeh, L. Chiu, and H. Chang, Engineering, 9, No. 3: 942 (2011); https://doi.org/10.4236/eng.2011.39116
  8. S. Slima, Materials Sciences and Applications, 9, No. 3: 640 (2012); https://doi.org/10.4236/msa.2012.39093
  9. L. Ropyak, I. Schuliar, and O. Bohachenko, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1, No. 5 (79): 53 (2016) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.59850
  10. L.Ya. Ropyak, T.O. Pryhorovska, and K.H. Levchuk, Prog. Phys. Met., 21, No. 2: 274 (2020); https://doi.org/10.15407/ufm.21.02.274
  11. L.Ya. Ropyak, I.P. Shatskyi, and M.V. Makoviichuk, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 41, No. 5: 647 (2019) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.41.05.0647
  12. V.I. Kuz’min, A.A. Mikhal’chenko, O.B. Kovalev, E.V. Kartaev, and N.A. Rudenskaya, Journal of Thermal Spray Technology, 21, No. 1: 159 (2012); https://doi.org/10.1007/s11666-011-9701-6
  13. A.D. Pogrebnjak, V.I. Ivashchenko, P.L Skrynskyy, O.V. Bondar, P. Konarski, K. Zaleski, S. Jurga, and E. Coy, Composites Part B: Engineering, 142: 85 (2018); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.01.004
  14. O. Maksakova, S. Simoẽs, A. Pogrebnjak, O. Bondar, Y. Kravchenko, V. Beresnev, and N. Erdybaeva, Materials Characterization, 140: 189 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.03.048
  15. A.D. Pogrebnjak, V.M. Beresnev, K.V. Smyrnova, Ya.O. Kravchenko, P.V. Zukowski, and G.G. Bondarenko, Mater. Lett., 211: 316 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.09.121
  16. G. Morand, P. Chevallier, L. Bonilla-Gameros, Stéphane Turgeon,Maxime Cloutier, M. Da Silva Pires, A. Sarkissian, M. Tatoulian, L. Houssiau, and D. Mantovani, Surface and Interface Analysis, 53, No. 7: 658 (2021); https://doi.org/10.1002/sia.6953
  17. G. Maistro, S. Kante, L. Nyborg, and Y. Cao, Surfaces and Interfaces, 24: 101093 (2021); https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101093
  18. V.G. Smelov, A.V.Sotov, and S.A. Kosirev, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 9, No. 10: 1854 (2014) (in Russian);. https://doi.org/10.18287/2412-7329-2015-14-3-2-425-431
  19. B. Antoszewski and V. Tarelnyk, Appl. Mech. Mater., 630: 301 (2014); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.630.301
  20. B. Antoszewski, S. Tofil, M. Scendo, and W. Tarelnik, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 233: 012036 (2017); https://doi.org/10.1088/1757-899X/233/1/012036
  21. I. Pliszka and N. Radek, Procedia Engineering, 192: 707 (2017); https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.06.122
  22. Y.K. Mashkov, D.N. Korotaev, M.Y. Baibaratskaya, and B.Sh. Alimbaeva, Tech. Phys., 60, No. 10: 1489 (2015); https://doi.org/10.1134/S1063784215100217
  23. V.B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, V.B. Loboda, E.V. Konoplyanchenko, V.S. Martsinkovskii, Yu.I. Semirnenko, N.V. Tarelnyk, M.A. Mikulina, and B.A. Sarzhanov, Surf. Engin. Appl. Electrochem., 57, No. 3: 173 (2021); https://doi.org/10.3103/S1068375521020113
  24. V.B. Tarel’nik, A.V. Paustovskii, Y.G. Tkachenko, V.S. Martsinkovskii, E.V. Konoplyanchenko, and K. Antoshevskii, Surf. Engin. Appl. Electrochem., 53, No. 3: 285 (2017); https://doi.org/10.3103/S1068375517030140
  25. V.B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, I.V. Konoplianchenko, and M.Ya. Dovzhyk, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 3: 363 (2017) (in Russian); https://doi.org/10.15407/mfint.39.03.0363
  26. V.B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, I.V. Konoplianchenko, V.A. Herasymenko, and N.S. Evtushenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 2: 235 (2018) (in Russian); https://doi.org/10.15407/mfint.40.02.0235
  27. V.B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, Ye.V. Konoplyanchenko, N.S. Yevtushenko, and V.O. Herasymenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 6: 795 (2018) (in Russian); https://doi.org/10.15407/mfint.40.06.0795
  28. V.B. Tarelnyk, A.V. Paustovskii, Y.G. Tkachenko, E.V. Konoplianchenko, V.S. Martsynkovskyi, and B. Antoszewski, Powder Metall. Met. Ceram., 55: Nos. 9–10: 585 (2017); https://doi.org/10.1007/s11106-017-9843-2
  29. V. Tarelnyk, V. Martsynkovskyy, O. Gaponova, Ie. Konoplianchenko, M. Dovzyk, N. Tarelnyk, and S. Gorovoy, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 233: 012049 (2017); https://doi.org/10.1088/1757-899X/233/1/012049
  30. D.N. Korotaev, Tekhnologicheskie Vozmozhnosti Formirovaniya Iznosostoikikh Nanostructur Ehlektroiskrovym Legirovaniem [Technological Possibilities of Wear-Resistant Nanostructure Formation by Electric-Spark Alloying], (Omsk: SibADI: 2009) (in Russian).
  31. A.D. Verkhoturov, Formirovanie Poverkhnostnogo Sloya Metallov pri Ehlektroiskrovom Legirovanii [Formation of the Metal Surface Layer by Electric-Spark Alloying], (Vladivostok: Dal’nauka: 1995) (in Russian).
  32. A.I. Mikhailyuk and A.E. Gitlevich, Surf. Engin. Appl. Electrochem., 46, No. 5: 424 (2010); https://doi.org/10.3103/S1068375510050054
  33. Yusuf Kayali and Şükrü Talaş, Prot. Met. Phys. Chem. Surf., 57, No. 1: 106 (2021); https://doi.org/10.1134/S2070205120060131
  34. Y.G. Tkachenko, O.I. Tolochyn, V.F. Britun, and D.Z. Yurchenko, Powder Metall. Met. Ceram., 58, Nos. 11–12: 692 (2020); https://doi.org/10.1007/s11106-020-00126-9
  35. N. Radek, J. Pietraszek, and A. Szczotok, Int. Conf. on Metallurgy and Materials, METAL 2017 (May 24–26, 2017, Brno) (Ostrava: 2018), p. 1432.
  36. A.E. Gitlevich, V.V. Mikhailov, N.Ya. Parkanskii, and V.M. Revutskii, Ehlektroiskrovoe Legirovanie Metallicheskikh Poverkhnostei [Electrospark Alloying of Metal Surfaces] (Chisinau: Shtiintsa: 1985) (in Russian).
  37. V.S. Martsynkovskyy, V.B. Tarelnyk, and А.В. Belous, Sposib Tsementatsii Stalevykh Detalei Ehlektroeroziinym Leguvanniam [Method of Cementation of Steel Parts by Electroerosion Alloying], Patent 82948 UA. MKI (2006), C23C 8/00 (Publ. Bul. No. 10: 3) (2008) (in Ukrainian).
  38. V.S. Martsynkovskyy, V. B. Tarelnyk, and М.P. Bratushchak, Sposib Tsementatsii Stalevykh Detalei Ehlektroeroziinym Leguvanniam [Method of Cementation of Steel Parts by Electroerosion Alloying], Patent 101715 UA. MKI (2013.01), B23H 9/00, (Publ. Bul. No. 8: 7) (2013) (in Ukrainian).
  39. V.B. Tarelnyk, V.S. Martsynkovskyy, O.P. Gaponova, O.M. Myslyvchenko, V.O. Pirogov, O.O. Gapon, and A.D. Lazarenko, Sposib Tsementatsii Stalevykh Detalei Ehlektroeroziinym Leguvanniam [Method of Cementation of Steel Parts by Electroerosion Alloying], Patent 142822 UA. MKI (2020.01), C23C 8/00, C23C 28/00, (Publ. Bul. No. 12: 8) (2020) (in Ukrainian).
  40. V.B. Tarelnyk, V.S. Martsynkovskyy, O.A. Sarzhanov, O.O. Gapon, B.O. Sarzhanov, O.P. Gaponova, and E.V. Konoplyanchenko, Sposib Ehkologichno Bezpechnogo Zmitsnennia Detalei z Lystovoi Stali Metodom Ehlektroeroziinogo Leguvannia Stalevykh Poverkhon Grafitovym Ehlektrodom [A Method of Environmentally Friendly Hardening of Sheet Steel Parts by Electroerosion Alloying of Steel Surfaces with a Graphite Electrode], Patent 141992 UA. MKI (2020.01) B23P 6/00, B23K 9/04 (2006.01), B23H 5/00, B23H 5/02 (2006.01), (Publ. Bul. No. 9: 9) (2020) (in Ukrainian).
  41. V.B. Tarel’nik, A.V. Paustovskii, Yu.G. Tkachenko, V.S. Martsinkovskii, A.V. Belous, E.V. Konoplyanchenko, and O.P. Gaponova, Surf. Engin. Appl. Electrochem., 54, No. 2: 147 (2018); https://doi.org/10.3103/S106837551802014X
  42. V.B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, Ye.V. Konoplianchenko, V.S. Martsynkovskyy, N.V. Tarelnyk, and O.O. Vasylenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 41, No. 1: 47 (2019); https://doi.org/10.15407/mfint.41.01.0047
  43. V.B. Tarel’nik, E.V. Konoplyanchenko, P.V. Kosenko, and V.S. Martsinkovskii, Chem. Petrol. Eng., 53, Nos. 7–8: 540 (2017); https://doi.org/10.1007/s10556-017-0378-7
  44. V.B. Tarel’nik, V.S. Martsinkovskii, and A.N. Zhukov, Chem. Petrol. Eng. 53, Nos. 3–4: 266 (2017); https://doi.org/10.1007/s10556-017-0333-7
  45. V.B. Tarel’nik, V.S. Martsinkovskii, and A.N. Zhukov, Chem. Petrol. Eng. 53, Nos. 5–6: 385 (2017); https://doi.org/10.1007/s10556-017-0351-5
  46. A.I. Mikhaylyuk, Ehlektronnaya Obrabotka Materialov [Electronic Processing of Materials], 39, No. 3: 21 (2003) (in Russian).
  47. V. Tarelnyk, V. Martsynkovskyy, and A. Dziuba, Appl. Mech. Mater., 630: 388 (2014); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.630.388
  48. V.B. Tarelnyk and V.S. Martsynkovskyy, Sposib Obrobky Spoluchnykh Poverkhon Detalei (Varianty) [A method of Processing Connecting Surfaces of Details (Options)], Patent 66105 UA. MKI (2006), B23H 1/00, B23H 5/00, B23H 9/00, (Publ. Bul. No. 7: 3) (2008) (in Ukrainian).
  49. V.B. Tarel’nik, V.S. Martsinkovskii, and V.I. Yurko, Chem. Petrol. Eng., 51, Nos. 5–6: 328 (2015); https://doi.org/10.1007/s10556-015-0047-7
  50. V. Martsinkovsky, V. Yurko, V. Tarelnik, and Y. Filonenko, Procedia Eng., 39: 157 (2012); https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.020
  51. V.B. Tarel’nik, V.S. Martsinkovskii, and A.N. Zhukov, Chem. Petrol. Eng. 53, Nos. 1–2: 114 (2017); https://doi.org/10.1007/s10556-017-0305-y
  52. V.B. Tarel’nik and A.V. Bilous, Bulletin of Sumy National Agrarian University, 11: 115 (2005) (in Russian).
  53. A.V. Bilous, Bulletin of Sumy National Agrarian University, 12: 158 (2006) (in Russian).
  54. V.B. Tarelnik, B. Antoshevsky, V.S. Martsinkovsky, E.V. Konoplyanchenko, and A.V. Belous Tsementatsiya Ehlektroehrozionnym Legirovaniem: Monografiya [Cementation by Electroerosive Alloying: A Monograph] (Ed. V.B. Tarelnik) (Sumy: University Book: 2015) (in Russian).
  55. A.I. Mikhaylyuk, A.Ye. Gitlevich, A.I. Ivanov, Ye.I. Fomicheva, G.I. Dimitrova, and A.N. Gripachevskiy, Electronic Processing of Materials, 4: 23 (1986) (in Russian).
  56. V.M. Ershov, Collection of Scientific Works of the Donbass State Technical University Staff, 31: 219 (2011) (in Russian).
  57. A.I. Mikhailyuk, V.G. Revenko, and N.N. Natarov, Physics and Chemistry of Materials Processing, 1: 101 (1993) (in Russian).
  58. V.B. Tarelnik and A.V. Belous, Compressor and Power Engineering, 11, No. 1: 90 (2008) (in Russian).
  59. A.I. Mikhailyuk, L.S. Rapoport, and A.E. Gitlevich, Electronic Processing of Materials, 1: 16 (1991) (in Russian).
  60. A.I. Mikhailyuk, L.S. Rapoport, and A.E. Gitlevich, Electronic Processing of Materials, 2: 17 (1991) (in Russian).
  61. V.K. Yatsenko, G.Z. Zaitsev, and V.F. Pritchenko, Povyshenie Nesushchey Sposobnosti Detaley Mashin Almaznym Vyglazhivaniem [Increasing the Bearing Capacity of Machine Parts by Diamond Burnishing] (Moscow: Mashinostroenie: 1985) (in Russian).
  62. V.K. Yatsenko, V.F. Pritchenko, I.N. Komarchuk, and A.G. Sakhno, Problems of Strength, 5: 119 (1987) (in Russian).
  63. Yu.V. Kholopov, A.G. Zinchenko, and A.A. Savinykh, Bezabrazivnaya Ultrazvukovaya Finishnaya Obrabotka Metallov [Abrasive Ultrasonic Finishing of Metals] (Leningrad: LDNTP: 1988) (in Russian).
  64. V.B. Tarelnik, V.S. Martsinkovskiy, and B. Antoshevskiy, Povyshenie Kachestva Podshipnikov Skolzheniya: Monografiya [Improving the Quality of Sliding Bearings: A Monograph] (Sumy: McDen Publishing House: 2006) (in Russian).
  65. V.B. Tarelnik, Kombinirovannye Tekhnologii Ehlektroerozionnogo Legirovaniya [Combined Technologies of Electroerosive Alloying] (Kyiv: Tekhnika: 1997) (in Russian).
  66. D.N. Garkunov, Tribotekhnika [Tribotechnics] (Moscow: Mashinostroenie: 1989) (in Russian).
  67. N.I. Lazarenko, Ehlektroiskrovoe Legirovanie Metallicheskikh Poverkhnostey [Electrospark Alloying of Metal Surfaces] (Moscow: Mashinostroenie: 1976) (in Russian).
  68. V.B. Tarelnik, V.S. Martsinkovskiy, and B. Antoshevskiy, Suchasni Metody Formoutvorennya Poverkhon Tertya Detaley Mashyn: Monohrafiya [Modern Methods of Forming the Friction Surfaces of Machine Parts: A Monograph]. (Sumy: McDen Publishing House: 2012) (in Ukrainian).
  69. O.V. Sizova and E.A. Kolubaev, Izvestiya Vuzov. Fizika, 2: 27 (2003) (in Russian).
  70. V.B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, G.V. Kirik, Ye.V. Konoplianchenko, N.V. Tarelnyk, and M.O. Mikulina, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 42, No. 5: 655 (2020) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.42.05.0655
  71. V. Tarelnyk, O. Gaponova, V. Martsynkovskyy, Ie. Konoplianchenko, V. Melnyk, V. Vlasovets, A. Sarzhanov, N. Tarelnyk, Du Xin, Yu. Semirnenko, S. Semirnenko, T. Voloshko, and O. Semernya, 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP) (November 9–13, 2020, Sumy) (IEEE Xplore: 2021), p. 01TFC13; https://doi.org/10.1109/NAP51477.2020.9309618
  72. A.D. Verkhoturov and I.M. Mukha, Tekhnologiya Ehlektroiskrovogo Legirovaniya Metallicheskikh Poverkhnostey [Technology of Electrospark Alloying of Metal Surfaces] (Kyiv: Tekhnika: 1982) (in Russian).

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,