Влияние эрозионных процессов электродных материалов на формирование электроискровых покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.793.79

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Влияние эрозионных процессов электродных материалов на формирование электроискровых покрытий

Д.Н. Коротаев

Е.В. Иванова

В процессе эксплуатации деталей машин металлические поверхности, вступающие во фрикционное взаимодействие, изнашиваются. В связи с этим возникает необходимость восстановления геометрических размеров деталей и их поверхностного упрочнения за счет создания функциональных покрытий. На сегодняшний день существует большое количество технологий поверхностной обработки, которые приводят к повышению эксплуатационных свойств металлических поверхностей. В машиностроении широко известен метод электроискрового легирования (ЭИЛ), используемый в технологиях изготовления и ремонта деталей машин [1, 2].

Метод ЭИЛ основан на явлении переноса материала легирующего электрода (анода) на обрабатываемую поверхность (катод) при искровом разряде (рис.1), в результате чего в поверхностном слое активируются процессы, которые приводят к образованию нового структурного состояния и формируется покрытие с требуемыми физико-механическими свойствами.

Рис. 1. Общая схема процесса электроискрового легирования

Однако, в настоящее время, использование деталей машин, обработанных ЭИЛ, в серийном производстве весьма ограничено в связи с незначительной толщиной покрытия. Толщина покрытия является важным технологическим параметром процесса ЭИЛ, который зависит от массопереноса материалов электродов и, в первую очередь материала легирующего электрода (анода). Основным требованием к электродным материалам для ЭИЛ является их высокая эрозионная способность с целью обеспечения интенсивного массопереноса [3].

В связи с этим, целью работы является формирование покрытий необходимой толщины при ЭИЛ на основе интенсификации эрозионного процесса легирующего электрода и повышения эффективности массопереноса электродного материала.

Проблемы получения покрытий по критерию требуемой толщины должны решаться на основе системного подхода, учитывающего состав материала электрода, технологические режимы установки ЭИЛ, влияние межэлектродной среды и др.

II. Причинно-следственная диаграмма ЭИЛ

Современные тенденции в науке предполагают внедрение в машиностроительное производство инструментов, позволяющих управлять качеством технологических процессов, одним из которых является причинно-следственная диаграмма Исикавы. Диаграмма позволяет отобразить взаимосвязи между проблемой (результатом) и причинами (факторами) влияющими на ее возникновение [4].

Для построения диаграммы, первоначально необходимо определить проблему, которая требует разрешения. Далее, устанавливают значимые категории причин, которые существенно влияют на указанную проблему. В дальнейшем анализируется каждая из основных категорий, и определяют значимые и менее значимые (второстепенные) факторы, входящие в эти категории. Все факторы группируют между собой, указывая стрелками связи влияния на конечный результат (проблему). В завершении с помощью диаграммы проводят логический анализ рассматриваемых причин и намечают мероприятия для достижения необходимого результата (устранения проблемы).

Диаграмма для установления причин незначительной толщины ЭИЛ-покрытий и системного изучения взаимосвязей между проблемой и факторами, влияющими на ее возникновение, приведена на рис. 2.

Системный подход при построении диаграммы предполагает анализ следующих основных категорий причин, от которых зависит толщина функционального покрытия при ЭИЛ.

1) Категория «Легирующий электрод» включает химический состав электрода, способ изготовления и его эрозионную активность.

В работе использовали традиционный электрод марки Т15К6, а также электрод с составом 50% WC-Co, 50% Ni-Cr-B-Si и электрод на основе TiC-Ni-Cr-Al-ШЛК (шеелитовый концентрат CaWO4).

Эффективность эрозионных процессов зависит от структуры материала электрода и его теплофизических свойств, оцениваемых по критерию Палатника [5].

2) В категорию «Режимы ЭИЛ» входят: время обработки (время легирования), длительность импульса искрового разряда и энергия в импульсе, которая зависит от напряжения между легирующим электродом и поверхностью и разрядной емкости конденсаторов.

Обработку образцов осуществляли с технологическими режимами: емкость конденсаторов С = 34 - 240 мкФ; напряжение в импульсе U = 80 - 160 В; время обработки - 2 мин/см2.

3) «Межэлектродная среда» - это атмосфера, в которой осуществляется массоперенос материала легирующего электрода на поверхность. Эффективность массопереноса зависит от физико-химических и электрических свойств среды. ЭИЛ проводили в воздушной среде.

4) Категория «Обрабатываемая поверхность» - это металлическая поверхность, которая имеет определенные физико-механические свойства и характеризуется адгезионной активностью. Для исследования формирования покрытий в качестве объекта экспериментальных исследований использовались образцы из конструкционной легированной стали 15ХГН2Т и стали 45.

Рис.2. Причинно-следственная диаграмма электроискрового легирования

5) Категория «Оборудование» включает механизированную установку ЭИЛ «IMES-1001», предназначенную для электроискровой обработки деталей машин, оснащенную генератором импульсов «IMES-01-2» с электронным блоком (следящей системой), который обеспечивает заданный межэлектродный зазор.

В результате анализа диаграммы и научных работ в области ЭИЛ [6-8] установлено, что основными факторами, влияющими на толщину покрытий, являются материал легирующего электрода и его эрозионная активность, а также энергетические режимы установки ЭИЛ. При этом электроэрозионный процесс сопровождается активным выбросом анодного и катодного вещества в межэлектродное пространство в ионизированном, жидко-капельном и твердо-хрупком состоянии.

III. Физическая модель эрозионных процессов при ЭИЛ

Для получения покрытий с требуемыми эксплуатационными свойствами и толщиной, необходимо изучить физические закономерности образования потока эрозионных частиц и объяснить их вклад в формирование модифицированного поверхностного слоя и покрытия.

Рассмотрим физическую модель (рис. 3) эрозионных процессов, которые происходят при электрическом взаимодействии поверхностей электрода и образца (детали).

Процесс образования потока эрозионных частиц и его взаимодействие с поверхностью детали зависит от энергетических режимов генератора импульсов (ГИ), к которому подключены легирующий электрод (анод) и обрабатываемая деталь (катод).

Искровой разряд, возникающий при сближении легирующего электрода с поверхностью, приводит к эрозии электродного материала. При этом формируются конкурирующие потоки частиц (твердо-хрупкие, жидко-капельные и ионно-плазменные), которые устремляются к обрабатываемой поверхности. На процентное соотношение частиц в различном агрегатном состоянии и их физические характеристики (энергия Еci, массовая доля mci) оказывают влияние энергетические режимы установки ЭИЛ и межэлектродная среда.

Упрочнение при ЭИЛ определяется способностью легирующих элементов к образованию поверхностей с повышенной внутренней энергией. Повышение внутренней энергии при внедрении легирующих элементов складывается из энергии, вносимой активным компонентом и поглощенной энергии, затрачиваемой на формирование новой структуры и свойств покрытия. Эти процессы при образовании новых фаз (твердых растворов, химических соединений) оценивается энтальпией смешения Н и энтальпией образования Е.

Поток эрозионных частиц приводит к активации поверхностного слоя катода. Поверхностная энергия и температура возрастают, поверхностный слой становится химически активным, что способствует интенсивному перемешиванию материалов легирующего электрода и поверхности детали.

Рис. 3. Физическая модель формирования эрозионного потока:

Е - энергия импульса (U -напряжение, С - емкость конденсаторов); Ств, Сж, Сп - концентрации эрозионных частиц в твердо-хрупком, жидко-капельном и плазменном состоянии; Т - температура; Еci - энергия эрозионных частиц; mci - массовая доля эрозионных частиц; ДН - энтальпия смешения; ДЕ - энтальпия образования; Еi - поверхностная энергия; МС - межэлектродная среда

Образующийся при искровом разряде поток активного анодного и катодного материала вместе с элементами внешней среды участвует в физико-химических процессах, происходящих в межэлектродном пространстве. В результате описанных процессов происходит формирование покрытия и поверхностного слоя с повышенными физико-механическими свойствами.

Таким образом, электрическая эрозия представляет комплексный процесс, включающий хрупкое разрушение в связи с термическими напряжениями, которые превышают предел прочности металла, оплавление и выброс жидкофазного материала с испарением и ионизацией.

IV. Результаты и обсуждение

Эрозионный массовый поток представлен несколькими видами частиц: твердые микрочастицы, жидко-капельные частицы, частицы ионно-плазменной фазы. Относительная весовая доля ионно-плазменной фазы в объеме эрозионного массового потока достигает незначительной величины [9].

Для эффективной реализации электроискровой обработки необходимо учитывать эрозионную стойкость электродного материала и материала обрабатываемой поверхности, которая определяется количеством тепловой энергии, необходимой для оплавления твердого тела. Кроме того, основной вклад в увеличение толщины покрытий вносят частицы в жидко-капельном состоянии [9]. стальной электроискровой легирование эрозионный

При управлении эрозионными процессами и формировании покрытий ЭИЛ, необходимо учитывать критерий Палатника, который определяет эрозионную стойкость материалов [5]. Данный критерий представляет собой комбинацию теплофизических характеристик материала и вычисляется по формуле [10]

,

где Нпл - энтальпия плавления; ср - объемная удельная теплоемкость; с - плотность материала; л - коэффициент теплопроводности; Тпл - температура плавления.

Значения критерия Палатника для ряда металлов приведены в таблице.

Таблица 1 Критерий Палатника различных материалов

Чем выше критерий Палатника, тем больше энергии затрачивается для образования теплового поля в условиях динамической теплопроводности, обеспечивающей оплавление материала. Таким образом, с увеличением критерия Палатника эрозионная стойкость материала повышается.

При электроискровой обработке эрозионному разрушению подвергаются легирующий электрод и обрабатываемый материал, поэтому основным технологическим параметром является коэффициент взаимного переноса Квп, представляющий отношение критериев Палатника легирующего электрода (РаЛЭ) и обрабатываемой поверхности (РаОП) и отвечающий следующему условию

.

Существенным фактором повышения эффективности ЭИЛ может быть снижение критерия Палатника легирующего электрода и повышение критерия Палатника обрабатываемого материала.

Для исследования эрозионной стойкости легирующего электрода и, как следствие, формирования толщины покрытия при ЭИЛ использовали электроды с различным критерием Палатника и коэффициентом взаимного переноса, изменяя энергетические режимы установки ЭИЛ. Результаты исследования представлены на рис. 4.

Рис. 4 Толщина покрытия при ЭИЛ электродами:

1 - Т15К6; 2 - TiC-Ni-Cr-Al-ШЛК; 3 -50 %WC-Co и 50%Ni-Cr-B-Si

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что максимальная толщина покрытия получена при электроискровой обработке стальных поверхностей легирующим электродом с составом TiC-Ni-Cr-Al-ШЛК. Это обусловлено повышенной эрозионной активностью электродного материала, которую обеспечивают химические элементы с низким критерием Палатником и повышенным коэффициентом взаимного переноса с материалом основы.

Выводы

1. Применение причинно-следственной диаграммы является эффективным системным инструментом установления главных причин, которые влияют на проблему незначительной толщины покрытия при ЭИЛ. На основе диаграммы установлено, что одними из главных факторов, влияющих на качество формируемых покрытий, являются материал легирующего электрода и технологические режимы установки ЭИЛ.

2. На основе анализа термодинамических параметров при ЭИЛ с использованием закономерностей искрового разряда и эрозионных процессов, разработана физическая модель формирования потока эрозионных частиц и упрочнения поверхностных слоев.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что при повышении коэффициента взаимного переноса материалов Квп толщина покрытия увеличивается. Электроискровая обработка стальной поверхности легирующим электродом на основе карбида титана с добавками Ni-Cr-Al-шеелитовый концентрат, позволяет интенсифицировать массоперенос электродного материала и получать покрытия с наибольшей толщиной.

Список литературы

1. Mashkov Y.K., Malij O.V., Korotaev D.N., Alimbaeva B.S., Baybaratskaya M.Y. The effect of electric-spark treatment on the structure and properties of modified friction surfaces // Journal of Friction and Wear. 2016. Т. 37. № 1. С. 66-70.

2. Агеева Е.В., Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Карпенко В.Ю., Алтухов А.Ю. Оценка износостойкости электроискровых покрытий, полученных с использованием электроэрозионных порошков быстрорежущей стали // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2015. №3. С. 71-76.

3. Агеева Е.В., Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Карпенко В.Ю., Алтухов А.Ю. Характеристики электроискровых покрытий, полученных электродным материалом из электроэрозионных порошков быстрорежущей стали // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2015. №2. С. 62-65.

4. Коротаев Д.Н., Иванова Е.В., Худякова О.Д. Управление качеством формирования износостойких поверхностных слоев методом электроискрового легирования // Справочник. Инженерный журнал, 2015. № 5. С. 34 - 37.

5. Ким В.А. Самоорганизация в процессах упрочнения, трения и изнашивания режущего инструмента. - Владивосток : Дальнаука, 2001. 203 с.

6. Хромов В.Н., Кузнецов И.С. Исследования износостойких электроискровых покрытий с нанокристаллической и аморфной структурами // Упрочняющие технологии и покрытия, 2010. №12. С.18-21.

7. Машков Ю.К., Коротаев Д.Н., Байбарацкая М.Ю., Алимбаева Б.Ш. Исследование наноструктурных покрытий, синтезируемых методом электроискровой обработки // Журнал технической физики, 2015. Т.85, вып. 10. С.75-79.

8. Коротаев Д.Н., Иванова Е.В. Субструктурное поверхностное упрочнение деталей трибосистем методом электроискрового легирования // Перспективные материалы, 2011. №2. С. 98-102.

9. Коротаев Д.Н., Ким В.А., Иванова Е.В. Влияние технологических условий электроискрового легирования на состав, распределение и энергетическое состояние анодного массового потока // Упрочняющие технологии и покрытия, 2008. № 6. С. 21 - 25.

10. Поляков З.И., Исаков В.М., Исаков Д.В., Шамин В.Ю. Электрофизические и электрохимические методы обработки: учебное пособие. Челябинск: ЮУрГУ, 2006. 89 с.

Аннотация

Рассмотрены основные причины, влияющие на получение покрытий требуемой толщины при обработке стальных поверхностей электроискровым легированием, а также результаты исследования влияния материалов легирующих электродов на толщину покрытий. В работе предложена физическая модель формирования потока эрозионных частиц и упрочнения поверхностных слоев на основе термодинамических процессов. Установлено влияние электродных материалов с различным критерием Палатника на толщину покрытия. Использование электрода на основе карбида титана с добавками Ni-Cr-Al-ШЛК (шеелитовый концентрат) способствует повышению эффективности массопереноса материала с легирующего электрода и, как следствие, увеличению толщины покрытия при искровой обработке.

Ключевые слова: электроискровое легирование, упрочнение, электродный материал, покрытие, физическая модель.

Размещено на Allbest.ru