УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Казанский национальный исследовательский технологический университет»
(ФГБОУ ВО «КНИТУ»)
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
Методические указания к лабораторной работе по курсу
«Основы электрофизических методов обработки материалов»
КАЗАНЬ 20017 г.
В методических указаниях даны основные понятия по методу
электроискрового легирования, разъяснены принципы работы установок для
электроискрового легирования , определено применение метода.
Составители: Миронов М.М., Кайдриков Р.А., Абдуллин И.Ш.,
Шаехов М.Ф., Зильберг А.И.
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ В ЛАБОРАТОРИИ
К лабораторным работам допускаются студенты прошедшие инструктаж
по техники безопасности и усвоившие основные положения.
Обратите внимание и запомните !
1. При поражении электрическим током следует обесточить электролинию, а
затем оказывать помощь пострадавшему.
2. При возгорании электроустановки запрещается ее тушить пенным
химическим огнетушителем .
3. Работа
по
установке
электроискрового
легирования
МП-ЭЛ-2
осуществляется только в присутствии преподавателя.
4. Разрешение по проведению экспериментальной части работы выдается
преподавателем после собеседования , во время которой необходимо
показать знание цели работы, методики ее выполнения, принципа работы
оборудования, техники безопасности.
Отчет о выполненной работе представляется преподавателю.





Он должен содержать:
наименование , дату выполнения, фамилию учащегося, номера группы;
цель работы;
краткое описание работы оборудования со схемой;
результаты экспериментальных исследований, обработку результатов в виде
таблиц, графиков;
выводы по работе.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
Электроискровое легирование – перенос эрозируемого материала
электрода на поверхность обрабатываемой детали и насыщение (легирование)
поверхностного слоя детали составными элементами электрода.
Лабораторная работа
Упрочнение металлических поверхностей методом электроискрового
легирования.
Цель работы: ознакомится с принципами метода электроискрового
легирования и экспериментально проверить возможность упрочнить данным
методом рабочие поверхности.
Введение
Существуют различные способы восстановления и изменения
эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин:
 химико-термические (азотирование, цементация);
 гальванические (хромирование , никелирование);
 механические (наклеп, пневмоструйная обработка);
 электросварочные (наплавка).
Для упрочнения и нанесения защитных покрытий весьма перспективными
являются электрофизические методы обработки материалов, основанные на
использование концентрированных потоков энергии, таких как электронные и
лазерные лучи, низкотемпературная плазма и т. п.
Особое
место
среди
названных
способов
занимает
способ
электроискрового легирования металлов, разработанный в 1941 г. советскими
ученными Б.Р. и Н.И. Лазаренко. Этим способом сравнительно просто
осуществить нанесение легирующего металла на деталь при одновременном
изменении структуры в ее поверхностном слое. В результате электроискрового
легирования на поверхность детали можно нанести любой металл или сплав
толщиной до 0,1 мм с одновременным изменением структуры в поверхности
детали на глубине до 1 мм. Правильный выбор материала легирующего
электрода позволяет увеличить износоустойчивость поверхности в 2 – 3 раза.
Увеличить ее электропроводность , изменить цвет и т.п.
Восстановление деталей электроискровым процессом позволяет при
ремонте вакуумного оборудования улучшить работоспособность спряжений за
счет увеличения размеров и повышения твердости изношенных поверхностей.
Цель работы заключается в практическом изучении технологий
электроискрового процесса и экспериментальном определении толщины
наращиваемого слоя.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Изучить назначение, принципиальную схему и устройство электроискровой
установки.
2. Ознакомиться с техникой безопасности при работе на электроискровой
установке (изучив инструкцию).
3. Произвести легирование поверхности образца.
4. Определить толщину наращенного слоя на поверхности образца.
ОБОРУДОВАНИЯ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ
Для выполнения работы необходимо на рабочем месте иметь следующие
принадлежности:
1. Электроискровую настольную установку.
2. Образцы в виде пластин с площадью обрабатываемой поверхности в
пределах 3 – 5 см2 , толщиной 2 – 3 мм.
3. Струбцину или тиски для крепления образцов.
4. Аналитические весы с разновесами для определения массы наращиваемого
металла (в пределах 0,010 ÷ 0,050 г на 1 см2).
5. Электроды из различных токопроводящих материалов (твердого сплава,
инструментальной стали, графита, алюмиевого сплава) в виде стержней
высотой 25 – 30 мм, толщиной 1 – 2 мм, шириной 2 – 3 мм.
6. Защитные очки со стеклами НС – 1 или ТС – 4.
7. Вольтметр постоянного тока, с пределами измерения от 0 до 200 А,
служащий для определения исправности электрической схемы, установки.
8. Лупу с 10 кратным увеличением.
9. Эталоны чистоты поверхности.
1. МЕТОД ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ.
При электроискровом легировании, осуществляемом в газовой среде,
происходит перенос и осаждение эродируемого материала анода – инструмента
на поверхности катода – детали или насыщение (легирование) поверхностного
слоя катода элементами, входящими в состав материала анода. При этом на
поверхности катода образуется упрощенный слой высокой твердости (до 13
МПа) и износостойкости. Рассматривая модель процесса ЭИЛ, можно выделить
следующие основные моменты: движение анода – инструмента к катоду;
пробой межэлектродного промежутка; образование эрозионных лунок на аноде
и катоде с зонами испарения, плавления и напряженного состояния и области
взаимной кристаллизации; механический контакт электродов; формирование на
катоде легированного слоя и вторичной структуры на аноде. Рабочим
процессом при ЭИЛ является электрическая эрозия под действием импульсного
(10-6 и 10-3 с) разряда, который характеризуется током, протекающим через
канал разряда, и падением напряжения на нем, как на участке электрической
цепи. Искровой промежуток заполняется газообразной средой. Импульс тока
может возникнуть лишь в том случае, если этот непроводящий слой газа
превратился в проводник. Явление мгновенного превращения диэлектрика,
заполняющего промежуток, в проводнике называется пробоем промежутка. В
связи с тем, что через промежуток протекает ток, в нем, как в любой другой
нагрузке, выделяется энергия. Рассматривая процесс эрозии в его развитии,
можно условно выделить три основные стадии:
1. Получение энергии электродами (электронная, цепная и термическая
бомбардировка; воздействие факельной и лучистой компонентов).
2. Реализация этой энергии на фазовые превращения.
3. Перенос некоторой части металла с электродов.
После пробоя промежутка на поверхности электродов под действием
бомбардировки электронами (анодами), ионами (катода) возникают плоские,
концентрированные на небольших участках поверхности электрода, источники
тепла. В объеме данного участка (единичной лунки) выделяется количество
энергии, достаточное для плавления и частичного испарения этой порции
металла. Кроме того, в зоне, окружающей канал разряда, образуется газовый
пузырь, адиабатическое расширение которого и конденсация остатков паров
приводит к резкому падению давления в газовом пузыре, которое становится
ниже атмосферного. В результате расплавленный и перегретый металл,
содержащийся в лунке, вскипает во всем объеме и выбрасывается из лунки в
виде мелких капель и некоторого количества паров.
Механизм выброса жидкого металла с поверхности электрода является
основным для металлов и сплавов с обычными пластическими и прочностными
свойствами. Для тугоплавких, обладающих малой пластичностью и других
малопластичных материалов с низким пределом прочности, удаление металла
может происходить в твердой фазе за счет хрупкого разрушения
поверхностных слоем под действием термических напряжений.
При ЭИЛ поверхностный слой детали во многих направлениях
подвергается глубоким изменениям, которые весьма четко проявляются в
фазовом составе, структурном и термическом состоянии. Специфические
свойства слоев, образовавшихся на легированных поверхностях, обусловлены
как химико-термическим
воздействием электрического разряда, так и
направленным переносом материала анода на катод, их активным
перемешиванием и химическим взаимодействием. Отличие химического
состава легированного слоя от состава исходных материалов электродов
обуславливается контактом расплавленного материала анода с элементами
межэлектродной среды, возможностью термической диссоциации и разложение
материала анода с последующим изменением химического состава, а также
взаимодействием электродных материалов в процессе совместной
кристаллизации с образованием новых химических соединений. Совокупность
вышеперечисленных факторов обуславливает широкое практическое
применение и эффективность метода электроискрового легирования.
К основным преимуществам ЭИЛ можно отнести следующее: локальность
обработки поверхности – легирование осуществляется в строго указанных
местах; высокую прочность сцепления нанесенного материала с основой;
отсутствие нагрева детали в процессе обработки; отсутствие необходимости
специальной подготовки пред обработкой.
В настоящее время ЭИЛ используется для следующих целей:
— Увеличение твердости, коррозионной стойкости, а также
износостойкости, жаростойкости;
— Восстановление размеров инструмента, деталей машин и
механизмов;
— Изменение электрических свойств контактирующих элементов;
— Создания на рабочей поверхности переходных слоев определенной
шероховатости и т.д.
При производстве медицинского инструмента ЭИЛ в основном
применяется для увеличения срока службы медицинского инструмента и
улучшения его функциональных свойств, а также для увеличения
износостойкости металлорежущего инструмента и деталей технологической
оснастки, используемых при изготовлении медицинского инструмента. ЭИЛ
позволяет увеличить срок службы медицинского и металлорежущего
инструмента в 2 – 4 раза.
В настоящее время наиболее широкое применение нашли технологические
процессы ЭИЛ с использованием ручных установок.
В данных установках электрод – инструмент крепится в
электромеханическом, ультразвуковом вибраторе или вращающейся головке,
перемещаемых в ручную. Наибольшее распространение при упрочнении
медицинского инструмента получили установки для ручного ЭИЛ: МП – ЭЛ –
2, “Элитрон - 21” и “Элитрон - 23”. Данные установки целесообразно
использовать для упрочнения инструмента, имеющего сложную конфигурацию
рабочих элементов. Для увеличения производительности процесса ЭИЛ,
улучшения качества упрочненных слоев необходима механизация и
автоматизация процесса. Типовым представителем механизированных
установок является установка для локального электроискрового нанесения
покрытий “ЭЛФА - -512”, используем так называемый метод ЛЕН, основанный
на автоматическом поддерживании постоянного зазора между электродами.
Установка “ЭЛФА - -512” обычно используется для упрочнения
металлорежущего инструмента и деталей технологической оснастки.
2. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ
УСТАНОВКИ
Установку для ручного электроискрового легирования можно представить
в виде функциональной схемы (рис.1), показывающей функциональные блоки
эродирующих импульсов БЭИ и питания вибратора БПВ для электроискрового
легирования и связь между ними.
БЭИ
В
Ф
ЭГ
ГЭИ
БУ
В
Ф
ГПВ
БПВ
ОВ
Рис.1 Функциональная блок-схема источников питания для ЭИЛ.
В – выпрямитель
Ф – фильтр
ГЭИ – генератор эродирующих импульсов
ГПВ – генератор питания вибратора
ЭП – эрозионный промежуток
БУ – блок управления
ОВ – обмотка вибровозбудителя
Генератор импульсов (рис.2) выполнен на двухтактной схеме (заряд –
разряд конденсаторов) с разделением искрового промежутка от источника,
питающегося за счет тиристоров, введенных в зарядную цепь конденсатора.
Работа источника осуществляется в такой последовательности: от блока
управления БУ управляющий сигнал подается на тиристоры Т1 – Т3, запускает
тот из них, напряжение на котором в момент поступления управляющего
сигнала наибольшее и положительное относительно катода эрозионного
промежутка. Через открытый тиристор заряжается конденсатор С1, а после
заряда его до источника питающего напряжения (напряжение подключенной
фазы) тиристор отключается. Вовремя заряда конденсатора эрозионный
промежуток разомкнут, а электрод находится в крайнем верхнем положении.
Далее вибратор приближает электрод к деталям, а от БУ управляющий сигнал
подается на Т4 и конденсатор разряжается на эрозионный промежуток ЭИ. На
этом период генерирования импульса тока заканчивается. Синхронизация
работы генератора эродирующих импульсов и движения электрода
осуществляется БУ путем одновременного управления генератором
эродирующих импульсов и питания вибраторов.
БУ
А
В
С
Т1 –Т3
Т4
С
ЭП
О
Рис.2 Принципиальная схема генераторов импульсов со скрытым звеном
постоянного тока.
При механизированном ЭИЛ перемещение детали Д относительно
электрода-инструмента ЭИ осуществляется с помощью электродвигателей ЭД,
которые могут управляться по программе от ЭВМ (рис.3). Постоянный зазор
между деталью и электродом-инструментом поддерживается механизмом
перемещения МП через управляющую следующую систему (УСС). Вращение
электрода осуществляется устройством вращения (УВ).
ЭВМ
УСС
МП
УВ
ЭИ
ЭД
ГЭИ
Д
ЭД
Рис.3 Схема механизированного ЭИЛ.
3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ МП – ЭЛ – 2
Установка, рис.4, состоит из блока питания 1, электромагнитного
вибратора с электродом 6 и контактной пластины 4. Контактная пластина
позволяет осуществить токоподвод к ремонтируемой детали 3, закрепленной в
слесарных тисках 5.
Блок питания предназначен для генерирования обрабатывающих
импульсов тока, регулирования и контроля электрических параметров
процесса. Блок питания выполнен в виде шасси, совмещенного с панелью
управления, и корпуса. На шасси, панели размещены электрические элементы
блока питания, амперметр 8 и переключатель режимов 8. В корпусе
расположены отсек для хранения вибратора, шнура питания и контактной
пластины. В задней стенке корпуса выполнены отверстия для колодки шнура
питания и клеммы заземления 9. Вибратор (рис.5) является ответственным
узлом установки и предназначен для коммутирования разрядной цепи
вибрирующим электродом и регулирования процесса обработки. Его
нормальная работа обеспечивает оптимальную производительность при
хорошем качестве обработанной поверхности изделия.
Принцип действия вибратора заключается в следующем. При прохождении
тока через его катушку 3 подвижный якорь 4 притягивается к сердечнику 2,
сжимая пружину 7. В момент прекращения тока пружина отжимает якорь от
магнитопровода. Таким образом, подвижный якорь 4 и электродержатель 5 с
закрепленным в нем электродом, совершает колебательное движение
относительно неподвижного магнитопровода. Сила натяжения пружины
изменяется с помощью Виета 8 и гаек 10, 11 и шайбой 12. Величина амплитуды
вибрации регулируется изменением магнитного
потока в магнитопроводе. Это осуществляется перемещением среднего стержня
сердечника с помощью регулировочного винта 9.
При работе установки электрод и электрододержатель сильно нагреваются.
Для защиты механизма вибратора от перегрева подвижный якорь изолирован от
электрододержателя асбестоцементными втулками 13. Сплетенный из тонких
медных проволок провод 6 обеспечивает связь с блоком питания, а также отвод
и рассеивание тепла электрододержателя. Вибратор подключается к блоку
питания при помощи кабеля 14 с разъемом 15.
Во время обработки вибрирующий электрод вместе с корпусом 1
вибратора перемещают по поверхности изделия, в результате чего на нее
наносится слой материала, близкого по своим механическим свойствам
материала электрода. Толщина нанесенного слоя и его качества зависят от
режима обработки.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Подключите вибратор к блоку питания.
2. Взвесьте образец на весах и закрепите его в тисках с медными
губками, соединенными с контактной пластиной.
3. Закрепите электрод в электрододержателе вибратора.
4. Включите установку в сеть.
5. Убедитесь в исправной работе узла автоматического разряда
накопительных конденсаторов, для чего подключите вольтметр
постоянного тока к электрододержателю вибратора и контактной
пластине (“+” на электрододержателе). Установите переключатель
“режимы” 6-ой режим обработки. Включите установку тумблером
“сеть”. Коснитесь электродом обрабатываемого изделия. В первое
мгновение вольтметр должен показывать 100 – 150 В, затем
напряжение в течение 1,5 сек. падает до 24 В. В противном случае
установка не допускается эксплуатации до выявления и устранения
дефекта.
6. Отрегулируйте работу вибратора. Прижмите электрод к поверхности
изделия и по показанию амперметра убедитесь в том, что через
электрод протекает ток короткого замыкания, соответствующий
указанному в табл.1. Ослабьте нажим на вибратор так, чтобы якорь
вибратора вибрировал. Рабочий ток должен соответствовать
значениям указанным в табл.1. При несоответствии нужно
отрегулировать амплитуду вибрации регулировочным винтом 9
(рис.5). Увеличение амплитуды вибрации при сохранении
неизменным усилием нажима на вибратор приводит к уменьшению
рабочего тока.
7. Наденьте защитные очки и включите местное освещение.
8. Прикоснитесь электродом к обрабатываемой поверхности изделия
круговыми или возвратно-поступательными движениями со
скоростью 1 – 3 см/с, не изменяя при этом силу нажатия на вибратор.
Не допускайте более 4-х проходов электродом по одному и тому же
месту обрабатываемой поверхности изделия.
9. При легировании на 5 и 6 режимах для охлаждения электрода
делаются перерывы (3 – 5 с) через каждые 20 – 30 сек. работы.
Сечение электрода для этих режимов должно быть не менее 30 мм2.
10.Сравните легированную поверхность изделия с поверхностью
эталона, прилагаемой к установке. Проверьте качество поверхности,
используя лупу с 10 кратным увеличением. При необходимости
продолжайте легирование.
11.Выключите в конце работы установку тумблером “сеть”.
12.Заполните табл.2 по результатам работы и определите толщину
нанесенного слоя из пропорции между массой и объемом.
Таблица 1
ЗНАЧЕНИЕ ТОКА И ВЫБОР РЕЖИМА
№
режима
1
2
3
4
5
6
Ток, А
Короткого замыкания
3,2 – 3,8
3,3 – 4,2
4,2 – 4,7
3,9 – 4,7
3,8 – 4,5
4,2 – 4,7
Рабочий
0,8 – 1,2
1,2 – 1,5
1,5 – 2,0
2,0 – 2,5
2,0 – 2,5
2,2 – 2,8
Таблица 2
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
№№
ПП
Прирост массы
образца, г
Площадь
поверхности, см2
Толщина
покрытия, мкм
В анализе результатов укажите: материал электрода, материал образца,
время легирования, ток короткого замыкания.
Пример пропорции для определения толщины покрытия (без учета его
пористости) “Х” – 10 мкм в случае прироста массы образца на 0,050 г.
Материал электрода – твердый сплав ВК – 15, плотность его 14 г/см3 (см.табл. в
приложении), площадь поверхности – 3 см2:
1 см3 – 14 г/см3
Х см ∙ 3 см2 – 0,050 г
Примечание: 1. Полученные результаты рекомендуются обрабатывать
методами статистической статистики.
2. При неправильном проведении процесса (большая
длительность) может наблюдаться убыль образца.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дазаренко Н.И. “Электроискровое легирование металлических
поверхностей”. – М.: Машиностроение, 1976, 44с.
2. Фурсов С.П., Пармонов А.М., Добында Н.В., Семенчук А.В.
“Источники питания для электроискрового легирования”. Кишинев.:
“Штиинца”, 1983, 140с.
3. Установка для электроискрового легирования МП – ЭЛ – 2.
Руководство по эксплуатации. Кишинев, 1985, 20с.
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Студенты к обслуживанию и работе на установке допускаются
только в присутствии лаборанта, изучив предварительно инструкцию
установки и пройдя инструктаж по технике безопасности (№929 от
16.03.95г).
2. Установка должна быть заземлена.
3. Работать можно только на исправной установке.
4. В установке применяются только калиброванные плавкие
предохранители.
5. Под ногами работающего должен находиться резиновый коврик.
6. Работать можно только в очках с защитными стеклами. При
кратковременной работе на 1 – 3 режимах допускается работа в
очках с обычными бесцветными стеклами.
7. Запрещается касаться во время работы токопровода и
электрододержателя вибратора.
8. Не допускается класть во время работы установки вибратор на
корпус.
9. Нельзя хранить в близи установки горючие легко воспламеняющиеся
материалы (смазочные масла, лаки, спирты, бензин и др.).
Приложение
ПЛОТНОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ, г/см3
Материал
Сталь
Чугун
Медь
Алюминий
Бронза
Вольфрам
Твердый сплав:
ВК8
ВК15
Т15К6
Т30К4
Сормайт
Плотность
7,8
7,2
8,9
2,7
8,8
14,8
14,0
11,3
9,6
7,4