автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование процессов восстановления и упрочнения матриц для прессования панелей из алюминиевых сплавов методом электроискрового легирования

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ литературных данных и постановка задачи исследования

1.1. Принципиальная схема процесса ЭИЛ.

1.2. Модель процесса ЭИЛ А.Д. Верхотурова.

1.3. Оборудование и электродные материалы процесса ЭИЛ.

1.4. Эрозия материалов электродов при электроискровом легировании.

1.5. Формирование измененного поверхностного слоя при ЭИЛ.

1.6. Физико-химические свойства легированного слоя.

1.7. Обоснование выбора метода ЭИЛ. Постановка задачи исследования.

1.8. Структурно-логическая схема решения поставленной задачи.

ГЛАВА 2. Методика исследований, оборудование и материалы.

2.1 .Оборудование и методики используемые при ЭИЛ.

2.2.Используемые материалы.

2.3. Исследование эрозии электродов и исследование массы катода.

2.4. Методика эксперимента по определению прочности сцепления покрытия с основой.

2.5. Оборудование для фазового и химического анализа.

2.6. Исследование покрытий на жаростойкость.

2.7. Методика исследования износостойкости.

2.8. Испытание покрытий на газоабразивное изнашивание.

2.9. Исследование макроструктуры легированного слоя.

2.10. Металлографический анализ микроструктуры легированного слоя.

2.11. Определение сплошности покрытия после искровой обработки.

2.12. Методы обработки полученных данных.

ГЛАВА 3. Исследование зависимости эрозии анода и процесса формирования ЛС, при однослойном легировании штамповой стали

4Х5В2ФС.

3.1. Технология прессования панелей из алюминиевых сплавов.

3.2. Требования к легированному слою матриц. Подбор электродных материалов для исследований.

3.3. Исследование эрозии материала анода в зависимости от его состава, структуры, времени и режимов легирования.

3.3.1. Исследование эрозии электродного материала

11Х15Н25М6АГ2, ВК6М, Ni, Cr, Т5К10, Ti, W, WCrl4, WNi28.

3.3.2. Анализ и обобщение экспериментальных данных по эрозии материала анода.

Выводы.

3.4. Исследование процесса формирования JIC на подложках из штамповой стали 4Х5В2ФС никелем, хромом, сплавом 11Х15Н25М6АГ2, твердыми сплавами ВК6М, Т5К10.

Выводы.

ГЛАВА 4. Исследование формирования многослойного легирования штамповой стали 4Х5В2ФС.

4.1. Обоснование целесообразности трехслойного легирования.

4.2. Структурная модель процесса образования многослойного покрытия.

4.3.Исследование процесса формирования ИПС при многослойном легировании.

4.4. Обобщенная схема процесса ЭИЛ при формировании трехслойного покрытия.

4.5. Требования к электродным материалам при формировании моно- и многослойных покрытий.

4.6. Алгоритм формирования многослойных покрытий методом ЭИЛ.

4.7. Исследование макро- и микроструктуры, фазового состава ЛС многослойного покрытия.

4.8. Анализ распределения химических элементов в поверхностных слоях образцов из штамповой стали 4Х5В2ФС.

4.8.1. Распределение химических элементов в образованных при ЭИЛ покрытиях.

Создание современных машин и механизмов, работающих в условиях высоких скоростей, нагрузок и температур, а также в условиях абразивного, коррозионного и других видов воздействия рабочих сред, ставит перед исследователями новые более сложные задачи по повышению долговечности и надежности деталей машин. Одно из основных направлений развития отечественной промышленности - создание высокопрочных конструкций минимального веса, т.е. конструкций, обладающих максимальной удельной прочностью. Важнейшим видом таких изделий являются монолитные ребристые панели, представляющие собой сочетание обшивки с элементами жесткости.

Прессовым инструментом для производства этих панелей служат матрицы, изготовляемые из дорогостоящих штамповых сталей, таких как 4Х5В2ФС и других, себестоимость которых иногда составляет до 25% себестоимости выпуска производимой продукции. При достижении износа рабочих поверхностей 0,2-0,5 мм матрицы бракуются, так как износ рабочих поверхностей приводит к выпуску нестандартной продукции (увеличению веса, изменению геометрических форм панелей) и перерасходу алюминиевого сырья. Поэтому решение задачи восстановления и упрочнения изношенных поверхностей матриц позволит существенно снизить себестоимость производства алюминиевых панелей.

В настоящее время наука и техника располагают более 150 методов поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов и нанесения на них защитных покрытий, однако, практические и теоретические основы восстановления и упрочнения штамповой оснастки не разработаны. Даже, такие эффективные способы упрочнения поверхностей деталей, как плазменное поверхностное упрочнение, диффузионное хромирование и борирование, сульфоциани-рование и азотирование, не нашли применения при восстановлении и последующем упрочнении рабочих поверхностей матриц для производства алюминиевых конструкций сложного профиля по ряду причин: сложность осуществления технологических операций и дороговизна оборудования, искажение формы и изменение внутренней структуры приводящее к ухудшению качества поверхностных слоев детали и браку, малая толщина наносимого слоя, низкая сцепляемость нанесенного материала с материалом основы, другие факторы.

Перспективным является электроискровое легирование (ЭИЛ), способ, позво ляющий восстанавливать и упрочнять изношенные рабочие поверхности детале путем формирования измененного поверхностного слоя (ИПС) в строго указан ных местах, радиусом несколько долей мм, а необходимое оборудование относи тельно дешево, просто, надежно, малогабаритно и транспортабельно.

Изобретен этот способ российскими учеными Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лаза-ренко.

К основным достоинствам метода ЭИЛ относятся: 1. Высокая прочность сцепления нанесенного материала с материалом основы. 2. Отсутствие нагрева детали в процессе обработки. 3. Возможность нанесения на обрабатываемую поверхность компактным электродом различной конфигурации любых токо-проводящих материалов. 4. Низкая энергоемкость процесса. 5.Простота осуществления технологических операций, малые габариты и надежность оборудования ЭИЛ.

В настоящее время метод ЭИЛ используется для: - увеличения твердости, коррозионной стойкости, а также износо- и жаростойкости; - снижения способности к схватывание поверхностей при трении; - восстановления размеров инструмента, деталей машин и механизмов; - изменения электрических свойств контактирующих элементов поверхности; - проведения на обрабатываемой поверхности микрометаллургических процессов для образования на ней необходимых химических соединений; - создания на рабочей поверхности переходных слоев определенной шероховатости; - нанесения радиоактивных изотопов; - применения в декоративном, искусстве. Несмотря на некоторые недостатки: малую толщину формируемого слоя (< 0,1 - 0,2 мм); высокую шероховатость и пористость; относительно низкую у производительность обработки (< 10 -20 см /мин); невозможность использования нетокопроводящих материалов и т.д.), - этот процесс, получив в последние годы дальнейшее развитие, все больше привлекает внимание исследователей и все шире применяется в различных сферах производства [56].

Описание закономерностей формирования легированного слоя (J1C) при ЭИЛ связано с крайней сложностью теоретических основ физико-химических, тепловых, термомеханических, гидродинамических явлений, происходящих при ЭИЛ в рабочей зоне электрод - деталь. Исследования Б.Р. и Н.И. Лазаренко, Г.В. Самсонова и А.Д. Верхотурова, других ученых в области технологии ЭИЛ и электродного материаловедения носили разрозненный, несистематичный характер, не были комплексно разработаны технология ЭИЛ и критерии выбора, создания электродных материалов. Поэтому в настоящей работе проведены исследования восстановления и упрочнения изношенных поверхностей матриц, получения толстослойных (до 1мм) жаростойких и износостойких покрытий. При исследовании возможных вариантов используемых материалов анода учитывается взаимосвязь: состав - структура - свойства материалов, технологические режимы и процессы протекающие в рабочем слое матрицы при эксплуатации. Исследования проводились с 1996 по 2000г.г. в Институте Материаловедения ХНЦ ДВО РАН по заданиям Президиума Дальневосточного отделения РАН.

Цель исследования

Целью настоящей работы являлось исследование процесса формирования многослойного покрытия толщиной более 0,2 мм методом ЭИЛ для повышения эксплуатационных свойств и разработка технологического процесса восстановления и упрочнения рабочих поверхностей матриц из штамповой стали 4Х5В2ФС.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1. Проанализировать и обобщить экспериментальные и теоретические данные по эрозии материала электрода (анода), формированию ИПС и его свойств.

2. Исследовать взаимосвязь состава, структуры и свойств материала электродов и параметров технологического процесса ЭИЛ рабочих поверхностей матриц с физико-химическими и эксплуатационными характеристиками ИПС.

3. Разработать принципы подбора электродных материалов, исследовать макро- и микроструктуру, фазовый и химический состав ИПС, определить оптимальные параметры процесса ЭИЛ при формировании многослойных покрытий.

Научная новизна работы

1. Предложен новый критерий выбора электродов для ЭИЛ, согласно которому для формирования толстослойных покрытий электродный материал должен обладать способностью образовывать с материалом основы не только неограниченные твердые растворы, но и иметь коррозионную стойкость в условиях высоких температур. Этому условию удовлетворяют жаропрочные хромо - никелевые стали аустенитного класса.

2. Предложен способ восстановления и упрочнения матриц из штамповой стали 4Х5В2ФС для горячего прессования, заключающийся в формировании трехслойных покрытий 11Х15Н25М6АГ2+ВК6М+Сг толщиною до 1,0 мм, учитывающий влияния параметров технологического процесса ЭИЛ и химического состава электродов и обеспечивающий в условиях воздействия температур о до 600 С повышение износостойкости рабочих поверхностей в 2 раза.

3. Предлагается границу окончания процесса ЭИЛ при формировании покрытия оценивать по величине Wnr, соответствующей максимуму эффективности использования приведенной энергии Ymax=EAKnr/Wnr.

4. Предложенные коэффициенты Ai в уравнении регрессии изменения фазового состава продуктов эрозии анода и в уравнении формирования ИПС, определяемые экспериментально, могут быть использованы для выбора электродных материалов, вместо параметра DM при ЭИЛ сталей и сплавов.

Практическая значимость работы

1. Разработан и внедрен на Хабаровском заводе строительных алюминиевых конструкций (ХЗСАК) технологический процесс восстановления и упрочнения методом ЭИЛ рабочих поверхностей матриц, изготовленных из штамповых сталей 4Х5В2ФС для прессования панелей из алюминиевых сплавов.

2. Данная технология применима для восстановления и упрочнения изношенных рабочих поверхностей и для других инструментов и деталей, работающих в условиях повышенного износа и высоких температур.

На защиту выносятся

1. Способ получения толстослойных и жаростойких покрытий, заключающийся в выборе материала электродов, имеющих элементы, которые образуют с материалом катода неограниченные твердые растворы и имеют высокую коррозионную стойкость в условиях высоких температур.

2. Способ восстановления и упрочнения деталей методом ЭИЛ, заключающийся в формировании трехслойного покрытия, отличающийся тем, что для формирования первого слоя используется хромо-никелевый коррозионно-стойкий сплав 11Х15Н25М6АГ2, для второго слоя-твердый сплав ВК6М, а для формирования третьего-хром.

3. Результаты исследования физико-химических свойств материала анода и катода, характеристик ЛС, их взаимосвязи с эксплуатационными свойствами сформированного покрытия.

4. Дополнительные научные данные по принципу подбора электродных материалов для ЭИЛ, обеспечивающие высококачественный ИПС толщиной до 1,0 мм.

Автор выражает глубокую благодарность второму своему научному руководителю, заслуженному изобретателю РФ, кандидату технических наук, доценту Мулину Юрию Ивановичу за оказанную помощь в постановке задач исследования и экспериментов, за консультации при написании и представлении диссертационной работы к защите.

Основные выводы по главе 5

1. Повышение действительных напряжений среза покрытий сформированных методом ЭИЛ по сравнению с допускаемыми для чистых материалов обеспечивающее тем самым высокую прочность сцепления покрытия с основой объясняется действием на поверхности катода микрометаллургических и диффузионных процессов.

2. За счет формирования многослойных покрытий можно повысить стойкость поверхности к газоабразивному изнашиванию и на износ при трении без смазки.

3. Покрытие состава 11Х15Н25М6АГ2+ВК6М+Сг обеспечивает защиту рабочих поверхностей матриц из штамповой стали 4Х5В2ФС от обезуглероживания и окисо ления в пределах эксплуатационных температур до 550 С.

4. Разработанная технология восстановления и упрочнения рабочих поверхностей матриц состоящая в формировании 3-х слойного покрытия 11Х15Н25М6АГ2+ВК6М+Сг применима также и для других деталей машин и ино струментов работающих в условиях повышенного износа и температур до 600 С.

1. Наибольшую толщину покрытия обеспечивают электродные материалы, у которых процентное содержание частиц жидкой фазы в продуктах эрозии при формировании J1C имеет максимальное значение при величине плотности тока не менее i=7 А/мм в и частоте следования импульсов Й500 Гц в процессе ЭИЛ.

2. Для формирования жаро-износостойких покрытий необходимо в качестве электродных материалов для формирования первого слоя использовать сложнолегированные сплавы с содержанием хрома не менее 17 %, никеля -13 %.

3. Формирование трехслойных покрытий при ЭИЛ электродами 11Х15Н25М6АГ2+ВК6М+Сг выполнении зачистки шероховатости ЛС алмазным надфилем позволяет увеличить толщину покрытия до 0,7-1,0 мм, обеспечить повышение износостойкости в 2,4 раза и защиту поверхностей о матриц из штамповой стали 4Х5В2ФС от воздействия температур до 600 С.

4. Математическое описание закономерности изменения содержания жидкой фазы в продуктах эрозии от величины приведенной энергии Wn,

P=A1+A2exp(-v1 • Wn) -A3exp(-v2-Wn) и экспериментальная зависимость величины массопереноса от относительных переменных EAK=aiZ+a2 Z2-a3 Z3, где Z ^Wn/Wnx позволяют выявить три основных группы составляющих факторов (явлений):

I - постоянные факторы зависящие от природы материалов данной пары электродов, определяемые слагаемыми А] и ai; II — факторы способствующие образованию жидкой фазы обусловливающие процесс изменения элементного и фазового состава, структуры сформированных поверхностных слоев, учитываемые соответственно коэффициентами А2 и а2, III - факторы способствующие уменьшению жидкой фазы и влияющие на ограничение толщины ЛС (образование дефектного слоя и дислокаций, оксидов и нитридов, внутренних напряжений) и учитываемые коэффициентами

А3 и аз.

1. Аксельрод Ф. А., Зайцев М. П. Контактная сварка. М.: Высшая школа. 1964.-464 с.

2. Абрамчук А.П., Беляков., Михайлов В.В. Триботехнические характеристики упрочняющих покрытий полученных на алюминиевом сплаве В95 порошковыми материалами // Электрон, обраб. материалов. -1989. №5.-С. 70-79.

3. Авсеевич О. И. О закономерностях эрозии при импульсных разрядах. В кн.: Физические основы электроискровой обработки материалов. М.: Наука. 1966.-С. 32-41.

4. Авсеевич О. И., Некрашевич И. Г. О закономерностях электрической эрозии бинарных сплавов системы медь цинк при импульсных разрядах. В кн.: Физические основы электроискровой обработки материалов. - М.: Наука. 1966. - С. 109-117.

5. Андрияхин В. М., Зверев С. Е., Чеканова Н. Г. Упрочнение стали У 10 лазерным излучением.—Автомоб. пром-сть, 1980, № 5, с. 28—29.

6. Айнбиндер С.Б. Холодная сварка металлов. Рига: Нзд-во АН Латвийской ССР. 1957.

7. Акишин А. И. Ионная бомбардировка в вакууме. М.: Госэнергоиздат. 1963.- 144 с.

8. Алов А. А. Основы теории процессов сварки и пайки. М.: Машиностроение. 1964.

9. Альбински К. Исследование эрозионной устойчивости рабочих электродов при электроискровой и электроимпульсной обработке. // Станки и инструменты. 1964. №7 С. 11-13.

10. Андреев В. И; Марозенко В. Н., Беда Н. И. и др. Электроискровое легирование деталей, работающих в условиях термоциклического нагружения. // Электрон, обраб. материалов. 1973. № 3. С. 24-25.

11. Антонов Б. Сущность, основные закономерности и группа установок для применения метода локального нанесения покрытий из металлов и12.