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».

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%.

ЛЕКЦИЯ №14 УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

14.1. ПОКРЫТИЕ ДИСУЛЬФИДОМ МОЛИБДЕНА

Дисульфид молибдена наносят на трущиеся детали не­посредственно в виде порошка, втираемого в поверхность, или вводят в состав пленкообразующего материала, наносимого на поверхность. Покрытия с толщиной пленки 8—12 мкм непригод­ны для нанесения на дорожки качения подшипников и их в ос­новном наносят на сепараторы подшипников больших размеров.

Покрытия, полученные втиранием порошка, имеют толщину около 1 мкм и в связи с этим небольшой срок службы. В под­шипниках качения такие покрытия применяют при условии ис­пользования самосмазывающихся материалов для сепаратора; покрытия наносят на дорожки качения, а иногда и на тела каче­ния. Это обеспечивает надежную работу подшипника в началь­ный период эксплуатации.

Порошок дисульфида молибдена наносят на детали подшип­ников качения в галтовочных барабанах. А. П. Бабичев и Ю. И. Андрющенко разработали вибрационный метод нанесения покрытия. Порошок дисульфида молибдена под действием виб­рации наносится на обрабатываемые детали. Покрытие произво­дится в установках, имеющих камеры соответствующего объема при амплитуде колебаний 1,5 мм и частоте 40 Гц; источником вибрации служит вращающийся несбалансированный вал. Для получения покрытия большей толщины и лучшего сцепления его с поверхностью деталей последние подвергают легкому трав­лению для образования шероховатой поверхности.

Испытания образцов на контактную усталость с покрытиями, нанесенными вибрационным методом, показали его преимуще­ства.

Покрытие дисульфидом молибдена применяют для уменьше­ния фреттинг-коррозии деталей. Этот способ дает хорошие ре­зультаты, например, в болтовых соединениях. Прочность соеди­нений (число циклов до разрушения) может увеличиться вдвое.

14.2. ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ И ЭЛЕКТРОДУГОВОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Электроискровому упрочнению поддаются все черные металлы. Механизм процесса отличается значительной слож­ностью, представляя собой совокупность эрозионного, термиче­ского и термохимического процессов и контактного переноса материала.

Для упрочняющих электродов применяют твердые сплавы, составляющими которых являются карбиды титана и вольфрама и кобальт, феррохром, хром-марганец, хром, алюминий, белый чугун, сталь СтЗ и графит.

Различают три режима: мягкий, средний и грубый (жест­кий). Ужесточение режимов повышает производительность, но понижает твердость и чистоту поверхности. Переход от мягкого режима к жесткому может понизить твердость поверхностного слоя на 20%; тем не менее она остается более НКС 50.

Верхний белый слой упрочненной поверхности состоит из аустенита и мартенсита, нитридов железа и карбидов легирую­щих элементов. Белый слой образуется и в том случае, если электрод изготовлен из алюминия или меди. Подслой представ­ляет собой структуру типа мартенсита и троостита, а иногда и сорбита.

Упрочнение деталей, не оказывая влияния на ударную вяз­кость, снижает сопротивление усталости в связи со значитель­ными остаточными напряжениями растяжения в упрочненном слое и увеличением шероховатости поверхности. Имеется поло­жительный опыт упрочнения режущего и штампового инстру­мента в промышленных масштабах.

Слой толщиной около 0,1 мм на деталях из конструкционной углеродистой стали или чугуна недостаточно прочен. Для упроч­нения слоя И. И. Кичкиным предложен комбинированный искро-дуговой метод, названный термоискровым. Сущность метода состоит в том, что нанесенный электроискровым способом с помощью твердосплавного электрода слой подвергается кратко­временному воздействию электрической дуги, получаемой на той же установке при отключенной электрической емкости. При второй операции под белым слоем образуется слой толщиной 1,5—2 мм и твердостью, снижающейся от НУ 1000 до НУ 500. Шероховатость поверхности после комбинированного упрочне­ния примерно такая же, как после обычной наплавки. Метод применяют для упрочнения работающих в абразивной среде де­талей прессов при изготовлении кирпича, деталей шнеков це­ментных заводов, машин керамического производства и т. д.

Электроискровому упрочнению подвергают рабочие детали дорожных, строительных и землеройных машин, работающих в абразивной среде; лопатки дробеструйных аппаратов; детали механизмов литейных цехов. Электроискровое упрочнение полу­чило также применение для восстановления и упрочнения поса­дочных мест в неподвижных сопряжениях и скользящих посад­ках.

Электроискровое упрочнение не требует предварительного нагрева деталей и последующей их термообработки; не вызывает коробления. Упрочненный слой имеет высокую износостойкость, а при достаточной глубине и соответствующем подборе электро­дов— высокую жаростойкость. Наклеп позволяет исключить не­благоприятное влияние электроискрового упрочнения на сопро­тивление усталости.

14.3. МЕХАНИЧЕСКИЙ НАКЛЕП ПОВЕРХНОСТЕЙ

Пластическая деформация поверхностного слоя метал­ла получила как технологический процесс большое распростра­нение для упрочнения деталей машин, работающих в условиях переменных напряжений, и для чистовой обработки деталей. Механический наклеп поверхностей применяют также для по­вышения износостойкости деталей. Его относят к процессам упрочняющей технологии [60].

Наклеп поверхностей не только как средство повышения из­носостойкости, но и как отделочная операция влияет на изно­состойкость пар трения вследствие повышения твердости поверх­ностного слоя деталей, возникновения остаточных напряжений сжатия в нем, образования поверхностей с малой шерохова­тостью и улучшения геометрии всей поверхности. Так, после на­катывания шариковыми головками конструкции В. А. Белова плоских чугунных поверхностей, обработанных торцовыми фре­зами, шероховатость поверхности понизилась с Яг—20 мкм до Ка=0,16

мкм, а плоскостность улучшилась: при проверке на краску число пятен в квадрате 25X25 мм возросло с 3—4 до 8—12.

Результаты лабораторных испытаний показали следующее: наклеп поверхностей со сглаживанием их ускоряет процесс при­работки пар и уменьшает приработочный, износ; поверхность с наклепом менее подвержена схватыванию, чем шлифованная и обточенная; для данного режима трения существует оптималь­ный режим отделочно-уплотняющей обработки.

Пластическая поверхностная деформация повышает износо­стойкость пар трения скольжения только в период приработки. При малых скоростях скольжения и работе с перерывами упроч­нение может существенно повысить долговечность втулок из бронзы БрОЦС 6—6—3, которые проработали в узлах крепления без ремонта два-три ресурса (испытания И. Т. Семака).

При абразивном изнашивании нет оснований ожидать поло­жительного эффекта от наклепа поверхностей.

В отношении деталей, воспринимающих контактные нагруз­ки, обработка дробью хотя и приводит к повышению сопротив­ления усталости, дает меньший эффект, чем при упрочнении де­талей, работающих при изгибе, кручении и т. п.; накатывание рабочих поверхностей ходовых колес роликов и подобных им деталей нецелесообразно вследствие понижения сопротивления выкрашиванию; накатывание крупномодульных колес по твер­дым рабочим поверхностям зубьев и впадинам резко повышает их долговечность.

Упрочнение накатыванием валков горячей прокатки, по данным Л. В.’Андреюка, увеличивает их износостойкость в основном за счет меньшего износа в начальный период их службы.

14.4. АЛМАЗНОЕ ВЫГЛАЖИВАНИЕ

Алмазное выглаживание применяют для поверхностей трения деталей, изготовленных из закаленных сталей, цветных металлов и сплавов, а также деталей, покрытых электролитиче­ским методом хромом или никелем. Алмазному выглаживанию подвергают наружные цилиндрические поверхности валов, порш­ней, поршневых и кривошипных пальцев, направляющие станков, плоские торцовые поверхности деталей, тонкостенные и мало­жесткие детали, фасонные и конусные поверхности тел вращения и др.

Алмазное выглаживание обеспечивает малую шероховатость поверхности (Rа=0,16…0,02 мкм), увеличивает твердость на 30—40%, предел выносливости на 17—26%. Сопротивление усталости обработанных деталей выше, чем деталей, обработан­ных суперфинишированием, в 3,6 раза (Л. Н. Хворостухин).

При выглаживании закаленных сталей происходит интенсив­ный распад остаточного аустенита и переход его в мартенсит. Остаточные напряжения сжатия могут составить 7,5—10 МПа. Пластическая деформация сдвига способствует образованию мелкокристаллической структуры, с ориентированием зерен вдоль направления деформации. Толщина упрочненного слоя 0,01—0,02 мм. Трудоемкость алмазного выглаживания деталей из закаленных сталей меньше трудоемкости абразивных методов обработки (суперфиниширования, шлифования и др.).

Алмазное выглаживание производят на универсальных и специальных станках, в качестве смазочно-охлаждающей жид­кости применяют масло индустриальное И-20А. При выглажива­нии стружка с детали не снимается, а происходит сглаживание микронеровностей, оставшихся от предыдущей обработки. Ме­талл с выступов уходит во впадины, имеющиеся на поверхности детали. При этом размер детали несколько изменяется вследствие пластической деформации. Исследования показали, что при алмазном выглаживании износостойкость стальных деталей в 1,5 раза выше, чем при полировании.

14.5. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА

При воздействии лазерного луча на металлическую поверхность она быстро нагревается до высокой температуры и при прекращении облучения сразу же охлаждается. Получается своеобразная закалка поверхности. Такую закалку лазерным лучом можно использовать для обработки стальных и чугунных деталей с целью повышения их износостойкости.

Особенностью обработки поверхности лучом лазера является локальность: лазерный луч закаливает поверхность на неболь­шую глубину в виде узких полос, которые наносят на некотором расстоянии одна от другой. Деталь, обработанная лучом лазе­ра, не требует механической обработки. Лучом лазера можно обрабатывать труднодоступные поверхности деталей.

Лазерное упрочнение может найти применение при изготов­лении стальных и чугунных деталей сельскохозяйственных ма­шин, при ремонте автомобилей, тракторов и других машин массового производства. Износостойкость трущихся деталей, не подвергаемых термической обработке, может быть при этом по­вышена в 5 раз (Е. Л. Воловик).

14.1. ПОКРЫТИЕ ДИСУЛЬФИДОМ МОЛИБДЕНА

Дисульфид молибдена наносят на трущиеся детали не­посредственно в виде порошка, втираемого в поверхность, или вводят в состав пленкообразующего материала, наносимого на поверхность. Покрытия с толщиной пленки 8—12 мкм непригод­ны для нанесения на дорожки качения подшипников и их в ос­новном наносят на сепараторы подшипников больших размеров.

Покрытия, полученные втиранием порошка, имеют толщину около 1 мкм и в связи с этим небольшой срок службы. В под­шипниках качения такие покрытия применяют при условии ис­пользования самосмазывающихся материалов для сепаратора; покрытия наносят на дорожки качения, а иногда и на тела каче­ния. Это обеспечивает надежную работу подшипника в началь­ный период эксплуатации.

Порошок дисульфида молибдена наносят на детали подшип­ников качения в галтовочных барабанах. А. П. Бабичев и Ю. И. Андрющенко разработали вибрационный метод нанесения покрытия. Порошок дисульфида молибдена под действием виб­рации наносится на обрабатываемые детали. Покрытие произво­дится в установках, имеющих камеры соответствующего объема при амплитуде колебаний 1,5 мм и частоте 40 Гц; источником вибрации служит вращающийся несбалансированный вал. Для получения покрытия большей толщины и лучшего сцепления его с поверхностью деталей последние подвергают легкому трав­лению для образования шероховатой поверхности.

Испытания образцов на контактную усталость с покрытиями, нанесенными вибрационным методом, показали его преимуще­ства.

Покрытие дисульфидом молибдена применяют для уменьше­ния фреттинг-коррозии деталей. Этот способ дает хорошие ре­зультаты, например, в болтовых соединениях. Прочность соеди­нений (число циклов до разрушения) может увеличиться вдвое.

14.2. ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ И ЭЛЕКТРОДУГОВОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Электроискровому упрочнению поддаются все черные металлы. Механизм процесса отличается значительной слож­ностью, представляя собой совокупность эрозионного, термиче­ского и термохимического процессов и контактного переноса материала.

Для упрочняющих электродов применяют твердые сплавы, составляющими которых являются карбиды титана и вольфрама и кобальт, феррохром, хром-марганец, хром, алюминий, белый чугун, сталь СтЗ и графит.

Различают три режима: мягкий, средний и грубый (жест­кий). Ужесточение режимов повышает производительность, но понижает твердость и чистоту поверхности. Переход от мягкого режима к жесткому может понизить твердость поверхностного слоя на 20%; тем не менее она остается более НКС 50.

Верхний белый слой упрочненной поверхности состоит из аустенита и мартенсита, нитридов железа и карбидов легирую­щих элементов. Белый слой образуется и в том случае, если электрод изготовлен из алюминия или меди. Подслой представ­ляет собой структуру типа мартенсита и троостита, а иногда и сорбита.

Упрочнение деталей, не оказывая влияния на ударную вяз­кость, снижает сопротивление усталости в связи со значитель­ными остаточными напряжениями растяжения в упрочненном слое и увеличением шероховатости поверхности. Имеется поло­жительный опыт упрочнения режущего и штампового инстру­мента в промышленных масштабах.

Слой толщиной около 0,1 мм на деталях из конструкционной углеродистой стали или чугуна недостаточно прочен. Для упроч­нения слоя И. И. Кичкиным предложен комбинированный искро-дуговой метод, названный термоискровым. Сущность метода состоит в том, что нанесенный электроискровым способом с помощью твердосплавного электрода слой подвергается кратко­временному воздействию электрической дуги, получаемой на той же установке при отключенной электрической емкости. При второй операции под белым слоем образуется слой толщиной 1,5—2 мм и твердостью, снижающейся от НУ 1000 до НУ 500. Шероховатость поверхности после комбинированного упрочне­ния примерно такая же, как после обычной наплавки. Метод применяют для упрочнения работающих в абразивной среде де­талей прессов при изготовлении кирпича, деталей шнеков це­ментных заводов, машин керамического производства и т. д.

Электроискровому упрочнению подвергают рабочие детали дорожных, строительных и землеройных машин, работающих в абразивной среде; лопатки дробеструйных аппаратов; детали механизмов литейных цехов. Электроискровое упрочнение полу­чило также применение для восстановления и упрочнения поса­дочных мест в неподвижных сопряжениях и скользящих посад­ках.

Электроискровое упрочнение не требует предварительного нагрева деталей и последующей их термообработки; не вызывает коробления. Упрочненный слой имеет высокую износостойкость, а при достаточной глубине и соответствующем подборе электро­дов— высокую жаростойкость. Наклеп позволяет исключить не­благоприятное влияние электроискрового упрочнения на сопро­тивление усталости.

14.3. МЕХАНИЧЕСКИЙ НАКЛЕП ПОВЕРХНОСТЕЙ

Пластическая деформация поверхностного слоя метал­ла получила как технологический процесс большое распростра­нение для упрочнения деталей машин, работающих в условиях переменных напряжений, и для чистовой обработки деталей. Механический наклеп поверхностей применяют также для по­вышения износостойкости деталей. Его относят к процессам упрочняющей технологии [60].

Наклеп поверхностей не только как средство повышения из­носостойкости, но и как отделочная операция влияет на изно­состойкость пар трения вследствие повышения твердости поверх­ностного слоя деталей, возникновения остаточных напряжений сжатия в нем, образования поверхностей с малой шерохова­тостью и улучшения геометрии всей поверхности. Так, после на­катывания шариковыми головками конструкции В. А. Белова плоских чугунных поверхностей, обработанных торцовыми фре­зами, шероховатость поверхности понизилась с Яг—20 мкм до Ка=0,16

мкм, а плоскостность улучшилась: при проверке на краску число пятен в квадрате 25X25 мм возросло с 3—4 до 8—12.

Результаты лабораторных испытаний показали следующее: наклеп поверхностей со сглаживанием их ускоряет процесс при­работки пар и уменьшает приработочный, износ; поверхность с наклепом менее подвержена схватыванию, чем шлифованная и обточенная; для данного режима трения существует оптималь­ный режим отделочно-уплотняющей обработки.

Пластическая поверхностная деформация повышает износо­стойкость пар трения скольжения только в период приработки. При малых скоростях скольжения и работе с перерывами упроч­нение может существенно повысить долговечность втулок из бронзы БрОЦС 6—6—3, которые проработали в узлах крепления без ремонта два-три ресурса (испытания И. Т. Семака).

При абразивном изнашивании нет оснований ожидать поло­жительного эффекта от наклепа поверхностей.

В отношении деталей, воспринимающих контактные нагруз­ки, обработка дробью хотя и приводит к повышению сопротив­ления усталости, дает меньший эффект, чем при упрочнении де­талей, работающих при изгибе, кручении и т. п.; накатывание рабочих поверхностей ходовых колес роликов и подобных им деталей нецелесообразно вследствие понижения сопротивления выкрашиванию; накатывание крупномодульных колес по твер­дым рабочим поверхностям зубьев и впадинам резко повышает их долговечность.

Упрочнение накатыванием валков горячей прокатки, по данным Л. В.’Андреюка, увеличивает их износостойкость в основном за счет меньшего износа в начальный период их службы.

14.4. АЛМАЗНОЕ ВЫГЛАЖИВАНИЕ

Алмазное выглаживание применяют для поверхностей трения деталей, изготовленных из закаленных сталей, цветных металлов и сплавов, а также деталей, покрытых электролитиче­ским методом хромом или никелем. Алмазному выглаживанию подвергают наружные цилиндрические поверхности валов, порш­ней, поршневых и кривошипных пальцев, направляющие станков, плоские торцовые поверхности деталей, тонкостенные и мало­жесткие детали, фасонные и конусные поверхности тел вращения и др.

Алмазное выглаживание обеспечивает малую шероховатость поверхности (Rа=0,16…0,02 мкм), увеличивает твердость на 30—40%, предел выносливости на 17—26%. Сопротивление усталости обработанных деталей выше, чем деталей, обработан­ных суперфинишированием, в 3,6 раза (Л. Н. Хворостухин).

При выглаживании закаленных сталей происходит интенсив­ный распад остаточного аустенита и переход его в мартенсит. Остаточные напряжения сжатия могут составить 7,5—10 МПа. Пластическая деформация сдвига способствует образованию мелкокристаллической структуры, с ориентированием зерен вдоль направления деформации. Толщина упрочненного слоя 0,01—0,02 мм. Трудоемкость алмазного выглаживания деталей из закаленных сталей меньше трудоемкости абразивных методов обработки (суперфиниширования, шлифования и др.).

Алмазное выглаживание производят на универсальных и специальных станках, в качестве смазочно-охлаждающей жид­кости применяют масло индустриальное И-20А. При выглажива­нии стружка с детали не снимается, а происходит сглаживание микронеровностей, оставшихся от предыдущей обработки. Ме­талл с выступов уходит во впадины, имеющиеся на поверхности детали. При этом размер детали несколько изменяется вследствие пластической деформации. Исследования показали, что при алмазном выглаживании износостойкость стальных деталей в 1,5 раза выше, чем при полировании.

14.5. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА

При воздействии лазерного луча на металлическую поверхность она быстро нагревается до высокой температуры и при прекращении облучения сразу же охлаждается. Получается своеобразная закалка поверхности. Такую закалку лазерным лучом можно использовать для обработки стальных и чугунных деталей с целью повышения их износостойкости.

Особенностью обработки поверхности лучом лазера является локальность: лазерный луч закаливает поверхность на неболь­шую глубину в виде узких полос, которые наносят на некотором расстоянии одна от другой. Деталь, обработанная лучом лазе­ра, не требует механической обработки. Лучом лазера можно обрабатывать труднодоступные поверхности деталей.

Лазерное упрочнение может найти применение при изготов­лении стальных и чугунных деталей сельскохозяйственных ма­шин, при ремонте автомобилей, тракторов и других машин массового производства. Износостойкость трущихся деталей, не подвергаемых термической обработке, может быть при этом по­вышена в 5 раз (Е. Л. Воловик).

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.

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.