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.
Электроискровое упрочнение и восстановление деталей
Рассмотрены преимущества восстановления деталей машин электроискровой наплавкой. На конкретных примерах показано, что применение электроискровой наплавки позволяет существенно снизить затраты на восстановление дорогостоящих деталей и значительно повысить продолжительность срока их эксплуатации. Ключевые слова: электроискровая наплавка, искровое легирование, ЭИЛ.
В 1930-е гг. Р. Б. Лазаренко и Н. И. Лазаренко изучали искрообразование при размыкании контактов высоковольтных выключателей. Они обратили внимание на то, что на одном контакте искра выжигает оспинку, а на другом образует нарост. Эти вредные для контактов явления они обратили в полезные технологические процессы. Сначала непрерывным искрообразованием начали формировать требуемые поверхности, удаляя лишний металл (разделительная резка, гравировка штампов, прошивка отверстий), а затем – упрочнять рабочие поверхности и восстанавливать их. Для резки электрод присоединяется к отрицательному полюсу генератора электрических импульсов, а для нанесения на поверхность слоя металла (для наплавки) – к положительному. Установки для резки были созданы в начале, а для наплавки – в конце 1940-х гг. Лицензии на искровую резку приобрели многие развитые страны [1]. При электроискровой наплавке электроду сообщается вибрация, благодаря чему он получает возможность периодически замыкаться на поверхность. Генератор подает напряжение и возбуждает искру, когда замыкание отсутствует. Искра уносит часть металла с кончика электрода и оплавляет его. При замыкании оплавленный металл кончика электрода прилипает к более холодному металлу поверхности, увеличивая производительность процесса. Так создается на поверхности тонкий (0,01–0,20) слой наплавки (рис. 1). Быстрое охлаждение наплавленного слоя упрочняет (закаливает) его. Электроды применяются из легированных сталей (30Х13, 10Х19Н9Т…), спеченных твердых сплавов (ВК8, Т15К6…) и иных сталей, сплавов, металлов, что позволяет увеличивать твердость наплавленного слоя.
Рис. 1. Слой электроискровой наплавки (сормайт) на углеродистой стали
Кроме того, от взаимодействия расплавленного металла с воздухом в наплавленном слое образуются высокодисперсные твердые оксиды и нитриды, создающие дополнительное упрочнение. В результате электроискровой наплавки износостойкость поверхности резко увеличивается, но размеры детали изменяются пренебрежимо мало. В силу этих особенностей за электроискровой наплавкой закрепилось название «электроискровое легирование» (ЭИЛ). Серийное производство установок ЭИЛ в СССР, Чехословакии, Китае и др. странах началось в 1950-х гг.
Упрочнение инструмента
Предполагалось широкое применение ЭИЛ для увеличения стойкости инструментов из углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей до уровня инструмента из дорогостоящих спеченных твердых сплавов. Но этого не случилось. Применение ЭИЛ для упрочнения инструмента можно характеризовать как эпизодическое. Вероятно, это связано с его низкой производительностью и преимущественно ручным применением. Кроме того, ЭИЛ-покрытия создают большое сопротивление скольжению. Они формируются приваркой мелких порций металла, каждая из которых образует острые твердые кромки, так что получаемая поверхность детали уподобляется наждачной бумаге. Для устранения этого эффекта на некоторых установках ЭИЛ предусматривается режим вибрации электрода без импульсов тока для сглаживания поверхности ударами шариком, закрепляемым в вибродержателе вместо электрода. Это увеличивает трудоемкость, но не всегда приносит ожидаемый эффект. Поэтому упрочнять методом ЭИЛ предпочтительнее поверхности, работающие в условиях трения качения или имеющие неподвижный контакт. Показателен опыт Салдинского металлургического завода. В нем с 1980-х гг. матрицы для прошивки отверстий в рельсовых подкладках обрабатывают ЭИЛ только по торцевой (опорной) поверхности, находящейся при работе в неподвижном контакте. Внутреннюю же поверхность, по которой происходит скольжение пуансона (пробойника) и вырубленного металла, оставляют без ЭИЛ-упрочнения. Это в 1,5–2,0 раза увеличивает стойкость матриц. Фирма ПЭЛМ, производящая специализированные установки электроискрового легирования UR-121 для режущего инструмента, сообщает, что стойкость деревообрабатывающего инструмента (рамные, ленточные, круглые, цепные пилы, ножи строгальные, фуговальные, рейсмусовые) увеличивается до 6 раз [3]. Но автору пока не известно о регулярном применении этой установки для упрочнения металлорежущего инструмента. Шероховатость нанесенного при ее использовании покрытия составляет ~ Ra5, что существенно больше типичной чистоты режущих кромок и, видимо, мешает получению устойчивого положительного эффекта. Однако один случай безоговорочного успеха все же имеется. Стояла задача высверлить заклепки, удерживающие лопатки, в рабочем колесе нагнетателя, которые были обварены сварочным электродом и от этого закалились. Затупили более десятка сверл, однако ни одной заклепки не высверлили. Дело сдвинулось лишь после того, как сверла после заточки стали упрочнять на установке UR-121.