0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электроискровое легирование металлических поверхностей

Металлообработка электроискровым легированием

Локальный метод, позволяющий точечно изменять поверхностные свойства материала, — электроискровое легирование. Эту технологию мы рассмотрим подробно.

Легирование металла — процесс насыщения добавками, улучшающими физико-технические свойства материала. Процесс осуществляется непосредственно при производстве сплавов. То есть, улучшаются характеристики всей массы металла. Это не всегда оправдано, в силу повышения цены.

Локальный метод, позволяющий точечно изменять поверхностные свойства материала, — электроискровое легирование (ЭИ).

Суть способа

Идея основана на переносе небольших порций материала при возникновении плазменных разрядов. Операция расплавления и осаждения лигатуры происходит в воздушно-газовой среде. Способ напоминает микро-сварочный процесс.

Возникновение кратковременного электрического импульса, вызывает расплавление легирующей основы электрода и перенос её на обрабатываемую поверхность. Отсюда, другое название процесса, — «электроискровое покрытие», «электроискровое упрочнение».

Преимущества

Метод поверхностного упрочнения получил развитие, благодаря ряду потребительских свойств:

  • возможность осуществлять точечное воздействие на площади, не превышающей долей миллиметра; защита окружающей поверхности не требуется;
  • обеспечение надёжного контакта нанесённой лигатуры с основной поверхностью обрабатываемой детали, — высокая степень адгезии; объясняется тем, что при процессе происходит частичная диффузия (проникновение) вглубь металла;
  • возникновение небольшого теплового фона; в результате, отсутствует нагрев поверхности, не возникает деформация изделия;
  • простой технологический процесс; не требуется специальной подготовки поверхности;
  • энергоёмкость не превышает 2 кВт;
  • оборудование имеет небольшие габаритные размеры и массу, вследствие этого, транспортабельно в качестве ручной клади;
  • высокий кпд, — массовый перенос металла находится в диапазоне 60-80%.

Применение

  • автомобильное производство;
  • общее машиностроение;
  • производство технологической оснастки;
  • обработка штампов для термической обработки металлов;
  • повышение режущих свойств обрабатывающего инструмента;
  • упрочнение зубьев шестерён;
  • повышение износостойкости шеек коленчатых валов и другие области применения;
  • ремонтные операции при восстановлении работоспособности повреждённых деталей.

Благодаря локализации площади обработки, способ электроискрового упрочнения применяют часовых дел мастера, ювелиры. Прижился метод у любителей создавать действующие металлические копии автомобилей, кораблей, самолётов. Метод позволил наносить покрытие на стекло и керамику.

Оборудование

  • источник питания (генератор импульсов) с электронным блоком управления;
  • электромагнитный вибратор (возбудитель);
  • легирующий электрод;
  • держатель детали (легируемый электрод);
  • сетевой кабель.

Генератор импульсов обеспечивает выдачу тока в диапазоне частот 100-400 Гц. Эти значения считаются оптимальными. Получены в ходе экспериментальной обработки различных материалов. Отклонение в обе стороны приводит к ухудшению показателей обработки.

Применяются специальные генераторы униполярных импульсов на полупроводниках. Другой вид оборудования — релаксационные генераторы.

В качестве лигатуры применяют широкий ассортимент металлов и их химических соединений:

  • снижению трения способствуют свинец, олово, висмут, индий и графит;
  • износостойкость и твёрдость придают карбиды и бориды тугоплавких металлов (молибден, вольфрам, рений, хром);
  • коррозионная стойкость обеспечивается покрытием из кремния, алюминия или феррохрома.

Принцип действия

Возникает электрический разряд, вызванный током большой плотности (до нескольких тысяч ампер). Выделяется большое количество тепловой энергии. Под действием высоких температур, часть лигатуры расплавляется. Под воздействием электромагнитного поля, расплав осаждается на поверхности изделия.

В точке обработки возникает микролунка, на края которой попадает расплавленный металл. Придавая аноду (легирующему электроду) поступательное движение, создаётся линия с нанесённым материалом.

Чтобы создать сплошное цельное покрытие на катоде (легируемая поверхность), скорость перемещения анода должна быть меньше или равна длительности импульса. То есть, при частоте 100 Гц, длительность импульса составляет 0,01 секунды. Проходимый путь за это время — не более ¼ диаметра проплавленной лунки. Соблюдая такой режим обработки, удаётся создать сплошное монолитное защитное покрытие.

Периодический контакт двух электродов можно создать, применяя механическую вращающуюся головку. Последняя, оснащается несколькими электродами. В качестве движителя применяется высокоскоростной электродвигатель или пневматическая турбинка. Детали помещаются в единый пластиковый корпус, оснащённый рукояткой.

  • уменьшение, в отличие от вибрационного способа, шероховатости нового покрытия;
  • возможности механизировать процесс электроискрового легирования.

Перед применением ЭИ, необходимо произвести пробные операции. Это позволит выбрать необходимый режим работы под применяемый электрод. Например, при использовании вольфрама, возможно приварка анода и катода. Устранить такое препятствие поможет предварительное легирование углеродом. Перед покрытием алюминия карбидом вольфрама, необходимо создать промежуточный слой из никеля.

С удовольствием выслушаем мнения наших читателей, применявших на практике метод ЭИ. Ваше мнение будет интересно и другим посетителям нашего сайта.

Электроискровое наращивание и легирование

1. Физические основы процесса электроискрового легирования (ЭИЛ)

Способ электроискровой обработки металлов, разработанный Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде в газовой среде (преимущественно на воздухе) и полярного переноса продуктов эрозии на катод (деталь), на поверхности которого формируется слой измененной структуры и состава [12]. В результате электрического пробоя межэлектродного промежутка возникает искровой разряд, в котором поток электронов приводит к локальному разогреву электрода (анода). На поверхности катода под действием значительных тепловых нагрузок происходят микрометаллургические и сопутствующие им процессы (термомеханические, гидродинамические, диффузионные), осуществляющие перемешивание материала катода и анода, при взаимодействии с компонентами газовой среды, что способствует образованию высокой адгезии между основой и формируемым слоем. Поэтому электроискровое легирование следует считать методом создания новых композиционных материалов.

В первую очередь это относится к тугоплавким покрытиям, наиболее существенно и принципиально изменяющим свойства верхнего слоя материала. Величина этих изменений определяется составом, структурой, свойствами материалов электродов и технологическими параметрами процесса электроискрового легирования.

2. Общая схема процесса электроискрового легирования

На рис. 1 приведена общая схема процесса ЭИЛ с вибрирующим анодом в виде компактного электрода и изображение образующегося верхнего слоя.

Рис. 1. Схема электроискрового легирования (ЭИЛ): Г.И. – генератор импульсного тока; МЭП – межэлектродный промежуток; ИР – искровой разряд; А – анод; К – катод

Процесс ЭИЛ начинается со сближения анода (электрода) с катодом (деталью). При расстоянии между ними, равном пробивному, начинается развитие искрового разряда длительностью 10–6…10–3с, который во многих случаях завершается при контакте электродов.

При небольших напряжениях между электродами (U 3. Модель процесса электроискрового легирования

Модель процесса, разработанная Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, заключается в следующем: при сближении электродов напряженность электрического поля между ними увеличивается и, достигнув определенной величины, вызывает пробой промежутка между электродами. Через возникающий канал сквозной проводимости пучок электронов сфокусированно ударяется о твердую металлическую поверхность анода. Энергия движения остановленных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. Энергия от специального источника питания импульсно подводится к разрядному промежутку, поэтому плотность тока в канале значительно превосходит критические значения. Вследствие этого металл анода локально разогревается, расплавляется и частично испаряется. Капля расплавленного металла отделяется от анода и, опережая его, движется к катоду. В процессе отделения от анода летящая капля успевает нагреться до высокой температуры, закипает и взрывается. Цепь тока прерывается, фокусирующее действие электромагнитного поля исчезает, и образовавшиеся частицы летят широким фронтом. Поскольку перегретая капля и частицы находятся в газовой среде, возможно образование химических соединений, вследствие чего отделившиеся от анода частицы могут отличаться от материала анода. Достигнув катода, расплавленные частицы анода свариваются с ним и частично внедряются в его поверхность. Движущийся за частицами электрод-анод механически ударяет о катод, перемешивая частицы анода. При этом протекают процессы диффузии и химических реакций. Механический удар по раскаленной массе металла проковывает полученное покрытие, увеличивая его однородность и плотность. Так как процесс носит локальный характер, имеет место и сверхскоростная закалка. После этого электрод-анод отходит от катода, а на поверхности последнего остается прочно соединенный с ним слой материала анода.

Эта модель процесса разработана для высоких напряжений между электродами. При ЭИЛ, где используют напряжения не выше 100…200 В, пробой межэлектродного промежутка происходит практически при контакте электродов (зазор 5…10 мкм) через частицы, находящиеся в воздухе или на поверхности электродов. При контактном начале пробоя на первом этапе происходит электрический взрыв контактного мостика, обеспечивающий предварительную очистку поверхности и последующее формирование межэлектродного пространства для развития плазменного разряда. На сблизившиеся жидкие объемы анода и катода действуют гидродинамическое давление факелов, газокинетическое давление со стороны канала проводимости, сила электрического поля, электродинамическая сила, реактивное давление. Механизм образования покрытия при ЭИЛ дополняется в работах Н.И. Лазаренко, согласно которому выброс металла происходит и с поверхности катода [16]. На поверхности последнего образуется лунка с краями, несколько приподнятыми над первоначальной поверхностью. Поэтому при электроискровом легировании поверхность обрабатываемой детали представляет собой совокупность гребней и впадин, геометрические размеры и частота следований которых определяет шероховатость, сплошность обработанной поверхности.

4. Установки для электроискрового наращивания и легирования

Универсальная механизированная высокочастотная установка ИМ-101 (рис. 2) предназначена для электроискрового упрочнения рабочих поверхностей всех видов режущего инструмента, штампового кузнечно-прессового, заготовительного и литейного производств, для восстановления изношенных поверхностей деталей в ремонтном производстве при работе в ручном и механизированном режимах при оснащении одноэлектродными и многоэлектродными головками.

Рис. 2. Универсальная механизированная высокочастотная установка для электроискрового легирования ИМ-101

Особенности: установка оснащена двумя генераторами электроискровых разрядов и позволяет использовать параллельно две одноэлектродные головки для повышения производительности механизированного ЭИЛ.

Технические характеристики установки:

  • напряжение питающей сети, В (50 Гц) – 220±22;
  • потребляемая мощность, кВА – 1,5;
  • суммарная емкость разрядных конденсаторов, мкф – 340;
  • производительность, см2/мин – до12,0;
  • частота следования импульсов, Гц – 100…1200;
  • толщина слоя покрытия, мм – до1,2;
  • шероховатость покрытия, Rа мкм – 1,5;
  • масса генератора, кг – 42;
  • габаритные размеры, мм – 480x210x480;
  • повышенная мощность;
  • позволяет создавать покрытия толщиной до 0,1 мм за один проход.

Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05 (рис. 3) предназначена для электроискрового упрочнения рабочих поверхностей всех видов режущего инструмента, штампового оснащения кузнечно-заготовительного и литейного производств.

Рис. 3. Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05

Особенности: оригинальная схема генератора электроискровых разрядов, установка имеет 3 режима работы, максимальная емкость разрядных конденсаторов – 60 мкф.

Технические характеристики установки:

  • напряжение питающей сети, В (50 Гц) – 220±22;
  • потребляемая мощность, кВА – 0,3;
  • производительность, см2/мин – 3,0;
  • частота следования импульсов, Гц – 100;
  • толщина слоя покрытия, мм – до 0,1;
  • шероховатость покрытия, Rа мкм – 3,0;
  • масса, кг – 6,4;
  • габаритные размеры, мм – 245x110x220.

5. Примеры обработки поверхностей изделий с помощью ЭИЛ

1. Валы-бендиксы стартеров

Технология восстановления валов-бендиксов стартера двигателя не требует значительных капитальных затрат. Толщина восстановленного слоя с упрочняющим покрытием составляет от 0,025 до 0,5 мм на сторону (рис. 4, а).

2. Шатунные валы

Технология обеспечивает восстановление шпоночного соединения, конуса, шеек под подшипники шатунных валов для бензопил при затратах, не превышающих 15 % стоимости вала (рис. 4, б).

3. Валы турбонагнетателей транспортных средств

Толщина восстановленного слоя с упрочняющим покрытием составляет до 0,2 мм на сторону (рис. 4, в).

Рис. 4. Детали, восстановленные и упрочненные с помощью ЭИЛ

4. Обоймы-шестерни с внутренним зацеплением

Технологический процесс восстановления шлицев обоймышестерни обеспечивает восстановление изношенных поверхностей при отсутствии деформации эвольвенты зубчатого зацепления. Толщина восстановленного слоя с упрочняющим покрытием составляет 0,5 мм на сторону (рис. 5, а).

Рис. 5. Упрочненные поверхности деталей с помощью электроискрового легирования

5. Шлицевое соединение

Технология обеспечивает восстановление боковых поверхностей шлицев сопрягаемых деталей мотокультиватора при затратах, не превышающих 15 % стоимости вала. Толщина восстанавливаемого слоя до 0,6 мм (рис. 5, б).

6. Ножи мясорубки

Технология упрочнения рабочих поверхностей ножей механизированной мясорубки обеспечивает повышение долговечности в 2…3 раза при затратах, не превышающих 15 % стоимости новых ножей (рис. 5, в).

7. Дисковая пила для пилорамы

Стойкость инструмента после упрочнения превышает стойкость неупрочненных инструментов в 4…5 раз, что позволяет повысить производительность процесса на 25 % (рис. 5, г).

Электроискровое упрочнение и восстановление деталей

Суть способа

Идея основана на переносе небольших порций материала при возникновении плазменных разрядов. Операция расплавления и осаждения лигатуры происходит в воздушно-газовой среде. Способ напоминает микро-сварочный процесс.

Возникновение кратковременного электрического импульса, вызывает расплавление легирующей основы электрода и перенос её на обрабатываемую поверхность. Отсюда, другое название процесса, — «электроискровое покрытие», «электроискровое упрочнение».

Упрочнение и восстановление штампов электроискровым методом

Описан один из перспективных способов восстановления и упрочнения штампов для горячей штамповки, основанный на явлении электрической эрозии металлов при прохождении между ними электрических разрядов.

Ключевые слова:
штамповая оснастка, восстановление штампов, упрочнение штампов.
Одним из перспективных способов восстановления и упрочнения штампов для горячей штамповки могут явиться способы, основанные на явлении электрической эрозии металлов при прохождении между ними электрических разрядов. Во время электроискрового разряда через электроды проходит мощный импульс электрического тока. Поток электронов, движущийся с высокой скоростью, приводит к разогреву анода и межэлектродного зазора до 12000 оС. Материал анода на торце плавится и переходит в газообразное состояние, что вызывает локальные взрывы жидкого материала анода.

Оторвавшиеся от торца анода расплавленные частицы материала оседают на катоде или рассеиваются в зависимости от межэлектродной среды — жидкой или газовой. Это свойство электроискрового разряда можно использовать на практике при восстановлении изношенных рабочих поверхностей штампов. В этом случае штамп подключают к катоду, а анодом является материал, которым восстанавливают поверхность штампа.

Наиболее простым, перспективным и доступным способом восстановления и упрочнения штампов может явиться электроискровое наращивание и упрочнение легированием их рабочих поверхностей [1]. При электроискровом способе восстановления и упрочнения штампов используется явление электрической эрозии и переноса материала электрода (анода) на поверхность штампа (катода) при прохождении электрического разряда между ними в разовой среде.

Принципиальная схема процесса электроискрового восстановления и упрочнения штампов показана на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема восстановления и упрочнения штампов электроискровым методом: Г — генератор; С — конденсаторы; А — амперметр; V — вольтметр; 1 — штамп (катод); 2 — электрод (анод)

При наличии зазора между электродом и поверхностью штампа конденсаторы заряжаются от генератора. Величина зарядного тока регулируется резистором R. При замыкании электрода (анода) на поверхность штампа (катод) возникает искровой разряд за счет мгновенного разряда конденсаторов. В результате возникает импульсный ток большой плотности при высокой концентрации теплоты. Это приводит к мгновенному разогреву и плавлению торца электрода (анода) и переносу его материала и оплавлению его на поверхности штампа (катода). Поверхностный слой на штампе образуется в результате многократного воздействия на него электрических импульсов.

Интенсивность формирования поверхностного слоя зависит от величины энергии разряда (накопительной емкости конденсаторов) и среднего тока источника импульсов. Изменение этих параметров непосредственно влияет на толщину слоя, его твердость, пористость, сплошность и шероховатость.

В результате высоких температур в зоне контакта электрод — поверхность штампа и химических реакций между углеродом штампа и азотом воздуха в нарощенном слое образуются высокодисперсные карбиды, нитриды и карбонитриды. Твердость слоя, измеренная методом Виккерса на приборе ПМТ — З, составляет 1000…1400 HV и зависит от материала электрода (анода). Общий нарощенный слой на поверхности штампа слой состоит из верхнего белого слоя и нижнего диффузионного слоя с переходной концентрацией карбидов и нитридов. Такая структура нарощенного слоя постепенно переходит в структуру основного металла штампа. Наличие диффузионного слоя в структуре нарощенного слоя возможно получение разнолегированных слоёв.

Важное достоинство электроискрового метода заключается в возможности переноса на поверхность штампа любых токопроводящих материалов, например, тугоплавких и высокопрочных металлов и их соединений и мягких металлов. При этом обеспечивается высокая прочность сцепления нарощенного слоя с поверхностью штампа.

Использование данного метода позволяет наносить восстанавливающие и упрочняющие слои на любые рабочие поверхности штампов любой конфигурации и размеров. Кроме этого, возможно нанесение локальных покрытий на места износа рабочих поверхностей штампов.

Основными недостатками электроискрового метода являются низкая производительность (до 4 см2 в минуту) и малая толщина нарощенного слоя (до 0,3 мм).

В данной работе исследована возможность увеличения толщины слоя и повышения производительности процесса путем вращения электрода (анода), изготовленного из стали 5ХНМ. Слои наносили на поверхность образцов с размерами 20×40×40 мм.

После нанесения слоя на поверхность образца его шлифовали на горизонтально-шлифовальном станке до получения гладкой поверхности без выступов, впадин и раковин. Шероховатость поверхности Ra 45. Толщину слоя измеряли микрометром четыре раза в трех местах образца по длине — в середине и по краям.

Обработку результатов измерений проводили методом математической статистики в следующей последовательности:

— рассчитывали среднее арифметическое;

— рассчитывали среднее квадратичное отклонение;

— определяли доверительный интервал.

При расчетах считали, что систематическая составляющая погрешности отсутствует. Зависимость толщины слоя от частоты вращения электрода (анода) представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость толщины нарощенного слоя от частоты вращения электрода (анода)

Наибольшая толщина слоя получена при частоте вращения электрода (анода) 36÷45 об/мин — 1,2 ± 0,1 мм. При частотах вращения более 45 об/мин толщина слоя быстро уменьшалась, что связано, по-видимому, с интенсивным разбрызгиванием расплавленного материала с торца электрода (анода).

Кроме этого, в данной работе разработан состав электрода (анода), позволяющий получать на рабочей поверхности штампов слои с высокой твердостью, износостойкостью и стойкостью к образованию тепловых трещин. Электроды прессовали в пресс-формах под давлением 0,5 т/см2 в виде прутков диаметром 5 мм длинной 80 мм из порошков карбидов бора, титана и ванадия, нитрида титана с добавлением 3 % по массе кобальта. В качестве связующего материала использовали парафин. Порошки перед прессованием перемешивали в шаровой мельнице в течение 30 минут для получения однородной смеси. После прессования прутки сушили в вакууме при температуре 200оС в течении двух часов. После сушки прутки спекали в вакууме при температуре 1450оС в течении четырех часов.

Полученными электродами электроискровым методом наносили слои толщиной около одного миллиметра на образцы из закаленной стали марки 5ХНМ. После шлифования поверхности слоя исследовали его механические свойства. Твердость нанесенного слоя составили HRA 69…71. Износостойкость под нагрузкой 0,5 т/см2 оказалось сопоставимой с износостойкостью твердого сплава марки Т15К6. Число теплосмен до появления в слое микротрещин при охлаждении с 800оС до 200оС со скоростью 40…50оС/мин и с последующим нагревом с 200оС до 800оС со скоростью 30…40оС/мин составила 800…830 теплосмен.

Таким образом, применение электроискрового метода с вращающимся электродом (анодом), изготовленным из разработанного материала, может оказаться перспективным при восстановлении и упрочнении изношенных поверхностей штампов для холодной и горячей штамповки.

1. Ольховацкий, А. К. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки при восстановлении деталей машин/ А. К. Ольховацкий. — Челябинск: ВНИИТУВИД-ЧГАУ, 1996. — 40 с.

Преимущества

Метод поверхностного упрочнения получил развитие, благодаря ряду потребительских свойств:

  • возможность осуществлять точечное воздействие на площади, не превышающей долей миллиметра; защита окружающей поверхности не требуется;
  • обеспечение надёжного контакта нанесённой лигатуры с основной поверхностью обрабатываемой детали, — высокая степень адгезии; объясняется тем, что при процессе происходит частичная диффузия (проникновение) вглубь металла;
  • возникновение небольшого теплового фона; в результате, отсутствует нагрев поверхности, не возникает деформация изделия;
  • простой технологический процесс; не требуется специальной подготовки поверхности;
  • энергоёмкость не превышает 2 кВт;
  • оборудование имеет небольшие габаритные размеры и массу, вследствие этого, транспортабельно в качестве ручной клади;
  • высокий кпд, — массовый перенос металла находится в диапазоне 60-80%.

Применение

Электроискровое легирование нашло применение в областях машиностроения и металлообработки:

  • автомобильное производство;
  • общее машиностроение;
  • производство технологической оснастки;
  • обработка штампов для термической обработки металлов;
  • повышение режущих свойств обрабатывающего инструмента;
  • упрочнение зубьев шестерён;
  • повышение износостойкости шеек коленчатых валов и другие области применения;
  • ремонтные операции при восстановлении работоспособности повреждённых деталей.
Читать еще:  Пайка нержавейки в домашних условиях

Благодаря локализации площади обработки, способ электроискрового упрочнения применяют часовых дел мастера, ювелиры. Прижился метод у любителей создавать действующие металлические копии автомобилей, кораблей, самолётов. Метод позволил наносить покрытие на стекло и керамику.

Оборудование

В состав оборудования для электроискрового легирования входит:

  • источник питания (генератор импульсов) с электронным блоком управления;
  • электромагнитный вибратор (возбудитель);
  • легирующий электрод;
  • держатель детали (легируемый электрод);
  • сетевой кабель.

Генератор импульсов обеспечивает выдачу тока в диапазоне частот 100-400 Гц. Эти значения считаются оптимальными. Получены в ходе экспериментальной обработки различных материалов. Отклонение в обе стороны приводит к ухудшению показателей обработки.

Применяются специальные генераторы униполярных импульсов на полупроводниках. Другой вид оборудования — релаксационные генераторы.

В качестве лигатуры применяют широкий ассортимент металлов и их химических соединений:

  • снижению трения способствуют свинец, олово, висмут, индий и графит;
  • износостойкость и твёрдость придают карбиды и бориды тугоплавких металлов (молибден, вольфрам, рений, хром);
  • коррозионная стойкость обеспечивается покрытием из кремния, алюминия или феррохрома.

Технология проведения электроискрового легирования

После того, как установка электроискрового легирования приведена в действие, импульсы определенной частоты подаются на электромагнитный возбудитель через электрод, направленный на подлежащий обработке участок. Процесс сопровождается выделением тепловой энергии, которая плавит массу лигатуры, предназначенную для нанесения — и ее частицы осаждаются на предназначенной для обработки поверхности. В зависимости от интенсивности движения расплава к поверхности объекта, нанесенный материал может образовывать лунку, которую сам же и закрывает, или ложиться на плоскость однородным равномерным покрытием. Скорость проведения реакции должна варьироваться в зависимости и от материала лигатуры — соотношение разных составляющих требует соблюдения конкретных правил проведения процедуры.

Статьи

В основе изготовления большинства деталей машин и механизмов лежит механическая обработка давлением и резанием, которая традиционно используется много веков. Одним из значительных достижений XX века является открытие более 70 лет назад советскими учеными супругами Б.Р. и Н.И. Лазаренко принципиально нового метода обработки металлических материалов – электроискрового [1]. Он основан на использовании электрических разрядов для управляемого разрушения материала заготовки с получением необходимых форм и размеров или для обработки рабочей поверхности детали (инструмента) и создания поверхностного слоя с требуемыми эксплуатационными свойствами. Еще в 40х годах прошлого века было экспериментально доказано преимущество электроискрового метода металлообработки перед механическим резанием по технологическим возможностям.

В данной статье рассмотрено использование электроискрового метода обработки для нанесения покрытий, этот метод принято называть электроискровым легированием (ЭИЛ).

При ЭИЛ осуществляется воздействие на металлические поверхности в газовой среде короткими (до 1000 мкс) электрическими разрядами энергией от сотых долей до десятка и более джоулей и частотой обычно не более 1000 Гц. При периодическом контакте электрода А (анода) – см. рис. 1, вибрирующего в межэлектродном промежутке МЭП с частотой fa, c обрабатываемым изделием К (катодом) и его разрыве возникают электрические разряды, создаваемые генератором импульсов ГИ.

В результате происходит следующее: идут процессы преимущественного разрушения материала электрода (анода) и образования вторичных структур в рабочей его части; осуществляется перенос продуктов эрозии электрода на деталь (катод); на поверхности обрабатываемого изделия протекают микрометаллургические процессы; элементы материала электрода диффундируют в поверхностный слой изделия; поверхность изделия приобретает новый специфичный рельеф (рис. 2 а); образуется на поверхности изделия измененный слой (рис. 1, 2 б), включающий белый слой, диффузионную зону и зону термического влияния, при этом изменяются свойства поверхностного слоя; формируется поверхностный слой мелкодисперсного состава, вплоть до наноуровня (рис. 2 в); происходит изменение размера изделия.

Таким образом на поверхности детали образуется новый слой, которому придаются отличные от исходного состояния свойства в зависимости от параметров искрового разряда, состава электродного материала, материала обрабатываемой детали и других факторов. Эти свойства управляются в широких пределах (табл. 1) и обеспечивают требуемые качества: повышенные микротвердость, износостойкость, жаростойкость и другие.

Наряду с возможностью формирования покрытий с характеристиками широкого диапазона значений, метод ЭИЛ обладает рядом достоинств, определяющих его успешное использование для решения производственных проблем:

  • возможность локального формирования покрытий в строго указанных местах радиусом от долей миллиметра и более, не защищая при этом остальную поверхность;
  • высокая адгезия электроискрового покрытия с основным материалом;
  • отсутствие нагрева и деформаций изделия в процессе обработки;
  • возможность использования в качестве электродов большинства токопроводящих материалов как из чистых металлов, так и их сплавов, композиций;
  • сравнительная простота технологии, не требуется специальной предварительной обработки поверхности;
  • высокая надежность оборудования и простота его обслуживания, оно малогабаритное и ремонтопригодное;
  • низкая энергоемкость ручных и механизированных процессов ЭИЛ (0,3 2,0 кВт);
  • высокий коэффициент переноса электродного материала (6080%).

Широкие технологические возможности и достоинства ЭИЛ являются основой его эффективного успешного применения в различных отраслях при упрочнении объектов из металлических материалов или восстановлении размеров, утраченных в процессе эксплуатации [26 и др.]. Это в полной мере относится к машиностроительным предприятиям. Здесь электроискровые технологии применяются для увеличения износостойкости режущих инструментов заготовительного и основного производства, различной технологической оснастки, включая штампы для холодной и горячей обработки металлов и неметаллических материалов, деталей машин (рис. 3).

При назначении технологии нанесения упрочняющих электроискровых покрытий и последующей обработки необходимо учитывать условия работы объектов упрочнения (инструментов, деталей), т.е. факторы, инициирующие изнашивание их рабочих поверхностей. На примере инструментов для механической обработки металлов (резанием или давлением) ниже приведены данные об основных факторах износа и принципы увеличения износостойкости их (табл. 2), а также технологические особенности упрочняющей технологии этих объектов (табл. 3). Реализация такого подхода позволяет на практике увеличить срок службы инструментов и деталей в 26 раз и более. При этом применительно к резанию металлов эффективность упрочнения режущих инструментов значительно повышается с ужесточением режимов резания.

Нанесение электроискровых покрытий осуществляется в ручном или механизированном режимах на установках ЭИЛ. На рис. 4 и в табл. 4 выборочно приведены фотографии и технические характеристики ряда известных установок ЭИЛ отечественного и зарубежного производства, применяемые на производстве при решении широкого круга задач, в т.ч. на предприятиях машиностроения.

ВИД – восстановление и упрочнение деталей машин; РИ – упрочнение режущих инструментов; ШЛО – упрочнение штампов листовой штамповки; ИГД – упрочнение инструментов горячего деформирования металлов и неметаллов; ЭК – снижение переходного сопротивления электрических контактов; ЭЭО – электроэрозионная обработка деталей (прошивка пазов, отверстий и т.п.)

В настоящее время ГОСНИТИ Россельхозакадемии и другие разработчики в России и за рубежом ведут работы по созданию новых технологий, в т.ч. комбинированных, нового промышленного оборудования для ЭИЛ, новых электродных материалов.

Широкое и эффективное использование в России и за рубежом электроискрового метода обработки металлических материалов подтверждает слова Бориса Романовича Лазаренко, сказанные им еще в 1947 году: «Многовековое царствование механического способа обработки металлов, перевернувшего мир в прошлых столетиях, – кончается. Его место занимает, несомненно, более высокоорганизованный процесс, когда обработка металла производится электрическими силами… Ему будет принадлежать будущее, и притом – ближайшее будущее».

к. т. н. В.И. Иванов
д.т.н. Ф.Х. Бурумкулов
ГОСНИТИ
Москва

Источник журнал РИТМ. www.ritm-magazine.ru

1. Авторское свидетельство № 70010 от 03.04.1943.

2. Лазаренко Н. И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976 г. – 44 с.

3. Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения инструментов и деталей машин. М.: Машгиз, 1961. – 303 с.

4. Самсонов Г.В., Верхотуров А.Д., Бовкун Г.А., Сычев В.С. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Киев, Наукова думка, 1976. – 220 с.

5. Гитлевич А.Е и др. Электроискровое легирование металлических поверхностей Кишинев: «Штиинца», 1985 г.

6. Бурумкулов Ф.Х., Сенин П.В., Лезин П.П., Иванов В.И., Величко С.А., Ионов П.А. Электроискровое легирование металлических поверхностей – Саранск, ИМЭ МГУ, 2004.

Электроискровое легирование металлических поверхностей

Технология

Электроискровое покрытие проводится с использование плазменных импульсных искровых разрядов в воздухе с периодическим контактированием электрода с изделием. При этом проходит перенос материала электрода на поверхность предмета.

В качестве электродов для нанесении покрытия на медные шины применяют электроды, сделанные из никеля, олова и серебра. электроды, а также сплавы металлов Т15К6, Т17К12, ВК6, ВК8, ВК20, материалы основе карбидов и боридов металлов — TiC, WC, Мо2В5, СrB2, TaB2 и графит.

Alternative content

В данной статье рассмотрено использование электроискрового метода обработки для нанесения покрытий, этот метод принято называть электроискровым легированием (ЭИЛ).

При ЭИЛ осуществляется воздействие на металлические поверхности в газовой среде короткими (до 1000 мкс) электрическими разрядами энергией от сотых долей до десятка и более джоулей и частотой обычно не более 1000 Гц. При периодическом контакте электрода А (анода) – см. рис. 1

, вибрирующего в межэлектродном промежутке МЭП с частотой fa,c обрабатываемым изделием К (катодом) и его разрыве возникают электрические разряды, создаваемые генератором импульсов ГИ.

В результате происходит следующее: идут процессы преимущественного разрушения материала электрода (анода) и образования вторичных структур в рабочей его части; осуществляется перенос продуктов эрозии электрода на деталь (катод); на поверхности обрабатываемого изделия протекают микрометаллургические процессы; элементы материала электрода диффундируют в поверхностный слой изделия; поверхность изделия приобретает новый специфичный рельеф (рис. 2 а

); образуется на поверхности изделия измененный слой (
рис. 1, 2 б
), включающий белый слой, диффузионную зону и зону термического влияния, при этом изменяются свойства поверхностного слоя; формируется поверхностный слой мелкодисперсного состава, вплоть до наноуровня (
рис. 2 в
); происходит изменение размера изделия.

Таким образом на поверхности детали образуется новый слой, которому придаются отличные от исходного состояния свойства в зависимости от параметров искрового разряда, состава электродного материала, материала обрабатываемой детали и других факторов. Эти свойства управляются в широких пределах (табл. 1

) и обеспечивают требуемые качества: повышенные микротвердость, износостойкость, жаростойкость и другие.

Наряду с возможностью формирования покрытий с характеристиками широкого диапазона значений, метод ЭИЛ обладает рядом достоинств, определяющих его успешное использование для решения производственных проблем:

  • возможность локального формирования покрытий в строго указанных местах радиусом от долей миллиметра и более, не защищая при этом остальную поверхность;
  • высокая адгезия электроискрового покрытия с основным материалом;
  • отсутствие нагрева и деформаций изделия в процессе обработки;
  • возможность использования в качестве электродов большинства токопроводящих материалов как из чистых металлов, так и их сплавов, композиций;
  • сравнительная простота технологии, не требуется специальной предварительной обработки поверхности;
  • высокая надежность оборудования и простота его обслуживания, оно малогабаритное и ремонтопригодное;
  • низкая энергоемкость ручных и механизированных процессов ЭИЛ (0,3 2,0 кВт);
  • высокий коэффициент переноса электродного материала (6080%).

Широкие технологические возможности и достоинства ЭИЛ являются основой его эффективного успешного применения в различных отраслях при упрочнении объектов из металлических материалов или восстановлении размеров, утраченных в процессе эксплуатации [26 и др.]. Это в полной мере относится к машиностроительным предприятиям. Здесь электроискровые технологии применяются для увеличения износостойкости режущих инструментов заготовительного и основного производства, различной технологической оснастки, включая штампы для холодной и горячей обработки металлов и неметаллических материалов, деталей машин (рис. 3

При назначении технологии нанесения упрочняющих электроискровых покрытий и последующей обработки необходимо учитывать условия работы объектов упрочнения (инструментов, деталей), т.е. факторы, инициирующие изнашивание их рабочих поверхностей. На примере инструментов для механической обработки металлов (резанием или давлением) ниже приведены данные об основных факторах износа и принципы увеличения износостойкости их (табл. 2

), а также технологические особенности упрочняющей технологии этих объектов (
табл. 3
). Реализация такого подхода позволяет на практике увеличить срок службы инструментов и деталей в 26 раз и более. При этом применительно к резанию металлов эффективность упрочнения режущих инструментов значительно повышается с ужесточением режимов резания.

Нанесение электроискровых покрытий осуществляется в ручном или механизированном режимах на установках ЭИЛ. На рис. 4

и в
табл. 4
выборочно приведены фотографии и технические характеристики ряда известных установок ЭИЛ отечественного и зарубежного производства, применяемые на производстве при решении широкого круга задач, в т.ч. на предприятиях машиностроения.

– восстановление и упрочнение деталей машин;
РИ
– упрочнение режущих инструментов;
ШЛО
– упрочнение штампов листовой штамповки;
ИГД
– упрочнение инструментов горячего деформирования металлов и неметаллов;
ЭК
– снижение переходного сопротивления электрических контактов;
ЭЭО
– электроэрозионная обработка деталей (прошивка пазов, отверстий и т.п.)

В настоящее время ГОСНИТИ Россельхозакадемии и другие разработчики в России и за рубежом ведут работы по созданию новых технологий, в т.ч. комбинированных, нового промышленного оборудования для ЭИЛ, новых электродных материалов.

Широкое и эффективное использование в России и за рубежом электроискрового метода обработки металлических материалов подтверждает слова Бориса Романовича Лазаренко, сказанные им еще в 1947 году: «Многовековое царствование механического способа обработки металлов, перевернувшего мир в прошлых столетиях, – кончается. Его место занимает, несомненно, более высокоорганизованный процесс, когда обработка металла производится электрическими силами… Ему будет принадлежать будущее, и притом – ближайшее будущее».

к. т. н. В.И. Иванов д.т.н. Ф.Х. Бурумкулов ГОСНИТИ Москва

1. Авторское свидетельство № 70010 от 03.04.1943.

2. Лазаренко Н. И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976 г. – 44 с.

3. Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения инструментов и деталей машин. М.: Машгиз, 1961. – 303 с.

4. Самсонов Г.В., Верхотуров А.Д., Бовкун Г.А., Сычев В.С. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Киев, Наукова думка, 1976. – 220 с.

5. Гитлевич А.Е и др. Электроискровое легирование металлических поверхностей Кишинев: «Штиинца», 1985 г.

6. Бурумкулов Ф.Х., Сенин П.В., Лезин П.П., Иванов В.И., Величко С.А., Ионов П.А. Электроискровое легирование металлических поверхностей – Саранск, ИМЭ МГУ, 2004.

Примечания

  1. [www.twi.co.uk/technical-knowledge/faqs/process-faqs/faq-what-is-electrospark-deposition-esd/ What is electrospark deposition (ESD)?]. TWI. Проверено 18 апреля 2013.
  2. [www.sciencedaily.com/releases/2005/03/050325232041.htm Newly Patented System Fights Corrosion], Science Daily
    (March 31, 2005). Проверено 18 апреля 2013.
  3. [books.google.com/books?id=DjnVY_UNhuQC&pg=PA100 Electrical Contacts: Fundamentals, Applications and Technology]. — Taylor & Francis. — P. 100–. — ISBN 9781574447279.
  4. Wang, R.J (2004). «Structural and interfacial analysis of WC92–Co8 coating deposited on titanium alloy by electrospark deposition». Applied Surface Science228
    (1-4): 405–409. DOI:10.1016/j.apsusc.2004.01.043. ISSN [worldcat.org/issn/0169-4332 0169-4332].

Общий вид

«Плазмацентр» предлагает

  • услуги по восстановлению деталей, нанесению покрытий, напылению в вакууме, микроплазменному напылению, электроискровому легированию, плазменной обработке, аттестации покрытий, напылению нитрида титана, ремонту валов, покрытию от коррозии, нанесению защитного покрытия, упрочнению деталей;
  • поставка оборудования для процессов финишного плазменного упрочнения, сварки, пайки, наплавки, напыления (например, газотермического, газопламенного, микроплазменного, высокоскоростного и детонационного напыления), электроискрового легирования, приборов контроля, порошковых дозаторов, плазмотронов и другого оборудования;
  • поставка расходных материалов, таких как сварочная проволока, электроды, прутки для сварки, порошки для напыления, порошки для наплавки, порошки для аддитивных технологий, проволока для наплавки и другие материалы для процессов сварки, наплавки, напыления, аддитивных технологий и упрочнения;
  • проведение НИОКР в области инженерии поверхности, трибологии покрытий, плазменных методов обработки, выбора оптимальных покрытий и методов их нанесения;
  • обучение, консалтинг в области наплавки, напыления, упрочнения, модификации, закалки.

Свяжитесь с нами по телефонам: +7 (812) 679-46-74, +7 (921) 973-46-74, или напишите нам на почту
Наши менеджеры подробно расскажут об имеющихся у нас технологиях нанесения покрытий, упрочнения, восстановления, придания свойств поверхности, а также о стоимости услуг компании.

Отрывок, характеризующий Электроискровое покрытие

– Как выслать да опять вернуть, беды не будет; а в таком положении ни за что нельзя отвечать. – Да ведь вот, он пишет, – говорил другой, указывая на печатную бумагу, которую он держал в руке. – Это другое дело. Для народа это нужно, – сказал первый. – Что это? – спросил Пьер. – А вот новая афиша. Пьер взял ее в руки и стал читать: «Светлейший князь, чтобы скорей соединиться с войсками, которые идут к нему, перешел Можайск и стал на крепком месте, где неприятель не вдруг на него пойдет. К нему отправлено отсюда сорок восемь пушек с снарядами, и светлейший говорит, что Москву до последней капли крови защищать будет и готов хоть в улицах драться. Вы, братцы, не смотрите на то, что присутственные места закрыли: дела прибрать надобно, а мы своим судом с злодеем разберемся! Когда до чего дойдет, мне надобно молодцов и городских и деревенских. Я клич кликну дня за два, а теперь не надо, я и молчу. Хорошо с топором, недурно с рогатиной, а всего лучше вилы тройчатки: француз не тяжеле снопа ржаного. Завтра, после обеда, я поднимаю Иверскую в Екатерининскую гошпиталь, к раненым. Там воду освятим: они скорее выздоровеют; и я теперь здоров: у меня болел глаз, а теперь смотрю в оба». – А мне говорили военные люди, – сказал Пьер, – что в городе никак нельзя сражаться и что позиция… – Ну да, про то то мы и говорим, – сказал первый чиновник. – А что это значит: у меня болел глаз, а теперь смотрю в оба? – сказал Пьер. – У графа был ячмень, – сказал адъютант, улыбаясь, – и он очень беспокоился, когда я ему сказал, что приходил народ спрашивать, что с ним. А что, граф, – сказал вдруг адъютант, с улыбкой обращаясь к Пьеру, – мы слышали, что у вас семейные тревоги? Что будто графиня, ваша супруга… – Я ничего не слыхал, – равнодушно сказал Пьер. – А что вы слышали? – Нет, знаете, ведь часто выдумывают. Я говорю, что слышал.

Установки для электроискрового наращивания и легирования

Универсальная механизированная высокочастотная установка ИМ-101 (рис. 2) предназначена для электроискрового упрочнения рабочих поверхностей всех видов режущего инструмента, штампового кузнечно-прессового, заготовительного и литейного производств, для восстановления изношенных поверхностей деталей в ремонтном производстве при работе в ручном и механизированном режимах при оснащении одноэлектродными и многоэлектродными головками.

Рис. 2. Универсальная механизированная высокочастотная установка для электроискрового легирования ИМ-101

Особенности: установка оснащена двумя генераторами электроискровых разрядов и позволяет использовать параллельно две одноэлектродные головки для повышения производительности механизированного ЭИЛ.

Технические характеристики установки:

  • напряжение питающей сети, В (50 Гц) – 220±22;
  • потребляемая мощность, кВА – 1,5;
  • суммарная емкость разрядных конденсаторов, мкф – 340;
  • производительность, см2/мин – до12,0;
  • частота следования импульсов, Гц – 100…1200;
  • толщина слоя покрытия, мм – до1,2;
  • шероховатость покрытия, Rа мкм – 1,5;
  • масса генератора, кг – 42;
  • габаритные размеры, мм – 480x210x480;
  • повышенная мощность;
  • позволяет создавать покрытия толщиной до 0,1 мм за один проход.

Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05 (рис. 3) предназначена для электроискрового упрочнения рабочих поверхностей всех видов режущего инструмента, штампового оснащения кузнечно-заготовительного и литейного производств.

Рис. 3. Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05

Особенности: оригинальная схема генератора электроискровых разрядов, установка имеет 3 режима работы, максимальная емкость разрядных конденсаторов – 60 мкф.

Установки электроискрового легирования УР-121М, UR-121 и BIG-1 для упрочнения инструмента

Физические основы процесса электроискрового легирования (ЭИЛ)

Способ электроискровой обработки металлов, разработанный Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде в газовой среде (преимущественно на воздухе) и полярного переноса продуктов эрозии на катод (деталь), на поверхности которого формируется слой измененной структуры и состава [12]. В результате электрического пробоя межэлектродного промежутка возникает искровой разряд, в котором поток электронов приводит к локальному разогреву электрода (анода). На поверхности катода под действием значительных тепловых нагрузок происходят микрометаллургические и сопутствующие им процессы (термомеханические, гидродинамические, диффузионные), осуществляющие перемешивание материала катода и анода, при взаимодействии с компонентами газовой среды, что способствует образованию высокой адгезии между основой и формируемым слоем. Поэтому электроискровое легирование следует считать методом создания новых композиционных материалов.
В первую очередь это относится к тугоплавким покрытиям, наиболее существенно и принципиально изменяющим свойства верхнего слоя материала. Величина этих изменений определяется составом, структурой, свойствами материалов электродов и технологическими параметрами процесса электроискрового легирования.

Читать еще:  Паяем полипропиленовые трубы в труднодоступных местах



Общая схема процесса электроискрового легирования

На рис. 1 приведена общая схема процесса ЭИЛ с вибрирующим анодом в виде компактного электрода и изображение образующегося верхнего слоя.

Рис. 1. Схема электроискрового легирования (ЭИЛ): Г.И. – генератор импульсного тока; МЭП – межэлектродный промежуток; ИР – искровой разряд; А – анод; К – катод

Процесс ЭИЛ начинается со сближения анода (электрода) с катодом (деталью). При расстоянии между ними, равном пробивному, начинается развитие искрового разряда длительностью 10–6…10–3с, который во многих случаях завершается при контакте электродов.

При небольших напряжениях между электродами (U

Рис. 2. Универсальная механизированная высокочастотная установка для электроискрового легирования ИМ-101

Особенности: установка оснащена двумя генераторами электроискровых разрядов и позволяет использовать параллельно две одноэлектродные головки для повышения производительности механизированного ЭИЛ.

Технические характеристики установки:

  • напряжение питающей сети, В (50 Гц) – 220±22;
  • потребляемая мощность, кВА – 1,5;
  • суммарная емкость разрядных конденсаторов, мкф – 340;
  • производительность, см2/мин – до12,0;
  • частота следования импульсов, Гц – 100…1200;
  • толщина слоя покрытия, мм – до1,2;
  • шероховатость покрытия, Rа мкм – 1,5;
  • масса генератора, кг – 42;
  • габаритные размеры, мм – 480x210x480;
  • повышенная мощность;
  • позволяет создавать покрытия толщиной до 0,1 мм за один проход.

Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05 (рис. 3) предназначена для электроискрового упрочнения рабочих поверхностей всех видов режущего инструмента, штампового оснащения кузнечно-заготовительного и литейного производств.

Рис. 3. Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05

Особенности: оригинальная схема генератора электроискровых разрядов, установка имеет 3 режима работы, максимальная емкость разрядных конденсаторов – 60 мкф.

Технические характеристики установки:

  • напряжение питающей сети, В (50 Гц) – 220±22;
  • потребляемая мощность, кВА – 0,3;
  • производительность, см2/мин – 3,0;
  • частота следования импульсов, Гц – 100;
  • толщина слоя покрытия, мм – до 0,1;
  • шероховатость покрытия, Rа мкм – 3,0;
  • масса, кг – 6,4;
  • габаритные размеры, мм – 245x110x220.

Электроды для наплавки.

Темы: Наплавка, Электроды сварочные, Ручная дуговая сварка.

В группу электродов для наплавки входят электроды, предназначенные для ручной дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами (кроме электродов для наплавки слоев из цветных металлов). Электроды изготавливают в соответствии с ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 10051-75. Для наплавочных работ в некоторых случаях также используют сварочные электроды, например, электроды, предназначенные для сварки высоколегированных коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей.

Согласно ГОСТ 10051-75 электроды для наплавки поверхностных слоев по химическому составу наплавленного металла и твердости при нормальной температуре классифицированы на 44 типа (например, электроды типа Э-16Г2ХМ, Э-110Х14В13Ф2, Э-13Х16Н8М5С5Г46). Наплавленный металл многих электродов регламентируется техническими условиями предприятий-изготовителей.

В зависимости от принятой системы легирования и условий работы получаемого наплавленного металла электроды для наплавки условно разделены на 6 групп:

  1. Электроды, обеспечивающие получение низкоуглеродистого низколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях трения металла о металл и ударных нагрузок (по назначению к этой группе относятся некоторые марки электродов 3-ей группы).
  2. Электроды, обеспечивающие получение среднеуглеродистого низколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях трения металла о металл и ударных нагрузок при нормальной и повышенной температурах (600-650оС).
  3. Электроды, обеспечивающие получение углеродистого, легированного (или высоколегированного) наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях абразивного изнашивания и ударных нагрузок.
  4. Электроды, обеспечивающие получение углеродистого высоколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях больших давлений и высоких температур (650-850оС).
  5. Электроды, обеспечивающие получение высоколегированного аустенитного наплавленного метала с высокой стойкостью в условиях коррозионно-эрозионного изнашивания и трения металла о металл при повышенных температурах (570-600оС).
  6. Электроды, обеспечивающие получение дисперсноупрочняемого высоколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в тяжелых температурно-деформационных условиях (950-1100 гр С).

Выполнение наплавочных работ требует применения специальной технологии, которая (в зависимости от химического состава и состояния основного и наплавляемого металлов)- может включать обязательное выполнение таких операций, как предварительный и сопутствующий подогрев, термообработку для получения заданных эксплуатационных свойств наплавляемой поверхности.

Электроискровая обработка в восстановлении деталей

Физические основы процесса электроискрового легирования (ЭИЛ)

Способ электроискровой обработки металлов, разработанный Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде в газовой среде (преимущественно на воздухе) и полярного переноса продуктов эрозии на катод (деталь), на поверхности которого формируется слой измененной структуры и состава [12]. В результате электрического пробоя межэлектродного промежутка возникает искровой разряд, в котором поток электронов приводит к локальному разогреву электрода (анода). На поверхности катода под действием значительных тепловых нагрузок происходят микрометаллургические и сопутствующие им процессы (термомеханические, гидродинамические, диффузионные), осуществляющие перемешивание материала катода и анода, при взаимодействии с компонентами газовой среды, что способствует образованию высокой адгезии между основой и формируемым слоем. Поэтому электроискровое легирование следует считать методом создания новых композиционных материалов.
В первую очередь это относится к тугоплавким покрытиям, наиболее существенно и принципиально изменяющим свойства верхнего слоя материала. Величина этих изменений определяется составом, структурой, свойствами материалов электродов и технологическими параметрами процесса электроискрового легирования.

Общая схема процесса электроискрового легирования

На рис. 1 приведена общая схема процесса ЭИЛ с вибрирующим анодом в виде компактного электрода и изображение образующегося верхнего слоя.

Рис. 1. Схема электроискрового легирования (ЭИЛ): Г.И. – генератор импульсного тока; МЭП – межэлектродный промежуток; ИР – искровой разряд; А – анод; К – катод

Процесс ЭИЛ начинается со сближения анода (электрода) с катодом (деталью). При расстоянии между ними, равном пробивному, начинается развитие искрового разряда длительностью 10–6…10–3с, который во многих случаях завершается при контакте электродов.

При небольших напряжениях между электродами (U Читайте также: Электроды для сварки под водой — особенности и популярные марки

Недостатками наплавки металлической лентой являются сравнительно низкая прочность сцепления покрытия с основой, тонкий слой наплавленного металла. Увеличить толщину наплавки в данном случае не представляется возможным. Более толстое покрытие позволяет получить ЭКН сварочной проволокой.

Наплавка сварочной проволокой

Электроконтактную наплавку осуществляют на специальной установке (рис. 2.) совместным деформированием наплавляемого металла и поверхностного слоя металла основы, нагретых в очаге деформации до пластического состояния короткими (0,02–0,04 с) импульсами тока 10–20 кА. В результате каждого из последовательных электромеханических циклов процесса на поверхности металла основы образуется единичная площадка наплавленного металла, перекрывающая соседние. Деформация наплавляемого металла за цикл составляет 40 – 60%. Наличие пластической деформации присадочного материала дает возможность повысить прочность сцепления покрытия с основой [7].

Электроконтактную наплавку применяют для ремонта металлических поверхностей и получения биметаллических изделий.

Рис. 2. Схема установки электроконтактной наплавки:

а – начальное состояние; б – конечное состояние; 1 – прерыватель тока; 2 – трансформатор; 3 – наплавляющий ролик, 4 – амортизатор; 5 – присадочная проволока; 5 – образец

Технологические варианты наплавки

Основная технологическая схема.

Сплошной слой металла образуется по этой схеме путем наплавки спиралевидных перекрывающихся по ширине валиков металла (рис. 3.).

Наплавка производится одним наплавляющим роликом. Присадочная проволока додается в зону наплавки и фиксируется с помощью направляющей втулки, жестко закрепленной относительно ролика. Положение каждого витка спиралевидного валика, обеспечивающее перекрытие его с соседним, определяется только скоростью перемещения ролика относительно образующей вращающейся детали.

Рис. 3. Основная технологическая схема электроконтактной наплавки 1 – наплавляемая деталь, 2 – наплавленный металл; 3 – присадочная проволока, 4 – наплавляющий ролик; 5 – трансформатор, 6 – прерыватель тока

При наплавке очередного витка присадочная проволока вследствие деформации контактирует с ранее наплавленным валиком. Присадочная проволока и участок металла предыдущего витка нагреваются током наплавки и совместно деформируются, в результате чего происходит их соединение. Даже при дополнительной цепи тока наплавки, средняя плотность тока на единицу площади контакта присадочная проволока – деталь не снижается, а прочность соединения с металлом второго (и любого последующего) витка не меньше прочности соединения первого витка. Это объясняется тем, что суммарная длина контакта любого поперечного сечения единичной площадки второго витка с учетом контакта с предыдущим валиком не превосходит длины контакта того же сечения первого валика с поверхностью детали.

Основная технологическая схема наплавки проста, надежна и может считаться оптимальной для большой группы изделий.

При наплавке по рассматриваемой технологической схеме размеры внешнего контура изменяются соответственно перемещению наплавляющего ролика, поэтому значения тока в начале и в конце наплавляемого участка различны. В связи с этим изменяются в некоторых пределах прочность на отрыв, усталостная прочность, твердость наплавленного металла.

Недостатком схемы является повышенный местный износ ролика, при его зачистке после наплавки очередного участка удаляется часть поверхности ролика, не участвовавшая в работе, поэтому предпочтительнее последовательное использование всей контактной поверхности ролика.

Основная технологическая схема электроконтактной наплавки проста и надежна, недостатки ее не являются определяющими.

Двухзаходная технологическая схема

. Сплошной слой металла образуется по этой схеме последовательной наплавкой двух спиралевидных валиков с увеличенным шагом (рис. 4.); на поверхности основного металла наплавляют спиралевидный валик с зазором между соседними витками. Второй спиралевидный валик наплавляют в зазор между витками первого спиралевидного валика.

Рис. 4. Двухзаходная схема наплавки:

а – наплавка валика первого захода, б – наплавка валика второго захода

Валик в зазоре между наплавленными витками наплавляют при силе тока несколько большей, чем сила тока наплавки первого валика, вследствие необходимости нагрева поверхностного слоя металла уже наплавленных соседних витков для соединения их с наплавленным валиком.

Двухзаходная схема наплавки не требует изменений установки, так же проста и надежна, как и основная технологическая схема.

Основное ее достоинство – возможность уменьшить тепловыделение наплавкой спиралевидного валика с увеличенным шагом. Кроме того, перед наплавкой второго валика деталь может быть охлаждена в требуемом режиме.•

Меньшее термическое влияние на основной металл при наплавке по двухзаходной технологической схеме сопровождается уменьшением производительности [7].

Двухточечная технологическая схема.

/Клименко Ю. В. Авт. свид. № 407678. – «Открытия, изобретения, пром. образцы, товарные знаки», 1973, № 47, с. 37./

Принципиальные отличия ее – схема включения детали в цепь тока наплавки и последовательность наплавки единичных площадок.

Ток в зону наплавки подводится через два наплавляющих ролика, что позволяет исключить из внешнего контура контактный переход «патрон – металл основы» и уменьшить потери мощности. Особенность этой схемы также и в том, что первым наплавочным роликом наплавляется спиралевидный валик, в котором соседние единичные площадки не перекрываются, а вторым роликом проплавляются образовавшиеся пропуски (рис. 5.). Таким образом, одним импульсом тока наплавляются две диаметрально противоположные площадки металла.

Модель процесса электроискрового легирования

Модель процесса, разработанная Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, заключается в следующем: при сближении электродов напряженность электрического поля между ними увеличивается и, достигнув определенной величины, вызывает пробой промежутка между электродами. Через возникающий канал сквозной проводимости пучок электронов сфокусированно ударяется о твердую металлическую поверхность анода. Энергия движения остановленных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. Энергия от специального источника питания импульсно подводится к разрядному промежутку, поэтому плотность тока в канале значительно превосходит критические значения. Вследствие этого металл анода локально разогревается, расплавляется и частично испаряется. Капля расплавленного металла отделяется от анода и, опережая его, движется к катоду. В процессе отделения от анода летящая капля успевает нагреться до высокой температуры, закипает и взрывается. Цепь тока прерывается, фокусирующее действие электромагнитного поля исчезает, и образовавшиеся частицы летят широким фронтом. Поскольку перегретая капля и частицы находятся в газовой среде, возможно образование химических соединений, вследствие чего отделившиеся от анода частицы могут отличаться от материала анода. Достигнув катода, расплавленные частицы анода свариваются с ним и частично внедряются в его поверхность. Движущийся за частицами электрод-анод механически ударяет о катод, перемешивая частицы анода. При этом протекают процессы диффузии и химических реакций. Механический удар по раскаленной массе металла проковывает полученное покрытие, увеличивая его однородность и плотность. Так как процесс носит локальный характер, имеет место и сверхскоростная закалка. После этого электрод-анод отходит от катода, а на поверхности последнего остается прочно соединенный с ним слой материала анода.

Эта модель процесса разработана для высоких напряжений между электродами. При ЭИЛ, где используют напряжения не выше 100…200 В, пробой межэлектродного промежутка происходит практически при контакте электродов (зазор 5…10 мкм) через частицы, находящиеся в воздухе или на поверхности электродов. При контактном начале пробоя на первом этапе происходит электрический взрыв контактного мостика, обеспечивающий предварительную очистку поверхности и последующее формирование межэлектродного пространства для развития плазменного разряда. На сблизившиеся жидкие объемы анода и катода действуют гидродинамическое давление факелов, газокинетическое давление со стороны канала проводимости, сила электрического поля, электродинамическая сила, реактивное давление. Механизм образования покрытия при ЭИЛ дополняется в работах Н.И. Лазаренко, согласно которому выброс металла происходит и с поверхности катода [16]. На поверхности последнего образуется лунка с краями, несколько приподнятыми над первоначальной поверхностью. Поэтому при электроискровом легировании поверхность обрабатываемой детали представляет собой совокупность гребней и впадин, геометрические размеры и частота следований которых определяет шероховатость, сплошность обработанной поверхности.

Электроды для наплавки, стойкие к абразивному износу

Наплавка – это метод нанесения слоя расплавленного металла, присадочного, на основной. Электроды для наплавления, стойкие к абразивному воздействию, создают на деталях новый слой с отличными механическими свойствами и характеристиками. За счет их использования можно:

  1. привести изделие в первоначальный вид,
  2. вернуть ему геометрические размеры,
  3. придать новые ценные качества,
  4. увеличить износостойкость, способность противостоять воздействию температур.

Электроды для наплавки, стойкие к абразивному износу, используются при ремонте самого разного оборудования. Это могут быть зубчатые барабаны, крестовины, валы, звездочки, оси, отражательные плиты, крестовины стрелочных переходов, шнеки, дробилки. В таком случае рекомендуется применить наплавочные электроды марки ОЗН-400М, ЦНИИН-4, ОЗН-7М.

Выполняя земляные работы, абразивному истиранию подвергаются звенья цепей гусениц, ковши экскаваторов, ножи бульдозеров, наконечники рыхлителей. Защитить от нагрузок и разрушения эти детали необходимо применяя марку электрода Т-590 и Т-620, OK Weartrode 35. Их пруток сделан из углеродистой стали, обмазка содержит ферробор, карбид бора, феррохром, ферротитан.

Установки для электроискрового наращивания и легирования

Универсальная механизированная высокочастотная установка ИМ-101 (рис. 2) предназначена для электроискрового упрочнения рабочих поверхностей всех видов режущего инструмента, штампового кузнечно-прессового, заготовительного и литейного производств, для восстановления изношенных поверхностей деталей в ремонтном производстве при работе в ручном и механизированном режимах при оснащении одноэлектродными и многоэлектродными головками.

Рис. 2. Универсальная механизированная высокочастотная установка для электроискрового легирования ИМ-101

Особенности: установка оснащена двумя генераторами электроискровых разрядов и позволяет использовать параллельно две одноэлектродные головки для повышения производительности механизированного ЭИЛ.

Технические характеристики установки:

  • напряжение питающей сети, В (50 Гц) – 220±22;
  • потребляемая мощность, кВА – 1,5;
  • суммарная емкость разрядных конденсаторов, мкф – 340;
  • производительность, см2/мин – до12,0;
  • частота следования импульсов, Гц – 100…1200;
  • толщина слоя покрытия, мм – до1,2;
  • шероховатость покрытия, Rа мкм – 1,5;
  • масса генератора, кг – 42;
  • габаритные размеры, мм – 480x210x480;
  • повышенная мощность;
  • позволяет создавать покрытия толщиной до 0,1 мм за один проход.

Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05 (рис. 3) предназначена для электроискрового упрочнения рабочих поверхностей всех видов режущего инструмента, штампового оснащения кузнечно-заготовительного и литейного производств.

Рис. 3. Малогабаритная установка для ручного ЭИЛ типа ИМ-05

Особенности: оригинальная схема генератора электроискровых разрядов, установка имеет 3 режима работы, максимальная емкость разрядных конденсаторов – 60 мкф.

Устройство электроискрового легирования металлов

Устройство электроискрового легирования металлов

Полезная модель относится к области электрофизических методов обработки металлов, а конкретно, к технологии обработки металла воздействием электрического тока высокой плотности, и может быть использована для увеличения твердости, жаро- и износостойкости режущего инструмента, штамповой оснастки и деталей машин, а также для их маркировки. Предложенное устройство позволяет производить электроискровое легирование металлов с высоким качеством и высокой производительностью. Оно просто в изготовлении, имеет малые весо-габаритные характеристики, низкую себестоимость. Такой технический эффект получен нами, когда в устройстве электроискрового легирования металлов, включающем источник переменного напряжения, подключенные к нему катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод — детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, разрядный контур которого выполнен из двух изолированных проводников, один из которых подключен между положительной обкладкой конденсатора и электродом-инструментом, а второй — между отрицательной обкладкой конденсатора и электродом-детали, новым является то, что разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным. Предложено выполнить малоиндуктивный разрядный контур конденсатора коаксиальным кабелем или изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу. 2 з.п.ф. 3 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к области электрофизических методов обработки металлов, а конкретно, к технологии обработки металла воздействием электрического тока высокой плотности, и может быть использована для увеличения твердости, жаро- и износостойкости режущего инструмента, штамповой оснастки и деталей машин, а также для их маркировки.

Известно устройство электроискрового легирования (Пат. РФ №2140834, МПК В23Н 9/00, приор. 19.01.1999), которое содержит два источника питания постоянного тока, электрод-инструмент с наконечником, электрод-детали, два ключа и формирователь импульсов, состоящий из двух катушек индуктивности, одна из которых включена в цепь тока легирования. Недостатком такого устройства является низкая производительность и большое энергопотребление, что вызвано малым током легирования из-за дополнительно включенной в разрядный контур конденсатора индуктивности формирователя импульсов.

Наиболее близким к заявленному устройству, выбранному нами в качестве прототипа, является устройство электроискрового легирования металлов [см. Паспорт, установка UR-121 ЕИГА, 443227.001 ПС, Московская обл., г.Подольск, 2007.] (копию документа прилагаем), включающее источник переменного напряжения, подключенные к источнику напряжения катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, при этом разрядный контур

конденсатора выполнен из двух изолированных проводников, один из которых соединяет положительную обкладку конденсатора с электродом-инструментом, а второй — отрицательную обкладку конденсатора с электродом-детали, к которому подключено легируемое изделие.

В этом устройстве под действием переменного тока в катушке индуктивности происходит периодическое втягивание электромагнитным полем электрода-инструмента, вызывая его вибрацию. При касании изделия наконечником электрода-инструмента происходит разряд конденсатора, импульсный ток которого вызывает плавление и испарение твердосплавного наконечника электрода-инструмента и его полярный перенос на изделие.

Основным недостатком этого устройства также являются невысокие производительность и качество легированного покрытия. Это вызвано малой величиной тока разряда конденсатора.

Предлагаемое нами устройство позволяет производить электроискровое легирование металлов с высоким качеством и высокой производительностью. Оно просто в изготовлении, имеет малые весо-габаритные характеристики, низкую себестоимость.

Такой технический эффект получен нами, когда в устройстве электроискрового легирования металлов, включающем источник переменного напряжения, подключенные к нему катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, разрядный контур которого выполнен из двух изолированных проводников, один из которых подключен между положительной обкладкой конденсатора и электродом-инструментом, а второй — между отрицательной

Читать еще:  Как правильно положить кирпич на фундамент

обкладкой конденсатора и электродом-детали, новым является то, что разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным. * (* Под малоиндуктивным в электротехнике традиционно понимают контур, в котором выполняется соотношение к, где — волновое сопротивление контура; L и С — индуктивность и емкость контура соответственно; Rк — контактное сопротивление между наконечником и легируемым изделием во время разряда конденсатора. Оно имеет величину (40-60)×10 -3 Ом.)

Нами экспериментально было показано, что схемные решения, при которых разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным, приводят к увеличению производительности и качества легируемого покрытия. Это происходит вследствие того, что при малоиндуктивном контуре резко возрастает амплитуда тока разряда, а поскольку тепловое действие тока пропорционально квадрату его величины, то и эффективность вклада запасенной энергии конденсатора значительно больше.

Нами предложено выполнить малоиндуктивный разрядный контур конденсатора коаксиальным кабелем (п.2 Формулы) или изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу (п.3 Формулы).

На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства: фиг.1а — вариант с выполнением разрядного контура конденсатора коаксиальным кабелем, фиг.1б — вариант с выполнением разрядного контура конденсатора изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу, где источник 1 переменного напряжения, катушка 2 вибратора, электрод-инструмент 3, наконечник 4, электрод-детали 5, активное сопротивление 6, конденсатор 7, разрядный контур 8 конденсатора, изделие 9, выпрямитель 10 мостовой.

На фиг.2 представлены осциллограммы тока разряда в установке-прототипе (1), в предлагаемом устройстве, где разрядный контур выполнен коаксиальным кабелем (2) и где разрядный контур выполнен проводниками, расположенными вплотную друг к другу (3), где I — ток (в амперах), t — время (в микросекундах).

На фиг.3 представлен опытный образец предлагаемого устройства электроискрового легирования металлов (вариант по п.3 Формулы).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Вариант по п.2. Формулы. В исходном состоянии напряжение с источника 1 питания подают на катушку 2 вибратора, ток в которой вызывает периодические, с удвоенной частотой источника 1 питания притягивания к ней электрода-инструмента 3, возврат в исходное состояние которого осуществляется за счет пружины (на фиг. не показана). Одновременно с этим, через выпрямитель 10 мостовой и активное сопротивление 6 заряжается конденсатор 7. При соприкосновении наконечника 4 с изделием 9 через место контакта происходит импульсный разряд конденсатора 7 по цепи: «+» конденсатора 7 — жила коаксиального кабеля 8 — электрод-инструмент 3 — наконечник 4 — изделие 9 — электрод — детали 5 — оплетка коаксиального кабеля 8 — «-» конденсатора 7. Ток разряда вызывает плавление и испарение материала наконечника 4, продукты которого, диффундируя внутрь и осаждаясь на поверхности изделия 9, образуют легирующий слой в месте контакта.

При отрыве электрода-инструмента 3 от изделия 9 за счет роста тока в катушке 2 вибратора начинается повторный заряд конденсатора 7 от источника 1 питания.

Ток разряда I определяется по формуле:

где U0 — зарядное напряжение конденсатора (В);

— волновое сопротивление разрядного контура (Ом);

С — величина емкости конденсатора (Ф);

L — индуктивность разрядного контура (Гн),

которая для коаксиального кабеля определяется по формуле:

где 0=4×10-7 (Гн/м) — абсолютная магнитная проницаемость изоляции кабеля;

=1 — относительная магнитная проницаемость изоляции кабеля;

l — длина кабеля (м);

D и d — диаметры оплетки и жилы кабеля, соответственно.

Расчеты показывают, что величина индуктивности разрядного контура, соединения в котором выполнены коаксиальным кабелем, более чем в 2 раза меньше величины индуктивности, когда соединения выполнены изолированными проводниками, произвольно расположенными в отдалении друг от друга. При этом амплитуда тока возрастает и, как следствие, пропорционально квадрату тока увеличивается тепловыделение в месте контакта, ведущее к увеличению площади легирования, равномерности и «сплошности» покрытия. Все это увеличивает производительность и качество легирования.

Вариант по п.3 Формулы. Исходное состояние, процессы заряда и разряда конденсатора 7 аналогичны рассмотренному выше. Отличительным является то, что ток идет по цепи: «+» конденсатора 7, верхний изолированный провод 8, электрод-инструмент 3, наконечник 4, изделие 9, электрод-детали 5, нижний изолированный провод соединения 8,: «-» конденсатора 7. В этом случае величина индуктивности разрядного контура определяется по формуле:

где L1, L2 — величины индуктивности изолированных проводников, соединяющих обкладки конденсатора 7 с электродом-инструментом и с электродом-детали и рассчитываемых как индуктивности уединенных проводников;

М — коэффициент взаимоиндукции между этими проводниками.

Чем ближе проводники расположены друг к другу в контуре, тем больше коэффициент взаимоиндукции М, а, следовательно, уменьшается полная индуктивность L.

Пример конкретного исполнения (вариант по п.3 Формулы).

В качестве источника питания был использован трансформатор ТП154-62 мощностью 60 вт, мост диодный — ВК 1010 (10А.1000 В), активное сопротивление — С5-35 20 ом 50 Вт, конденсатор — К73-16 8,2 мкФ, 100 В, шесть штук, соединенных параллельно; наконечник электрода выполнен из твердого сплава ВК6-М; соединения конденсатора с электродом-инструментом и с электродом-детали выполнены кабелем ШВВП — 2×0,75, длиной 0,9 м (длина проводника в устройстве-прототипе около 1 м).

Было обработано более десяти сверл 10 мм из быстрорежущей стали марки Р6М5. Легировалась заборная часть режущей кромки сверл шириной 2 мм и длиной 10 мм.

В известном устройстве (фиг.2-1) ток разряда имел амплитуду в 1,42 раза меньшее значение, чем в предлагаемом устройстве (фиг.2-3). Поскольку тепловое действие пропорционально квадрату его величины, то в предлагаемом устройстве эффективность вклада запасенной энергии конденсатора 7 — примерно в 2 раза больше.

Следствием этого является то, что при использовании предлагаемого устройства ширина легирующего слоя в 1,3-1,5 раз больше, чем в известном устройстве (измерения осуществлялись штангенциркулем). Кроме того, легирующий слой, полученный предлагаемым устройством, имеет более равномерное и сплошное покрытие (определение посредством лупы с 10-кратным увеличением).

Время, затраченное на легирование одного сверла, было в 1,5-1,7 раз меньше, чем в известном устройстве.

На нашем предприятии отработана технология изготовления опытных образцов предлагаемых вариантов устройств. Идет разработка конструкторской документации,

готовится мелкосерийное производство переносного, малогабаритного устройства электроискрового легирования режущего инструмента, в частности сверл, фрез, метчиков, пил, ножей разного типо-размера со следующими параметрами:

Вес источника питания — 2,5 кг (прототип — 7,8 кг).;

Вес вибратора — 0,11 кг (прототип — 0,7 кг);

Габариты: источник питания — 150×170×90 мм (прототип 264×236×125 мм);

вибратор — 20 мм, l=160 мм (прототип 135×80×45 мм).

Предлагаемыми устройствами электроискрового легирования металлов была также осуществлена маркировка деталей. Благодаря тому, что вибратор устройства весит всего 0,11 кг и имеет малые габариты, оно удобно удерживается в пальцах руки (тип «электрокарандаша»), что ведет к увеличению скорости маркировки и четкости цифро-буквенной информации.

1. Устройство электроискрового легирования металлов, включающее источник переменного напряжения, подключенные к нему катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, разрядный контур которого выполнен из двух изолированных проводников, один из которых подключен между положительной обкладкой конденсатора и электродом-инструментом, а второй — между отрицательной обкладкой конденсатора и электродом-детали, отличающееся тем, что разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что малоиндуктивный контур конденсатора выполнен коаксиальным кабелем.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что малоиндуктивный контур конденсатора выполнен изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу.

Электроискровое легирование

Легирование металла — процедура обогащения добавками из металлических сплавов, придающая материалу положительные физико-технические свойства. Качественное улучшение предмета легирования может проводиться непосредственно в процессе производства, то есть процентное соотношение состава объекта изменяется полностью — по всей толще металла. Такой способ изменения прочностных и эксплуатационных характеристик конкретных механизмов и деталей применяется нечасто, так как в большинстве случаев является чрезмерно затратным. Более доступной по стоимости, практичной и оптимальной альтернативой упрочнения объектов является электроискровое легирование — метод точечного воздействия на площадь поверхности.

Технология такой обработки состоит в переносе защитного состава на покрытие короткими плазменными разрядами. Процесс нанесения происходит в воздушно-газовой среде — при каждом единичном электрическом импульсе, вырабатываемом специальной установкой электроискрового легирования ur 121, электрод легированного состава приходит в движение и попадает на предназначенную для упрочнения поверхность.

Достоинства электроискрового легирования металлических поверхностей

  • возможность наносить покрытие на микроскопический участок, не превышающий доли миллиметра;
  • незадействованная в обработке площадь поверхности объекта не получает никаких повреждений — следовательно, не требует защиты в процессе легирования;
  • достаточно высокая адгезия нанесенного слоя с поверхностью подложки обеспечивает надежное, прочное, долговечное сцепление — благодаря эффекту диффузии (проникновения) внешнего слоя вглубь металла;
  • технология легирования сопровождается минимальным нагревом обрабатываемого объекта, отсутствует даже минимальный процент коррозии металла;
  • отсутствуют требования к характеру металлической поверхности, предназначенной для нанесения — нет необходимости в какой-либо подготовке.

Отрасли применения

  • машиностроительное и металлообрабатывающее производство; автомобильное производство;
  • промышленная обработка металлопроката и металлоконструкций;
  • обработка деталей, штампов, рабочих механизмов и инструментов;
  • наращивание формы стачивающихся, изношенных и поврежденных деталей.

Метод электроискрового легирования применяют не только в заводских условиях — возможность придать изготавливаемым предметам специфические свойства используют ювелиры, часовщики, любители конструировать действующие мини-копии транспортных средств. Купить установку электроискрового легирования также можно для нанесения защиты на стеклянные и керамические предметы.

Технология проведения электроискрового легирования

После того, как установка электроискрового легирования приведена в действие, импульсы определенной частоты подаются на электромагнитный возбудитель через электрод, направленный на подлежащий обработке участок. Процесс сопровождается выделением тепловой энергии, которая плавит массу лигатуры, предназначенную для нанесения — и ее частицы осаждаются на предназначенной для обработки поверхности. В зависимости от интенсивности движения расплава к поверхности объекта, нанесенный материал может образовывать лунку, которую сам же и закрывает, или ложиться на плоскость однородным равномерным покрытием. Скорость проведения реакции должна варьироваться в зависимости и от материала лигатуры — соотношение разных составляющих требует соблюдения конкретных правил проведения процедуры.

Примеры работ

Свяжитесь с нами по телефонам: +7 (812) 679-46-74, +7 (921) 973-46-74, или напишите нам на почту: office@plasmacentre.ru

Наши менеджеры подробно расскажут об имеющихся у нас технологиях нанесения покрытий, упрочнения, восстановления, придания свойств поверхности, а также о стоимости услуг компании.

Электроискровое легирование (ЭИЛ)

Искровой разряд можно использовать для переноса материала электрода Э, на поверхность детали. Процесс осуществляется в атмосфере при разряде конденсаторной батареи C на межэлектродный промежуток δ (рис. 4.7)

Рис 4.7. Принципиальная схема RC-генератора (а) и характера изменения напряжения и тока при искровом разряде (б)

Для искрового пробоя воздушного промежутка между электродами необходима напряженность электрического поля Е более 20 Энергия, запасенная в емкости C, преобразуется в тепловую энергию искрового разряда.

Разряд начинается в момент t после замыкания ключа К. Ток резко возрастает до максимального значения. Так как, существование разряда ограничивается некоторым минимальным напряжением, то при достижении I = 0 на конденсаторе остается некоторое остаточное напряжение UОСТ.

Малое расстояние между электродами способствует тому, что 90% энергии, запасенной емкостью, поступает в электроды, и в вследствие малости размеров разряда, ее высокая концентрация приводит к локальному плавлению и испарению материала электродов.

Ионизированные пары материала электродов под действием электрического поля осаждаются на катоде-детале. Это явление и используется для поверхностного легирования детали материалом катода.

Поверхностный слой при электроискровом легировании (ЭИЛ) образуется в результате многократного воздействия на деталь электрическим импульсом и представляет собой множество хаотически расположенных бугорков от застывших частиц.

Шероховатость поверхности детали после ЭИЛ во всех направлениях одинакова.

В зависимости от параметров искрового разряда состава электродного материала и других факторов слою поверхности детали можно придать требуемые свойства – повышенную микротвердость, жаропрочность и д.р.

Технологической характеристикой процесса ЭИЛ является интенсивность формирования поверхностного слоя, которая зависит от величины энергии разряда и среднего тока источника импульсов. Управление данными параметрами в процессе обработки осуществляется изменением электрических режимов. Различные режимы применяются в зависимости от требований, предъявляемых к формирующему слою: его толщине, микротвердости, пористости, сплошности, допустимой толщине переходного слоя, шероховатости.

Энергия разряда обычно варьируется в диапазоне от долей до 8-10 Дж, средний ток – от 0,2 до 70-80 А. Эти диапазоны обеспечивают проведение как чистовых, так и грубых процессов ЭИЛ.

Диапазон толщины покрытия для мягких режимов обработки – (энергия разряда менее 0,5 Дж) 0,005-0,02 мм, при обработке с энергией разряда более 0,5 Дж толщина слоя достигает 0,03÷0,30 мм и более.

При назначении технологических параметров ЭИЛ конкретного изделия необходимо учитывать условия его взаимодействия с сопрягаемым телом или окружающей средой.

Обработке ЭИЛ могут подвергаться поверхности детали плоской, круглой, сложной формы с наружной и внутренней стороны изделия, но с обязательным обеспечением достаточно свободного доступа легирующего электрода к обрабатываемому участку.

Электроискровым методом можно осуществлять нанесение покрытий с учетом износа деталей – восстановление размеров изделий. При этом основываются на технически обоснованных требованиях к качеству поверхности и свойствах поверхностного слоя (посадочные места под подшипники качения: поверхности, истираемые абразивной средой и др.).

Изделия из токопроводящих материалов, подлежащих ЭИЛ, должны быть обработаны на соответствие следующим требованиям:

1. С поверхностей должны быть удалены все загрязнения.

2. Изделия не должны иметь трещин, сколов и других дефектов.

3. Исходная шероховатость Ra поверхностей, подлежащих ЭИЛ для нанесения сплошного покрытия, не должна превышать 2,5 мкм; для покрытий толщиной до 0,05 мм; 12,5 мкм – более 0,10 мм.

В качестве материала электрода при обработке ЭИЛ могут применяться токопроводящие материалы: чистые металлы и их сплавы: карбиды, нитриды, бориды и другие соединения тугоплавких переходных металлов; твердые сплавы, композиционные материалы.

При ЭИЛ большое влияние на формирование покрытия и его качество оказывает площадь сечения электрода. Это связано, как с изменением температурного режима работы электрода, так и с плотностью проходящего через него импульсного технологического тока.

Поперечное сечение электродов может быть круглой, прямоугольной (отношение сторон не более 3:1) формы, исходная длина их рекомендуется не менее 20 мм.

Отечественной промышленность выпускаются установки искрового легирования серии ”ЭЛИТОН” энергоемкостью до 15 Дж.

Электроискровое легирование.

Одним из способов поверхностного упрочнения является электроискровое легирование. Оно позволяет повысить износостойкость и твердость, жаропрочность, коррозионную стойкость поверхностей деталей и снизить их коэффициент трения, а также произвести ремонт и восстановить размеры детали пришедшей в негодность, придав ее поверхностному слою новые свойства.

Сущность процесса электроискрового легирования заключается в переносе материала электродом-инструментом, отвечающего определенным требованиям, на обрабатываемую поверхность детали искровым электрическим разрядом. Этот способ обеспечивает прочное сцепление вводимого легирующего материала с поверхностью детали. Расплавленные частицы анода(электрода с легирующим материалом), выброшенные в межэлектродное пространство, не выносятся рабочей средой, а осаждаются на поверхности катода(детали).

Сам процесс происходит с применением импульсного напряжения, что приводит к появлению искрового разряда и появлению импульсного тока большой плотности между анодом и катодом. В следствии 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 по действием электромагнитного поля. После окончания действия импульса тока, движение не прекращается и капли металла достигают поверхности катода, смешиваясь с металлом катода и осаждаясь на его поверхности привариваясь по краям.

Процесс легирования протекает в газообразной среде и поэтому, расплавливаемые частицы на своем пути вступают в взаимодействие с этой средой и образуют упрчняющий слой, отличающийся своими физико-химическими свойствами от свойств легирующего или легируемого материала.

Диффузия металлов(перемешивание и проникновение одного в другой) приводит к упрочнению связи легирующего и легируемого слоя.

В качестве легирующего материала используются различные карбидные и боридные соединения тугоплавких металлов. Их соединения обладают высокой износостойкостью и твердостью, но сравнительно плохим качеством поверхности, поэтому детали работающие на трение необходимо шлифовать. Применение их, из-за структуры связей, не предъявляет высоких требований к рабочей среде.

Для снижения коэффициента трения поверхностей, а также для увеличения долговечности и надежности деталей, для легирования применяют: олово, свинец. Висмут, индий, графит.

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

Для устойчивого осуществления процесса легирования, необходимо периодическое контактирование с определенной частотой легирующего электрода с легируемым электродом(деталью). Экспериментально получены наилучшие результаты в диапозоне от 100 до 400 Герц. Дальнейшее увеличение частоты 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).

Принцип действия рабочего органа с электромагнитом основан на периодическом притяжении ферримагнитных тел, помещенных в переменное магнитное поле. Под действием переменного тока, подведенного к электромагниту, к нему начинает притягиваться ферромагнитная вставка якоря. При уменьшении напряжения электрододержатель, под действием пружины, возвращается в исходное положение. Электрод будет колебаться с удвоенной частотой сети, то есть с частотой 100 Гц. Если необходимо получить частоту больше 100 Гц, то применяют специальные источники питнаия(преобразователи).

Рисунок 1. Ручной электромагнитный вибратор для электроискрового легирования.

Периодическое контактирование легирующего электрода с деталью, можно получить с помощью вращающихся многоэлектродных головок. Разработаны 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, токопроводящих 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 должен быть защитным кожухом.

Процесс легирования с помощью многоэлектродной вращающейся головки несколько отличен, чем при работе с вибрирующим электродом. При соприкосновении электрода с деталью происходит «размазывание» расплавленного легирующего матреиала по поверхности детали, что способствует снижению шероховатости поверхности легирования. Применение многоэлектродной вращающейся головки позволяет механизировать процесс легирования.

В настоящее время выпускаются компактные маломощные установки, позволяющие наносить различные металлы и сплавы на токопроводящую основу. Все применяемы для электроискрового легирования установки состоят из понижающего трансформатора, выпрямителей, конденсаторов и приспособлений для коммутации цепи разрядного контура вибрационного или вращательного типа.

Рисунок 2. Схема установки электроискрового легирования.

ИПН – источник постоянного напряжения,

Принципиальная электросхема различных конструкций и назначений остается неизменной. На обкладках вначале накапливается электроэнергия, которая затем мгновенно высвобождается между электродами. Пробой газового промежутка происходит периодически при сближении электрода с деталью, которое осуществляется электромагнитным вибратором. Опыт показал, что качество(сплошность, шероховатость) и толщина покрытий зависит от режима и механизации процесса электроискрового легирования. При работе с крупным вибратором, качества легирующего слоя зависит во многом от навыка и опыта оператора. Различают чистовое и грубое легирование. Чистовое производится с применением небольших токов(до10-15 Ампер), при этом достигается наименьшая шероховатость упрочняемой поверхности при небольшой толщине покрытия(0,1 мм). Грубое легирование характеризуется током короткого замыкания 15-20 Ампер, толщиной покрытия до 1-3 мм, при высокой шероховатости поверхности.

Рисунок 3. Схема электроискрового легирования.

Вопросы по теме электроискровое легирование.

1. Каков принцип работы установок электроискрового легирования?

2. Какую роль играет в данном процессе частота и какие её оптимальные параметры?

3. Виды рабочих органов установок электроискрового легирования?

4. Перечислить электрооборудование установок электроискрового легирования?

5. Какова зависимость качества работы от силы тока в установках электроискрового легирования?

|следующая лекция ==>
Производная сложной функции. Примеры решений|Электрофизические методы обработки

Дата добавления: 2020-04-12 ; просмотров: 153 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector