Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Існують різні схеми процесу електроіскрового легування (ЕІЛ). Найбільш поширена схема, де поверхнею, яку обробляють, є катод, а легуючим електродом – анод (рис. 8.1).
При зближенні анода і катода росте напруженість електричного поля і при певній відстані між електродами виникає іскровий електричний розряд. Через утворений канал провідності жмут електронів фокусовано ударяється об поверхню анода і нагріває її до оплавлення. Від анода відокремлюється крапля розплавленого матеріалу і рухається до катода випереджаючи анод.
Рис. 8.1. Схема електроіскрового легування поверхні: а – момент пробою міжелектродного проміжку; б – відокремлення від анода краплі розплавленого металу; в – вибух розплавленої краплі; г – осадження і вкорінення матеріалу анода на катоді; д – момент контакту електродів; е – розходження електродів
Крапля нагрівається до високої температури, закипає і “вибухає”. Коло струму переривається, стискуючі зусилля електромагнітного поля зникають і створені частинки летять широким жмутом (рис. 8.1, в). Розплавлені частинки, потрапивши на катод, зварюються з ним і частково вкорінюються в його поверхню (рис. 8.1, г). За частинками рухається анод, ввімкнений у систему, яка встигає знову накопичити енергію. Крізь розігріті частинки, які розташовані на катоді, відбувається другий імпульс струму, що супроводжується механічним ударом анода. При механічному контакті електродів частинки зварюються між собою, тонкий шар поверхні катода прогрівається. При цьому, окрім дифузійних процесів, можуть проходити хімічні реакції між частинками і матеріалом катода. Механічний удар анода проковує утворене покриття, збільшує його щільність, однорідність, міцність зчеплення з основою. Далі анод рухається вгору (рис. 8.1, е), а на поверхні катода залишається покриття, яке складається з матеріалу анода і продуктів взаємодії його з матеріалом катода, а також з оточуючим середовищем.
З моделі видно, що матеріал анода переноситься на катод з моменту пробою міжелектродного проміжку до стикання його з поверхнею. При цьому відбуваються два імпульси струму, а речовина анода переноситься в рідко-крапельному стані. Модель відображає “чисте” легування, тобто випадок високих напружень і малих струмів короткого замикання (). Дослідженнями встановлено, що пробій міжелектродного проміжку відбувається при зближенні поверхонь анода і катода на відстань (5...10) мкм при напрузі (20...50) В.
Формування шару відбувається як в результаті перенесення і взаємодії речовини електродів, так і за рахунок теплової дії іскрового розряду (рис.8.2). Основні механізми формування полягають у наступному:
Рис. 8.2. Основні схеми утворення легованого шару при ЕІЛ: – матеріал анода, – матеріал катода; - – дифузія матеріалу анода в катод; – термомеханічна обробка матеріалу катода; + – утворення сполучень розчинів; – імпульсна дія механічних навантажень на матеріалах покриття
1.Формування відбувається внаслідок осадження на поверхні катода матеріалу анода (рис. 8.2, а).
2. Ефект зміцнення спостерігається в тому випадку, якщо матеріалом анода використовується матеріали з високою твердістю, жароміцністю, зносостійкістю.
3. Сформований шар є результатом взаємодії матеріалу анода, катода і оточуючого середовища і складається з твердих розчинів металів і хімічних сполук – оксидів, нітридів, карбідів, інтерметалідів та ін. (рис. 8.2, б)
4. Процес формування відбувається як за рахунок перенесення і взаємодії матеріалів електродів, так і внаслідок імпульсної взаємодії, високих температур і тиску, котрі викликають появу нових фаз, нерівноважних структур, подрібнення зерна (рис. 8.2, в, г, д).
Інтенсивність і характер руйнування електродів впливають на товщину, склад і структуру отриманого на катоді легованого шару, тобто на його властивості. Речовина анода, яка еродує в результаті іскрового розряду, може знаходитись в паровій, рідкій і твердій фазах. Від співвідношення кількості цих фаз залежить хід процесу ЕІЛ і якість легованого шару.
Електроерозійна стійкість матеріалів у процесі ЕІЛ визначається насамперед енергією зв’язку між атомами. Розглядають зв’язок ерозійної стійкості і певних теплофізичних властивостей речовини, які характеризують енергію міжатомних зв’язків.
Важливою характеристикою міцності таких зв’язків є характеристична температура, яка визначається рівнянням Ліндемана:
, (8.1)
де – температура плавлення, К; – густина, ; – молекулярна вага.
З ростом величини збільшується ерозійна стійкість матеріалу. Така залежність існує і для теплової сублімації металів. Електроерозія зменшується з ростом теплопровідності і електропровідності матеріалів.
Ерозійна стійкість значною мірою визначається комплексом теплофізичних властивостей матеріалів. Для кількісної оцінки ерозійної стійкості запропонована формула:
, (8.2)
де – коефіцієнт ерозійної стійкості матеріалу (чим більше , тим вище стійкість); – теплоємність, Дж/(кгмольК); – густина, ; – теплопровідність, Вт/(мК); – температура плавлення, К.
Згідно з (8.2) розрахункові значення коефіцієнта К дозволяють скласти ряд металів у міру збільшення їх ерозійної стійкості:
Встановлено, що для тугоплавких матеріалів з високим модулем пружності і малою пластичністю в ефекті ерозії поряд з процесами плавлення, випаровування і гідродинамічного викиду суттєву роль відіграє крихке руйнування поверхні за рахунок термічних напружень.
При цьому частка руйнування в електроерозійному ефекті росте зі збільшенням модуля пружності і температури плавлення матеріалів.
Рівняння (8.3) враховує вплив не тільки теплофізичних, але й механічних властивостей (модуль пружності і коефіцієнт Пуасона) на ерозійний знос електродів. Критерій ерозійної стійкості:
, (8.3)
де – температура плавлення, ; – теплопровідність, кал/(К с); – модуль нормальної пружності ; – коефіцієнт термічного розширення, ; – коефіцієнт Пуасона.
Значення ерозійної стійкості для ряду металів, які розраховані за формулою (8.3), наведені в табл. 8.1.
Таблиця 8.1. Відносна ерозійна стійкість металів (за критерієм Альбінські)
|
Метал |
, |
, |
, |
, |
Коефіцієнт Пуасона |
Критерій S |
|
Ti |
0,961 |
9,2 |
1665 |
52 |
0,36 |
270 |
|
Zn |
0,684 |
5,9 |
1855 |
68 |
0,35 |
870 |
|
V |
1,470 |
6,15 |
1917 |
72 |
0,35 |
427 |
|
Nb |
1,000 |
7,9 |
2497 |
105 |
0,39 |
870 |
|
Ta |
1,770 |
7,5 |
2997 |
105 |
0,35 |
650 |
|
Cr |
2,450 |
6,25 |
1903 |
200 |
0,35 |
690 |
|
Mo |
3,290 |
6,6 |
2617 |
300 |
0,31 |
1156 |
|
W |
4,070 |
5,5 |
3377 |
310 |
0,30 |
1370 |
|
Fe |
2,110 |
10,7 |
1529 |
170 |
0,28 |
360 |
|
Co |
2,090 |
13,5 |
1495 |
162 |
0,31 |
263 |
|
Ni |
1,960 |
13,2 |
1455 |
155 |
0,32 |
254 |
|
Cu |
1,290 |
16,61 |
1083 |
950 |
0,35 |
1310 |
|
Ag |
0,800 |
18,62 |
961 |
1050 |
0,37 |
1800 |
За збільшенням критерію S метали можна розташувати в ряд:
Оцінка за (8.2) і (8.3) дає розбіжності по ерозійній стійкості металів від експериментальних даних. Це пояснюється тим, що не повністю враховуються всі фактори, які впливають на ерозійну стійкість металів, але безумовно корисні для прогнозу стійкості нових матеріалів для ЕІЛ.
Встановлено, що застосування анодів з композиційних матеріалів приводить до суттєвого (в десятки разів) зниження ерозії і збільшення коефіцієнта перенесення матеріалів порівняно з анодами із чистих сполук.
Залежність ерозії від вмісту зв’язки в композиційних матеріалах описується кривою з мінімумом, котрий припадає на вміст зв’язки в межах (10...30) об. %. Це пояснюється зміною механізму руйнування анода при варіації складу і співвідношення твердої і м’якої складових композиційного матеріалу. Двофазні сплави порівняно з однофазними твердими розчинами мають значно меншу ерозійну стійкість, що обумовлено суттєвою відмінністю фізико-хімічних властивостей фаз і, насамперед, анізотропією коефіцієнта термічного розширення.
Ерозійні характеристики матеріалів електродів помітно змінюються при здійсненні процесу в різних міжелектродних середовищах. Ерозія металевих анодів у повітрі завжди більше, ніж у нейтральних газах.
На ерозію впливає і тривалість процесу. Основні електричні параметри процесу – струм короткого замикання, напруга і ємність розрядного ланцюга
суттєво впливають на механізм і кінетику ерозії анода. Матеріал катода також зазнає ерозії і частина його переноситься на поверхню анода.
8.2. Формування і властивості покриттів
Процес формування покриттів при ЕІЛ залежить від наступних основних факторів: природи матеріалів анода і катода, їх поведінки при електроіскровому розряді, електричних параметрів процесу, складу оточуючого середовища, часу обробки. Формування покриттів характеризується рядом закономірностей.
Характерним є явище, коли при формуванні шару збільшення часу обробки приводить не до зростання товщини, а навпаки, починаючи з певного моменту, до його зменшення. Це пояснюється тим, що в процесі ЕІЛ змінюється хімічний склад катода і його фізико-механічні властивості, характер тепло- і масообміну між матеріалами анода і катода. Найбільш повно вивчені закономірності формування шарів при легуванні стальних катодів тугоплавкими металами, насамперед металами IV-VI груп, а також їх карбідами, боридами, твердими сплавами, композиційними матеріалами. Процес легування у часі можна поділити на два етапи: протягом першого спостерігається безперервне збільшення ваги катода, другий етап характеризується періодичним зменшенням і збільшенням ваги.
За характером взаємодії тугоплавких металів (анода) з залізом і вуглецевими сталями (катодом) метали можна умовно поділити на дві основні групи: метали, утворюючі необмежені тверді розчини V, Cr, Co, Ni і метали, які утворюють обмежені Ti, Zr, Nb, Ta, Mo, W, Hf. У табл. 8.2 наведені результати взаємодії анода (тугоплавких металів) і катода (сталі 3) залежно від режимів легування.
Таблиця 8.2. Зміни в поверхнях електродів після електроіскрового легування
|
Матеріал анода |
Питомий час обробки, |
Глибина проникнення матеріалу катода в анод, мкм |
Максимальний вміст матеріалу катода в аноді, % |
Глибина проникнення матеріалу анода у катод, мкм |
Максим. вміст матеріалу анода в катоді, % |
|
Ti |
2 |
24 |
6 |
10 |
30 |
|
Ti |
5 |
72 |
11 |
20 |
55 |
|
Zr |
2 |
20 |
4 |
15 |
63 |
|
Zr |
5 |
22 |
5 |
15 |
90 |
|
Ht |
2 |
– |
– |
18 |
70 |
|
Ht |
5 |
– |
– |
24 |
78 |
|
Nb |
2 |
12 |
9 |
17 |
73 |
|
Nb |
5 |
15 |
11 |
30 |
85 |
|
Ta |
2 |
9 |
4 |
18 |
70 |
|
Ta |
5 |
21 |
7 |
24 |
80 |
|
Mo |
2 |
24 |
2 |
20 |
98 |
|
Mo |
5 |
32 |
6 |
50 |
100 |
|
W |
2 |
12 |
2 |
35 |
100 |
|
W |
5 |
15 |
10 |
66 |
93 |
Табл. 8.2 свідчить про суттєвий вплив на взаємодію з матеріалом катода природи матеріалу анода, тобто його електронного стану, структури, фізико-хімічних властивостей. Практично у всіх випадках максимальний склад матеріалу анода в катоді значно (в десятки разів) вище, ніж катода в аноді. Особливо чітко це спостерігається при легуванні ст. 3 (катода) такими металами, як цирконій, тантал, молібден, вольфрам.
Як правило, на аноді існують дві зони. Перша створена сумісною кристалізацією матеріалів анода і катода і розповсюджується від робочої поверхні анода до тієї ділянки, в котрій вміст заліза (матеріалу катода) мінімальний. В цій зоні в результаті інтенсивного перемішування у мікрованні спостерігається різка зміна вмісту тугоплавкого металу по глибині шару. В зоні наявні також оксиди цих елементів в значній кількості.
Друга зона в аноді характеризується значними включеннями заліза на великій глибині. Це пояснюється більш високою температурою анода порівняно з температурою катода і значним прискоренням процесів дифузії.
Відповідно, в процесі ЕІЛ з анода на катод переноситься суміш їх матеріалів, що відображається на структурі, фазовому і хімічному складі легованого шару (табл. 8.3).
На катоді існує одна зона, яка складається з продуктів взаємодії матеріалів електродів між собою і з оточуючим середовищем (повітрям).
Вміст легуючого металу рівномірно знижується в глибині заліза і в кінці зони різко спадає до нуля, що свідчить про незначну швидкість дифузійних процесів.
Це пояснюється більш низькою температурою поверхні катода, а також більш короткою дією розряду на одиницю площі основи.
Таблиця 8.3. Фазовий склад поверхневого шару електродів
|
Матеріал легуючого електрода |
Катод (залізо) |
Анод |
|
Ti |
||
|
Zr |
||
|
Nb |
Fe, оксиди, інтерметаліди |
Nb, Fe, |
|
Ta |
Fe, оксиди, інтерметаліди |
Ta, Fe, |
|
My |
Mo, Fe |
Mo, Fe, |
|
W |
W, Fe |
W, Fe, |
Вміст легуючого елемента на поверхні катода вище при легуванні металами 5…6 груп (див. табл. 3.13).
Товщина легованого шару і його якість суттєво залежать від коефіцієнта перенесення – відношення інтенсивності ерозії (втрат маси) анода до приросту маси катода. Коефіцієнт перенесення, як правило, не перевищує 90 % в зв’язку з частковим випаровуванням металу анода. Коли матеріали електродів створюють безперервний ряд твердих розчинів (Fe-Ni, Fe-Cr, Fe-V) чи взаємодіють з утворенням інтерметалідів, коефіцієнт перенесення дорівнює (85…95) %. Шар відрізняється високою щільністю і міцністю зчеплення з основою. Якщо матеріали анода і катода не розчинені один в одному, і в твердому стані не утворюють інтерметалідних фаз, коефіцієнт перенесення суттєво нижче (60…70) %. Шари мають пористість, містять значну кількість тріщин, раковин; мають невисоке зчеплення з основою.
У випадку поліморфних перетворень матеріалу анода при нагріванні, в поверхневому шарі катода спостерігається високотемпературна модифікація матеріалу анода (). За відсутності перетворень склад легованого шару визначається в основному розчинністю матеріалів анода і катода.