Специальное предложение

Опыт нанесения электроискровых покрытий на режущий инструмент и штамповую оснастку


7 Февраля 2013

Рассмотрен опыт применения электроискрового нанесения покрытий на режущий инструмент и детали технологической оснастки с целью повышения их стойкости. Приведены его характеристики и исследованы отдельные свойства. Дан анализ достоинств и недостатков метода.

При прохождении электрического тока через газ возникает газовый разряд, одним из видов которого является искровой разряд, существующий при атмосферном давлении и сопровождающийся характерным звуковым эффектом — «треском» проскакивающей искры [1]. Искровой разряд возникает, если мощность питающего его источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда (используемого, например, в дуговых процессах сварки и наплавки) или тлеющего разряда (возникающего обычно при низких давлениях), применяемого для катодной очистки при ионно-плазменном напылении или ионном азотировании.
Метод нанесения покрытий с помощью плазменных импульсных искровых разрядов получил название электроискрового легирования, или электроискрового нанесения покрытий (ЭИНП). Данный процесс подразделяется на ручной и механизированный, вибрационный (контактный) и безвибрационный (бесконтактный).
Сущность ручного вибрационного процесса ЭИНП основана на использовании плазменных импульсных искровых разрядов в воздушной среде при периодическом контактировании электрода с изделием, вследствие чего осуществляется перенос и осаждение расходуемого материала электрода на поверхность изделия. При этом электрод является анодом и на него подается «плюс» от источника генератора импульса, а изделие является катодом и на него подается «минус» от источника (рис. 1). Аналогами данного процесса в случае использования дугового разряда являются импульсная аргонодуговая наплавка плавящейся проволокой, микроплазменная импульсная сварка неплавящимся электродом дугой обратной полярности (применяемой для получения эффекта катодной очистки при сварке алюминиевых и магниевых сплавов) и традиционный процесс сварки плавящимся расходуемым электродом.
В отличие от данных технологий метод ЭИНП основан на использовании искрового разряда с малой длительностью его существования (10-6≤ tи ≤ 10-3 с) и прохождении мощных импульсных токов при разряде конденсатора с плотностью тока до 106 А/мм2. При этом температура плазмы в межэлектродном зазоре может достигать 7000-11000 °С [2]. В результате теплового и газодинамического воздействия искрового разряда происходит эрозия материала электрода (анода) и перенос продуктов эрозии в жидкой, твердой и паровой фазах на изделие (катод). При этом на поверхности изделия за счет протекания металлургических процессов образуется композиционный материал, в составе которого присутствуют материалы электрода и изделия, продукты их взаимодействия друг с другом и с элементами межэлектродной среды. Немаловажным фактором формирования качественного покрытия является эффект катодной очистки, при котором обеспечивается разрушение и удаление поверхностных пленок с обрабатываемой поверхности изделия (катода) за счет высокой плотности выделяемой энергии в микрокатодных пятнах искрового разряда.
На рис. 2 схематично показан процесс ЭИНП, который начинается с приближения электрода к изделию, возникновения искрового разряда при расстоянии между электродом и изделием, равном пробивному, и завершается при отводе электрода от изделия на расстояние, при котором отсутствует искровой разряд. После инициирования пробоя за счет накопленной в конденсаторе энергии и ионизации межэлектродного промежутка формируется газовый разряд (рис. 2, а), который взаимодействует с локальными участками электрода и изделия, вызывая их нагрев и разрушение — электрическую эрозию. В результате этого явления материал электрода начинает плавиться, испаряться и выбрасывается в межэлектродный промежуток в паровой и микрокапельной фазах (рис. 2, б). Зона воздействия искрового разряда на изделии подвергается катодной очистке, нагреву и плавлению. При контакте и соударении электрода с изделием при ручном процессе (рис. 2, в) происходит ударное воздействие (проковка), интенсивное перемешивание жидких фаз материалов и образование физического контакта. При отводе электрода от изделия с продолжающимся воздействием разряда (рис. 2, г) нанесенное покрытие удерживается на изделии за счет сил поверхностного натяжения. После прекращения действия искрового разряда (рис. 2, д) покрытие на изделии кристаллизуется с формированием поверхностного слоя с новыми физико-химическими свойствами. Поверхностный слой электрода в условиях контактного взаимодействия с изделием в жидкой фазе при соприкосновении также изменяет состав и структуру.
Кратковременный нагрев искровым разрядом с локальной температурой, превышающей температуру плавления материала изделия, аналогичен процессу дуговой наплавки, при котором осуществляется перенос материала электрода на изделие в виде капель расплавленного металла, движущихся к катоду и сваривающихся с материалом изделия. Но при ЭИНП за счет образования микрованны расплавленный металл охлаждается со сверхбыстрой скоростью порядка 104-105 °С/с [3] с передачей тепла основе материала изделия.
При ЭИНП, так же как и в процессах дуговой наплавки, необходимо учитывать влияние химически активной межэлектродной среды. При нанесении покрытий ионы кислорода и азота могут растворяться в жидкой фазе переносимых материалов с образованием на изделии твердых растворов внедрения или неметаллических соединений. Это может способствовать при циклических нагрузках искрового разряда хрупкому разрушению покрытия на изделии и образованию переносимой твердой фазы. На поверхности электрода также возможно образование оксидов и нитридов, которые препятствуют схватыванию электрода с изделием и переносятся на изделие при искровом разряде в твердой фазе.
Многократное воздействие искровых разрядов и соответственно циклов нагрев — охлаждение приводит к ограничению толщины нанесенного покрытия. Увеличение длительности обработки ведет к постоянной перекристаллизации материала микрованны, а также к созданию повышенных растягивающих внутренних напряжений в поверхностном слое, которые вызывают хрупкое разрушение нанесенного покрытия с образованием трещин, сколов и выкрашивания материала катода. Основными причинами невозможности нанесения значительных толщин покрытия являются: накопление внутренних напряжений, уменьшение термостойкости покрытия и образование ультрадисперсной структуры покрытия [3].
Для нанесения покрытия заданной толщины и площади требуется как периодический контакт электрода с изделием, так и перемещение электрода по обрабатываемой поверхности изделия или перемещение последнего относительно неподвижного изделия. Количество материала электрода, переносимого за один разряд, например, для твердого сплава Т15К6 при энергии разряда порядка 1 Дж составляет (2-3)10-6 г [2]. Осуществление непрерывного процесса ЭИНП реализуется для ручного метода с помощью колебательных движений от электромагнитных вибраторов с частотой вибрации 50-400 Гц. Для механизированных процессов ЭИНП реализуется двумя методами — с помощью электрода малого диаметра (0,5-1,5 мм), вращающегося вокруг собственной оси, с использованием электронной системы слежения и автоматического поддержания межэлектродного промежутка, и за счет вращающихся вибрирующих дисков или электродов, расположенных по периметру диска.
Процесс механизированного нанесения покрытия с вращающимся электродом (рис. 3, а) характеризуется низкой энергией импульсов (≤ 1 Дж) в сочетании с большой частотой их следования (5-66 кГц) при зажигающем напряжении 90 В. При этом возможна обработка как торцовой поверхностью электрода при перпендикулярном его расположении относительно изделия (рис. 3, б), так и цилиндрической поверхностью при параллельном расположении электрода относительно изделия (рис. 3, в).
При ЭИНП для упрочнения инструмента и технологической оснастки в качестве электродов применяют твердые сплавы (Т15К6, Т17К12, ВК6, ВК8, ВК20 и др.), материалы на основе карбидов и боридов металлов (TiC, WC, Мо2В5, СrВ2, ТаВ2 и др.), графит и др. Покрытия на основе этих материалов обладают высокой твердостью и износостойкостью.
В зависимости от используемых материалов электрода и изделия, энергии и длительности искрового разряда, а также времени обработки на поверхности может формироваться структура покрытия, состоящая из белого слоя (нетравящегося реактивами, применяемыми для материала изделия) и подслоя, образованного диффузионным взаимопроникновением материалов анода и катода. Для инструментальных закаленных сталей подслой может являться зоной отпуска, размеры которой определяются параметрами импульсного разряда. Для небольших значений энергии разряда (10-2 - 10-3 Дж) и коротких импульсов тока (10-5— 10-6 с) на поверхности катода выявляется только белый слой толщиной 2-10 мкм [4].
Актуальной задачей является повышение стойкости штампов с использованием ЭИНП [5-8, 10-12]. Применительно к упрочнению штамповой оснастки ОАО «Электросила» исследовалась и оптимизировалась технология нанесения покрытия из твердых сплавов на установках ручного и механизированного ЭИНП. Металлографические исследования производились с помощью оптического микроскопа «Неофот-2» фирмы «Карл Цейс» (Германия). Микротвердость определялась на микротвердомере с процессором «Микромет» фирмы «Buehler» (США) при нагрузке 20 гс. Шероховатость поверхности определялась на профилографе-профилометре модели 201 завода «Калибр». ЭИНП производилось с использованием ручной установки МП-ЭЛ2 и механизированной установки Эльфа 541. В качестве материалов электрода применялись твердые сплавы ВК8 и ВК20. Материалом изделия служила инструментальная сталь У10, прошедшая термическую обработку на твердость 58-60 HRC.
Выбор оптимального технологического режима базировался на испытаниях образцов из заданных материалов электрода и изделия на соответствие требуемым параметрам шероховатости и коэффициенту повышения микротвердости

k = HVпок / HVосн.

При использовании ручной установки МП-ЭЛ2 (режим упрочнения — частота 100 Гц, напряжение холостого хода 39 В, средняя величина тока в цепи заряда накопительных конденсаторов 1,2 А) микротвердость покрытия на поверхности составляет 11 000 МПа, шероховатость поверхности Ra = 1,25-2,5 мкм при толщине покрытия 30 мкм. При этом свойства покрытия зависят от продолжительности его нанесения: с ее увеличением толщина слоя возрастает до определенного предела, а затем покрытие начинает выкрашиваться и поверхность разрушается. Момент начала разрушения можно определить по уменьшению яркости искры.
При металлографических исследованиях образцов наблюдался белый верхний слой покрытия, состоящий из мелкодисперсных карбидов титана, вольфрама и кобальта. Под белым слоем располагался подслой, состоящий из аустенитно-мартенситной структуры с включениями указанных мелкодисперсных карбидов. Образование подслоя является следствием термического воздействия искрового разряда и диффузионного взаимопроникновения элементов анода и катода. Высокая адгезия нанесенных покрытий объясняется как интенсивным перемешиванием материалов электрода и изделия в жидкой фазе с созданием общей микрованны, так и диффузией материала электрода в изделие.
На рис. 4 показан график изменения микротвердости покрытия, нанесенного на установке МП-ЭЛ2, из твердого сплава ВК8 на инструментальной стали У10 в зависимости от толщины покрытия. Как видно из графика, микротвердость поверхностного слоя распределяется неравномерно. Наибольшую микротвердость имеет белый слой. По мере углубления в основу микротвердость уменьшается. В переходном подслое из-за отпуска исходного материала микротвердость минимальна, далее она достигает значения исходного термообработанного материала.
Толщина покрытия из твердого сплава ВК20, нанесенного на установке Эльфа 541, составляла 10 мкм, микротвердость —9000-11000 МПа, шероховатость Ra= 1,5 мкм.
Внедрение на ОАО «Электросила» двух установок (рис. 5, 6) для электроискрового нанесения покрытий с ручным электромагнитным вибратором (МП-ЭЛ2) и механизированной установки с вращающимся электродом (Эльфа 541) позволило повысить долговечность отдельных групп инструмента из быстрорежущих сталей и штампов для холодной и горячей обработки.
На рис. 6 показан ручной процесс упрочнения фрезы диаметром 12 мм из материала Р6М5. В качестве оборудования для ЭИНП используется установка UR-121, состоящая из ручного электромагнитного вибратора и генератора импульса тока с емкостным накопителем энергии.

      

Так, для упрочнения обрезных матриц 2ШГ11076/7, изготовленных из стали У10 и используемых для обрезки облоя заготовок рым-болтов, на рабочие кромки наносился твердый сплав марки ВК8. Процесс производился с использованием ручной установки МП-ЭЛ2. Стойкость упрочненных обрезных матриц по сравнению с изготавливаемыми по традиционной технологии была повышена в 2,5 раза.
После упрочнения матрицы и пуансона высечного штампа для вырубки пазов в листе статора Ш 22642, изготовленных из стали Х12М и термообработанных до твердости HRC 57-61, их стойкость повысилась примерно в 1,8 раза. При этом ЭИНП осуществлялось на установке Эльфа 541 на режимах: ток короткого замыкания Iк.з = 12,8 А, продолжительность импульса tимп = 3 · 10-6 с, частота f = 10 кГц, емкость конденсатора С = 0,47 мкФ, коэффициент заполнения τ = 0,2, скорость обработки v = 0,8 мм/с, число проходов n = 2. В качестве материала электрода (диаметром 1 мм) использовался твердый сплав ВК20. Толщина покрытия составляла 10 мкм, ширина упрочненной полосы 2 мм. Микротвердость нанесенного покрытия составляла 10000-11000 МПа, что соответствует HRC 68-72, шероховатость Ra = 1,0-1,25 мкм. Расход электрода марки ВК20 диаметром 1 мм при ЭИНП на оптимальном режиме на установке Эльфа 541 составляет 2 · 10-5 г/мм2, или 30 мм за 8 ч непрерывной работы.

П.А. Тополянский
Журнал «Металлообработка», № 6 (24) 2004

Литература

  1. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. — М.: Наука, 1971. — 421 с.
  2. Гитлевич А. Е., Михайлов В. В., Парканский Н. Я., Ревуцкий В. М. Электроискровое легирование металлических поверхностей. — Кишинев: Штиинца, 1985. — 196 с.
  3. Верхотуров А. Д., Подчерняева И. А., Прядко Л. Ф., Егоров Ф. Ф. Электродные материалы для электроискрового легирования. — М.: Наука, 1988. — 224 с.
  4. Самсонов Г. В., Верхотуров А. Д. Электроискровое легирование металлических поверхностей. — Киев: Наукова думка, 1986. —50 с.
  5. Чаругин Н. В., Литвиненко А. Т. Электроискровое упрочнение холодновысадочного инструмента // Технология и организация производства. — 1986. — № 3. — С. 45- 46.
  6. Шемегон В. И., Жук М. В. Электроискровое легирование лезвийного и штампового инструмента // Машиностроитель. — 1989. — № 9. — С. 21-22.
  7. Гулевский В. Д., Островерх В. А., Пономаренко А. Г. и др. Упрочнение и восстановление пробивных пуансонов электроискровым легированием // Кузнечно-штамповочное производство. — 1980. — № 4. — С. 38.
  8. Шмаков П. С., Албутов А. А., Ларионов Н. И. Автоматизация электроискрового упрочнения штампов // Технология и организация производства. — 1987. — № 3. — С. 29-30.
  9. Жуков А. А., Шилина Е. П., Брон Д. И. и др. Плазменное оплавление поверхностного слоя чугуна после электроискрового легирования // Электронная обработка материалов. — 1978. — № 3. — С. 25-28.
  10. Бурумкулов Ф. X., Латыпов Р. А., Лельчук Л. М. и др. Восстановление и упрочнение деталей электроискровым методом // Сварочное производство. — 1998. — № 2. — С. 37-39.
  11. Вдовин Ю. Н., Гульданаев Ш. А., Витковская В. М. и др. Увеличение стойкости молотовых штампов покрытием их твердым сплавом // Вестник машиностроения. — 1972. — № 8. — С. 59.
  12. Бурумкулов Ф. X., Лезин П. П., Сенин П. В. и др. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика). — Саранск: Тип. «Краcн. Окт.», 2003. — 504 с.

Возврат к списку

Задать вопрос