Зміцнення поверхні електроіскровим легуванням

Мета роботи: Використання електроіскрового легування для зміцнення поверхні виробу.

ТЕОРЕТИЧНІ відомості

Існують різні схеми процесу електроіскрового легування (ЕІЛ). Найбільш поширеною є схема, де поверхня, яку обробляють, — це катод, а легуючий електрод – анод (рис. 4.1).

При зближенні анода і катода зростає напруженість електричного поля, і при певній відстані між ними виникає іскровий електричний розряд. Через утворений канал провідності пучок електронів сфокусовано вдаряється об поверхню анода і нагріває її до оплавлення. Від анода відокремлюється крапля розплавленого матеріалу і рухається до катода, випереджаючи анод.

Крапля нагрівається до високої температури, закипає і “вибухає”. Електричне коло розривається, зусилля стиснення електромагнітного поля зникають, й утворені частинки вилітають широким пучком (рис. 4.1, в). Розплавлені частинки, потрапивши на катод, зварюються з ним і частково проникають у його поверхню (рис. 4.1, г). За частинками рухаєть­ся анод, увімкнений у систему, яка встигає знову накопичити енергію. Крізь розігріті частинки, які розташовані на катоді, проходить другий імпульс струму, що супроводжується механічним ударом анода. При механічному контакті електродів частин­ки зварюються між собою, тонкий шар поверхні катода нагріва­ється. При цьому, крім дифузійних процесів, можуть відбуватися хімічні реакції між частин­ками і матеріалом катода. Механічний удар анода поглинає утворене покриття, збільшує його щільність,

Рис. 4.1. Схема електроіскрового легування поверхні:

а — момент пробою міжелектродного проміжку; б — відокремлення від анода краплі розплавленого металу; в — “вибух” розплавленої краплі; г — осадження і проникнення матеріалу анода в катод; д — момент контакту електродів; е — розходження електродів однорідність, міцність зчеплення з основою. Далі анод руха­єть­ся вверх (рис. 4.1, е), а на поверхні катода залишається покриття, яке складається з матеріалу анода і продуктів його взаємодії з матеріалом катода, а також з навколишнім середовищем.

З моделі видно, що матеріал анода переноситься на катод від моменту пробою міжелектродного проміжку до стикання його з поверхнею. При цьому відбуваються два імпульси струму, а речовина анода переноситься в рідкокраплинному стані. Модель відображає “чисте” легування, тобто це випадок високих напруг і малих струмів короткого замикання (І _к.з < 10…15 А). Досліджен­нями встановлено, що пробій міжелектродного проміжку відбувається при зближенні поверхонь анода і катода на відстань 5—10 мкм при напрузі 20—50 В.

Формування шару відбувається внаслідок як перенесення і взаємодії речовини електродів, так і теплової дії іскрового розряду (рис. 4.2). Основні механізми формування описано нижче.

1. Шар формується внаслідок осадження на поверхні катода матеріалу анода (рис. 4.2, а).

2. Ефект зміцнення спостерігається в тому випадку, коли як матеріал анода використовуються матеріали з високими твердістю, жароміцністю, зносостійкістю.

3. Сформований шар є результатом взаємодії матеріалу анода, катода і навколишнього середовища і складається з твердих розчинів металів і хімічних сполук — оксидів, нітридів, карбідів, інтерметалідів та ін. (рис. 4.2, б).

4. Процес формування відбувається внаслідок як перенесе­н­­ня і взаємодії матеріалів електродів, так і імпульсної взаємодії, високих температур і тиску, що викликають появу нових фаз, нерівноважних структур, подрібнення зерна (рис. 4.2, в—д).

Рис. 4.2. Основні схеми утворення легованого шару при ЕІЛ:

Ме₁ — матеріал анода, Ме₂ — матеріал катода; Ме₁ – Ме₂ — дифузія матеріалу анода в катод; М₂ — термомеханічна обробка матеріалу катода; Ме₁ + Ме₂ — утворення сполучень розчинів; (Ме₁ + Ме₂) ^і — імпульсна дія механічних навантажень на матеріалах покриття

Інтенсивність і характер руйнування електродів впливають на товщину, склад і структуру отриманого на катоді легованого шару, тобто на його властивості. Речовина анода, яка еродує вна­слідок іскрового розряду, може знаходитись у паровій, рідкій і твердій фазах. Від співвідношення кількості цих фаз залежить хід процесу ЕІЛ і якість легованого шару.

Електроерозійна стійкість матеріалів у процесі ЕІЛ визначається насамперед енергією зв’язку між атомами. Тут розглядають зв’язок ерозійної стійкості і певних теплофізичних властивостей речовини, які характеризують енергію міжатомних зв’язків.

Важливою характеристикою міцності таких зв’язків є характеристична температура, яка визначається за рівнянням Ліндемана:

, (4.1)

де Т _пл — температура плавлення, К; r — густина, г/см³; М — молекулярна маса матеріалу.

Зі зростанням величини Q збільшується ерозійна стійкість матеріалу. Така залежність існує і для теплової сублімації металів. Електроерозія зменшується зі збільшенням теплопровідності й електропровідності матеріалів.

Ерозійна стійкість великою мірою визначається комплексом теплофізичних властивостей матеріалів. Для кількісної оцінки ерозійної стійкості запропоновано формулу

, (4.2)

де К — коефіцієнт ерозійної стійкості матеріалу (чим більше значення К, тим вища стійкість); с — теплоємність, Дж/(кг × моль × К); r — густина, кг/м³; l — теплопровідність, Вт/(м × К); Т _пл — температура плавлення, К.

Згідно з (4.2), за розрахунковими значеннями коефіцієнта К можна скласти ряд металів у міру збільшення їх ерозійної стій­кості:

Ti — Zr — V — Ni — Fe — Co — Cr — Nb — Cu — Ta — Mo — W.

З’ясовано, що для тугоплавких матеріалів з великим модулем пружності і малою пластичністю в ефекті ерозії разом із процесами плавлення, випаровування і гідродинамічного викиду значну роль відіграє крихке руйнування поверхні внаслідок тер­міч­них напружень. При цьому частка руйнування в електроеро­зій­ному ефекті зростає зі збільшенням модуля пружності і температури плавлення матеріалів.

Критерій ерозійної стійкості запишемо так:

, (4.3)

де Т _пл — температура плавлення, К; l — теплопровідність, Вт/(м × К); Е — модуль нормальної пружності, кг/м²; a — кое­фі­цієнт термічного розширення, К^–1; m — коефіцієнт Пуассона.

Рівняння (7.3) враховує вплив не тільки теплофізичних, а й механічних властивостей (модуль пружності і коефіцієнт Пуассона) на ерозійне зношення електродів.

Значення ерозійної стійкості ряду металів, розраховані за формулою (4.3), наведені в табл. 4.1.

За збільшенням критерію S метали можна розмістити в такий ряд:

Ni — Co — Ti — Fe — V — Ta — Cr — Nb — Mo — Cu — W — Ag.

Оцінка за формулами (4.2) і (4.3) дає розбіжності щодо ерозійної стійкості металів порівняно з експериментальними даними. Це пояснюється тим, що всі фактори, які впливають на ерозійну стійкість металів, враховуються не повністю, але, безумовно, є корисними для прогнозу стійкості нових матеріалів для ЕІЛ.

Таблиця 4.1.Характеристики відносної ерозійної стійкості металів (за критерієм Альбінські)

З’ясовано, що застосування анодів із композиційних матеріа­лів приводить до значного (в десятки разів) зниження ерозії і збільшення коефіцієнта перенесення матеріалів порівняно з анодами з чистих сполук.

Залежність ерозії від вмісту зв’язуючого в композиційних матеріалах описується кривою з мінімумом, який відповідає об’ємній частці зв’язуючого 10—30 %. Це пояснюється зміною механізму руйнування анода при варіації складу і співвідношення твердої та м’якої складових композиційного матеріалу. Двофазні сплави порівняно з однофазними твердими розчинами мають значно меншу ерозійну стійкість, що зумовлено значною відмінністю фізико-хімічних властивостей фаз і насамперед анізотропією коефіцієнта термічного розширення.

Ерозійні характеристики матеріалів електродів істотно змінюються при здійсненні процесу в різних міжелектродних середовищах. Ерозія металевих анодів у повітрі завжди більша, ніж у нейтральних газах.

На ерозію впливає і тривалість процесу. Основні електричні параметри процесу — струм короткого замикання, напруга і єм­ність розрядного кола — значною мірою впливають на меха­нізм і кінетику ерозії анода. Матеріал катода також зазнає ерозії, і частина його переноситься на поверхню анода.

Формування і властивості покриттів

Процес формування покриттів при ЕІЛ залежить від таких основних факторів: природи матеріалів анода і катода, їх поведінки при електроіскровому розряді, електричних параметрів процесу, складу навколишнього середовища, часу обробки. Формування покриттів характеризується низкою закономірностей.

Характерним є явище, коли при формуванні шару збіль­шен­­ня часу обробки приводить не до зростання товщини, а навпаки, починаючи з певного моменту, — до її зменшення. Це пояснюється тим, що в процесі ЕІЛ змінюються хімічний склад катода і його фізико-механічні властивості, характер тепло- і масообміну між матеріалами анода і катода. Найбільш повно вивчені закономірності формування шарів при легуванні сталевих катодів тугоплавкими металами, насамперед металами IV—VI груп, а також їхніми карбідами, боридами, твердими сплавами, композиційними матеріалами. Процес легування в часі можна поділити на два етапи: протягом першого етапу спостерігається безперервне збільшення маси катода, протягом другого — відбувається періодичне зменшення і збіль­шен­ня його маси.

За характером взаємодії із залізом і вуглецевими сталями (катодом) тугоплавкі метали (анод) можна умовно поділити на дві основні групи: метали, що утворюють необмежені тверді розчини — V, Cr, Co, Ni, і метали, які утворюють обмежені розчини — Ti, Zr, Nb, Ta, Mo, W, Hf.

У табл. 4.2 наведені результати взаємодії анода (тугоплавких металів) і катода (сталі 3) залежно від режимів легування.

Як бачимо, від природи матеріалу анода істотно залежить його взаємодія з матеріалом катода, тобто від його електронного стану, структури, фізико-хімічних властивостей. Практично в усіх випадках максимальний вміст матеріалу анода в катоді знач­но (в десятки разів) вищий, ніж катода в аноді. Особливо чітко це спостерігається при легуванні сталі 3 (катода) такими металами, як цирконій, тантал, молібден, вольфрам.

Як правило, на аноді існують дві зони. Перша зона створена су­міс­ною кристалізацією матеріалів анода і катода і простягається від робочої поверхні анода до тієї ділянки, в якій вміст заліза (матеріалу катода) мінімальний. У цій зоні внаслідок інтенсивного перемішування в мікрованні спостерігається різка зміна вмісту тугоплавкого металу на глибині шару. Крім того, тут наявні значні кількості оксидів цих елементів.

Таблиця 4.2. Зміни характеристик поверхонь електродів після електроіскрового легування

Таблиця 4.3. Фазовий склад поверхневого шару електродів

Друга зона на аноді характеризується значними включеннями заліза на великій глибині. Це пояснюється більш високою температурою анода, ніж катода, і значним прискоренням процесів дифузії.

Відповідно в процесі ЕІЛ з анода на катод переноситься суміш їх матеріалів, що позначається на структурі, фазовому і хімічному складі легованого шару (табл. 4.3).

На катоді існує одна зона, яка складається з продуктів взаємодії матеріалів електродів між собою та навколишнім середовищем (повітрям).

Вміст легуючого металу рівномірно знижується по глибині за­ліза і в кінці зони різко спадає до нуля, що свідчить про незначну швидкість дифузійних процесів. Це пояснюється більш низькою температурою поверхні катода і більш короткою дією розряду на одиницю площі основи порівняно з анодом.

Вміст легуючого елемента на поверхні катода буде вищим при легуванні металами V—VI груп.

Товщина легованого шару і його якість суттєво залежать від коефіцієнта перенесення — відношення інтенсивності ерозії (втрат маси) анода до приросту маси катода, коефіцієнт, який, як правило, не перевищує 90 % внаслідок часткового випаровування металу анода. Коли матеріали електродів створюють безперервний ряд твердих розчинів (Fe—Ni, Fe—Cr, Fe—V) чи взаємодіють з утворенням інтерметалідів, цей коефіцієнт дорів­нює 85—95 %. Легований шар має високі щільність і міцність зчеплення з основою. Якщо матеріали анода і катода нерозчинні один в одному і в твердому стані не утворюють інтерметалідних фаз, то коефіцієнт перенесення буде значно нижчим (60—70 %). Шари пористі, мають значну кількість тріщин, раковин, а також невисоке зчеплення з основою.

Для поліморфних перетворень матеріалу анода при нагріван­ні у поверхневому шарі катода спостерігається високотемпературна модифікація матеріалу анода (b-Ті, b-Zr). За відсутності перетворень склад легованого шару визначається переважно розчинністю матеріалів анода і катода.

Контрольні запитання

1. У чому полягає суть електроіскрового легування поверхні?

2. Охарактеризуйте основні схеми утворення легованого шару при електроіскровому легуванні поверхні.

3. Чим визначається електроерозійна стійкість матеріалів у про­цесі електроіскрового легування поверхні?

4. Які особливості формування покриттів при електроіск­ро­вому легуванні поверхні та їх властивості?

Поиск по сайту: