Читайте также:
|
Из всей широкой гаммы известных в настоящее время технологий упрочнения и нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, имеющих свои достоинства и недостатки, методы электроискрового легирования и электроакустического напыления-легирования характеризуются как наиболее простые, более экономичные и менее трудоемкие.
Электроискровое легирование рабочих поверхностей режущего инструмента осуществляется на установке «Элитрон-22» (рис. 15.1).
Установка «Элитрон-22» предназначена для электроискрового легирования рабочих поверхностей инструмента и штамповой оснастки, а также для увеличения твердости и износостойкости металлических поверхностей деталей машин.
Рис. 15.1. Общий вид установки «Элитрон-22»: 1 – генератор;
2 – вибратор; 3 – приспособление; 4 – напыляемый образец; 5 –измерительный инструмент;
6 – увеличительная линза; 7 – разъем вибратора; 8 – электродержатель с электродом; 9 – разъем «детали» генератора; 10 – клемма в приспособлении; 11 – потенциометр;
12 – регулятор амплитуды; 13 – кнопка вкл/выкл установки
Электроискровой способ обработки металлов основан на использовании явления электрической эрозии. Электрической эрозией металлов называется разрушение электродов под действием самостоятельного электрического разряда. Если разряд протекает в газовой среде (на воздухе), то это явление сопровождается переносом материала с одного электрода на другой. Сущность метода заключается в воздействии на обрабатываемый металл электрического импульсного разряда, под действием которого на поверхности металла развиваются электротермические процессы, которые вызывают появление сложных термохимических изменений поверхности металла.
Переключение цепи электрического тока всегда сопровождается определенной формой электрического разряда. Разрыв электрических цепей сопровождается обычно дуговым электрическим разрядом. В появляющейся при этом электрической дуге наблюдается перенос металла с катода на анод, на котором металл оседает плотным слоем. Возникновение дугового разряда при размыкании цепи, как известно, обусловлено тем, что индуктивность цепи в момент ее разрыва служит резервуаром энергии, поддерживающим разрываемый ток. Поэтому, если энергию, запасенную в индуктивной цепи, направить с помощью включения емкости параллельно разрываемым контактам в другие места цепи, то при определенных значениях емкости дуга исчезнет. Таким образом, весь запас энергии, накопившейся в контуре, будет сосредоточен в конденсаторе, и вместо дуги при замыкании или размыкании электродов появится другая форма разряда – искровой (импульсный) разряд, и металл, как правило, будет переноситься уже с анода на катод. Общая схема процесса ЭИЛ представлена на рис. 15.2.
Установлено, что при электроискровом разряде получается облачко ионизированного и ярко светящегося воздуха с температурой до 10000 °С. Под воздействием ударной волны конденсированного разряда и движущихся за ней масс ионизированного воздуха с высокой температурой происходит нечто мгновенного вскипания поверхностного слоя весьма малой толщины с последующим быстрым охлаждением главным образом за счет тепловой волны, уходящей вглубь металла основы.
Рис. 15.2. Общая схема процесса ЭИЛ: ГИ – генератор импульсов;
МЭП – межэлектродный промежуток; ИР – искровой разряд; А – анод (компактный электрод); К – катод (деталь); fa – частота вибрации анода;
S – направление подачи детали
В результате этого на поверхности инструмента образуется весьма дисперсная твердая металлическая пена, застывающая столь быстро, что в ней не успевают сформироваться микрокристаллы заметной величины. По мере удаления от поверхности инструмента вглубь обрабатываемого металла градиент падения температуры настолько велик, что зона высоких температур у поверхности обычно простирается на очень малую глубину, не превышающую 15–25 мкм,и лишь при очень грубых режимах обработки достигает 70–100 мкм.
В результате обработки электроискровым способом создается тонкий белый слой, отличный по своей структуре от структуры основного металла, который почти не поддается травлению или окрашиванию обычными реактивами.
Белый слой является неравномерным по глубине и прерывистым по длине, что объясняется, с одной стороны, упрочнением вручную, а с другой — наличием неровностей в исходной поверхности изделия (рис. 15.3).
Рис. 15.3. Микроструктура поверхностного слоя стали Р6М5 после обработки ЭИЛ электродом Т5К10
Дело в том, что возникающая искра направлена на отдельный участок металла весьма малых размеров, вследствие чего получить вручную сплошность покрытия поверхности почти невозможно; лучшие результаты получаются при механизации процесса. Неровности на поверхности инструмента (видимые при большом увеличении) мешают получению равномерной глубины по длине слоя, и не дают возможности покрыть впадины. Применение многократного упрочнения несколько повышает сплошность упрочнения. Исследования показывают, что с повышением напряжения тока, а также емкости увеличивается глубина упрочненного слоя и его сплошность, а при увеличении силы тока – только глубина слоя, но при этом ухудшается качество поверхности.
Качество поверхности инструмента при упрочнении, как правило, ухудшается на 1–2 класса, в зависимости от устанавливаемого технологического режима упрочнения. На более мягких режимах чистота поверхности изменяется на один класс. Твердость упрочненного слоя быстрорежущей стали колеблется в пределах 62–74 HRC. В среднем получается увеличение твердости по сравнению с закаленной сталью без упрочнения на 2–8 единиц по Роквеллу.
Металлографические исследования, а также рентгеноструктурный анализ позволяют сделать вывод, что инструментальные стали в результате процесса упрочнения получают в поверхностном слое структуру мартенсита-аустенита вторичной закалки, карбидов и нитридов. Таким образом, поверхностный слой инструмента в процессе импульсного разряда подвергается термической обработке, характеризующейся высокой скоростью, нагрева и охлаждения. Кроме того, имеет место диффузия в упрочняемый слой углерода и азота.
Структура подслоя представляет собой троостит или троосто-мартенсит, в зависимости от температурного воздействия искры.
Искровой разряд отличается от электрической дуги, так как время существования искрового разряда значительно меньше, чем дуги, а на поверхности рабочих электродов не наблюдается глубоких структурных превращений.
По той же причине искровой разряд более локализован, что дает возможность проводить процесс, в строго намеченном месте.
В искровом разряде металл переносится практически в неокисленном виде, чего не наблюдается в дуге.
Благодаря указанным свойствам искрового разряда он может быть использован для проведения различных технологических процессов и, в частности, для процесса упрочнения режущих частей инструментов.
При помощи электроискрового способа можно осуществлять упрочнение почти всеми металлами, применяемыми в технике, в том числе упрочнение молибденом, вольфрамом и танталом, а также твердыми сплавами. Такой способ упрочнения инструментов обеспечивает исключительную прочность схватывания металла инструмента с покрытием, не требуя предварительного обезжиривания упрочняемой поверхности.
Для инструментов, в первую очередь из быстрорежущей стали, в качестве упрочняющего инструмента применяют графитовые электроды. Упрочнение в этом случае достигается за счет введения в поверхность инструмента дополнительного количества углерода.
Установка «Элитрон-22» состоит из генератора (рис. 15.1, 1) и вибратора (рис.15.1, 2).
Генератор состоит из блока питания, зарядно-разрядного блока и блока управления. Питание генератора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220±11 В при частоте 50 Гц. Потребляема мощность не более 0,4 кВА. Зарядно-рязрядный блоке конденсаторов в зависимости от положения переключателя «Емкость» расположенного на задней стороне панели генератора, регулирует величину емкости накопительных конденсаторов 200 мкФ и 360 мкФ. Амплитудное же значение напряжения на накопительных конденсаторах плавно регулируется от 15 до 90 В. Генератор создает импульсы технологического тока в диапазоне от 0,5 до 2,8 А, питает обмотки вибратора, осуществляет контроль установленных режимов обработки изделия и управляет технологическим процессом ЭИЛ. Генератор выполнен в виде переносного прибора, габаритные размеры его 450 
315 170 мм при массе 22,0 кг.
Общий вид вибратора приведен на рис. 15.4.
Рис. 15.4. Общий вид вибратора: 1 – корпус; 2 – сердечник; 3 – катушка; 4 – держатель; 5 – электродержатель; 6 – якорь; 7 – стенка; 8 – винт; 9 – разъем; 10 – жгут; 11 - прокладка
Вибратор смонтирован в диэлектрическом пластмассовом корпусе 1, в котором укреплен сердечник электромагнита 2 с катушкой 3. На якоре 6 расположен механический электродержатель 5. Вибратор предназначен для коммутирования разрядной цепи вибрирующим электродом с частотой 100 Гц, которые периодически вступает в контакт с обрабатываемым изделием. Размер виброперемещений вибрирующего электрода регулируется от 0,2 до 1,0 мм. Масса вибратора 0,26 кг.
Процесс электроискрового легирования на установке «Элитрон-22» осуществляется при непосредственном контакте электродом вручную. Процесс ЭИЛ позволяет получить толщину наносимого слоя по наиболее выступающим частям рельефа до 0,12 мм, высоту микронеровностей профиля наносимого покрытия от 16 до 80 мкм с производительностью нанесения покрытия до 5,0 см2/мин.
Лабораторная работа № 21. Назначение, конструкция и принцип работы переносной установки для электроискрового легирования модели «Элитрон-22»
Цели и задачи работы – Изучить назначение, конструкцию и принцип работы установки «Элитрон-22». Изучить физические основы метода электроискрового легирования и характеристики получаемых легированных поверхностей. Изучить устройство и органы управления генератором и вибратором.
Применяемое оборудование, инструменты, материалы и приборы
Для выполнения работы необходимы:
- установка «Элитрон-22»;
- легирующие электроды в виде твердосплавных пластинок 39050 марок Т15К6, Т5К10, ВК8 ГОСТ 25416-82;
- образцы 100 10 10 мм стальные марки 45 ГОСТ 1050-88;
- приспособление для зажима обрабатываемых изделий;
- линза 4-х кратного увеличения.
Методические указания по выполнению работы
1. С целью успешного выполнения лабораторной работы необходимо перед началом занятий ознакомиться с методическими указаниями по данной лабораторной работе. Перед началом лабораторной работы преподавателем производится проверка знаний по назначению, конструкции и принципа работы установки «Элитрон-22».
2. Провести подготовку установки к работе.
3. Изучить порядок работы на установке.
4. Провести легирование образцов из стали 45 ГОСТ 1050-88 легирующим электродом марки Т5К10 на «мягком», «среднем» и «грубом» режимах согласно технологической инструкции при работе на установке «Элитрон-22».
Подготовка установки к работе и порядок работы
Перед началом работы на установке «Элитрон-22» получить инструктаж, ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и расписаться в журнале инструктажей по охране труда.
Подготовку установки к работе и порядок работы производить в следующей последовательности:
1. Расположите генератор на рабочем столе.
2. Присоедините к генератору 1 вибратор 7.
3. Закрепите в электродержателе выбранный по сечению и марке электрод 8.
4. Присоедините кабель к генератору 9. Второй конец кабеля присоедините к приспособлению для крепления обрабатываемого изделия 10.
5. Подключите установку к сети 220 В.
6. Установите рабочий ток потенциометром «Ток» 11 согласно технологической инструкции по электроискровому легированию на установке «Элитрон-22».
7. Закрепите изделие 4 в приспособлении 3.
8. Включите установку. Возьмите в руку вибратор 2.
9. Коснитесь электродом изделия (при контакте начнет вибрировать электрод);
10.Отрегулируйте амплитуду вибрации потенциометром «Амплитуда» 12.
11.Начните легирование изделия. Медленно перемещайте электрод по упрочняемому изделию.
12.Просмотрите обработанную поверхность через 4-х кратную увеличительную линзу 6. Необработанные места на поверхности изделия обработайте дополнительно.
13.Извлеките изделие из приспособления.
14.После окончания работы выключите установку кнопкой 13.
Контрольные вопросы
1. Назвать назначение установки «Элитрон-22».
2. Объяснить конструкцию установки «Элитрон-22».
3. Объяснить физические основы электроискрового легирования.
4. Назвать основные характеристики, получаемые при легировании на установке «Элитрон-22».
5. Пояснить порядок работы на установке «Элитрон-22».
6. Произвести обработку образцов электроискровым способом на режимах по технологической инструкции установки «Элитрон-22».
Лабораторная работа № 22. Исследование эрозии легирующего электрода и прироста массы обрабатываемого образца в зависимости от времени обработки и технологических режимов электроискрового легирования
Цели и задачи работы – Исследовать расход легирующего электрода и прирост массы обрабатываемого образца при достижении заданной шероховатости, толщины и сплошности покрытия. Определить производительность и оптимальное время обработки образца на различных технологических режимах ЭИЛ.
Применяемое оборудование, инструменты, материалы и приборы
Для выполнения работы необходимы:
- Установка электроискрового легирования «Элитрон-22».
- Легирующие электроды в виде твердосплавных пластинок 39050 марок Т15К6, Т5К10, ВК8 ГОСТ 25416-82.
- Образцы из стали марки 45 ГОСТ 1050-88 размером 10 10 10 мм.
- Лабораторные аналитические весы ВЛР-200 ГОСТ 19491-74;
- Часы с секундомером.
- Профилометр-профилограф модели 253Х-182 и индикаторное устройство модели 283Н849, МИС-11.
- Микрометр МК0-25 ГОСТ 6507-90.
- Линза 4-х кратного увеличения.
Методические указания по выполнению работы
Определить при заданных технологических режимах ЭИЛ материалах образца и легирующего электрода:
1. Удельное время легирования τ, мин/см2.
2. Удельный расход массы электрода Δ m а, мг.
3. Удельный прирост массы образца Δ m к, мг.
4. Шероховатость покрытия Rа, мкм.
5. Толщину покрытия h, мм.
6. Сплошность покрытия, %.
7. Производительность обработки П, см2/мин.
8. Полученные данные внести в таблицу (Приложение 19).
9. Построить график зависимости прироста массы образца от времени обработки (Приложение 19).
10. Построить график зависимости прироста массы образца и расхода легирующего электрода от времени протекания процесса ЭИЛ на «мягком», «среднем» и «грубом» режимах (Приложение 19).
Порядок работы на установке «Элитрон-22»
С целью успешного выполнения лабораторной работы необходимо до начала занятий ознакомиться с методическими указаниями по данной лабораторной работе. Перед началом лабораторной работы преподавателем проводится проверка знаний студентов по назначению, конструкции, принципу работы, подготовке установки к работе и порядку работе на ней.
Перед началом работы на установке «Элитрон-22» получить инструктаж, ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и расписаться в журнале инструктажей по охране труда.
Специфической особенностью электроискрового легирования является то, что перенос материала электрода на изделие имеет предел, различный для разных устанавливаемых режимов легирования и легирующих материалов. Также в результате сублимации атомов анода и катода при прохождении импульсных искровых разрядов часть их материалов испаряется, другая же часть осаждается на поверхности изделия, образуя износостойкое покрытие.
Количество переносимого материала электрода на инструмент определяется по изменению массы катода. В процессе ЭИЛ привес катода изменяется нелинейно, особенно на «жестких» режимах.
Изменение массы катода за единицу времени (минуту) легирования единицы поверхности (1 см2) называется удельным приростом массы и обозначается ∆ т к(мг/см2мин). Общий прирост массы, полученный в течение определенного времени обработки 1 см2 поверхности, называется суммарным приростом массы и обозначается т (мг/см2). При оценке интенсивности ЭИЛ различными металлами и их химическими соединениями прирост массы может измеряться в г-атомах и г-молях на 1 см2. Сравнение удельных приростов массы, полученных в различных условиях ЭИЛ, можно проводить только при обработке образцов с одинаковой площадью. Удельный прирост массы фактически является характеристикой интенсивности процесса легирования.
На практике целесообразно оценивать производительность процесса по величине площади, обрабатываемой в единицу времени, при условии получения соответствующего качества покрытия, что достигается выбором оптимального удельного времени легирования (под удельным временем легирования (τ, мин/см2) понимается время, затрачиваемое на обработку 1 см2 поверхности). Оптимальное удельное время легирования (τопт) находится в пределах линейного участка кривой приростов массы (рис. 15.6) и определяется по качественным и эксплуатационным характеристикам покрытий.
τ, мин
Рис. 15.6. Зависимость прироста массы от времени обработки при «мягких» (1)
и «грубых» (2) режимах ЭИЛ
Технологические параметры процесса ЭИЛ:
1. Удельный прирост массы ∆ т к(мг/см2мин).
2. Производительность П (см2/мин) –определяется площадью изделия, которая может быть обработана с заданными качественными характеристиками покрытия за 1 минуту.
3. Энергия W и (единичного разряда)
, Дж, (15.1)
где К – коэффициент, учитывающий потери энергии в разрядном контуре (K 
0,5–0,7);
С – емкость накопительных конденсаторов, Ф;
U – напряжение на конденсаторах, В.
4. Рабочий ток I (А) определяет мощность режима установки при заданном напряжении на накопительных конденсаторах.
Качественные характеристики покрытия:
1. Толщина нанесенного слоя ∆ h, мм (мкм).
2. Высота микронеровностей профиля Ra (Rz), мкм.
3. Микротвердость Н,МПа.
4. Сплошность (%) – определяется отношением площади обработанных участков (участков поверхности с измененным в процессе упрочнения рельефом) к общей площади поверхности, подвергнутой легированию.
Влияние параметров процесса ЭИЛ на качественные характеристики покрытий:
1. С увеличением энергии единичного разряда и величины рабочего тока, удельный прирост массы, толщина и шероховатость покрытия возрастают, а микротвердость несколько снижается.
2. Увеличение удельного времени легирования первоначально способствует улучшению практически всех качественных характеристик слоя, но постепенно качественные характеристики слоя начинают снижаться и даже может произойти полное разрушение нанесенного слоя, а затем начаться и разрушение основы из-за эффекта перекристаллизации легированного слоя и возникновения внутренних растягивающих напряжений.
При исследовании массопереноса изменяемым параметром является суммарная величина энергии искровых разрядов Q при легировании образца площадью 1 см2, значение которой определяется по средней величине энергии одного искрового разряда W и. Численно суммарная величина энергии рассчитывается
, (15.2)
где W и– среднее значение энергии одного искрового разряда при исследовании каждого из указанных материалов;
N и – среднее количество искровых разрядов, состоявшихся в течении одной минуты;
τ – время легирования 1 см2 поверхности, (мин);
f и – частота следования искровых разрядов (Гц);
– коэффициент, определяющий вероятность прохождения искрового разряда.
Гравиметрическим методом при использовании весов ВЛР-200 определяют величины удельной эрозии анода Δ m a и удельного привеса катода Δ m кчерез каждые 1–3 минуты процесса электроискрового легирования и по их значениям рассчитывают суммарную эрозию анода 
и суммарный привес катода 
. Коэффициент переноса материала рассчитывают по формуле:
(15.3)
при τ = const для каждого электродного материала.
Графически определяются τ x и Qx – порог хрупкого разрушения измененного поверхностного слоя (ИПС), соответственно время и суммарную энергию искровых разрядов, которым соответствует первое отрицательное значение Δ m к или максимальное значение .
Эффективность процесса образования ИПС рассчитывают:
(15.4)
где K – усредненный коэффициент переноса материала за период времени τ x
– суммарный привес катода за время τx.
Контрольные вопросы
1. Как определяется удельное время ЭИЛ?
2. Как определяется производительность обработки?
3. Как определяется удельный расход электрода?
4. Как определяется прирост массы образца?
5. Как определяется шероховатость легированной поверхности?
6. Как определяется толщина напыленного слоя?
7. Как определяется сплошность покрытия?
8. От чего зависит прирост массы на образцы?
9. От чего зависит расход массы электрода?
10. Как влияют технологические режимы ЭИЛ на производительность, шероховатость, толщину, сплошность легированной поверхности?
11. Как влияют технологические режимы ЭИЛ на прирост массы образца и расход легирующего электрода?
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 437 | Нарушение авторских прав