Возможность перевода изготовления изделий из циркония на электроэрозионное оборудование

Бобков Николай Владимирович,

аспирант кафедры технологии машиностроения Омского государственного технического университета.

Циркониевые сплавы широко применяются в ядерной энергетике а также цирконий используется для формирования многофункциональных, в том числе биосовместимых покрытий, что обусловливает актуальность проблемы экономичной обработки и минимизации отходов при производстве ответственных изделий из дорогостоящих сплавов циркония.

В статье рассматривается возможность использования по назначению деталей, изготовленных из циркониевого слава Э110 с помощью электроэрозионной обработки. Осуществляется попытка сформулировать зависимость влияния режимов проволочной электроэрозионной обработки (ЭЭО) на поверхностный слой изготавливаемых изделий из циркония и его сплавов.

В машиностроении помимо традиционных материалов (сталей, чугунов, жаропрочных, алюминиевых и латунных сплавов) востребованы редкие металлы, в том числе цирконий. Циркониевые мишени применяются для получения многофункциональных покрытий методом магнетронного распыления. Также сплавы циркония широко используются для производства тепловыделяющих элементов, сборок и дистанционирующих решеток, используемых в ядерных реакторах.

Наряду с формообразованием, производительностью и качеством, себестоимость изделий машиностроения является одним из основных критериев эффективности их производства, поэтому при изготовлении деталей из редких (и как следствие дорогих) металлов необходимо стремиться к минимизации количества отходов. Например, можно уменьшить ширину реза, тем самым, сократив количество стружки. Значительные результаты в решении этой проблемы были достигнуты посредством применения метода проволочной ЭЭО, при которой ширина реза превышает диаметр проволочного электрода не более чем в полтора раза.

С помощью электроэрозионного оборудования возможна обработка любых электропроводных металлов. Однако производители оснащают свои станки набором режимов только для обработки наиболее распространенных материалов, таких как сталь, медь, алюминий, твердый сплав и графит (ISO 63). В случае, когда необходима обработка металлов не входящих в базу данных станка, например, циркония, подбор оптимального режима, осуществляется экспериментальным путем.

Несмотря на все преимущества электроэрозионной обработки материалов по сравнению с другими методами, негативное влияние на характеристики и свойства обрабатываемой поверхности оказывает диффузия материала электрода и диэлектрической среды в поверхностный слой обрабатываемого изделия. В частности, авторы работы [1] сообщают о высокой степени наводораживания поверхности циркониевого сплава Zr–2,5Nb при его электроэрозионной обработке в углеводородном диэлектрике. Особенно высокие требования к характеристикам поверхности циркониевой мишени предъявляются при формировании биосовместимых покрытий методом магнетронного распыления [4, 5, 7]. Таким образом, одним из наиболее важных критериев качества электроэрозионной обработки является оценка глубины и фазового состава дефектного слоя, образующегося за счет переноса материала электрода и продуктов разложения диэлектрической среды в поверхностный слой изделий, что является основной целью исследования.

Для исследования фазового состава поверхностного слоя циркония после электроэрозионной обработки были изготовлены образцы из циркониевого сплава Э110, в виде диска диаметром 30 мм и толщиной 3 мм. Обработка поверхности проводилась в 1, 2, 3 и 4 прохода для отслеживания изменений, вызванных различным числом проходов. При резке циркониевых образцов экспериментальным путем были подобраны параметры режимов обработки, которая осуществлялась с использованием электроэрозионного станка Sodick VZ300L с электродом-инструментом в виде латунной проволоки (массовое содержание меди и цинка составляет соответственно 65% и 35%) и дистиллированной водой в качестве диэлектрической жидкости. Содержание основных элементов в марке сплава Э110: Zr=99%, Nb=1% (по массе).

Экспериментально установленные параметры режимов обеспечивают стабильность обработки без обрывов проволоки.

Технические требования к изготовлению катодов для установок магнетронного напыления [2, 3], не допускают наличия в поверхностном слое включений инородных материалов (так как в процессе напыления первоначально будет напыляться инородный материал, а только потом цирконий, что приведет к различной толщине напыления циркония в разных участках обработанной детали) [6].

Известно, что при электроэрозионной обработке поверхности обрабатываемой заготовки и электрода-инструмента подвергаются воздействию высоких температур и значительных давлений. Под их влиянием происходит образование всевозможных фаз, подчиняющихся принципу минимума потенциальной энергии.

Учитывая вышесказанное необходимо отметить, что электроэрозионная обработка является экономичным методом обработки циркония. Однако, стоит отметить что существует необходимость оставлять припуски для финишной шлифовки или полировки, перед использованием изделий по назначению. Следственно необходимы дальнейшие исследования данных образцов для назначения конкретных режимов шлифования или полирования.

Литература

1.                  Chow, C. K., Brady, G. R., Urbanic, V. F., & Coleman, C. E. (1998). Hydrogen ingress through EDM surfaces of Zr-2.5Nb pressure-tube material. Journal of Nuclear Materials, 257(1), 35–43. http://doi.org/10.1016/S0022-3115(98)00436-X.

2.                  Kelly, P. J., O’Brien, J., & Arnell, R. D. (2004). The production of porous and chemically reactive coatings by magnetron sputtering. Vacuum, 74(1), 1–10. doi:10.1016/j.vacuum.2003.11.002.

3.                  O’Brien, J., & Arnell, R. D. (1996). The production and characterisation of chemically reactive porous coatings of zirconium via unbalanced magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 86-87(PART 1), 200–206. doi:10.1016/S0257-8972(96)02999-4.

4.                  Lyon, D., Chevalier, J., Gremillard, L., & Cam, C. a D. (2011). Zirconia as a Biomaterial. Comprehensive Biomaterials, 20, 95–108. doi:10.1016/B978-0-08-055294-1.00017-9.

5.                  Brown, I. G. (n.d.). A high voltage pulser r&d for plasma immersion ion implantation applications, 219.

6.                  Pamu, D., Sudheendran, K., Krishna, M. G., & Raju, K. C. J. (2008). Crystallographic texture, morphology, optical, and microwave dielectric properties of dc magnetron sputtered nanostructured zirconia thin films. Journal of Vacuum Science & Technology A, 26(2), 185–192. doi:Doi 10.1116/1.2827492.

7.                  Rabiee, S. M., Azizian, M., & Nourouzi, S. (2012). Influence of zirconia on microstructure of bioactive glass coated on stainless steel for biomedical application. 2012 International Conference on Biomedical Engineering, ICoBE 2012, (February), 109–113. doi:10.1109/ICoBE.2012.6178965.

Поступила в редакцию 16.06.2016 г.