Электроискровое легирование

Принцип электроискрового легирования: электрические разряды вместо механики

Революционный метод нанесения покрытий

Электроискровое легирование (ЭИЛ) — это метод нанесения покрытий, который использует электрическую энергию вместо механического воздействия.

При ЭИЛ осуществляется воздействие на металлические поверхности в газовой среде короткими (до 1000 мкс) электрическими разрядами энергией от сотых долей до десятка и более джоулей и частотой обычно не более 1000 Гц.

Представьте: вместо того чтобы механически наносить покрытие, мы используем электрические искры. Это как сварка, но наоборот — не соединяем, а переносим материал с электрода на деталь.

Как работает электроискровое легирование

При периодическом контакте электрода А (анода), вибрирующего в межэлектродном промежутке (МЭП) с частотой f_a, с обрабатываемым изделием К (катодом) и его разрыве возникают электрические разряды, создаваемые генератором импульсов (ГИ).

Процесс формирования покрытия: от эрозии анода до диффузии

Пять стадий электроискрового легирования

В результате электроискрового воздействия происходит сложный комплекс процессов:

1. Разрушение материала электрода (анода) — идут процессы преимущественного разрушения материала электрода и образования вторичных структур в рабочей его части
2. Перенос продуктов эрозии — осуществляется перенос продуктов эрозии электрода на деталь (катод)
3. Микрометаллургические процессы — на поверхности обрабатываемого изделия протекают микрометаллургические процессы
4. Диффузия элементов — элементы материала электрода диффундируют в поверхностный слой изделия
5. Формирование нового рельефа — поверхность изделия приобретает новый специфичный рельеф

Образование измененного слоя

Образуется на поверхности изделия измененный слой, включающий:

• → белый слой
• → диффузионную зону
• → зону термического влияния

При этом изменяются свойства поверхностного слоя.

Формируется поверхностный слой мелкодисперсного состава, вплоть до наноуровня.

Происходит изменение размера изделия.

Структура измененного слоя: белый слой, диффузионная зона

Три зоны упрочнения

Измененный слой, образующийся при ЭИЛ, имеет сложную структуру:

Наноструктура покрытия

Формируется поверхностный слой мелкодисперсного состава, вплоть до наноуровня.

Это критически важно! Наноструктура обеспечивает:

• ★ повышенную твердость
• ★ износостойкость
• ★ жаростойкость
• ★ коррозионную стойкость

Таким образом, на поверхности детали образуется новый слой, которому придаются отличные от исходного состояния свойства в зависимости от:

1. Параметров искрового разряда
2. Состава электродного материала
3. Материала обрабатываемой детали
4. Других факторов

Эти свойства управляются в широких пределах и обеспечивают требуемые качества: повышенные микротвердость, износостойкость, жаростойкость и другие.

8 ключевых преимуществ метода ЭИЛ

Почему электроискровое легирование?

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

1. Локальное нанесение без защиты остальной поверхности

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

Это уникальное преимущество! Не нужно маскировать всю деталь. Хотите упрочнить только кромку инструмента? Пожалуйста!

2. Высокая адгезия покрытия

Высокая адгезия электроискрового покрытия с основным материалом.

Покрытие не отслаивается, потому что оно не просто на поверхности — оно диффундирует в материал основы.

3. Отсутствие нагрева и деформаций

Отсутствие нагрева и деформаций изделия в процессе обработки.

Это критично для прецизионных деталей. Не нужно потом править геометрию.

4. Широкий выбор электродных материалов

Возможность использования в качестве электродов большинства токопроводящих материалов как из чистых металлов, так и их сплавов, композиций.

5. Простота технологии

Сравнительная простота технологии, не требуется специальной предварительной обработки поверхности.

Не нужно травить, шлифовать, обезжиривать по высшему разряду. Очистил — и работай.

6. Надежность оборудования

Высокая надежность оборудования и простота его обслуживания, оно малогабаритное и ремонтопригодное.

7. Низкая энергоемкость

Низкая энергоемкость ручных и механизированных процессов ЭИЛ (0,3-2,0 кВт).

Это не промышленная печь, которая ест мегаватты. Это компактная установка, которую можно включить в обычную розетку.

8. Высокий коэффициент переноса

Высокий коэффициент переноса электродного материала (60-80%).

Локальное нанесение покрытий: точность до долей миллиметра

Прецизионное упрочнение

Одно из главных преимуществ ЭИЛ — возможность локального формирования покрытий в строго указанных местах радиусом от долей миллиметра и более.

При этом не нужно защищать остальную поверхность!

Где это применяется?

• → Упрочнение режущей кромки инструмента
• → Восстановление изношенных посадочных мест
• → Нанесение покрытия только на рабочие поверхности
• → Локальное упрочнение зон концентрации напряжений

Представьте: у вас есть дорогой инструмент. Износилась только кромка. Не нужно менять весь инструмент — упрочнили кромку, и он как новый.

Применение в машиностроении: инструменты, штампы, детали

Широкий спектр применения

Широкие технологические возможности и достоинства ЭИЛ являются основой его эффективного успешного применения в различных отраслях при:

• ✓ упрочнении объектов из металлических материалов
• ✓ восстановлении размеров, утраченных в процессе эксплуатации

Это в полной мере относится к машиностроительным предприятиям.

Упрочнение режущего инструмента

Здесь электроискровые технологии применяются для увеличения износостойкости режущих инструментов заготовительного и основного производства.

Упрочнение технологической оснастки

Различной технологической оснастки, включая штампы для:

1. Холодной обработки металлов
2. Горячей обработки металлов
3. Обработки неметаллических материалов

Упрочнение деталей машин

Деталей машин, работающих в условиях интенсивного износа.

Факторы износа и принципы упрочнения

Индивидуальный подход к каждому инструменту

При назначении технологии нанесения упрочняющих электроискровых покрытий и последующей обработки необходимо учитывать условия работы объектов упрочнения (инструментов, деталей), т.е. факторы, инициирующие изнашивание их рабочих поверхностей.

На примере инструментов для механической обработки металлов (резанием или давлением) можно выделить основные факторы износа и принципы увеличения износостойкости.

Эффективность упрочнения

Реализация такого подхода позволяет на практике увеличить срок службы инструментов и деталей в 2-6 раз и более.

При этом применительно к резанию металлов эффективность упрочнения режущих инструментов значительно повышается с ужесточением режимов резания.

Чем тяжелее условия работы — тем больше выгода от ЭИЛ!

Оборудование для ЭИЛ: отечественные и зарубежные установки

Ручные и механизированные установки

Нанесение электроискровых покрытий осуществляется в ручном или механизированном режимах на установках ЭИЛ.

На производстве применяются различные установки отечественного и зарубежного производства для решения широкого круга задач, в том числе на предприятиях машиностроения.

Условные обозначения применения:

Характеристики установок

Электродные материалы: от чистых металлов до композиций

Широкий выбор материалов

Возможность использования в качестве электродов большинства токопроводящих материалов как из чистых металлов, так и их сплавов, композиций.

Типы электродных материалов:

1. Чистые металлы:
   • Титан
   • Хром
   • Вольфрам
   • Молибден
2. Сплавы:
   • Твердые сплавы
   • Быстрорежущие стали
   • Специальные сплавы
3. Композиционные материалы:
   • Металлокерамика
   • Спеченные материалы
   • Нанокомпозиты

Подбор материала под задачу

Выбор электродного материала зависит от:

• → Требуемых свойств покрытия
• → Материала основы
• → Условий эксплуатации
• → Экономических факторов

Будущее электроискровой обработки: слова Лазаренко сбываются

Пророчество, ставшее реальностью

Широкое и эффективное использование в России и за рубежом электроискрового метода обработки металлических материалов подтверждает слова Бориса Романовича Лазаренко, сказанные им еще в 1947 году:

«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».

Прошло более 60 лет, и слова Лазаренко полностью сбылись!

Современное развитие

В настоящее время ГОСНИТИ Россельхозакадемии и другие разработчики в России и за рубежом ведут работы по:

1. Созданию новых технологий, в том числе комбинированных
2. Разработке нового промышленного оборудования для ЭИЛ
3. Созданию новых электродных материалов

Перспективы развития

Электроискровое легирование продолжает развиваться:

• ✓ Нанотехнологии в ЭИЛ
• ✓ Автоматизация процессов
• ✓ Новые композиционные электроды
• ✓ Гибридные технологии

Будущее уже наступило. И это будущее — за электрическими методами обработки!

к. т. н. В.И. Иванов
д.т.н. Ф.Х. Бурумкулов
ГОСНИТИ
Москва

Литература:

1. Авторское свидетельство № 70010 от 03.04.1943.
2. Лазаренко Н. И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976 г. – 44 с.
3. Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения инструментов и деталей машин. М.: Машгиз, 1961. – 303 с.
4. Самсонов Г.В., Верхотуров А.Д., Бовкун Г.А., Сычев В.С. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Киев, Наукова думка, 1976. – 220 с.
5. Гитлевич А.Е и др. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Кишинев: "Штиинца", 1985 г.
6. Бурумкулов Ф.Х., Сенин П.В., Лезин П.П., Иванов В.И., Величко С.А., Ионов П.А. Электроискровое легирование металлических поверхностей – Саранск, ИМЭ МГУ, 2004.