автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Поверхностное упрочнение инструментальных и конструкционных материалов комбинированными методами обработки

. -....... / , , /

-/ с л- //е.. / у .....

КУРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Серебровская Людмила Николаевна

Поверхностное упрочнение инструментальных и конструкционных материалов комбинированными методами обработки

Специальность 05.16.01 - «Металловедение и термическая

обработка металлов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: докт. техн.наук., профессор Гадалов В.Н.

Курск 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА! ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ И ИНСТРУМЕНТА ПРОМЫШЛЕННОГО И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

НАЗНАЧЕНИЯ 7

1.1 Электроискровая обработка 8

1.2 Электроискровое легирование (ЭИЛ) металлических поверхностей 9

1.3 Применение электрофизических способов обработки для

улучшения деталей сельскохозяйственной техники 18

1.4 Электроакустическое нанесение покрытий (ЭЛАН) 21

1.5 Комбинированные методы обработки 22

1.5.1 Способ упрочнения с обработкой холодом 22

1.5.2 ЭИЛ, ЭЛАН плюс алмазное выглаживание 24

1.5.3 Лазерная обработка литых жаропрочных никелевых

сплавов и покрытий 25

1.6 Материалы для инструментов горячей обработки давлением 27

1.6.1 Основные требования, предъявляемые к штамповым материалам при горячем деформировании металлов

и сплавов 28

1.6.2 К выбору материала штампа 29

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ, УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО

УПРОЧНЕНИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 36

2.1 Объекты исследования 36

2.2 Установки для поверхностного упрочнения металлов

и сплавов 38

2.2.1 Установка «ЭЛФА-541» 38

2.2.2 Сведения по технологии ЭИЛ 40

2.2.3 Влияние технологических параметров ЭИЛ на качественные показатели поверхностного слоя 40

2.2.4 Установка «ЭЛАН-З» 42

2.2.5 К выбору материала электрода и технологических параметров электроакустического напыления 44

2.3 Методы исследования 46

2.3.1. Оптическая, электроискровая и растровая микроскопия 46

2.3.2 Рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы 47

2.3.3 Внутреннее трение 48

2.3.4 Испытания на жаростойкость и адгезию 49

2.3.5 Математические методы исследования 49

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ШТАМПОВОГО И

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА 50

3.1 К выбору материала электрода для ЭИЛ 50

3.2 Оптимизация технологии ЭИЛ 51

3.3 Комбинированная обработка (ЭИЛ + криогенная обработка инструментальных сталей) 56

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ И ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ. ЛАЗЕРНАЯ И ФИНИШНАЯ

ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТОВ 57

4.1 Особенности химического состава сплавов 59

4.2 Особенности структуры литейных жаропрочных сплавов 62

4.3 Характеристика сплава ЖСЗДК и его аналога с добавками диспрозия и гафния 64

4.4 Изучение кинетики процесса ЭЛАН и оптимизация параметров электроакустического напыления по эксплуатационным характеристикам 68

4.5 Информационное обеспечение технологических процессов формирования электроискровых и электроакустических композитов 74

4.6 Лазерная и финишная обработка сплава ЖСЗДК и композита (подложка сплав ЖСЗДК с электроакустическим покрытием из сплава ЖСЗДК с добавками диспрозия и гафния) 78

ГЛАВА V. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНЫХ МЕТАЛЛОФИЗИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ БАЗОВЫХ КОМПОЗИТОВ 79

5.1 Исследование композита (подложка сталь У7 с электроискровым покрытием ВК6М) 79

5.2 Исследование композита после комбинированной обработки (алмазное выглаживание электроискровых покрытий) 84

5.3 Исследование композита (подложка сплав ЖСЗДК с электроакустическим покрытием из сплава ЖСЗДК с добавками диспрозия и гафния) 85

5.4 Внутреннее трение композиционных материалов, полученных электроакустическим нанесением покрытий из жаропрочных литых сплавов

ЖСЗДК с добавками диспрозия и гафния 90

ВЫВОДЫ 94

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ 96

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 97

ПРИЛОЖЕНИЯ 114

ВВЕДЕНИЕ

В комплексе главных задач, поставленных рыночной экономикой, особое место принадлежит интенсификации как общественного, так и частного производства, его коренному технологическому перевооружению.

Решение этих задач невозможно без внедрения новейших достижений современной техники, высокоэффективных технологических процессов, построенных на базе гибких производственных систем (ГПС), существенного повышения качества изделий всех отраслей машиностроения. Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемой техники связаны с необходимостью повышения точности и надежности, долговечности и ресурса, которые в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами отдельных узлов и деталей (износостойкость, антифрикционные свойства, жаропрочность и жаростойкость, усталостная прочность, контактная жесткость, устойчивость к эррозионному воздействию и т.д.), которые в свою очередь зависят от состояния поверхностей и приповерхностных объемов рабочих участков деталей.

Использованием современных технологических методов и средств удается формировать требуемое условиями эксплуатации состояние поверхностного слоя, обеспечивая управление фазовым составом и структурой, твердостью и уровнем остаточных напряжений, микрогеометрией и прочее. Среди методов такого целенаправленного воздействия на поверхностный слой широкие перспективы имеют способы электроискрового легирования (ЭИЛ) и электроакустического напыления (ЭЛАН). Привлекательность этого метода обусловлена его универсальностью, технологической надежностью и стабильностью, локальностью, малым расходом энергии, отсутствием объемного нагрева материала, простотой автоматизации и «встраиваемости» в технологический процесс изготовления деталей.

В последние годы разработано оборудование, в том числе с числовым программным управлением, выполненным на микропроцессорной базе, существенно повышающее производительность, обеспечивающее формирование

сплошных, прочно связанных с подложкой слоев с заданными элементным составом и свойствами.

Успехи, достигнутые в данном направлении, позволяют с новых позиций рассмотреть технологические возможности и эффективность ЭИЛ и ЭЛАН. Сфера использования этих способов может быть расширена на ответственные детали, выполняющие свои функции в самых разнообразных условиях эксплуатации для обеспечения сопротивления износу, фреттинг-коррозии, эрозионной стойкости, жаропрочности, жаростойкости и прочее.

Для этого необходимо найти пути устранения таких недостатков электрофизического метода обработки, как снижение усталостной прочности, повышенная шероховатость, несплошность, микротрещины и другие дефекты. К таким путям могут быть отнесены: оптимизация режимов обработки, подбор материалов легирующих электродов, нанесение многослойных композиций, комбинирование с другими методами упрочнения, например, поверхностным пластическим деформированием, нанесением покрытий, лазерной обработкой, применением защитных средств и специальной подготовки поверхностей под легирование.

ГТЧ Ч-» V/

Таким образом, актуальной задачей современного машиностроения является разработка и исследование технологий комбинированных методов обработки инструментальных и конструкционных материалов, обеспечивающих поверхностное упрочнение, что позволит их использовать для повышения надежности и долговечности инструментального, прессового инструмента, а также конструкционных деталей и узлов различного назначения.

В связи с этим тема диссертации, посвященная поверхностному упрочнению инструмента, деталей и узлов различного назначения путем создания композиционных покрытий комбинированными методами обработки для повышения их эксплуатационных характеристик, является актуальной в научном и практическом плане.

ГЛАВАI

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ И ИНСТРУМЕНТА ПРОМЫШЛЕННОГО И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В условиях рыночного производства возросла необходимость использования электрофизических способов обработки металлов и сплавов, особенно инструментального назначения. Это связано с очень высоким ростом цен, поэтому очень важно для экономии металла и средств на его производство использовать различные методы повышения стойкости. В этом случае перспективно применение электроискрового способа обработки, открытого в середине 40-50 годов / 1 /.

За прошедшие годы появилась и развилась новая отрасль технологии ма-шино - и приборостроения, получившая название электротехнологии 121.

Появились новые виды и разновидности ее, основанные на различных физико-химических процессах энергетического воздействия на твердое тело, расширилась область их применения, увеличились масштабы внедрения.

Во многих случаях может быть использовано нанесение тугоплавких материалов на поверхности менее дефицитных и пластичных материалов. Такое сочетание пластичной основы и покрытия из высокопрочных, износостойких, но хрупких композиций позволяет создавать новые материалы с заданными свойствами.

Для упрочнения и нанесения защитных покрытий весьма перспективными являются электрофизические способы обработки материалов, основанные на использовании концентрированных потоков энергии, таких, как электронные и лазерные лучи, низкотемпературная плазма, импульсные разряды и т.д.

Известно применение следующих электрофизических способов и комбинированных методов обработки для повышения стойкости изделий:

1) электроискровая обработка металлов (ЭИО);

2) электроискровое легирование (ЭИЛ) и локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭН);

3) ЭИЛ, ЛЭН с обработкой холодом;

4) электроакустическое нанесение покрытия (ЭЛАН);

5) ЭЛАН с последующим алмазным выглаживанием.

1.1 Электроискровая обработка.

ЭИО, впервые предложенная Б.Р. и Н.И.Лазаренко /1,3/, основана на явлении разрушения металла (электрическая эрозия) и сильном кратковременном электрическом искровом разряде. Развивающиеся в узком канале высокие температуры вызывают плавление металла электродов и частичное его испарение. Применение жидкости в межэлектродном промежутке повышает переходное сопротивление искра-металл и способствует ускоренному протеканию процесса. В качестве рабочей жидкости применяют керосин или любые другие жидкости, не проводящие ток.

Если в качестве анода будет электрод-инструмент, а катод-деталь, то происходит упрочнение и наращивание металла на поверхности детали. Существуют конденсаторные и безконденсаторные схемы. При конденсаторной схеме искровые разряды возникают в момент разрядки конденсаторов при напряжении 100-150 В. Во втором случае периодическое возникновение искровых разрядов происходит благодаря возвратно-поступательному движению электрода-инструмента, препятствующего стабилизации электрического разряда. При возвратно-поступательном движении электрод-инструмент периодически прикасается к детали. Такой способ обработки называется контактным. Когда электрод-инструмент находится от детали с некоторым зазором, способ обработки называется бесконтактным.

Восстановление изношенных деталей наращиванием металла с одновременным упрочнением проводится при помощи конденсаторных установок, работающих контактным способом с электромагнитным вибратором. В данных установках электроинструментом является анод, а восстанавливаемая деталь -катод. Работа идет без применения рабочей жидкости.

1.2 Электроискровое легирование металлических поверхностей.

В общей классификации электрофизических способов ЭИЛ отнесено к электроискровой обработке с преимущественным разрушением материала анода и переносом продуктов эрозии на поверхность катода, сопровождающимся образованием поверхностного слоя измененной структуры и состава.

Сущность ЭИЛ заключается в обогащении легирующими элементами обрабатываемой поверхности в процессе контактного переноса материала электрода и последующего его проникновения в металл обрабатываемого изделия.

Процесс основан на использовании действия электрического импульсного разряда, проходящего между электродами, в результате которого наблюдается направленный выброс материала.

В процессе ЭИЛ в газовой среде возникает периодический электрический разряд, сопровождающийся мгновенным освобождением электрической энергии, резким возрастанием температуры канала искры и ионизации межэлектродного промежутка. В результате материал электрода разрушается по границам зерен за счет их расплавления и эти частицы перемещаются к поверхности обрабатываемого изделия.

При бомбардировке частицами твердого сплава в поверхностных слоях материала подложки развивается микропластическая деформация, приводящая к существенному измельчению размеров зерен подложки и образованию деформированного подслоя.

Благодаря значительной гамме материалов, которые можно использовать при ЭИЛ (возможно применение любых токопроводящих материалов), участию межэлектродной среды в процессе формирования поверхностных слоев, им можно в широких пределах изменять механические, термические, электрические, термоэмиссионные и другие свойства рабочих поверхностей деталей.

К основным особенностям ЭИЛ следует отнести локальную обработку поверхности (легирование можно осуществлять в строго указанных местах радиусом от долей миллиметра и более, не защищая при этом остальную поверх-

ность детали), высокую прочность сцепления нанесенного материала с основой, отсутствие нагрева детали в процессе обработки; возможность использования в качестве обрабатывающих материалов как чистых металлов, так и их сплавов, металлокерамических композиций, тугоплавких соединений и т.д.; диффузионное обогащение поверхности катода составными элементами анода без изменения размеров детали-катода; отсутствие необходимости специальной предварительной подготовки обрабатываемой поверхности.

Несмотря на некоторые недостатки: малую толщину формируемого слоя (0,1-0,2 мм), его высокую шероховатость и пористость, относительно низкую

л

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. Процесс ЭИЛ происходит по КС-схеме, а коммутация разрядной цепи осуществляется вибрацией анода с ручным вибратором.

В настоящее время выпускаются установки типа «ЭФИ», «Элитрон». Они имеют достаточно широкий диапазон по энергии разряда, их технологические характеристики отличаются друг от друга в зависимости от задач, для решения которых они созданы.

При ручном электроискровом легировании высокочастотный процесс не может полностью реализовать свои технологические возможности, так как коммутирующее устройство-вибратор из-за инерционности механических частей обеспечивает стабильность колебаний немногим более 100 Гц. Более интенсивное и качественное формирование слоев может быть обеспечено при больших частотах следования импульсов.

Удачное решение механизированного и автоматизированного высокочастотного ЭИЛ было предложено болгарскими специалистами, которые, отказавшись от вибрации электрода-инструмента, используют вращающийся со скоростью 600-4000 об/мин анод стержневого типа малого поперечного сечения (0,51 мм). При этом независимый генератор импульсов возбуждает искровые раз-

ряды между торцом вращающегося анода и обрабатываемой поверхностью. Длительность импульсов тока 2-3 мкс. Необходимый межэлектродный промежуток поддерживается автоматически с помощью следящих систем.

Принципиальное отличие метода ЛЭН от ЭИЛ в том, что процесс легирования происходит без контакта электродов.

Упрощенная модель ЭИЛ состоит в том, что при сближении электродов напряженность электрического поля увеличивается и на некотором расстоянии этого достаточно для возникновения искрового электрического разряда. Через возникающий сквозной канал сфокусированный пучок электронов падает на анод и передает свою кинетическую энергию поверхностному слою. В результате этого от анода отделяется капля расплавленного металла, которая движется к катоду, опережая движущийся анод. Отрываясь от анода, капля нагревается - закипает и «взрывается». Цепь прерывается, сжимающие усилия электромагнитного поля исчезают, а образовавшиеся частицы летят широким фронтом. Расплавленные частицы, достигнув катода, свариваются с ним и частично внедряются в его поверхность. Вслед за частицами движется электрод. Через раскаленные, лежащие на катоде частицы, проходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом движущейся массы анода. Механический удар по раскаленной массе материалов проковывает покрытие. В это же время между частицами и материалом катода возникают химические реакции