Электроискровое легирование металлических материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить процесс электроискрового легирования, устройство соответствующего прибора и работу с ним, исследовать свойства и размерные характеристики поверхностного легированного слоя.

Теоретические сведения

Электроискровое легирование - процесс переноса материала на обрабатываемую поверхность искровым электрическим разрядом. (Авторское свидетельство: Б. Р. Лазаренко. Способ нанесения металлических покрытий. N89933 от 27 мая 1943 г.).

Этот способ имеет следующие специфические свойства:

- материал анода (легирующий материал) может образовывать на поверхности катода (легируемая поверхность) прочно сцепленный с ней слой покрытия. В этом случае между материалом основы и покрытием существует промежуточный слой, в котором протекают диффузионные процессы элементов катода и анода;

-процесс легирования может происходить так, что материал анода не образует покрытия на поверхности катода, а диффузно обогащает ее своими составляющими элементами;

-легирование можно проводить локально, только в определенных местах, не защищая при этом остальных поверхностей детали;

-технология электроискрового легирования очень проста, необходимое оборудование малогабаритно, несложное в эксплуатации, легко транспортируемо.

Физическая сущность процесса заключается в следующем. Если в электрической цепи (рис. 1) промежуток, разделяющий электроды, будет пробит, т. е. вещество, разделяющее электроды, под действием электрического поля уже не будет диэлектриком, между электродами возникнет импульсный электрический разряд. Как следствие этого явления возникнет электрическая эрозия действующих электродов, J т.е. в местах появления электрического разряда с поверхности будет выброшена в окружающее пространство соответствующая порция материала электрода. В зависимости от параметров электрической цепи количественное соотношение массы металла выброшенного из анода и катода может изменяться. В процессе практического использования этого явления создают условия, чтобы эрозия металлу происходила преимущественно из анода.

При каждом единичном разряде анод покидает очень маленькая частица материала, которая может быть отходом (если обработка производится в жидкости) или может осаждаться на поверхности катода. Последнее явление используется при электрическом легировании материалов.

- При возникновении между электродами электрического импульса на поверхности катода образуется лунка с краями, которые приподняты относительно остальной поверхности металла. Это происходит в результате деформирования расплава в месте действия разряда и влияния электродинамических сил. Размеры лунки и количество перенесенного металла зависят от электроэрозионной стойкости материала электродов, времени воздействия и энергии единичного импульса. Материал анода размешается на полусферической поверхности лунки.

Если процесс продолжать, то после каждого последующего импульса лунка будет углубляться. Покинуть лунку легирующему материалу, т. е. материалу анода будет все труднее, и он будет сначала перегреваться, а потом окисляться (при взаимодействии с воздухом). В результате образуется лунка увеличенных размеров, поверхность которой будет иметь в своем составе много окислов.

При перемещении анода вдоль обрабатываемой поверхности в газовой атмосфере при многократном действии импульсов электрического разряда будет формироваться покрытие, увеличиваться толщина и масса обрабатываемого образца. Если скорость перемещения будет такой, что в момент следующего импульса заостренный электрод успеет переехать на диаметр лунки, то поверхность б катода после одного прохода будет иметь профиль «строчки», образованной гребешками соседних краев отдельных лунок. Неровность зубчатого профиля значительно уменьшится, если скорость перемещения электродов будет такой, чтобы за время между двумя импульсами разряда (0,01с) электрод переместился не больше как на 1/4 диаметра лунки.

Сущность процесса не изменится и тогда, когда материал анода не образует покрытия, например, когда анодом будет графит. В этом случае диффузия материалов достаточно большая, кроме этого происходит значительное изменение Физико-химических свойств поверхности. Самое активное участие в этом процессе берут частицы переносимые с анода; собственно легирование поверхности в основном и определяется поведением этих частиц.

Материал в парообразном и жидкокапельном состояниях, выброшенный из анода в виде расширяющегося пучка, попадает в межэлектродное пространство, разогретое прошедшим электрическим импульсом до температуры, при которой возможно существование вещества в ионизированном состоянии. Эти частицы ударяются о поверхность катода, также локально разогретую электрическим импульсом, вступают с ней во взаимодействие, образуя сплавы, твердые растворы или просто механическую смесь. Эти металлургические процессы протекают в отрезки времени определяемые долями секунды, поэтому не происходит разогревания всей массы катода или, тем более, отжига ее поверхности. Более того, несмотря на кратковременность действия импульсов и общую невысокую температуру легируемого материала, в поверхностных слоях катода развиваются диффузионные процессы. Диффузионный слой возникает в результате сверхскоростного нагрева и охлаждения действующих материалов, высокого давления, развиваемого каналом разряда в точке его возникновения и многократных униполярного и импульсного действий электрического поля высокой напряженности.

При постоянной частоте следования импульсов удельная продолжительность легирования прямопропорциональна количеству импульсов, приходящихся на эту площадь. В течение времени легирования анод равномерно "подает" одинаковые порции материала, а катод через не которое время оказывается не в состоянии их принимать (рис.2). В первые минуты на катоде откладывается наибольшее количество материала (отрезок а б), затем количество материала, оседающего на катоде, сильно уменьшается (отрезок б в), сравнивается с количеством материала, выбрасываемого из катода (6 - точка max на кривой) и начинается обратный процесс - удаление только что нанесенного слоя (отрезок в г), т. е. материала на катоде осаждается меньше, чем выбрасывается. Процесс может протекать так, что после снятия всего нанесенного слоя начнет удаляться и основной материал.

Удельная продолжительность легирования, при которой наступает max покрытия, зависит энергии, химического состава материалов электродов, состава окружающей среды и ее давления (max наступает при большей энергии в импульсе). Наличие max в кривой, т.е. невозможность получения толстых слоев - определенное ограничение электроискрового легирования. Причинами появления max являются:

-изменение химического состава материалов в результате окисления; при обработке в инертной среде max смешается вправо;

-глубокие изменения в поверхностных слоях легируемого металла; дефекты кристаллической решетки, препятствующие диффузии.

В большинстве современных машин износу подвергаются трущиеся поверхности сопрягаемых деталей (например, зубья шестерен редуктора, направляющие и ползуны, шейки коленчатых валов двигателей, внутренняя поверхность цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.), поэтому сопрягаемые трущиеся поверхности деталей должны быть более стойкими, чем вся деталь, к действию высоких температур, трению, коррозии и т. д.

Существуют различные способы поверхностного упрочнения деталей, повышения их коррозионной стойкости и снижения трения сопрягаемых трущихся поверхностей. К ним относятся: поверхностная термическая обработка, легирование поверхности детали наплавкой сплавов, отвечающих необходимым требованиям, гальваническое нанесение на поверхность детали антикоррозийных покрытий и т. д. Одним из способов легирования поверхности детали или ее элементов является электроискровое легирование, которое сопровождается различными физико-химическими превращениями поверхностного упрочненного слоя детали. Оно позволяет повысить износостойкость и твердость, жаростойкость, коррозионную стойкость поверхностей деталей и снизить их коэффициент трения, а также произвести ремонт и восстановить размеры изломанной детали, придав ее поверхностному слою новые свойства.

Сущность процесса электроискрового легирования заключается в переносе материала ЭИ, отвечающего определенным требованиям, на обрабатываемую поверхность детали искровым электрическим разрядом. Этот способ обеспечивает прочное сцепление вводимого легирующего материала с поверхностью детали; он прост в осуществлении.

При электроискровом легировании действуют законы и процессы, описанные в гл. I, но в качестве рабочей среды используется воздух или безокислительная газовая среда (аргон, гелий, водород). Расплавленные частицы анода, выброшенные в межэлектродное пространство, не выносятся рабочей средой, а осаждаются на поверхности катода. Как и всякий новый технологический процесс, электроискровое легирование имеет свои особенности, которые тщательно изучаются. Процесс электроискрового легирования можно представить в следующем виде.

Если к электродам, один из которых легируемая деталь (катод), а другой - легирующий металл (анод), приложить импульсное напряжение и свести электроды до появления искрового разряда, то между анодом и катодом потечет импульсный ток большой плотности. Вследствие этого в точке искрового разряда на поверхности электродов (преимущественно на аноде) металл разогревается и частично испаряется. Капли расплавленного металла с анода устремляются к поверхности катода под действием электромагнитного поля. После окончания действия импульса тока движение не прекращается и капли металла достигают поверхности катода. Достигнув поверхности катода, расплавленные частицы анода внедряются в расплавленную лунку на поверхности катода и смешиваются с металлом катода, а частично осаждаются на кромке лунки и привариваются к ней. Если перемещать анод по какой-то линии, то получим ряд лунок с измененным составом металла, т. е. с новыми сплавом и структурой. Чтобы получить сравнительно гладкую упрочненную поверхность, анод нужно перемещать относительно катода за время паузы между импульсами, которое по длительности равно ? 0,01с, не более чем на 1/4 диаметра лунки. В этом случае происходит необходимое перемешивание и взаимное проникновение расплавленного металла обоих электродов друг в друга и улучшение качества обработанной поверхности.

Помимо чисто механического перемешивания частиц расплавленного металла обоих электродов под действием высоких температур и давления, развивающихся в канале разряда, в поверхностных слоях электродов происходят и диффузионные процессы. Процесс легирования протекает в газообразной среде, поэтому расплавленные частицы на своем пути вступают во взаимодействие с этой средой и образуют упрочняющий слой, отличающийся своими физико-химическими свойствами от свойств легирующего и легируемого металлов.

Весьма ценным свойством электроискрового легирования является то, что оно обеспечивает очень прочную связь упрочненного слоя с легируемым металлом. Проведенные исследования упрочненных деталей при знакопеременных нагрузках и температурах показывают, что упрочненный слой не отслаивается даже в случае нанесения покрытия карбидными материалами (например, карбидом вольфрама или металлокерамическими сплавами). Это объясняется тем, что между упрочненным слоем и легируемым металлом есть диффузионная связь. Под диффузией понимается перемешивание или проникновение одного вещества в другое за счет теплового движения молекул контактируемых веществ.

В качестве легирующего материала используются различные карбидные и боридные соединения тугоплавких металлов, которые получают, как правило, металлокерамическим методом. Карбидные и боридные соединения имеют малую химическую активность, а поэтому при их применении не предъявляется высоких требований к рабочей среде. Они образуют хорошее покрытие, но со сравнительно плохим качеством поверхности, и поэтому детали, работающие на трение, необходимо шлифовать. Детали, легированные карбидами и боридами, обладают высокой износостойкостью и твердостью.

Для легирования реже применяются: вольфрам, молибден, рений и хром. Если необходимо на деталь или элементы детали нанести антифрикционный слой, который, снижая коэффициент трения поверхностей, увеличивает долговечность и надежность работы деталей, то для легирования применяют: олово, свинец, висмут, индий, графит. Эти материалы легко окисляются, а поэтому легирование производят в нейтральных газах.

Коррозионную стойкость детали можно повысить, произведя ее легирование графитом, кремнием, алюминием или феррохромом.

Оборудование для электроискрового легирования. На рис. приведена схема установки для ручного электроискрового легирования; она включает в себя: генератор импульсов 1, электромагнитный вибратор 3, легирующий электрод 2 и легируемый электрод 4.

Для устойчивого осуществления процесса легирования необходимо периодическое контактирование с определенной частотой легирующего электрода 2 с легируемым электродом-деталью 4. Такое контактирование обеспечивает электромагнитный вибратор 3 (имеются и другие конструкции вибраторов). Экспериментально получены наилучшие результаты в диапазоне частот контактирования от 100 до 400 Гц. Увеличение частоты в этом диапазоне позволяет увеличить производительность процесса. Дальнейшее повышение частоты заметно ухудшает качество поверхности.

Контактирование легирующего электрода с легируемым металлом (деталью) достигается тем, что легирующий электрод закрепляется на якоре электромагнита или на вращающейся головке (в последнем случае на головке закрепляется несколько электродов, но под разными углами).

На рис. 96 приведена простейшая конструкция рабочего органа с электромагнитом. Легирующий электрод 1 закрепляется на электрододержателе 2, к которому проводом 5 подводится импульсное технологическое напряжение от генератора. Источником колебания служит электромагнит 4. Для возбуждения колебания электрододержателя на нем установлена треугольная ферромагнитная вставка якоря 11, а сам электрододержатель одним своим концом свободно подвешен на оси 10. Тяговое усилие электромагнита регулируется винтом 3. Питание к электромагниту подводится проводом 6 от специального источника питания. Вся система подвешивается с помощью кронштейна 7 к рукоятке 9 и закрывается кожухом 8.

Принцип действия рабочего органа с электромагнитом (встречаются и другие названия: возбудитель или вибратор) основан на периодическом притяжении ферромагнитных тел, помещенных в переменное магнитное поле. Под действием переменного тока, подведенного к электромагниту, к нему начинает притягиваться ферромагнитная вставка якоря. При уменьшении напряжения (синусоида проходит через нулевое значение) электрододержатель под действием пружины возвращается в исходное положение. Электрод будет колебаться с удвоенной частотой сети, т. е. с частотой 100 Гц. Если необходимо получить частоту больше, чем 100 Гц, то применяют специальные источники питания.

Периодическое контактирование легирующего электрода с деталью можно получить с помощью вращающихся многоэлектродных головок. Разработы различные конструкции многоэлектродных головок для эластичных и жестких легирующих электродов (в последнем случае электрод закрепляется на корпусе с помощью гибкого упругого элемента).

Многоэлектродная вращающаяся головка состоит из многоэлектродного держателя, токоподводящих щеток, эластичной муфты; для вращения многоэлектродного держателя применяется электродвигатель, но можно использовать и пневматические турбинки. Все элементы монтируются в корпусе, изготовленном из пластика, который соединяется с рукояткой. Весь рабочий орган закрывается защитным кожухом. Процесс легирования с помощью многоэлектродной вращающейся головки несколько отличен, чем при работе с вибрирующим электродом. При тангенциальном соприкосновении электрода с деталью происходит «размазывание» расплавленного легирующего металла по поверхности детали, что способствует снижению шероховатости поверхности легирования. Нужно отметить, что с помощью многоэлектродной вращающейся головки легко можно механизировать процесс легирования. В настоящее время уже разработаны установки механизированного легирования.

Генераторы импульсов для электроискрового легирования. Для процесса электроискрового легирования разработаны и изготовляются специальные полупроводниковые генераторы униполярных импульсов, но на предприятиях еще применяются и другие типы генераторов (например, релаксационные генераторы).

Опытным заводом Института прикладной физики АН МолдССР выпускаются малыми сериями установки для легирования, основные технические характеристики которых приведены в табл..

электроискровой легирование механизированный металлический

Установка настольного типа ЭФИ-54 оснащена двумя электромагнитными ручными вибраторами (большим и малым) и многоэлектродной вращающейся головкой ручного исполнения. Установка предназначена для нанесения благородных металлов на поверхности деталей электрических аппаратов в целях улучшения их коммутационных свойств.

В установке ЭФИ-25 имеется ручной электромагнитный вибратор; она применяется для легирования крупных деталей машин, а также для восстановления размеров изношенных деталей.

Установка ЭФИ-10М изготовлена в настольном исполнении и оснащена ручным электромагнитным вибратором. Она используется для легирования и восстановления размеров изношенных деталей машин.

Технология электроискрового легирования. Технологические характеристики процесса электроискрового легирования, как и при ЭЭО, в значительной степени зависят от выбранных электрических режимов обработки, т. е. от величины энергии, выделяющейся в межэлектродном промежутке, и от частоты следования импульсов. Интенсивность процесса электроискрового легирования, т. е. количество материала, переносимого на обрабатываемую поверхность в единицу времени, находится в зависимости от сочетания качеств материалов электродов, а также легирующего и легируемого материалов.

Большое влияние на процесс легирования оказывает температура нагрева электродов, поэтому грубые режимы обработки с большой энергией в импульсе применяются в том случае, когда масса детали более 0,5 кг.

По подводимой энергии импульсов электроискровое легирование условно подразделяется на чистовое и грубое. Если необходимо получить высокое качество поверхности и наносимый слой невелик, то обработку ведут на чистовом режиме. Грубые режимы с большой энергией в импульсе применяют, когда допустима значительная шероховатость поверхности и легируемый материал не склонен к трещинообразованию, а химическая активность легирующего материала невелика.

Выбор режима легирования для различных сочетаний материалов производится опытным путем в зависимости от физико-химических требований, предъявляемых к обработанной поверхности, ее шероховатости, пористости, а также толщины нанесенного слоя. Стабильность процесса ручного легирования в значительной степени зависит от навыка оператора, так как установленный режим может быть легко нарушен неверным выбором давления легирующего электрода на деталь. Чтобы обеспечить стабильность процесса легирования, необходимо следить за величиной рабочего тока и поддерживать нажим легирующего электрода в заданных пределах. С увеличением энергии импульса (рабочего тока) растет толщина наносимого слоя, увеличивается глубина термического воздействия и ухудшается качество легированной поверхности, появляются прижоги, нарушается и сплошность нанесенного покрытия.

Толщина нанесенного слоя при электроискровом покрытии невелика и различна для различных сочетаний легируемого и легирующего материалов и для разных режимов покрытия. Она колеблется от единиц микрометров на чистовом режиме до 1-2 мм - на грубом.

Равномерность покрытия зависит от равномерности перемещения легирующего электрода по легируемой поверхности детали и стабильности протекания процесса легирования.

Под сплошностью (плотностью) слоя понимается отсутствие в упрочненном слое раковин и различных микропустот. Она снижается при неравномерном покрытии, при наличии на поверхности окисных пленок и значительной шероховатости упрочняемой поверхности. Шероховатость легируемой поверхности должна быть не более Rz = 6,3 мкм. При чистовом легировании обеспечивается высокая сплошность покрытия, а с увеличением энергии импульсов она уменьшается и увеличивается количество раковин.

Поверхности после легирования имеют ту же структуру, что и при ЭЭО. Шероховатость поверхности находится в зависимости от энергии импульсов и эрозионной стойкости легируемого и легирующего материала. Чем выше эрозионная стойкость материалов и меньше энергия импульсов, тем лучше качество обработанной поверхности. Минимальная шероховатость упрочненной поверхности находится в пределах Rz=2,5-4 мкм.

Для электроискрового легирования, с целью придания элементам поверхности детали или всей поверхности детали требуемых физико-химических свойств, применяют различные композиции твердых сплавов, например, ВК-2, ВК-3, Т15К6, Т30К4, диборид титана, карбиды хрома, титана и ниобия, сплавы К.БХ и СНГМ; а также металлы - вольфрам, хром, молибден, кадмий, бериллий, серебро, золото и др.

Выбор необходимого режима легирования производят при обработке образцов выбранным легирующим материалом. Образцы взвешиваются до легирования и через короткие промежутки времени (одна - три минуты) в процессе легирования производят повторные взвешивания с целью определения привеса и толщины легирующего слоя, а также необходимого времени легирования. Качество легирующей поверхности и ее сплошность контролируются визуально с помощью лупы шестикратного увеличения.

Если легированию подлежит партия деталей из однородного сплава, то рекомендуется построить таблицу или график удельных привесов легирующих слоев в зависимости от времени легирования для разных режимов и установить оптимальное время обработки на каждом из режимов. Практически качество легирования гарантируется точным соблюдением электрического режима легирования и временем легирования.

Ранее приводился перечень материалов, применяемых при легировании. Однако практически приходится иметь дело с таким сочетанием легируемого и легирующего материала, которое только при определенных условиях обеспечивает необходимое качество покрытия, - а очень часто легирующий материал вовсе не осаждается. В зависимости от конкретных условий легирования применяют различные технологические приемы, обеспечивающие необходимые конечные результаты. Например, при легировании сталей вольфрамом происходит частое приваривание анода и катода, в результате чего поверхность получается неровной и бугристой. Устранить приваривание можно предварительным легированием углеродом каждого квадратного сантиметра поверхности в течение 1 мин (для установки ЭФИ-10М).

Приходится наносить переходный слой, когда выбранный материал анода не осаждается на легируемом металле. Например, при легировании алюминиевых сплавов карбидом вольфрама сначала наносят слой никеля, а затем на слой никеля - карбид вольфрама. При легировании не рекомендуется делать многократные проходы по одному и тому же месту, так как после достижения определенной толщины легирующего слоя привес уменьшается и начинается съем нанесенного слоя. На различных режимах количество максимальных проходов колеблется в пределах четырех - шести.

В процессе легирования необходимо следить за температурой нагрева анода и не допускать его перегрева.

Размещено на Allbest.ru