Література. 1. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н

1. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки // Под ред. Григорьянца А.Г. - М.: Высш. шк., 1987. - 191 с.: ил.

2. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н., Кауц Е.В. и др. Получение мелкокристаллических и аморфных структур на поверхности массивных образцов с помощью непрерывного СО₂-лазера. - Металловедение и термическая обработка металлов, 1985, №1.- с.17-20.

2.7. Електроiскрове легування

Електроiскрове легування – це один iз сучасних перспективних методiв одержання евтектичних покриттів. Необхiднiсть їх одержання пояснюється потребою збiльшення надiйностi та довговiчностi машин i механiзмiв, економного використання матерiалiв тощо.

Процес електроiскрового легування (ЕIЛ) заснований на використаннi дiї електричного iмпульсного розряду, що проходить мiж електродами, в результатi якого спостерiгається напрямлена ерозія матерiалу, передусiм анода.

В залежностi вiд складу мiжелектродного простору спостерiгаються рiзнi явища. Ефективнiсть процесу ЕIЛ тим вища, чим бiльше руйнується матерiал анода i менше катода, i визначається вiдносною ерозiйною стiйкiстю матерiалу.

На практицi електроiскрове легування можна здiйснити за допомогою спецiальних установок. Так, досить широкого застосування набули установки типу “Елiтрон” та “ЕФI”.

2.7.1. Конструкцiя установки типу “Елiтрон”, принцип i особливостi її роботи

Установка типу “Елiтрон” складається iз двох основних частин: генератора i вiбратора. Генератор призначений для генерування електричного струму, живлення обмотки вiбратора, контролю та керування технологiчним процесом.

Працює установка наступним чином (рис.2.51, 2.52): змiнна напруга 220 В перетворюється трансформатором Т_р у напруги 40, 45 або 50 В (величина робочої напруги встановлюється перемикачем). Випрямлена дiодними мiстками Д1-Д4, напруга подається через зарядний тиристор Т_з на батарею конденсаторiв (загальна ємнiсть яких регулюється перемикачами В 2.1 i В 2.2). До моменту контакту електрода з деталлю тиристор Т_з вiдкритий, тому триває процес зарядження конденсатора. В момент дотику деталi й електрода спрацьовує схема закривання зарядного тиристора Т_з i вiдкривання розрядного тиристора Т_р, який повнiстю вiдкривається лише в момент вiдриву електрода вiд деталi. За рахунок зростання напруженостi електричного поля вiдбувається пробiй мiжелектродного простору i перенесення часточок з електрода на деталь (тобто вiдбувається процес ЕIЛ). Пiсля ЕІЛ розрядний тиристор Т_р закривається i автоматично вiдкривається зарядний тиристор Т_з – конденсатори знову заряджаються i цикл повторюється.

Рис.2.51. Принципова електрична схема установки типу “Елітрон”

Рис.2.52. Принципова модель процесу електроіскрового легування

Вiбратор призначений для комутування розрядного ланцюга вiбруючим електродом (рис.2.53). Практично, це електродотримач, який виконаний у виглядi ручного вiбратора. Частота коливання рухомої планки вiбратора (iз закрiпленим електродом) становить 100 Гц.

Рис.2.53. Загальний вигляд вібратора: 1. Корпус; 2. Сердечник; 3. Котушка; 4. Якір; 5. Електродотри-мач; 6. Струмопровід; 7. Гвинт; 8. Пружина; 9. Гайка; 10. Стопорна шайба; 11. Вставка

Вибiр технологiчних режимiв обробки (ємнiсть батарей конденсаторiв, напруга на конденсаторах) залежить вiд вимог до чистоти покриття. Чим м’якший режим (тобто, чим менша величина одиничного розряду), тим менша товщина покриття, але вища якiсть поверхнi. Hа бiльш жорстких режимах у кожному одиничному iмпульсi видiляється бiльше енергiї i, вiдповiдно, переноситься на деталь бiльший об’єм матерiалу електрода. Це дозволяє одержувати покриття бiльшої товщини, але з бiльшою шорсткiстю i крихкiстю. Hа установках типу "Елiтрон" можна одержувати покриття товщиною вiд 10 до 200 мкм з шорсткiстю поверхнi R _a = 2.5-100 мкм, суцiльнiстю (вiдношення площi деталi, що покривається, до загальної площi, що обробляється) до 80% i мiкротвердiстю 20-25 ГПа.

Загальний вигляд установок подано на рис. 2.54 та 2.55.

Рис.2.54. Загальний вигляд установки “Елітрон 20”

Рис.2.55. Загальний вигляд установки “Елітрон 52”: 1 ­– ручки керування, 2 – тумблер “Мережа” включення установки, 3 – роз’єм для підключення вібратора, 4 – клема підключення вібратора, 5 – штуцер для підключення системи охолодження вібратора

2.7.2. Фiзичнi основи процесу ЕIЛ

2.7.2.1. Модель процесу ЕIЛ

Суть процесу ЕIЛ полягає в тому, що при зближеннi електродiв збiльшується напруженiсть електричного поля. При деякiй вiдстанi мiж електродами вона достатня для виникнення iскрового електричного розряду. Через утворений канал наскрiзної провiдностi сфокусований пучок електронiв попадає на поверхню анода. Кінетична енергiя електронiв накопичується в поверхневих шарах анода. Нерівноважна система звiльняється від накопиченої енергiї і при цьому вiд анода вiддiляється крапля розплавленого металу, яка рухається до катода зі швидкiстю, бiльшою за швидкiсть руху анода. При механiчному контактi електродiв часточки зварюються мiж собою i, внаслiдок цього, шар катода, на якому вони розташованi, прогрiвається. Одночасно із цим явищем відбуваються процеси дифузiї часточок анода в метал катода i хiмiчні реакцiї мiж часточками анода i катода. Механiчний удар по розiгрітій масi проковує покриття, пiдвищуючи його однорiднiсть i щiльнiсть. Потiм анод вiдводиться, а катод i мiцно з’єднаний з ним шар часточок анода залишаються.

Таким чином, цикл електроiскрової обробки складається iз наступних фаз:

– момент пробою мiжелектродного промiжку;

– вiддiлення вiд аноду краплi розплавленого металу;

– вибух останньої;

– осадження i взаємного проникнення матерiалу анода i катода в момент контакту електродiв;

– розходження електродiв.

2.7.2.2. Фiзичнi процеси, що супроводжують електричну ерозiю матерiалiв

Iснують наступнi теорiї фiзичної природи процесу ерозiї: елек­тромеханiчна, електротермiчна (теплова) i електродинамiчна. Перша враховує чисто механiчнi фактори, якi є наслiдком розряду, друга – тепловi процеси, що розвиваються пiд дiєю iмпульсного розряду.

Hа цей час бiльшiсть дослiдникiв вiддають перевагу гiпотезi про перевагу електротермiчних процесiв в електроерозiйному руйнуваннi металу. Але механiзм термiчної дiї та процеси в електродах трактуються по-рiзному. Вiдмiнностi у трактуваннi механiзму ерозiї полягають в основному у визначенні закономiрностi ерозії металу з поверхнi анода.

В електродинамiчній i тепловій теорiях загальним є те, що передача енергiї електродами здiйснюється, в основному, бомбардуванням їх електронами, iонами i нейтральними атомами, якi мають велику кiнетичну енергiю. Цi теорiї доповнюють одна одну.

2.7.2.3. Продукти ерозiї

У поверхневих шарах анода i катода локально видiляється велика кiлькiсть енергiї, що є причиною складних фiзико-хiмiчних процесiв. Руйнування електродiв – одне з найбiльш важливих наслiдкiв iскрового розряду. Iнтенсивнiсть i характер руйнування електродiв визначають товщину та якiсть легованого шару. При дії іскрового розряду на поверхневі шари електродів розрізняють три зони: розігрітого твердого металу, розплавленого металу і зону випаровування. Матеріал анода може знаходитись в паровiй, рiдкiй i твердiй фазах. Спiввiдношення кiлькостi матерiалу анода, що піддається ерозії в кожнiй фазi, залежить вiд фізико-хімічних особливостей перебігу процесу ЕIЛ. Внаслiдок цього дослiджують склад i гранулометрiю частинок у продуктах ерозiї.

Серед продуктiв ерозiї в твердому станi бiльшiсть часточок має кулясту або глобулярну форму.

Дослiдження залежностi гранулометричного складу продуктiв ерозiї вiд енергiї розряду показали, що при її збiльшеннi гранулометричний склад продуктiв ерозiї змiщується в сторону збiльшення вмiсту фракцiй з великими розмірами. Встановлено, що iз збiльшенням температури плавлення електродного матерiалу дисперснiсть продуктiв ерозiї збiльшується.

Отже, можна зробити висновок, що продукти руйнування анода iснують в трьох фазах: паровiй, рiдкiй i твердiй (результат окрихчення). Спiввiдношення кiлькостi часточок кожної фази при iнших рiвних умовах визначається природою матерiалу анода i його температурою плавлення.

2.7.2.4. Фiзико-хiмiчнi властивостi матерiалу анода та його ерозiйна стiйкiсть

Ерозiйна стiйкiсть визначається енергiєю зв’язку мiж атомами у вузлах кристалiчної гратки. Для спiвставлення ерозiйної стiйкостi в рiзних матерiалах аналізувалась залежнiсть ерозiї матерiалiв вiд деяких теплофiзичних властивостей, зокрема, температури плавлення.

Iснує залежнiсть ерозiйної стiйкостi матерiалу анода вiд його теплофiзичних i механiчних властивостей, що характеризується особливостями мiжатомного зв’язку. Hа ерозiю впливає також природа матерiалу катода, режими обробки i склад мiжелектродного простору, тобто, не спостерiгається однозначної залежностi електроерозiї вiд фiзико-хiмiчних властивостей матерiалу електродiв. Отже, неможливо побудувати абсолютний ряд ерозiйної стiйкостi матерiалiв.

2.7.2.5. Вплив структури, фазового складу анода та умов обробки на характеристики процесу ЕIЛ

Вважається, що пiдвищення ефективностi процесу ЕIЛ можливе шляхом збiльшення вкладу рiдкофазної складової ерозiї. Основнi критерiї пiдвищення вкладу рiдкої фази при використанні легованого сплаву в якостi анода:

а) вибiр пари катод-анод повинен забезпечити взаємну розчиннiсть матерiалiв катода i пластифiкуючої зв’язки сплаву, змочуванiсть матерiалiв катода i тугоплавкої фази композита матерiалу зв’язки;

б) забезпечення оптимального вмiсту пластичної зв’язки в за­лежностi вiд фiзико-хiмiчної природи компонентiв сплаву;

в) бажана наявнiсть такої структури сплаву, в якiй зерно дис­персної твердої фази обволікається матерiалом зв’язки i переноситься на поверхню катода в результатi iнтеркристалiтного руйнування;

г) спiввiдношення теплофiзичних констант повинно бути оптимальним: теплопровiднiсть i температура плавлення анода повиннi бути не бiльше, нiж в 4-5 разів вищi вiдповiдних характеристик катода;

д) при визначеннi оптимального вмiсту пластичної зв’язки в легованому сплавi необхiдно не тiльки виходити iз максимальної ефективностi процесу, але й враховувати призначення покриття.

Розробка та широке впровадження у виробництво багатокон­турних установок для ЕIЛ з використанням генераторiв незалежних iмпульсiв обумовило необхідність вивчення явищ, характерних для даного виду електроiскрової обробки. Одним з таких явищ є суттєве пiдвищення впливу “вторинного нагрiву” при ЕIЛ. Вторинний нагрiв сприяє збiльшенню ерозiї в рiдкiй фазi, причому тим бiльше, чим бiльше теплове навантаження iскрового розряду, частота iмпульсiв i чим менша швидкiсть перемiщення електродiв i теплопровiднiсть матерiалу анода. Тобто рiвень вторинного нагрiву електрода контролюється i електромеханiчними параметрами розряду, i теплофiзичними властивостями матерiалу електрода.

Велика кiлькiсть дослiджень пов’язана з експериментами, що стосуються матерiалу анода. Деякi добавки в сплави серiйних елек­тродiв типу ВК i ТК дозволяють пiдвищити ефективнiсть процесу ЕIЛ в 5-20 разів.

2.7.2.6. Закономiрностi формування змiцненого шару

Суттєвий недолiк методу ЕIЛ – неможливiсть одержання покриттів великої товщини. Пiсля деякого часу обробки (названого пiзнiше порогом крихкого руйнування) товщина легованого шару (ЛШ) не збiльшується, а зменшується. Оптимальним часом обробки вважається термін, при якому кожна iз дiлянок поверхнi пiддається багаторазовiй дiї розряду. Однією з причин зменшення ерозії анода, що переноситься на катод, є хiмiчна взаємодiя матерiалiв електродiв з навколишнiм середовищем. Екпериментально встановлено, що чим iнертнiше середовище, тим бiльша кiлькiсть матерiалу анода переноситься на катод. Кисень повiтря сприяє руйнуванню легованого шару, оскiльки в середовищi водню i аргону прирiст маси катода проходить довше, нiж на повiтрi, хоча в цьому випадку товщина ЛШ не перевищує 0.5-1.0 мм. Встановлено складний характер залежностi кiлькостi матерiалу анода, що переноситься на катод, вiд тиску повiтря. Хоча iнертнi середовища перешкоджають руйнуванню ЛШ, вони ж суттєво знижують ерозiю анода при ЕIЛ деякими металами (Ti, Zr, V, Cr). Це відбувається внаслiдок того, що оксиднi та нiтриднi фази, які сприяють окрихченню поверхнi анода, при переходi до розрiдженого або iнертного середовища майже зникають.

2.7.3. Технологiя ЕIЛ

Hа даний час розробка нових методiв ЕIЛ проводиться в таких напрямках:

1) створення нових електродних матерiалiв i розробка методiв одержання вiдомих матерiалiв;

2) додаткова обробка електроiскрових покриттів (ЕIП) рiзними методами;

3) поєднання ЕIЛ з iншими методами обробки поверхнi;

4) подача в міжелектродний простір (МЕП) матерiалiв, які пiдвищують ефективнiсть процесу легування;

5) фiзико-механiчна дiя на електроди;

6) змiна конструкцiї установок для ЕIЛ та їх електричних характеристик.

Згiдно з експертними оцiнками, розвиток процесу елек­троiскрової обробки пiде шляхом створення автоматизованих вузькоспецiалізованих установок. У пiдвищеннi продуктивностi ведучу роль має застосування багатоконтурних джерел струму, пiдвищення частоти коливань електрода, швидкостi вводу енергiї, її щiльностi, застосування сумiщених методiв (пiдiгрiв електродiв, накладання ультразвуку), створення нових електродних матерiалiв, нових типiв електродiв, застосування складних рухiв вiдносно поверхнi, рiзних мiжелектродних середовищ. Прогнозується розширення технологiчних можливостей ЕIЛ шляхом створення принципово нових схем сумiщення ЕIЛ з iншими фiзичними методами (електрохiмiчним, лазерним, ультразвуковою обробкою, поверхнево-пластичною деформацiєю).

2.7.3.1. Принципові схеми ЕІЛ

Hа даний час iснують двi принципово вiдмiннi схеми ЕIЛ: з використанням генераторiв залежних i незалежних iмпульсiв. В першому випадку комутацiя мiжелектродного зазору відбувається в результатi вiбрацiї анода, який створює коливальнi рухи з частотою f = 50-100 кГц i перiодично контактує з катодом. Бiльшiсть установок працюють згiдно iз цим принципом. Застосування генераторiв неза­лежних iмпульсiв з f = 50-65 кГц дає можливiсть здiйснювати перенесення матерiалу анода на катод шляхом пробою мiжелектродного простору без їхнього механiчного контакту, а також реалiзувати багатоелектродне ЕIЛ з використанням електродiв вiбруючого та обертового типiв, з вiбрацiєю деталi, що дає можливiсть механiзувати i автоматизувати процес ЕIЛ. Слiд вiдмiтити, що найбiльшої iнтенсифiкацiї процес ЕIЛ досягає при застосуваннi багатоконтурних установок з генераторами незалежних iмпульсiв.

2.7.3.2. Електроіскрова розмірна обробка

При використаннi в якостi МЕП дiелектричних середовищ проходить руйнування як анода, так i катода. Такий вид електроiскрової обробки називається електроiскровою розмiрною обробкою.

Hа поверхнi катода утворюється шар із змiненою структурою та фiзико-хiмiчними властивостями. Якщо розряд відбувається в газовому середовищi, то проходять додатковi процеси вiдкладення частини викинутого матерiалу на протилежному електродi.

2.7.3.3. Поєднання ЕІЛ з іншими методами обробки поверхні

З метою пiдвищення продуктивностi процесу (зменшення в 2 рази часу обробки поверхнi), зниження шорсткостi (Rz = 5 мкм), збiльшення масопереносу (в 4 рази) застосовується ЕIЛ з накладанням ультразвуку (частота 22 кГц). Комбiнування процесу ЕIЛ i лазерної обробки, ЕIЛ i ультразвукової обробки збiльшує зносостiйкiсть поверхнi порiвняно з класичним ЕIЛ до 17 разів, довговiчнiсть – в 1.1-1.2 рази.

2.7.3.4. ЕІЛ та його фізико-хімічна дія на електроди

Iз п’ятої групи методiв (п.2.7.3.) цiкавим є метод попереднього загартування з вiдпуском матерiалу пiдкладки, який при оптимальнiй температурi вiдпуску (300-500°С) дає можливiсть зменшити глибину поширення залишкових напружень до 60-70 мкм у порiвнянні з 250 мкм для невiдпущених зразкiв. Використання методу прямої дiї струму на робочi електроди дає можливiсть в 2-4 рази iнтенсифiкувати процес ЕIЛ, а застосування методу одновісного статичного навантаження електродiв – управляти змiною ерозiї анода i катода.

2.7.4. Фазовий склад і структура ЕІП

Фазовий склад покриття, як правило, не вiдповiдає вихiдному складу матерiалу електрода, а ударно-теплова дiя iскрового розряду, прискорюючи дифузiйнi процеси, а також динамiчну i фазову перекристалiзацiю сплавiв, забезпечує пiдвищення їх механiчних властивостей. При використаннi для ЕIЛ сплавiв з гетерогенною структурою, якi найчастiше застосовуються для практичних цiлей, у складi ЕIП присутнi нiтриди i оксонiтриди основного металу анода, твердi розчини основного металу анода з легуючими елементами та матерiалом пiдкладки. Вмiст нiтридних фаз у складi ЕIП незначний, навiть якщо вони i присутнi у складi анодного сплаву.

У процесi ЕIЛ на поверхнi катода i анода утворюється шар змiненої структури, який при дiї на нього травникiв, що використовуються для виявлення структури матерiалiв електродiв, залишається “бiлим”; тобто його структура металографiчно майже не виявляється (рис.2.56). Вважається, що він має дрiбнокристалiчну структуру, близьку до аморфної. Кристалiзацiя, фазовi перетворення, дифузiйна i хiмiчна взаємодiя, що супроводжують процес ЕIЛ, призводять до утворення вкрай нерiвноважних структур з дуже дрiбним зерном, високою гетерогеннiстю за складом, структурою i властивостями.

Таким чином, структура ЛШ (i його склад) визначається природою матерiалу електрода або його структурних складових, оскiльки вони забезпечують весь комплекс його фiзико-механiчних i хiмiчних властивостей – ерозiйну стiйкiсть, стан продуктiв ерозiї, їх властивiсть закрiплятися на пiдкладцi, хiмiчно взаємодiяти з матерiалом пiдкладки тощо.

Рис.2.56. Мікроструктура електроіскрового покриття на сталі 45, одер­жаного із евтектичного сплаву системи Fe – Mn – C – B – Si – Ni. х800

2.7.5. Фізико-механічні та експлуатаційні властивості ЕІП, їх практичне застосування

Технологiя ЕIЛ набула широкого застосування в промисловостi, зокрема, для пiдвищення зносостiйкостi нових i вiдновлення розмiрiв зношених деталей машин, змiцнення рiзального iнструменту, робочих поверхонь штампiв, пуансонiв та iншого технологiчного устаткування, яке працює в умовах iнтенсивного зношування, великих втомних та циклiчних навантажень i т.п.

Основнi переваги даної технологiї полягають у можливостi переносу на поверхню металiв та сплавiв будь-яких струмопровiдних матерiалiв, у високiй мiцностi адгезiї змiцненого шару з основою (тобто висока мiцнiсть зчеплення легованого шару з матерiалом основи), локальному нанесеннi покриттів без помiтної деформацiї деталей, уникненні необхiдностi нагрiву всього об’єму деталi.

Пiдвищення характеристик електроiмпульсних покриттів може проходити шляхом зміни складу матерiалу анода. Тобто, матерiал робочого електрода обирається, виходячи iз призначення елек­троiскрового покриття. Так, наприклад, для пiдвищення зносостiйкостi рiжучого iнструменту, штампового оснащення доцiльно застосовувати твердi сплави на основi карбiду вольфраму (типу ТК i ВК) або безвольфрамовi сплави на основi Fe, Ti, Zr, V, Cr, Mo.

Слiд зазначити, що в основному пiдвищення фiзико-механiчних i експлуатацiйних характеристик досягається шляхом створення безвольфрамових евтектичних електродiв на основі системи Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr [1].

Встановлено, що пiдвищення всiх вищезазначених характеристик при ЕIЛ реалiзується через змiну властивостей композицiї основа - покриття у порiвнянні iз властивостями самої основи.

Дата добавления: 2015-07-18