Упрочнение и восстановление прессовых посадок

Специфическая  шероховатость  ЭИЛ-покрытий  в  прессовых  посадках  играет  положительную  роль,  поскольку  увеличивает их  прочность.  В  1993  г.  коксохимическое производство  в  Нижнем  Тагиле  испытывало дефицит валов к кислотным насосам ХНЗ 80–32, срок службы которых составлял лишь 3 нед. Опытный вал после упрочнения шеек методом ЭИЛ отработал втрое дольше. Ежеквартальная потребность в валах составляла 40 шт., но после их упрочнения этого количества хватило на весь год. На рис. 2 приведено состояние шпоночных пазов на валах механического пресса для рубки листа в цехе оцинкованной посуды после года эксплуатации.  Паз  без  ЭИЛ-упрочнения  был разбит  через  3  мес.,  и  дальше  его  рабочее состояние  поддерживалось  наклепкой  «сухарей», паз же с ЭИЛ-покрытием не получил видимых  повреждений.  Два  базовых  срока после упрочнения методом ЭИЛ отработали шлицы  на  мундштуке  картера  завалочной машины в мартеновском цехе.

Рис. 2. Шпоночный паз на валу механического пресса после годичной эксплуатации: а – неупрочненный, б – упрочненный ЭИЛ

В середине 1990-х, в период «неплатежей», предприятия часто испытывали дефицит запасных частей и искали способы продлить срок службы тем деталям, состояние которых было близко к критическому. На рельсоправильной машине  ролики  по  мере  износа  конической посадочной поверхности вала перемещались вдоль его оси со скоростью 5 мм/мес. Когда ресурса  валов  оставалось  на  5  мес.,  стало известно, что новые валы прибудут не ранее чем через 8 мес. Тогда произвели упрочнение конусных  посадочных  поверхностей  валов методом ЭИЛ. Упрочненные валы отработали 10 мес. (срок вдвое больший положенного), но смещения роликов не произошло, т. е. износ прессовой посадки благодаря ЭИЛ-обработке остановился или стал пренебрежимо малым. Износ в прессовых посадках, как правило, невелик, и деталь может быть восстановлена методом ЭИЛ. При этом не требуется финишная  шлифовка  поверхностей  для  получения требуемого  размера,  поскольку  толщина ЭИЛ-покрытия строго зависит от режима (тока) обработки, и поэтому можно наращивать слой строго определенной толщины, соответствующей величине износа. Это является важным преимуществом, которое делает данный способ восстановления  доступным  широкому  применению. Например, в конце 1950-х работники предприятия  «Антрацитпромжилстрой»,  не имея специальной установки ЭИЛ, применили для искровой обработки сварочный источник питания. Его настроили на пониженное напряжение, не дающее устойчивой дуги, а в качестве электрода использовали металлические стержни с тонким меловым (ионизирующим) покрытием. Таким способом, названным «беглой  электронаплавкой»,  восстанавливались сотни  подшипниковых  посадок  на  валах и в гнездах корпусов редукторов [2].

Рис. 3. Восстановление методом ЭИЛ эксцентрикового вала дробилки

В середине 1990-х гг. на Серовском ферросплавном заводе, в связи со сменой основных потребителей продукции и связанным с этим переходом на дробление более мелкой фракции, начался ускоренный выход из строя подшипниковых шеек (d220 мм) эксцентриковых валов щековых дробилок СМД-110. В условиях дефицита валов было решено некоторые валы, с износом до 0,2 мм на диаметр, восстановить методом ЭИЛ. Наблюдение за эксплуатацией восстановленных валов показало, что их наработка увеличилась не менее чем в 2 раза. Впоследствии  эксцентриковые  валы  щековых дробилок (СМД-110, СМД-117, СМД-118, ЩДП-12х15) восстанавливались (рис. 3) для комбината «Магнезит», «Богословского рудоуправления», Высокогорского и Гайского ГОКов, «Ураласбеста», «Асбестовского щебеночного завода», фирмы «Уральское» и др. В 2008 г. восстановлен вал грохота фирмы «Сандвик», а в 2010 г. - 4 шейки d710 бурового насоса УНБ-600. Кроме того, были восстанавлены посадочные места на  валах  «редуктора  подъема»  экскаватора ЭКГ-10, на валу-шестерне привода мельницы МШР  36х40,  на  приводном  валу  дробилки Д2Г 900х700 и др. В 2000 г. был обнаружен износ (до 0,1 мм) гнезда  (d380х180)  под  подшипник  качения тихоходного вала редуктора привода головной звездочки обжиговой машины Качканарского ГОКа.  Корпус  редуктора  массой  около  30 т. выполнен  из  чугуна,  поэтому  применение традиционных электродных материалов (сталь, спеченный твердый сплав) оказалось нецелесообразным. Восстановление износа удалось выполнить  с  помощью  медных  электродов. Перед сборкой, для облегчения запрессовки наружной обоймы подшипника, восстановленное место через медную пластину обстучали молотком. Восстановленное гнездо находится в работе по настоящее время, т. е. 11 лет. В  шахтных  подъемных  установках  наиболее  нагруженным  элементом  является вал  с  закрепленным  на  нем  канатоведущим шкивом.  По  мере  эксплуатации  возможно ослабевание на валу подшипниковой посадки. Демонтаж, разборка и восстановление прочности посадки «завтуливанием» - достаточно трудоемкая технология. Поэтому, когда в 2003 г. после ~ 30 лет эксплуатации подъемной установки ЦШ 4х4 на шахте «Северопесчанская» произошло  проворачивание  подшипника, была применена более экономная технология восстановления  методом  ЭИЛ.  После  снятия подшипника  был  выполнен  обмер  шейки (d950х280 мм) и с учетом требуемого натяга рассчитан  для  каждого  участка  поверхности режим ЭИЛ-обработки. Восстановленная подшипниковая посадка отработала два года, после чего  снова  было  замечено  проворачивание на  валу  внутренней  обоймы  подшипника.  В результате разборки было установлено, что она имела  завышенный  посадочный  размер.  Как следствие, контакт с валом существовал лишь на 25 % от общей площади посадочного места.

Рис. 4. Восстановление методом ЭИЛ вала шахтной подъемной установки

Представляется, что это является еще одним свидетельством,  что  ЭИЛ-обработка  благоприятно сказывается на прочности прессовых посадок,  ибо  всего  лишь  четверть  площади посадки сохраняли ее прочность в течение 2 лет эксплуатации. Перед посадкой на вал нового подшипника была произведена повторная ЭИЛ-обработка  шейки.  В  местах  контактирования старое покрытие внедрилось в основной металл, и  здесь  новое  покрытие  ложилось  без предварительной  зачистки.  В  местах,  где контакта не происходило и старое покрытие сохранилось,  его  перед  нанесением  нового (нужной толщины) удаляли шлифовкой. В этот же ремонт методом ЭИЛ была восстановлена прочность  подшипниковой  посадки  на  валу (d260х150)  отклоняющего  шкива,  который надавливает  на  подъемные  канаты  для  увеличения ими обхвата канатоведущего шкива. Такие  работы  по  восстановлению  прочности подшипниковых посадок на валах подъемных установок впоследствии были выполнены на шахтах Гайского и Высокогорского ГОКов.

Выводы

• Электроискровое легирование, разработанное как средство упрочнения инструмента, может эффективно применяться для восстановления и упрочнения прессовых посадок.

• Толщина  покрытия  находится  в  зависимости от режима (тока) обработки, что позволяет наращивать покрытия, точно соответствующие износу, и тем избегать финишной шлифовки, что дает существенную экономию трудозатрат.

• Повышенная шероховатость ЭИЛ-покрытия мешает получению стабильных результатов при упрочнении режущего инструмента, рабочие кромки которого работают в условиях трения-скольжения, однако применение рассматриваемой технологии обеспечивает увеличение прочности прессовых посадок.

Метод электроискровой обработки

Использование электрической искры положено в основу метода электроискровой обработки металлических поверхностей (А.с. № 70010 от 03.04.1943г.), созданного советскими учёными супругами Б.Р. и Н.И. Лазаренко. Этот метод широко применяется в мировой практике для размерной обработки деталей в диэлектрической жидкости. Но, кроме того, он широко востребован и развивается как в России, так и за рубежом для нанесения покрытий на детали в газовой среде с целью улучшения эксплуатационных свойств деталей машин, инструментов для механической обработки (резание, давление), литейной оснастки и др., а также для восстановления утраченных в процессе эксплуатации их размеров, устранения дефектов поверхности (3).

При ЭИО осуществляется воздействие на металлические поверхности в газовой среде короткими (обычно до 1000 мкс) электрическими разрядами с энергией от сотых долей до десятка и более джоулей и частотой до 1000 Гц. При периодическом, с определённой частотой, контакте электрода (анода) c обрабатываемым изделием (катодом) и его разрыве возникают электрические разряды, создаваемые генератором импульсов. Под действием этих разрядов происходит следующее: идут процессы преимущественного разрушения материала электрода (анода) и образования вторичных структур в рабочей его части; осуществляется перенос продуктов эрозии электрода на деталь (катод); на поверхности обрабатываемого изделия протекают микрометаллургические процессы; элементы материала электрода диффундируют в поверхностный слой изделия; поверхность изделия приобретает новый специфичный рельеф (рис. 1а); образуется на поверхности изделия измененный слой (рис. 1б), включающий белый слой, диффузионную зону и зону термического влияния, при этом изменяются свойства поверхностного слоя; формируется поверхностный слой мелкодисперсного состава, вплоть до наноуровня (рис. 1в); происходит изменение размера изделия.

Рис. 1. Изменение рельефа поверхности (а) и структуры поверхностного слоя (б, в).
Источник: http://технодоктрина.рф/

В результате обработки на поверхности детали образуется новый слой, которому в зависимости от параметров искрового разряда, состава электродного материала, материала обрабатываемой детали и других факторов придаются отличные от исходного состояния свойства, управляемые в широких пределах и обеспечивающие требуемые качества: повышенные микротвердость, износостойкость, жаростойкость и другие.

Универсальность электрической искры как технологического инструмента, характеризуемая широким диапазоном значений параметров покрытий (табл. 2), даёт возможность использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.

Таблица 1. Характеристики покрытий, нанесённых электроискровым методом

Характеристики покрытий	Значения
Толщина (мкм): – нанесённого слоя – белого слоя – переходного слоя	- 5–1000 до 600 до 700
Микротвердость (МПа): – белого слоя – переходного слоя	- 6000–22000 3000–8000
Параметры рельефа поверхности: – характер рельефа поверхности – высота микронеровностей (мкм) – относительная высота выступов hв /rв – относительное расстояние между выступами Sм/Нмах	- выпукло-вогнутый Ra1,6–Rz360 0,06–0,19 5 - 9
Теплопроводность электродных материалов λ, (Вт/м К)	10–400

Многочисленные публикации в отечественной и зарубежной литературе по ЭИО свидетельствуют о высокой эффективности и универсальности метода, что приобретает особое значение в современных условиях для отечественных промышленных и ремонтных предприятий.

Широкое эффективное применение ЭИО базируется на основных двух его качествах:

1. способности формировать на обрабатываемых изделиях покрытия (поверхностные слои) с заданными эксплуатационными свойствами путём применения большинства токопроводящих материалов с присущими им свойствами. Этим достигается увеличение износо-, жаро-, эрозионной, коррозионной стойкости и улучшение других свойств обработанных поверхностей;

2. возможности управления толщиной этих покрытий – от нескольких микрометров до 0,5 мм (а при использовании определённых технологий – до 5–10 мм и более) путём изменения электрических режимов обработки и её длительности.

Наряду с возможностью формирования покрытий с характеристиками широкого диапазона значений, метод ЭИО обладает также рядом достоинств, определяющих его успешное использование для решения производственных проблем:

• возможность локального формирования покрытий в строго указанных местах радиусом от долей миллиметра и более, не защищая при этом остальную поверхность;

• высокая адгезия электроискрового покрытия с основным материалом;

• отсутствие нагрева и деформаций изделия в процессе обработки;

• сравнительная простота технологии, не требуется специальной предварительной обработки поверхности;

• высокая надёжность оборудования и простота его обслуживания, оно малогабаритное и ремонтопригодное;

• низкая энергоёмкость ручных и механизированных процессов ЭИО;

• высокий коэффициент переноса электродного материала (60–80%).

Технологии и области применения ЭИО

Широкие пределы управляемых технологических параметров процесса ЭИО и характеристик формируемых покрытий являются основой высокой универсальности этого метода обработки, применяемого в прокатном производстве, в машиностроении при изготовлении новых деталей (упрочняющие покрытия и покрытия со специальными свойствами рабочих поверхностей прокатного инструмента, деталей машин, режущих инструментов, штамповой оснастки), а также в ремонтном производстве энергетических, добывающих и перерабатывающих, машиностроительных предприятий, предприятий лёгкой промышленности, агропромышленного комплекса, транспорта и других при восстановлении изношенных деталей, утративших свои размеры в процессе эксплуатации (восстанавливающие покрытия на наружных и внутренних поверхностях деталей и инструментов) – рис. 2. Отметим, что в зарубежных странах этот метод используется в большей мере для нанесения покрытий с эффектом упрочнения и со специальными свойствами, причём, в первую очередь, в оборонных отраслях, в т.ч. при производстве космической и авиационной техники.

Рис. 2. Примеры объектов упрочняющей (а, б, в) и восстанавливающей (г, д) электроискровой обработки.
Источник: http://технодоктрина.рф/

При назначении технологии нанесения упрочняющих электроискровых покрытий и последующей обработки учитываются условия работы объектов упрочнения (инструментов, деталей), т.е. факторы, инициирующие изнашивание их рабочих поверхностей. Обычно эти факторы – высокие давления, температуры, большая цикличность нагружения рабочих поверхностей и др. В этих случаях при упрочнении поверхностей обычно применяются электроды из металлокерамических твердых сплавов типа ТК (Т5К10, Т15К6, Т30К4), ВК (ВК4, ВК6, ВК8), ТТК (ТТ7К12, ТТ21К10), СТИМ (СТИМ-2, -3Б, -3БОАн, -4, -50НА) и другие, включая содержащие нанодисперсные добавки, а также графиты мелкозернистой фракции. Результат двух- шестикратного увеличения ресурса достигается обычно покрытиями толщиной до 100 мкм. При этом особо привлекает применительно к резанию металлов факт значительного повышения эффективности упрочнения режущих инструментов при ужесточении режимов резания.

Для придания обрабатываемым поверхностям специальных свойств (жаро-, эрозионно-, коррозионная стойкость и др.) используют для ЭИО в качестве электродов токопроводящие материалы, обладающие соответствующими эксплуатационными свойствами. В частности, защищая поверхности деталей от атмосферной коррозии, используют электроды из алюминия, никеля, хрома и их сплавов, нержавеющих сталей; для снижения переходного электрического сопротивления наносят покрытия золотом, серебром, платиной и т.д.

Значителен объём использования ЭИО в технологиях восстановления изношенных деталей и при устранении брака, связанного с прослаблением размеров деталей при их изготовлении. Это чаще всего наружные и внутренние посадочные поверхности неподвижных соединений с диаметральным износом деталей до 500 мкм, а также деталей, работающих в условиях трения скольжения, с износом до 100 мкм. При восстановлении стальных деталей достаточно использования электродов из хромоникелевых сталей, а чугунных – цветных сплавов на основе меди. Восстановление изношенных поверхностей инструментов выполняется электродами из высоколегированных и инструментальных сталей и твердых сплавов. Часто применяются многослойные покрытия, получаемые в несколько циклов обработки разными электродными материалами и обладающие при большей толщине повышенными эксплуатационными свойствами. Качественным уровнем современных ЭИ технологий для ремонтного производства является обеспечение 100%-го ресурса восстановленных деталей (поверхностей), т.е. ресурса не ниже новых. Заметным и важным достоинством ЭИО для ремонтных целей является его технологическая мобильность, т.е. возможность без демонтажа с машин локального восстановления ответственных деталей, включая крупноразмерные.

Оборудование для ЭИО

Процесс ЭИО реализуется с помощью установок, которые в зависимости от конструкции позволяют наносить покрытия в ручном, механизированном или автоматизированном режимах. Это широкий класс оборудования разных наименований, моделей, технических характеристик и стоимости. Его выпускают и эффективно используют во многих технически развитых странах мира (4). На рис. 3 приведены из многочисленного ряда некоторые примеры современного отечественного и зарубежного ЭИ оборудования. Дальнейшее совершенствование его в значительной мере связано с оптимизацией параметров и обеспечением энергетической стабильности искровых импульсов, зависящей как от генераторов установок, так и электродных инструментов.

Рис. 3. Примеры электроискрового оборудования.
Источник: http://технодоктрина.рф/

Современные ручные установки потребляют обычно не более 2 кВА, состоят из генератора импульсов и инструмента (обрабатывающего устройства) с вибрирующим или вращающимся электродом. Они в зависимости от технических параметров обеспечивают нанесение покрытий толщиной от десятков микрометров до 1 мм с характерным рельефом поверхности, производительность обработки составляет от 1,0 до 10 см2/мин.

Эффективность ЭИ технологий

Результатом практического использования ЭИО являются определённые показатели.

1. Увеличение срока службы упрочнённых деталей и инструментов на 250–400 % и более.

2. Уменьшение себестоимости и сокращение сроков ремонта агрегатов машин путём восстановления изношенных деталей взамен приобретения новых и обеспечение их ресурса на уровне нового изделия.

3. Окупаемость за три-девять месяцев капитальных затрат, связанных с приобретением новой техники (технологии и оборудование) и её освоением.

4. Экономия природных ресурсов в связи с повторным использованием восстановленных деталей.

Пример. Экономическая эффективность восстановления деталей (экономия при восстановлении 1 тонны деталей из стали только за счёт исключения металлургического процесса при их изготовлении): 180 кВт/ч электроэнергии; 0,8 тонны угля; 0,4 тонны известняка; 175 м3 природного газа.

Перспективы ЭИ технологий

Наряду с совершенствованием существующих методов обработки металлических поверхностей для улучшения или восстановления их эксплуатационных характеристик также развивается ЭИО. Это развитие идёт в нескольких направлениях.

Создание новых электродных материалов со специальными свойствами. В России и за рубежом создают новые электродные материалы для ЭИО и исследуют свойства покрытий, полученных с помощью этих материалов. Это касается, например, твёрдых сплавов типа «СТИМ», в том числе с добавками наночастиц (разработки НПО «Металл» при НИТУ «МИСиС»), сплавов на основе карбидов титана, вольфрама, боридов и оксида циркония (Хабаровский научный центр ДВО РАН), силицидных материалов (Институт физики твёрдого тела РАН и ФГБНУ ГОСНИТИ), твёрдых сплавов с тугоплавкими и высокотвёрдыми добавками (Институт проблем материаловедения НАНУ – Украина) и др. Использование для ЭИО новых электродных материалов способствует большему переносу легирующих элементов на обрабатываемую поверхность, улучшению качественных характеристик покрытия и увеличению ресурса упрочняемого или восстанавливаемого изделия, создавая этим новые перспективы для эффективного применения ЭИО.

Механизация и автоматизация процесса обработки. Это направление включает также роботизацию процесса, оно эффективно в условиях серийного и крупносерийного производства, а также при обработке ответственных деталей сложной и дорогостоящей техники, обеспечивая стабильность и качество нанесения покрытий на выбранных режимах.

Механизированное оборудование для ЭИО (установки «Элитрон-120», -122», -240», -345», -347», -349», -440», -502», -503» для обработки, соответственно, режущего инструмента осевой формы, разделительных штампов, серебрения электрических контактов, сегментных пил, деталей типа тела вращения, валков прокатных станов, плоских поверхностей форм производства силикатного кирпича, фильер, штампов горячей штамповки с осесимметричной гравюрой и другие) применялось в СССР в различных отраслях, в т.ч. в машиностроении и ремонтном производстве. В настоящее время, наряду с совершенствованием генераторов искровых импульсов и электрод-инструментов, это направление интенсивно развивается в промышленно развитых странах, например, фирмой «ASAP» – США.

Применение многоконтурной обработки. Этот технический приём связан с механизацией ЭИО, подразумевает одновременную обработку одной единицей оборудования нескольких участков одного или нескольких изделий. Применение такого приёма направлено на увеличение производительности обработки. Обычно обработка всеми контурами ведётся по одной технологии, т.е. на одних и тех же электрических режимах. Примером служит установка «Элитрон-440», созданная в начале 1990-х гг. Опытным заводом Института прикладной физики Академии наук Молдавии для упрочнения плит прессформы производства силикатного кирпича. Эта установка обеспечивала возможность одновременной работы восьми контуров, т.е. восьми электрод-инструментов, по параллельной обработке двух плит, с соответствующим увеличением производительности обработки.

Создание комбинированных покрытий совмещением ЭИО с другими методами обработки. Резервы эффективности ЭИ технологий связаны также с совместным использованием ЭИО и других методов обработки. Так, ЭИО с поверхностно-пластическим деформированием улучшает качество поверхности и преобразовывает растягивающие напряжения в поверхностном слое на сжимающие. Совмещение ЭИО с детонационным напылением, лазерной, ультразвуковой, плазменной и другими видами обработки улучшает качественные параметры покрытий, позволяет решать технические проблемы более эффективно. Интерес представляют также успешно применяемые ГОСНИТИ технологии восстановления изношенных деталей, включающие ЭИО и холодное газодинамическое напыление или ЭИО и металлополимерные покрытия. При таком совмещении методов на деталях получают покрытия значительной толщины с высокой несущей способностью и контактной сплошностью. Обычно их применяют для восстановления сильно изношенных посадочных поверхностей неподвижных соединений.

Широкое и эффективное использование на производстве ЭИ метода обработки металлических материалов подтверждает сказанные ещё в 1947 г. слова Б.Р. Лазаренко, открывшего миру для практического применения электрическую искру: «Многовековое царствование механического способа обработки металлов, перевернувшего мир в прошлых столетиях, – кончается. Его место занимает, несомненно, более высокоорганизованный процесс, когда обработка металла производится электрическими силами… Ему будет принадлежать будущее, и притом – ближайшее будущее».

Заключение

Электроискровой метод нанесения металлопокрытий обладает высокой эффективностью, экономичностью и универсальностью; он перспективен для широкого использования на предприятиях разных отраслей экономики, включая оборонную промышленность, для увеличения ресурса и восстановления работоспособности деталей и инструментов.

СПОСОБ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

(.

Реферат

Изобретение относится к обработке материалов, в частности к способам электроискрового упрочнения поверхностей деталей из токопроводящих материалов. В предложенном способе, включающем образование покрытий с чередованием слоев, получаемых электроискровым и неэлектроискровым способами, согласно изобретению первый слой наносят способом электроискрового легирования, при этом коэффициенты теплопроводности материалов детали и первого слоя удовлетворяют условию: λ_покр≥λ_дет, где λ_покри λ_дет- соответственно коэффициенты теплопроводности материалов образуемого электроискрового легированного слоя покрытия и материала основы, а второй слой наносят электродом, материал которого с предыдущим легированным слоем покрытия образует неограниченные твердые растворы заданного состава, после чего поверхность упрочняют методом электроискрового легирования электродом с образованием дополнительного покрытия. Обеспечивается повышение производительности, качества упрочненных поверхностей деталей.

Формула изобретения

Способ обработки поверхностей стальных деталей, включающий образование покрытий с чередованием слоев, получаемых электроискровым и не электроискровым способами, отличающийся тем, что первый слой наносят способом электроискрового легирования, при этом коэффициенты теплопроводности материалов детали и первого слоя удовлетворяют условию

λ_покр≥λ_дет,

где λ_покри λ_дет- соответственно коэффициенты теплопроводности материалов образуемого слоя покрытия и материала основы, а второй слой наносят электродом, материал которого с предыдущим легированным слоем покрытия образует неограниченные твердые растворы заданного состава, после чего поверхность упрочняют методом электроискрового легирования электродом с образованием дополнительного покрытия.

Описание

Предлагаемое изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки материалов, в частности к способам электроискрового упрочнения поверхностей деталей из токопроводящих материалов.

Известен способ упрочнения поверхностей деталей нанесением на основу под действием электрического разряда материала анода, повышающим эксплуатационные свойства рабочих поверхностей. (См. книгу А.Д.Верхотурова и др. "Электродные материал для электроискрового легирования". М.: Наука. 1998. - 224 с.) Обладая значительным количеством преимуществ но сравнению с другими способами упрочнения, способ электроискрового легирования (ЭИЛ) имеет существенные недостатки. к которым относятся: небольшая толщина образуемых покрытий (0,05-0,08 мм), пористость, низкая производительность (до 4 см²/мин). Это уменьшает технологические возможности процесса, ограничивая его применение при ремонтных и восстановительных работах.

Возможности преодоления указанных недостатков может быть реализована в применении технологий наплавки и напыления (См. книгу Хасуи А., Моригаки О. "Наплавка и напыление" / Пер. с яп. Х12 B.Н.Попова: под. ред. B.C.Степина, Н.Г.Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.), в том числе в сочетании с другими способами поверхностной обработки. Однако при этом отмечаются следующие недостатки: ухудшение свойств наплавленного слоя из-за перехода в него элементов основного металла, деформация изделия, вызываемая высокой погонной энергией наплавки; ограниченный выбор сочетаний основного и наплавленного металла, при использовании напыления - недостаточная адгезионная прочность между основным материалом и материалом покрытия.

Наиболее ближним техническим решением является "Способ электроискрового упрочнения поверхностей металлических изделий" по авт. свид. №96861, заявл. 29.01.1949 г. №407/390942. опубл. БИ №1, 1954 г. в котором с целью обеспечения возможности увеличения толщины упрочняющего покрытия после электроискрового нанесения каждого очередного слоя наносят любым неэлектроискровым способом промежуточный слой из материала изделия. При этом в качестве способов нанесения промежуточных слоев могут быть применены: металлизация, наплавка, способы погружения в ванну с расплавленным металлом и др.

В качестве недостатков предлагаемого технического решения можно указать: необоснованный выбор используемых материалов как для выполнения ЭИЛ, так и для наплавки; отсутствие ограничения по параметрам режимов технологических процессов. Так, "нанесение любым неэлектроискровым способом промежуточного слоя из материала изделия" (по авт. свид. №96861) не позволяет упрочнять способом ЭИЛ поверхности металлических изделий, так как образуемый слой, соответствующий характеристикам материала основы, при окислении имеет худшие показатели. Если же в качестве материала электрода для ЭИЛ взять титан или его сплавы, то последующее нанесение слоя наплавкой или напылением приводит к тому, что наносимый слой отделяется от основы, так как на границе основного металла и ранее нанесенного ЭИЛ слоя образуется хрупкая прослойка интерметаллических соединений (книга Хасуи А., Моригаки О. "Наплавка и напыление" / Пер. с яп. X12 В.Н.Попова; под. ред. B.C.Степина, Н.Г.Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.), а также выполненные опыты заявителей. Вторым недостатком использования способа ЭИЛ для образования слоя покрытия является разрушение покрытия, имеющее место для всех электродных материалов в связи с неаддитивной закономерностью образования покрытия на катоде - детали при достижении порога хрупкого разрушения, который зависит от энергетических параметров технологии процесса ЭИЛ (смотри книгу Верхотуров А.Д., Подчерняева И.А., Прядко Л.Ф., Егоров Ф.Ф. "Электродные материалы для электроискрового легирования." М.: Наука, 1988. 224 с.) Определяя это явление, можно отметить, что вместо упрочнения поверхностного слоя способом ЭИЛ в сочетании с наплавкой мы получаем его разупрочнение.

Технической задачей изобретения является увеличение толщины образуемого покрытия, повышение производительности, качества упрочнения поверхностей деталей из сталей при использовании способа электроискрового упрочнения в совокупности с процессом наплавки. Указанная техническая задача достигается тем, что электроискровое упрочнение поверхностей стальных деталей путем образования многослойных покрытий с чередованием слоев, получаемых электроискровым и неэлектроискровым способами, отличается тем от известного, что первый слой наносится толщиной, равной половине максимально допустимой для материалов детали и электрода способом электроискрового легирования, а второй слой формируют наплавкой электродом, материал которого с предыдущим легированным слоем образует неограниченные твердые растворы заданного состава, при этом коэффициент теплопроводности материалов упрочняемой детали и первого слоя, образуемого электроискровым способом удовлетворяют условию: λ_покр≥λ_дет, где λ_покри λ_детсоответственно коэффициенты теплопроводности материалов образуемого ЭИЛ покрытия и материала основы.

Для решения поставленной задачи при образовании слоя ЭИЛ на поверхности необходимо учитывать соотношение коэффициентов теплопроводности материала детали (λ_дет) и материала образуемого покрытия ЭИЛ (λ_покр), а также образование неограниченных твердых растворов с материалом электрода наплавки, которое определяется однотипностью сингонии кристаллической решетки и разностью размеров атомных радиусов не более чем 15% для применяемых материалов. Предпочтительным является соотношение λ_покр≥λ_детпри котором энергия теплового потока в процессе образования второго слоя покрытия наплавкой будет передаваться преимущественно в металл детали, образуя в целом покрытие с наименьшим градиентом термоупругих характеристик (остаточных внутренних напряжений) с плавно изменяющимися упругими свойствами. При этом усиливаются процессы легирования за счет диффузии элементов слоя ЭИЛ, обеспечивая повышенную когезионную и адгезионную связь.

В соответствии с предлагаемым способом были восстановлены и упрочнены поверхности из многих деталей из сталей, например поверхности распределительного вала двигателя внутреннего сгорания автомобиля, изготовленного из стали 40Х. Опорная поверхность вала имеет износ диаметрального размера 500-700 мкм и требует восстановления и упрочнения. Слой покрытия должен обеспечить припуск под чистовое и отделочное шлифование. С учетом этого суммарная толщина образуемого покрытия на сторону должна составлять 600-700 мкм при повышенном значении поверхностной твердости и износостойкости. Для этого способом ЭИЛ на поверхность наносят первый слой толщиной 50 мкм хромовым электродом, имеющим атомный радиус r_a=1.249 нм (для Fe r_a=1.241 нм), тип решетки - ОЦК (у Fe - ОЦК) при наибольшей толщине формируемого слоя (до начала хрупкого разрушения) на поверхности детали 100 мкм. Железо и хром образуют неограниченные твердые растворы.

Второй слой покрытия наносят наплавкой толщиной от 650 мкм и более электродным материалом 11X15H25M6AГ2, также образующим с поверхностью, содержащей хром, неограниченные твердые растворы. Слой хрома, сформированный ЭИЛ, сокращает до минимума деформацию изделия, вызываемую погонной энергией наплавки. Наплавленный слой - равномерный, сплошной, не содержит пор, с минимальной зоной герметического влияния у основного металла. Рабочая поверхность после шлифования имеет микротвердость Н_μ=5,0-6,0 ГПа. Восстановленная рабочая поверхность в дальнейшем упрочнялась методом ЭИЛ электродом из твердого сплава Т15К6 образованием дополнительного покрытия толщиной 0,05 мм с микротвердостью Н_μ=2,0-13,0 ГПа Сравнительные испытания восстановленного распределительного вала ДВС и нового в реальных производственных условиях при пробеге автомобилей 80000 км показали, что износ рабочих поверхностей восстановленного вала на 27° меньше, чем у нового.

Таким образом, применение предлагаемого способа электроискрового упрочнения деталей из сталей в совокупности с процессом наплавки обеспечивает увеличение толщины образуемого покрытия, производительности, значительно повышает качество поверхностей.

ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ

Автор: 

В. И. Иванов, А. Ю. Костюков

Применение электроискрового метода нанесения покрытий обеспечивает возможность качественного восстановления изношенных поверхностей и деталей машин в отсутствие стационарной ремонтной базы.

Взаимодействие контактирующих деталей в узлах и агрегатах различной техники при ее эксплуатации связано с протеканием деформационных, тепловых и химических процессов. В результате происходят износ деталей, нарушение геометрической формы рабочих поверхностей и ухудшение условий работы на контакте в сопряжениях. Износ деталей и утрата необходимых прочностных свойств их поверхностных слоев являются причиной ограничения ресурса машины, и для последующей ее эксплуатации требуется ремонт изношенных агрегатов. Затраты на ремонт и обслуживание техники значительны и сопоставимы с их начальной стоимостью, особенно если речь идет об импортной технике и запчастях, приобретаемых за границей. Существенное снижение при ремонте этих потерь возможно путем использования восстановленных деталей взамен приобретения новых. При этом эксплуатационные характеристики восстановленных деталей порой не уступают новым, а часто и превышают их. Ввиду того, что износ основной массы деталей выражен изменениями размеров поверхности и качества поверхностного слоя, а объемные прочностные свойства материалов этих деталей сохраняются на требуемом уровне, ремонт машин с использованием качественно восстановленных деталей является технически и экономически оправданным и целесообразным. Он способствует значительной экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов, снижает экологическую нагрузку на окружающую среду. Наиболее значительны расходы предприятий России при ремонте техники на удаленных территориях страны. Здесь повышены периодичность ремонта и его сложность по причине тяжелых климатических условий и интенсивной эксплуатации техники. Из-за слабой ремонтной базы восстановление деталей обычно не производится. Поставка запасных частей за несколько тысяч километров в эти сложные климатические районы весьма затратна, выполняется зачастую целевой отправкой самолета для срочной доставки одной-двух деталей, т. к. простой вышедшей из строя техники оборачивается еще большими материальными потерями по сравнению со стоимостью авиаперевозок. В России эксплуатируется значительное количество импортной техники, спрос на нее возрастает, несмотря на высокую цену. При этом зарубежные компании лишают возможности российских потребителей самостоятельно обслуживать и ремонтировать машины, не предоставляя необходимой технической документации. Отсутствие этой информации осложняет возможность быстрого подбора отечественных технологий и материалов для организации качественного восстановления импортных деталей. Между тем при использовании современных отечественных методов обработки материалов возможно прямо на местах организовать ремонт машин и оборудования в некоторых случаях даже без полной разборки механизма [1]. Одним из таких универсальных методов является электроискровое легирование (ЭИЛ). Используя установки ЭИЛ нового поколения, например, типа «БИГ», которые заменили морально устаревшие установки типа «Элитрон», «Вестрон» и др., можно без больших капитальных вложений организовать восстановление разных по назначению деталей: валов, осей, шкворней, цапф, корпусных деталей, крышек, коренных опор блоков цилиндров, коленчатых валов компрессоров, золотников и корпусов гидрораспределителей и гидроусилителей руля, лопаток турбин и многих других деталей, что реализовано на практике [2]. Многолетний опыт работы института ГОСНИТИ (с недавнего времени — ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) подтверждает, что данный метод обеспечивает возможность восстановления деталей с односторонним износом до 100–120 мкм (условия трения скольжения) и до 600–700 мкм (в неподвижных соединениях). Известные достоинства ЭИЛ (высокая универсальность метода; отсутствие перегрева и деформации детали при обработке; высокая адгезия нанесенного слоя покрытия с основным материалом; возможность восстановления детали в размер без механической обработки; возможность локального нанесения покрытий; возможность использования любого токопроводящего материала в качестве электрода; высокий коэффициент переноса материала электрода — до 80–95 %; низкая энергоемкость процесса (0,5–1,0 кВА); экологичность процесса и другие) являются основой успешного использования его для ремонтных целей. В ЭИ технологиях учитываются условия эксплуатации восстанавливаемых поверхностей и факторы, инициирующие разрушение рабочих поверхностей [3]. Особенность этих технологий в нанесении на изношенные поверхности покрытий под номинальный размер или с минимальным припуском для последующей механической обработки. При отсутствии жестких требований по шероховатости поверхности последующая механическая обработка не выполняется. В результате обработки методом ЭИЛ на поверхности детали образуется новый слой, которому в зависимости от параметров искрового разряда, состава электродного материала и других факторов можно придать требуемые свойства: повышенную микротвердость, жаростойкость, износостойкость, задиростойкость и др. Процесс нанесения покрытий этим методом достаточно прост, оборудование мобильно, для организации работ достаточно в большинстве случаев наличия слесарного верстака и однофазной электрической сети. А возможность использования в качестве электрода любого токопроводящего материала делает этот способ незаменимым помощником в самых сложных ситуациях, связанных с восстановлением деталей. Приведем ряд примеров работ на выезде с восстановлением различных деталей у заказчика.