баннер-250x250белый новый

Электроискровое легирование и HVOF напыление

PDF Печать E-mail

Упрочнение рабочих поверхностей нанесением методом электроискорового легирования износостойких слоев из стеллитов, хрома и твердых сплавов на установках Интал-1500 И Интал-3000.

Разработаны высокопроизводительные установки для нанесения  износостойких, жаропрочных и коррозионно-стойких слоев металла толщиной 0,01-0,80 мм с производительностью до 40 см2/мин. Исследованы некоторые особенности ЭИЛ быстрорежущей сталью.

Известно, что для электроискрового легирования (ЭИЛ) широко применяются тугоплавкие металлы, твердые сплавы и реже жаропрочные высоколегированные стали и сплавы с высокими механическими свойствами. Во многих случаях причиной этого являются трудности процесса ЭИЛ, связанные с "залипанием" анода при использовании вибратора. На наш взгляд основными причинами "залипания" являются: недостаточная энергия единичного импульса разряда, высокая прочность наносимого материала, большая температура его плавления, недостаточная мощность вибратора и также не оптимальная скорость его перемещения по обрабатываемой детали.

Для расширения возможностей  ЭИЛ как в плане увеличения диапазона использования различных металлов, сплавов и материалов, так и с целью повышения производительности процесса ЭИЛ, толщины наносимого слоя, повышения его плотности (снижение пористости) при одновременном упрощении процесса ЭИЛ были разработаны установки повышенной мощности ИНТАЛ-1500 и ИНТАЛ-3000.

Установки созданы на новой (современной) элементной базе с общей постоянной емкостью 1500 и 3000 мкФ, с плавным изменением напряжения и тока заряда батареи конденсаторов, т.е. регулировкой энергетических параметров, таких как энергия разряда и частота следования этих разрядов. Энергия импульса изменяется от 0,3 до 21,0 Дж, а частота от 30 до 400 Гц, при этом напряжение заряда конденсаторов изменяется в пределах от 20 до 115 В, а ток от 3 до 25 А.

На рисунке приведена зависимость энергии единичного импульса от напряжения зарядки конденсаторов. Она определяется из выражения . Энергия импульса E зависит только от выбранной величины напряжения U, т.к. емкость конденсаторов C в установках 1500 и 3000 мФ постоянна и регулировка ее не предусмотрена.

Если изменять силу тока зарядки конденсаторов, то будет меняться частота импульсов зарядки и разрядки конденсаторов. В большинстве установок для ЭИЛ частота следования импульсов связана не только с установленными параметрами режима (напряжением зарядки конденсаторов и их емкости), но и с наличием (или отсутствием) контакта электрода (анода) с изделием (катодом) который создается вибратором. Вибраторы чаще всего работают на промышленной частоте 50 Гц, поэтому частота импульсов обычно постоянна и только в идеальном случае достигает 100 Гц.

В описываемых установках ИНТАЛ-1500 и ИНТАЛ-3000 частота может быть выбрана любой в пределах от 30 до 400 Гц исходя из решаемых задач. В данной установке  частота следования импульсов свободная, как в задающем генераторе, т.е. зависит только от установленных напряжения и тока зарядки конденсаторов и не зависит от наличия или отсутствия контакта электрода с изделием. Это позволяет отказаться от использования вибратора и перемещать электрод по упрочняемому изделию за счет вращения дискового или цилиндрического электрода. Так как электрод находится в постоянном контакте с изделием, то меняется процесс переноса металла и уменьшается его окисление, нанесенный металл более плотный, без пор и шероховатость поверхности не ухудшается с увеличением числа слоев.

В установках использован инверторный преобразователь, что позволило повысить КПД установок, существенно снизить их габариты и массу. Установки имеют систему плавного запуска, после включения в сеть 220 В. Первичный ток из сети не превышает 15 А, поэтому их можно включать в обычную розетку.

Поскольку установки является энергетически напряженным устройством (из-за малых габаритов и массы), то для обеспечения нормальных температурных режимов силовых полупроводниковых приборов применена принудительная вентиляция и введена защита от перегрева, блокирующая работу установок в недопустимом тепловом режиме.

Зависимость энергии одиночного импульса от напряжения на конденсаторах

Зависимость энергии одиночного импульса от напряжения на конденсаторах.

Зависимость тока от напряжения для частот 50 – 400 Гц

Зависимость тока от напряжения для частот 50 – 400 Гц

На рисунке приведена зависимость тока от напряжения для частот следования импульсов, кратных 50 Гц. Из рисунка видно, что более высокие частоты можно получить только на напряжениях меньше 70 В, т.е на более мягких режимах  со средней энергией импульса. При энергии разряда, близкой к максимальной, при напряжении 110 В частота не превышает 150 Гц.

Если провести линию для напряжения 60 В (или любого другого) параллельную оси абсцесс (тока), то на пересечении ее с линиями частот 50, 100, 150, 200, 300, 400 мы получим величину тока, которую нужно установить для получения любой из этих частот. В установке ИНТАЛ-3000 частота следования импульсов при одинаковом с установкой ИНТАЛ-1500 токе зарядки конденсаторов в 2 раза ниже.

Для нанесения покрытия в качестве анода используется диск диаметром 20-200 мм и шириной 3-5 мм, либо цилиндрический пруток диаметром 2-10 мм и длинной до 150 мм. Частота вращения диска 2 об/с, прутка 5 об/с. Покрытие наносится без вибрации.

Таблица 1

Техническая характеристика установок для ЭИЛ.

п/п

Наименование параметра, размерность

ИНТАЛ-

1500

ИНТАЛ-

3000

1.

Напряжение питающей сети, В

220

220

2.

Максимальный первичный ток, А

15

15

3.

Емкость батареи конденсаторов, мкФ

1500

3000

4.

Напряжение зарядки конденсаторов, В

20-115

20-115

5.

Энергия импульса, Дж

0,3-10,5

0,4-21,0

6.

Частота следования импульсов, Гц

30-400

15-200

7.

КПД установки

0,90

0,92

8.

Габариты, мм

 

 

 

длина

550

650

 

Ширина

300

400

 

Высота

500

550

9.

Масса, кг

28

37

10.

Система нанесения покрытия

без вибрации, ротационная

11.

Устройство для нанесения покрытия

вращатель

На этих установках был исследован процесс нанесения стеллита, хрома и твердого сплава. На образцы из низколегированной стали 20ХН2 размером 70х20х10 на различных напряжениях в течение 1 мин производилось ЭИЛ. Анод - диск из исследуемого сплава и катод - образец из стали 20ХН2 взвешивались до и после ЭИЛ на аналитических весах с точностью до 1мг. Для лучшей наглядности далее будем описывать лишь исследования по нанесению стеллита. Эрозия анода и привес катода показаны на рисунке в абсолютных величинах без учета их знака (минус для анода и плюс для катода). Абсолютная разница между эрозией и привесом - безвозвратная потеря наносимого материала.

В частности, на рисунке показаны влияние тока (частоты) на эрозию анода (кривая 1) и привес катода (кривая 2) при неизменном напряжении 80 В. Напряжение 80 В было выбрано потому, что оно является средним для этой установки и кроме того позволяет исследовать почти весь диапазон токов (частот) на которых может работать установка.

Как видно из рисунка эрозия анода при увеличении тока от 6,1 А (частота 50Гц) до 24,4 А (частота 200 Гц) изменяется почти линейно от 180 до 580 мг. Прирост привеса катода на токах от 6,1 до 18,3 А (соответственно частотах 50 и 150 Гц) увеличивается также линейно. На участке от 18,3 до 24,4 А прирост уменьшился, что связано видимо с перегревом образца из-за его недостаточной массы, с увеличением тока кривые эрозии и привеса расходятся, что говорит о том что потери анода возрастают.

Влияние тока (частоты) на эрозию анода и привес катода

Влияние тока (частоты) на эрозию анода и привес катода.

Влияние тока (частоты) на эрозию анода и привес катода

Влияние напряжения на эрозию анода и привес катода.

На рисунке показано влияние напряжения (энергии разряда) на эрозию анода и привес катода. Из рисунка видно, что кривые эрозии и привеса на участке 60-100 В идут почти эквидистантно и являются немного возрастающими. На участке от 100 до 115 В наблюдается резкое возрастание эрозии анода при умеренном росте привеса катода. Скорее всего повышенная эрозия катода объясняется его нагревом до 500-550 0С из за большого тока и небольших размеров катода и отсутствия его охлаждения. Тенденция увеличения прироста катода при увеличении напряжения (энергии импульса) по нашему мнению благоприятна, т.к. способствует повышению производительности процесса и нанесению более толстого слоя покрытия.

Как следует из выражения энергию единичного импульса для повышения производительности процесса ЭИЛ можно увеличивать как за счет повышения напряжения зарядки конденсаторов, так и за счет увеличения емкости батареи конденсаторов. Дальнейшее увеличение напряжения нежелательно по технике безопасности и поэтому нам пришлось для повышения энергии единичного импульса увеличить в 2 раза до 3000 мФ емкость батареи конденсаторов.

На рисунке показано влияние энергии единичного импульса на эрозию анода и привес катода для стеллита.

Влияние энергии единичного импульса на эрозию анода и привес катода

Как видно из рисунке увеличение энергии единичного импульса с 10 Дж (установка ИНТАЛ-1500) до 20 Дж (установка ИНТАЛ-3000) позволило увеличить эрозию анода с 460 до 1300 мг, т.е. в 2,82 раза, а привес катода увеличился с 270 до 610 мг, т.е. в 2,26 раза. Коэффициент эффективности использования эродируемого материала снизился при этом с 0,58 до 0,47, т.е. потери эродируемого материала возросли в 1,23 раза, что, как нам кажется, вполне приемлемо.

Известно, что параметры режима ЭИЛ, а в общем случае энергия импульсов (мощность) влияют не только на толщину наносимого слоя, но и на глубину зоны термического влияния (ЗТВ) [2]. С целью выяснения влияния тока зарядки конденсаторов при постоянном напряжении зарядки (U=100 В) на глубину ЗТВ нами был проведен следующий эксперимент. На образцы размером 70х20х5 мм из отожженной стали У11 производилось ЭИЛ быстрорежущей сталью. Ток зарядки конденсаторов составлял 10, 15, 20 и 25 А при напряжении 100 В, время ЭИЛ 1 мин. После ЭИЛ из образцов были сделаны поперечные шлифы для замеров микротвердости на микроскопе ПМТ-3 при нагрузке 200 г. Измерения микротвердости производились с шагом 50 мкм. Результаты измерений приведены на рисунке.

Влияние тока (мощности) на глубину упрочненного слоя (U=100B)

Как видно из рисунка с увеличением тока зарядки конденсаторов с 10 до 20 А микротвердость на расстоянии 50 мкм повышается с 16000 до 19500 МПа, а увеличение тока до 25 А приводит к снижению микротвердости до 17000МПа, что связано, скорее всего, с тем, что происходит значительный нагрев образца, вызывающий снижение скорости охлаждения нанесенного слоя и ЗТВ. Увеличение тока с 10 до 25 А приводит к увеличению упрочненного слоя вместе с ЗТВ с 200 до 450 мкм. Увеличение упрочненной ЗТВ в данном случае является дополнительным плюсом при увеличении мощности при ЭИЛ.

Внешний вид одного из поперечных шлифов с наколами в нанесенном слое, ЗТВ и основном металле показан на рисунке. Граница между упрочненной ЗТВ и основным металлом легко различается как по твердости (размерам отпечатков), так и по различной травимости поверхности поперечного шлифа.

Поперечный шлиф образца с нанесенными наколами