2.1 Электроэрозионный метод

Электроэрозионная обработка создает в поверхностном слое термохимическое упрочнение и технологические макронапряжения, величина которых зависит от режима обработки. [6] Электроэрозионная обработка металлов основана главным образом на тепловом действии импульсов электрического тока, подводимого непосредственно инструменту и заготовке. Разновидностью электроэрозионной обработки является упрочнение и нанесение специальных покрытий, при которых изменяется структура металла и качество поверхностного слоя.

Известен способ электроэрозионного легирования, при помощи которого можно изменить твердость металлической поверхности:

· повысить твердость нанесением на поверхность материала более высокой твердости или диффузионным введением в поверхностный слой необходимых химических элементов из окружающей среды или из материала анода;

· понизить твердость, нанося на поверхность более мягкие материалы;

· повысить твердость при обработке незакаленного, но закаливающегося материала, применяя импульсы с большей энергией или более длительные, разогревающие металл несколько глубже суммарной толщины нанесенного и диффузионного слоев

Электроэрозионное упрочнение и восстановление деталей, включающее легирование и наращивание поверхности, обычно осуществляют на воздухе и в газах. Частицы расплавленного металла инструмента на воздухе не успевают остыть и оседают на поверхности заготовки, образуя на ней слой сплава, насыщенного легирующими элементами электрода-инструмента (либо легирующим компонентом из состава рабочей среды). Кроме того, нанесенный на заготовку слой закален до высокой твердости и имеет за счет этого повышенную износостойкость.

Довольно часто, чтобы обработать металл, применяют электроискровой и электроимпульсный методы. Также встречаются электроконтактный и анодно-механический способы.

Если для деталей из металла потребуется черновая обработка, то обычно применяют электроимпульсную схему. При этом во время работ температура вырабатываемых импульсов может достигать 5000°C. [6] Это увеличивает такой параметр, как производительность.

Если возникает необходимость изготовить детали со сложной формой и пресс-формы, а также для производства некоторых материалов с высокой точностью обработки, применяют проволочно-электроэрозионные агрегаты. Чаще всего такое оборудование используется для изготовления различных деталей для электроники, самолетов, и даже космической сферы.

Такие работы должны осуществляться только на специальном оборудовании под обязательным присмотром квалифицированного специалиста, имеющего соответствующий допуск. Хотя такой способ делает заготовку более точной и качественной, промышленные предприятия предпочитают применять механическую обработку металла.

Используя такой метод, практически всегда удается добиться самого высокого качества поверхности металла, в результате чего она становится максимально точной и однородной. При этом полностью исключается необходимость проведения финишной обработки. Также этот метод гарантирует получение на выходе поверхности разнообразной структуры.

Также к достоинствам электроэрозионной обработки металла относят возможность осуществлять работу с поверхностью любой твердости.

2.2 Электрохимический метод

Физический принцип электрохимической обработки (ЭХО) основан на высокоскоростном анодном растворении металлов и сплавов под действием тока электролиза высокой плотности в среде проточного электролита на малых межэлектродных зазорах. [6] При этом в соответствии с законом Фарадея, масса удалённого с заготовки материала пропорционально силе тока и времени обработки.

По сути, электрохимическая обработка металлов является одним из способов придания детали определенной формы, размера, а также характера покрытия поверхностного слоя. Иными словами, такая обработка может видоизменить металлическую деталь и покрыть ее поверхность специальным напылением с помощью электрохимии. Подобного рода процесс необходимо производить только в особых электролитических ваннах.

Электрохимическая обработка металлов проводится в соответствии с назначенными параметрами образца в зависимости от свойств имеющейся заготовки металла. Основными видами воздействия электрохимии на металл являются:

· прошивание - электрод углубляется и создает отверстие с постоянным сечением в заготовке;

· струйное прошивание - заключается в создании отверстия специальной струей электролита;

· электрохимическое объемное копирование - при этом форма электрода копируется на заготовку металла;

· калибрование - обычная обработка поверхности изделия для увеличения уровня прочности;

· точение происходит за счет вращения заготовки металла и воздействия электролита;

· резка заготовки;

· удаление заусенцев.

При обработке отсутствуют какие-либо структурные изменения металла благодаря исключению термического и механического воздействия на деталь;

· исключено изменение вязкости, твердости и магнитных свойств;

· после электрохимического воздействия шероховатость поверхности становится минимальной, а сам материал поддается прецизионной обработке;

· подобного рода обработке можно подвергать любые материалы, включая и жаропрочные сплавы;

· обработка труднодоступных и мелких деталей заготовки;

· все полировочные и шлифовальные процессы проводятся за одну операцию электрохимическим путем;

· после электрохимического воздействия нет необходимости проводить дополнительные полировочные процедуры, например снятие заусенцев или шлифование.

Для проведения подобной обработки используется узкоспециализированное оборудование - электрохимические станки. Из-за низкой производительности такие технологические установки создаются лишь под определенный процесс, но подобное оборудование незаменимо. Такие станки могут иметь доступ к тем частям заготовки металла, куда не добраться никаким другим способом обработки металла.

Уникальными эти станки делает то, что после их воздействия на деталь, нет необходимости использовать полировочные машинки или шлифовальное оборудование, которым должен управлять лишь высококвалифицированный персонал. Электрохимические станки имеют уникальное строение и поэтому часто выпускаются в единичном экземпляре.

3. Старение

Старение - изменение свойств стали с течением времени без заметного изменения микроструктуры. [7] В результате старения прочность и твердость повышаются, пластичность и вязкость снижаются. Старение приводит к снижению внутренних напряжений, стабилизации размеров и геометрической формы изделий.

Если старение протекает при комнатной температуре, его называют естественным, если при повышенной температуре - искусственным. Старению подвергают станины станков, плунжеры, калибры, скобы и другие изделия, размеры и геометрическая форма которых не должны изменяться в процессе их эксплуатации.

Известны два вида старения:

· термическое;

· деформационное (механическое).

Легирующий элемент - азот - попадает в сталь из атмосферы. Хотя азот обычно присутствует в значительно меньшем количестве, чем углерод, действие их подобно. Азот оказывает более сильное влияние на стабилизацию аустенита и упрочнение, и определенное количество его может серьезно влиять на пластичность при низкой температуре из-за выпадения нитридов при нагреве до 200°С после холодной деформации. Это явление известно, как деформационное старение. Когда азот вызывает какие-либо нежелательные эффекты, его можно связать добавками ванадия, который образует с ним нитриды. Если добавки азота улучшают важные для нас свойства, содержание его может быть увеличено. Азот можно вводить при плавлении под давлением. Кроме того, азотом можно насытить поверхностные слои стали, содержащие алюминий, в процессе азотирования в атмосфере, обогащенной азотом, такой, как атмосфера диссоциированного аммиака. Кроме того, вместе с углеродом, азот может насыщать сталь при нагреве в расплавленных цианистых солях. Эти два наиболее распространенных метода создают твердый, но тонкий поверхностный слой. Азот содержится в сталях, изготовленных с применением кислородного дутья, в небольшом количестве и может быть почти полностью удален вакуумной обработкой.

Деформационное старение протекает в сплаве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. [2] Процесс этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего несколько минут при температурах 200 - 350°С.

Вследствие относительно высокой термической устойчивости игольчатой субструктуры, разупрочнение матрицы на начальном этапе старения невелико и максимальное значение твердости, достигаемое в процессе старения, приближенно равно сумме исходной твердости и упрочнения, обусловленного выпадением дисперсных частиц.

Процесс дисперсионного твердения может иногда привести к нежелательным результатам. Концентрация примесей на границах зерен сталей выше, чем в теле зерна, и, кроме того, вследствие более легкого протекания процессов диффузии и самодиффузии образование новой фазы происходит в первую очередь в пограничных зонах.

Термическое и деформационное старение повышают прочность и твердость, но одновременно резко снижают ударную вязкость и повышают порог хладноломкости, Повышение прочности при термическом старении объясняется тем, что выделившиеся из феррита карбиды, нитриды и другие фазы создают препятствия для движения дислокаций. При деформационном старении основное упрочнение, вероятно связано не с выделением избыточных фаз, а с взаимодействием примесей (атомов углерода и азота) со скоплениями дислокаций, что затрудняет их движение.

4. Криогенная обработка металлов

Криогенная обработка металлов - это процесс обработки металлических заготовок и готовых металлических изделий при сверхнизких температурах) в целях снятия остаточных напряжений и повышения износостойкости деталей. [8] Данный вид термической обработки способствует увеличению твёрдости, износостойкости и прочности металлов в результате трансформации остаточного аустенита в мартенсит. Оборудование для проведения криогенной обработки называется криогенный процессор.

Диапазон криогенных температур от 0 до минус 272°С связан с полиморфными превращениями в обрабатываемом материале. С понижением температуры большинство материалов становится более прочным и износостойким, наблюдается увеличение их временного сопротивления и твёрдости. При температуре минус 196°С (температура кипения жидкого азота) временное сопротивление разрыву большинства металлов в 2 - 5 раз больше, чем при комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается до 8 раз; стекла - в 12 раз. При температуре минус 269°С предел прочности меди больше в 2 раза, чем при комнатной температуре, а алюминия - в 4 раза.

Преимущества криогенной обработки:

· увеличение твердости, износостойкости и прочности в результате трансформации остаточного аустенита в мартенсит;

· улучшение формоустойчивости (стабильности размеров);

· увеличение ударной прочности и износостойкости сталей в результате выделения мелкодисперсных карбидов легирующих элементов;

· увеличение теплопроводности;

· увеличение ресурса за счет снятия остаточных напряжений;

· увеличить износостойкости и ресурса выпускаемых изделий до 300%.

Уменьшение пластичности и повышение твёрдости при криогенных температурах позволяют повысить эффективность лезвийной обработки ряда материалов. В результате криогенного воздействия на металлорежущий инструмент улучшаются его режущие свойства и повышается его стойкость.

Криогенная обработка является эффективным средством стабилизации и повышения твердости, снижения коэффициента трения при сухом трении и трении в условиях смазки. Экстремальную износостойкость обеспечивает криогенная обработка изделий с металлическим покрытием. Криогенная обработка не является окончательной операцией термообработки. Для снижения температурных напряжений, вызванных закалкой и криогенной обработкой, и получения требуемых механических свойств стали детали подвергают после криогенной обработки старению или отпуску. Эта обработка проводится однократно и не нуждается в повторении, поскольку свойства материала, приобретенные в результате комплексной термической обработки, сохраняются в течение длительного времени эксплуатации.

Заключение

Для изготовления значительной части деталей машин и технологического инструмента в промышленности широко используются сравнительно дешёвые низколегированные стали с повышенным содержанием углерода и чугуны. Эксплуатационная стойкость таких деталей в современных условиях не отвечает возрастающим требованиям производства ввиду увеличивающихся затрат на запасные части, текущий и капитальный ремонты агрегатов, связанные с их заменой. Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая термическая обработка рабочей поверхности концентрированным потоком энергии. Причём, упрочнение целесообразно осуществлять как для новых деталей, так и для реставрированных.

Термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции. Разработаны и рационализированы технологические процессы термической обработки серых и белых чугунов, сплавов цветных металлов.

Криогенная обработка - инновационная технология повышения ресурса изделий, работающих на износ, мало известна специалистам горнодобывающей промышленности, хотя первые положительные результаты были получены 80 лет назад советскими учеными. Криогенная обработка является одним из видов термической обработки металлических материалов. Применение криогенных температур при термической обработке металлов позволяет стабилизировать размеры прецизионных деталей и получать требуемую структуру.

Список литературы

металл электрофизический термомеханический

1. Бернштейн М.Л., Термомеханическая обработка металлов и сплавов // Металлургия - М. - 1968 г.

2. Буслаева Е.М., Материаловедение. Шпаргалка.: Ай Пи Ар Медиа, 2009 г.

3. Зуев В.М., Термическая обработка металлов. Учебник для сред. ПТУ. 3-е изд., перераб. и доп., М.: Высшая школа, 1986 г.

4. Козловский А.Э., Термическая обработка углеродистых сталей: Учебное пособие. - Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2017 г.

5. Остапенко Н.Н., Крапивницкий Н.Н., Технология металлов. М.: Высшая школа, 1970 г.

6. Поляков З.И., Исаков В.М., Исаков Д. В, Шамин В.Ю., Электрофизические и электрохимические методы обработки: Учебное пособие для студентов-заочников. Компьютерная версия. - Издание второе, переработанное и дополненное - Челябинск: ЮУрГУ, 2006 г.

7. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Материаловедение: Учебник для вузов. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007 г.

8. Сафонов С.В., Методология проектирования комбинированных технологических процессов модификации поверхностного слоя изделий: дис. докт. техн. наук, Воронеж, 2018 г.

Размещено на Allbest.ru