В большинстве современных машин износу подвергаются трущиеся поверхности сопрягаемых деталей (например, зубья шестерен редуктора, направляющие и ползуны, шейки коленчатых валов двигателей, внутренняя поверхность цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.), поэтому сопрягаемые трущиеся поверхности деталей должны быть более стойкими, чем вся деталь, к действию высоких температур, трению, коррозии и т. д.

 

Существуют различные способы поверхностного упрочнения деталей, повышения их коррозионной стойкости и снижения трения сопрягаемых трущихся поверхностей.

К ним относятся:

• поверхностная термическая обработка

• легирование поверхности детали наплавкой сплавов, отвечающих необходимым требованиям

• гальваническое нанесение на поверхность детали антикоррозийных покрытий и т. д.

 

Одним из способов легирования поверхности детали или ее элементов является электроискровое легирование, которое сопровождается различными физико-химическими превращениями поверхностного упрочненного слоя детали. Оно позволяет повысить износостойкость и твердость, жаростойкость, коррозионную стойкость поверхностей деталей и снизить их коэффициент трения, а также произвести ремонт и восстановить размеры изломанной детали, придав ее поверхностному слою новые свойства.

 

Сущность процесса электроискрового легирования заключается в переносе материала ЭИ, отвечающего определенным требованиям, на обрабатываемую поверхность детали искровым электрическим разрядом. Этот способ обеспечивает прочное сцепление вводимого легирующего материала с поверхностью детали; он прост в осуществлении.

 

При электроискровом легировании в качестве рабочей среды используется воздух или безокислительная газовая среда (аргон, гелий, водород). Расплавленные частицы анода, выброшенные в межэлектродное пространство, не выносятся рабочей средой, а осаждаются на поверхности катода. Как и всякий новый технологический процесс, электроискровое легирование имеет свои особенности, которые тщательно изучаются. Процесс электроискрового легирования можно представить в следующем виде.

 

Если к электродам, один из которых легируемая деталь (катод), а другой - легирующий металл (анод), приложить импульсное напряжение и свести электроды до появления искрового разряда, то между анодом и катодом потечет импульсный ток большой плотности. Вследствие этого в точке искрового разряда на поверхности электродов (преимущественно на аноде) металл разогревается и частично испаряется. Капли расплавленного металла с анода устремляются к поверхности катода под действием электромагнитного поля. После окончания действия импульса тока движение не прекращается и капли металла достигают поверхности катода. Достигнув поверхности катода, расплавленные частицы анода внедряются в расплавленную лунку на поверхности катода и смешиваются с металлом катода, а частично осаждаются на кромке лунки и привариваются к ней. Если перемещать анод по какой-то линии, то получим ряд лунок с измененным составом металла, т. е. с новыми сплавом и структурой. Чтобы получить сравнительно гладкую упрочненную поверхность, анод нужно перемещать относительно катода за время паузы между импульсами, которое по длительности равно ? 0,01с, не более чем на 1/4 диаметра лунки. В этом случае происходит необходимое перемешивание и взаимное проникновение расплавленного металла обоих электродов друг в друга и улучшение качества обработанной поверхности.

 

Помимо чисто механического перемешивания частиц расплавленного металла обоих электродов под действием высоких температур и давления, развивающихся в канале разряда, в поверхностных слоях электродов происходят и диффузионные процессы. Процесс легирования протекает в газообразной среде, поэтому расплавленные частицы на своем пути вступают во взаимодействие с этой средой и образуют упрочняющий слой, отличающийся своими физико-химическими свойствами от свойств легирующего и легируемого металлов.

Весьма ценным свойством электроискрового легирования является то, что оно обеспечивает очень прочную связь упрочненного слоя с легируемым металлом. Проведенные исследования упрочненных деталей при знакопеременных нагрузках и температурах показывают, что упрочненный слой не отслаивается даже в случае нанесения покрытия карбидными материалами (например, карбидом вольфрама или металлокерамическими сплавами). Это объясняется тем, что между упрочненным слоем и легируемым металлом есть диффузионная связь. Под диффузией понимается перемешивание или проникновение одного вещества в другое за счет теплового движения молекул контактируемых веществ.

 

В качестве легирующего материала используются различные карбидные и боридные соединения тугоплавких металлов, которые получают, как правило, металлокерамическим методом. Карбидные и боридные соединения имеют малую химическую активность, а поэтому при их применении не предъявляется высоких требований к рабочей среде. Они образуют хорошее покрытие, но со сравнительно плохим качеством поверхности, и поэтому детали, работающие на трение, необходимо шлифовать. Детали, легированные карбидами и боридами, обладают высокой износостойкостью и твердостью.

​

Для легирования реже применяются: вольфрам, молибден, рений и хром. Если необходимо на деталь или элементы детали нанести антифрикционный слой, который, снижая коэффициент трения поверхностей, увеличивает долговечность и надежность работы деталей, то для легирования применяют: олово, свинец, висмут, индий, графит. Эти материалы легко окисляются, а поэтому легирование производят в нейтральных газах.

Коррозионную стойкость детали можно повысить, произведя ее легирование графитом, кремнием, алюминием или феррохромом.

 

Технология электроискрового легирования

 

Технологические характеристики процесса электроискрового легирования, как и при ЭЭО, в значительной степени зависят от выбранных электрических режимов обработки, т. е. от величины энергии, выделяющейся в межэлектродном промежутке, и от частоты следования импульсов. Интенсивность процесса электроискрового легирования, т. е. количество материала, переносимого на обрабатываемую поверхность в единицу времени, находится в зависимости от сочетания качеств материалов электродов, а также легирующего и легируемого материалов.

​

Большое влияние на процесс легирования оказывает температура нагрева электродов, поэтому грубые режимы обработки с большой энергией в импульсе применяются в том случае, когда масса детали более 0,5 кг.

По подводимой энергии импульсов электроискровое легирование условно подразделяется на чистовое и грубое. Если необходимо получить высокое качество поверхности и наносимый слой невелик, то обработку ведут на чистовом режиме. Грубые режимы с большой энергией в импульсе применяют, когда допустима значительная шероховатость поверхности и легируемый материал не склонен к трещинообразованию, а химическая активность легирующего материала невелика.

 

Выбор режима легирования для различных сочетаний материалов производится опытным путем в зависимости от физико-химических требований, предъявляемых к обработанной поверхности, ее шероховатости, пористости, а также толщины нанесенного слоя. Стабильность процесса ручного легирования в значительной степени зависит от навыка оператора, так как установленный режим может быть легко нарушен неверным выбором давления легирующего электрода на деталь. Чтобы обеспечить стабильность процесса легирования, необходимо следить за величиной рабочего тока и поддерживать нажим легирующего электрода в заданных пределах. С увеличением энергии импульса (рабочего тока) растет толщина наносимого слоя, увеличивается глубина термического воздействия и ухудшается качество легированной поверхности, появляются прижоги, нарушается и сплошность нанесенного покрытия.

 

Толщина нанесенного слоя при электроискровом покрытии невелика и различна для различных сочетаний легируемого и легирующего материалов и для разных режимов покрытия. Она колеблется от единиц микрометров на чистовом режиме до 1-2 мм - на грубом.

 

Равномерность покрытия зависит от равномерности перемещения легирующего электрода по легируемой поверхности детали и стабильности протекания процесса легирования.

 

Под сплошностью (плотностью) слоя понимается отсутствие в упрочненном слое раковин и различных микропустот. Она снижается при неравномерном покрытии, при наличии на поверхности окисных пленок и значительной шероховатости упрочняемой поверхности. Шероховатость легируемой поверхности должна быть не более Rz = 6,3 мкм. При чистовом легировании обеспечивается высокая сплошность покрытия, а с увеличением энергии импульсов она уменьшается и увеличивается количество раковин.

 

Поверхности после легирования имеют ту же структуру, что и при ЭЭО. Шероховатость поверхности находится в зависимости от энергии импульсов и эрозионной стойкости легируемого и легирующего материала. Чем выше эрозионная стойкость материалов и меньше энергия импульсов, тем лучше качество обработанной поверхности. Минимальная шероховатость упрочненной поверхности находится в пределах Rz=2,5-4 мкм.

 

 

Практическое применение электроискрового легирования

 

По инструменту, оснастке и их восстановлению/ремонту: гильотины (пресс-ножницы), пилы по металлу (ленточные, маятниковые, Геллера, сегментные, ножовочные и пр.), любой длины и диаметра. Резцы токарные, строгальные из быстрореза, свёрла, фрезы, метчики, плашки, в т.ч. и для обрабатывающих центров. Резьбо-накатные ролики, фильеры, дорны, втулки направляющие, цанги, сухари. Матрицы и пуансоны на штампы вырубные, вытяжные и гибочные. Ударные, выпрямляющие и правильные устройства, зажимные, отрезные, навивальные, шаговые и подающие механизмы. Пресс-формы для цветного литья, с целью защиты литниковых каналов, радиусов, уклонов, толкателей, знаков (обработка не допускает появления разгарных сеток, облоя и подлива). Ножи всех типов и конфигураций. Лопатки турбин и насосов, экструдеров, шнеков, шпинделей. 

 

Восстановление мерительного инструмента. Локальное нанесение драгоценных металлов, создание адгезии на любых металлах, в т.ч. и на титане (кроме AL). Нанесение меди, серебра на контакты. Возможность снижения твёрдости (изменения режимов термообработки) в некоторых деталях из-за поводки в термических печах, или матриц и пуансонов в вырубных штампах для предотвращения сколов. Возможность замены марок стали на менее дорогие. Увеличение работы шеек валов, посадочных мест под подшипники, торцевых уплотнителей, золотниковых систем в гидравлике, эвольвент зуба шестерён, направляющих, шпоночных и сегментных соединений, натяжных и накатных валков, роликов. Увеличение срока работы трущихся поверхностей, создание фрикционных и антифрикционных свойств, нанесение твёрдой смазки: графита, бронзы, меди, латуни. Маркировка поверхности металла любой твердости.

При работе обработанного инструмента с нержавеющими, титановыми и цветными металлами не происходит “налипания”, инструмент не горит, дает возможность работать инструменту в местах сварочных соединений, где из-за присадок повышена твёрдость поверхности.

 

По деревообработке: пилы рамные, ленточные, круглые (до 1500 мм в диаметре), цепные, для ручной и машинной валки, шины цепных пил, звёздочки, фрезы любых конфигураций, ножи строгальные, фуговальные, рейсмусовые, обкорочные, для производства щепы, древесного шпона и цилиндровки брёвен и т.д..

 

По пластмассе и резине: пресс-формы (освобождение от облоя, подлива, упрочнение подвижных знаков и их посадочных мест), толкатели, литниковые каналы, экструдеры, фильеры, смесители, шнеки, ножи в дробилках, защита поверхности от царапин при сьёме резины, получение и восстановление шагрени на поверхности форм и т.д.

 

По бумажной и полиграфии: переставители, ножи круглые, резательные и рубительные, гибкие вырубные штампы, детали машин, механизмов, цилиндры и т.д.

 

По пищевой и мясной: формы, ножи любые: по упаковке,полиэтилену,гофре и фольге, дозаторные, обвалочные, кутторные, на блокорезы и обрезки петли, ножи и сетки волчков, матрицы и пуансоны клипсаторов, при изготовлении металлической банки, измельчители, накладки (щёчки) вытеснителей. 

 

По стекольной и фарфоровой: ножницы для резки жидкого стекла, литьевые формы для изготовления стеклоизделий, держатели литьевых форм, переставители стеклотары, кулачки валов, синхронизаторы, формирующие ролики, держаки, резцы для резки стекла и фарфора