Глава XIII. Плазменно-импульсное

УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ'

§ 1. Физические основы электротехнологии

В начале 40-х годов XX века при исследовании эрозии электрических контактов был открыт новый способ обработки металлов - электроискровое легирование поверхности⁶. В основе этого способа лежат физико-химические процессы, сопровождающие работу электрических контактов в газовой среде. Первое устройство (рис. 13.1) для реализации электроискрового легирования содержало электромагнитную систему с вибрирующим якорем, к которому крепился электрод. Обрабатываемое изделие служило катодом, вибрирующий электрод - анодом. Между анодом и катодом включалась электрическая ем­кость, которая заряжалась от источника постоянного напряжения в момент размыкания контактов и разряжалась в момент приближения электродов друг к другу. Во время разряда конденсатора энергия, запасенная в нем, переходит в тепловую энергию плазмы, образованной ионизированным газом и парами материала электродов, появляются локальные очаги расплавленного материала электродов. Благодаря эффекту преимущественного переноса материала анода на катод на детали формируется слой покрытия.

* Материал подготовлен совместно с В.А. Фалеевым.

Перемещая вибрирующий электрод по поверхности обрабатываемой де­тали, удалось в результате периодического замыкания электродов получить покрытие заданным материалом или ввести в поверхность некоторые химиче­ские элементы. Подбирая материал электродов, состав межэлектродной среды,

параметры электрического разряда, установили основные достоинства элек­троискрового легирования:

• покрытия имеют очень большую прочность сцепления с основой;

• покрываемые поверхности не требуют специальной предварительной подготовки;

• возможно нанесение чистых металлов, сплавов, металлокерамических композиций, тугоплавких материалов и т.д.

К недостаткам электроискрового легирования относится малая толщина покрытия, получаемого за один проход (0,01...0,2 мм), поэтому требуется не- сколько циклов разряда для Получения необходимой толщины покрытия. Од- нако толщину покрытия определяет не только количество циклов разряда, но и интенсивность эрозий материала электродов и состав межэлектродного плаз- мообразующего газа. ■

С целью увеличения производительности и использования универсаль­ного станочного оборудования Предложено применять вращающийся много­электродный инструмент Для обработки цилиндрических и плоских деталей. Сравнительные испытания Вибрирующих и вращающихся электродов-инстру­ментов Показали, что при обработке вращающимся электродом-инструментом привес покрытия почти в 2,5 раза больше, чем при обработке вибрирующим.

Дальнейший поиск новых вариантов электроискрового легирования при­вел к созданию метода электроискрового нанесения покрытий из порошковых материалов с наложением на межэлектродный промежуток постоянного элек­трического поля. В этом методе (рис. 13.2) на межэлектродный промежуток, кроме рабочего напряжения Up - 50...300 В, подается постоянное или им­пульсное напряжение U_B = 0,5...20 кВ от слаботочного высоковольтного источ­ника питания и одновременно в межэлектродный промежуток поступает порошковый материал. Высоковольтный разряд инициирует в рабочем проме­жутке анод-катод основной низковольтный разряд, загорается импульсная ду­га, которая взаимодействует с рабочим электродом, обрабатываемой деталью и с порошковым материалом, поступающим из вибродозатора Б. Порошок плавится, испаряется и наносится на деталь

Рис. 13.2. Схема нанесения покрытий с наложением электрического поля

Формирование покрытий из порошковых материалов обеспечивает явные преимущества по сравнению с традиционными схемами электроискрового ле­гирования компактными материалами. Наличие большого межэлектродного промежутка (0,3... 1,5 мм) приводит к перераспределению энергии разряда ме­жду плазменным шнуром и электродами, что уменьшает эрозию электродов и дает возможность обрабатывать легкоплавкие материалы. Кроме того, исполь­зование порошков с широким диапазоном удельных сопротивлений позволяет получать покрытия с диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами.

Исследования прочности сцепления покрытий из порошкового материала в зависимости от энергии, вводимой в разряд, показали, что при изменении энергии разряда от 1,9 до 12 Дж (рабочее напряжение изменялось от 80 до 200 В) при прочих равных условиях (U_B =1,4 кВ, С = 600 мкФ, межэлектродное рас­стояние х = 0,5 мм) прочность получаемого слоя покрытия на срез возрастает с 6,5 до 8,5 кгс/мм², а прочность на отрыв - с 13 до 17 кгс/мм². Увеличение прочности связано с повышением температуры плазмы в разрядном проме­жутке и с увеличением степени активации поверхности детали, что приводит к увеличению зоны взаимного проникновения материалов частицы и обрабаты­ваемой поверхности.

При наложении продольного магнитного поля между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью цилиндрической формы (рис. 13.3)

последняя помещается с некоторым зазором между полюсами электромагнита. Магнитный поток пронизывает обрабатываемую деталь и при подаче ферро­магнитного порошка в рабочий зазор порошок выстраивается в магнитном по­ле в цепочку и замыкает электрическую цепь. Происходит электрический раз­ряд между деталью и одним из полюсов электромагнита, который служит одновременно электродом. Этот способ применим только для нанесения по­рошков, имеющих ферромагнитные свойства, т.е. содержащих в своем составе железо, никель или кобальт. Покрытия имеют хорошее сцепление с деталью, характерное для электроискрового легирования, но большую толщину. Это связано с тем, что происходит перенос не только материала частицы в жидкой и парогазовой фазах, но и твердой фазы напыляемых частиц. Недостатком это­го способа является формирование покрытия в виде отдельных пятен, не­сколько удаленных друг от друга.

Следует отметить, что не требуется специальной подготовки обрабаты­ваемой поверхности детали перед упрочнением и нужна относительно малая зона термического влияния, составляющая доли миллиметра, - это исключает возможность коробления детали. Применение порошка ферробора ФБ-20 по­зволяет получать упрочненный слой микротвердостью до 18 ГПа. Такая твер­дость поверхности необходима для рабочих органов почвообрабатывающих орудий и узлов интенсивного абразивного износа. В литературе этот способ известен как электроферромагнитное борирование или магнитоэлектрический способ нанесения покрытий. Он может быть использован как для упрочнения поверхности, так и для восстановления изношенных деталей с одновременным упрочнением их поверхности.