Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения невозможно без применения упрочняющих поверхность деталей технологий. В настоящее время наибольший интерес представляют электрофизические методы нанесения и упрочнения покрытий на металлических поверхностях с использованием концентрированных потоков энергии (лазерного, электронного, плазменного и др.). К числу такігх методов относится и технология получения покрытий путем электроискрового взаимодействия между анодом (обрабатывающим электродом) и катодом (деталью), называемая электроискровым легированием (ЭИЛ). Достоинства метода ЭИЛ - возможность нанесения на обрабатываемую поверхность компактным электродом токопроводящих материалов, высокая прочность сцепления наносимого слоя с материалом основы, низкая энергоемкость процесса, простота осуществления проводимых операций, улучшение физико-мехашгческих и химических свойств конструкционных материалов нанесением на их поверхность сплавов со специальными свойствами.
Традиционными материалами для электроискрового легирования являются тугоплавкие, дорогостоящие металлы и твердые металлокерамические сплавы на основе карбидов вольфрама и титана. Однако, они не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электродным материалам (ЭМ) для ЭИЛ в связи с высокой стоимостью и эрозионной стойкостью. В этой связи представляют большой практический интерес и перспективность работы школы А.Д. Верхотурова по созданию многокомпонентных металлических и керамических порошковых материалов с использованием минерального сырья (боро- и вольфрамсодержащего и др.) в качестве добавок к анодным материалам.
В литературе упоминается эффективность использования в качестве альтернативных анодных материалов низколегированных белых чугунов доэвтектического состава. Однако, это единичные работы, а систематические исследования перспективности применения белых чугунов с различным углеродным эквивалентом, в особенности комплексно-легированных, практически отсутствуют. В связи с этим перспективным направлением в области создания металлических покрытий на деталях из железоуглеродистых сплавов со специальными свойствами (жаростойкостью, коррозионностойкостью, износостойкостью и др.) может стать синтез комплексно-легированных белых чугунов в качестве ЭМ для ЭИЛ, обеспечивающих снижение их стоимости и повышение эксплуатационных свойств легированного слоя (ЛС). С этой целью в настоящей работе проведены систематические исследования по влиянию углеродного эквивалента и легирующих элементов (вольфрама, синтезированного из шеелитового концентрата, и хрома) для синтеза ЭМ из комплексно-легированных белых чугунов.
До настоящего времени среди исследователей нет единого мнения об условиях возникновения искры при ЭИЛ, зачастую, по - прежнему, в качестве схемы процесса приводится бесконтактная схема, присущая высоковольтному процессу, последний коренным образом отличается от рассматриваемого. Стабильность процесса, влияющая на качество слоя, наряду с другими факторами, определяется и исходной микроструктурой электродов. Последнее исследовано на однофазных электродных материалах, тогда как промышленные многофазные сплавы изучались недостаточно.
Цель работы. Разработка технологии синтеза анодных материалов из комплексно-легированных белых чугунов для повышения эксплуатационных свойств покрытия на стальных и чугунных деталях электроискровой обработкой.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование условий возникновения искрового разряда и влияния частоты и длительности воздействия импульсов генератора на площадь искрового следа и количество искровых импульсов, создание экспериментальной установки для их осуществления.
-
Установление взаимосвязи между исходными и трансформировавшимися в результате электроискрового воздействия микроструктурами электродных материалов и ее влияние на характер процесса.
-
Влияние размера зерна анодных материалов и энергии ЭИЛ на формирование и свойства покрытий.
-
Установление оптимальных температурных режимов отбора анодных материалов из жидкого состояния для улучшения параметров процесса ЭИЛ и разработка технологии их получения.
-
Изучение влияния углерода и легирующих элементов (W, Сг) на процесс структурообразования, фазовый состав, массоперенос, эрозионные свойства электродных материалов и разработка на этой основе технологии синтеза комплексно-легированных анодных материалов из белого чугуна.
-
Исследование влияния комплексного легирования анодного материла из белого чугуна вольфрамом и хромом на параметры процесса ЭИЛ и эксплутационные характеристики покрытий (коррозионностойкость, жаростойкость, износостойкость) на стальных и чугунных деталях.
Научная новизна работы.
-
Получено дополнительное экспериментальное подтверждение о контактном механизме начала возникновения искры при условии совпадения с импульсом генератора и определены факторы, сдерживающие повышение количество искровых импульсов.
-
Установлено, что эрозия и массоперенос электродных материалов, качество и свойства получаемых при ЭИЛ покрытий определяются размерами действительного зерна однофазных (Си, W, А1) и микроструктурой гетерофазных (типа стали и чугуна) анодных материалов,
5 а также выявлена определяющая роль микроструктурного фактора с уменьшением длительности воздействия искрового разряда.
-
Экспериментально доказан и научно обоснован выбор оптимальных температурных режимов отбора расплава (1380 ...14500С) для получения анодного материала из белых чугунов (доэвтектического, эвтектического и завэвтектшеского) для повышения параметров ЭИЛ (эрозия анода, массопереноса на катод, качество и свойства покрытий).
-
Выявлена и научно обоснована зависимость показателей ЭИЛ от содержания углерода в анодном материале, микроструктуры катода и типа применяемых для ЭИЛ установок с различной длительностью импульса в системе «Анод (сталь, чугун) - Катод (сталь, чугун) - Длительность импульса установки».
-
Установлено влияние хрома и вольфрама на процесс структурообразования, фазовый состав, микротвердость анодных материалов из белых чугунов с различным содержанием углерода, на эрозию и массоперенос электродов, а также на качество и свойства покрытий (окалиностойкость, износостойкость, коррозионостойкость).
-
Разработаны составы комплексно-легированных белых чугунов в качестве анодных материалов, позволяющие повысить параметров ЭИЛ и эксплуатационные свойства покрытий.
Автор защищает:
экспериментальную установку, позволяющую проводить
исследование условий возникновения искрового разряда от
перемещения анода и определить количество искровых импульсов
в зависимости от частоты генератора, а также выявить
закономерности изменения площади искрового следа от мощности
однократной искры;
результаты исследований по выбору оптимальных температурных
режимов изготовления анодных материалов и их влияния на
показатели ЭИЛ, качество и свойства покрытий;
экспериментальные результаты по обоснованию оптимальных
химических составов исходных чугунов, влиянию легирующих
элементов (W; Сг) и их комплекса на показатели ЭИЛ, качество и
свойства получаемых покрытий;
разработанные составы комплексно-легированных белых чугунов в
качестве анодных материалов для повышения показателей ЭИЛ,
качества покрытий и эксплутационных свойств (окалиностойкости,
износостойкости, коррозионностойкости) стальных и чугунных
изделий;
результаты опытно-промышленных испытаний деталей «форсунки
котлоагрегатов» котельного цеха ТЭЦ-2 г. Хабаровска,
подвергнутых ЭИЛ с применением электродных материалов из
комлексно-легированных белых чугунов.
Практическая значимость работы:
-
Создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать электрические параметры при ЭИЛ; полученные результаты по выявлению основных условий возникновению искры могут служить основой для усовершенствования имеющихся и использованы при создании новых установок для ЭИЛ.
-
Разработана технология производства ферровольфрама из местного минерального сырья - шеелитового концентрата Лермонтовского ГОК, который непосредственно использован в качестве электродов и легирующей присадки для получения анодных материалов из комплексно-легированных белых чугунов.
-
Предложенные составы комплексно-легированных белых чугунов в качестве анодных материалов при ЭИЛ позволяют повысить эксплутационные свойства покрытий и могут быть широко использованы для получения специальных свойств на поверхностях стальных и чугунных изделий.
-
Полученные электроды из комплексно-легированных белых чугунов эвтектического состава (3,5 мас.%Сг + 10,5 Mac.%W ; 10,5 мас%Сг +17,5 Mac.%W ; 21 мас.%Сг +17,5 Mac.%W) использованы для получения покрытий на форсунках котлоагрегатов котельного цеха ТЭЦ — 2 г. Хабаровска, что позволило увеличить жаро-и износостойкость в два раза по сравнению со стандартными форсунками.
-
Полученные экспериментальные материалы по упрочнению поверхностей деталей методом ЭИЛ внедрены в учебный процесс Хабаровского государственного технического университета и используются при чтении специальных разделов в курсах «Металловедение и термообработка» и «Специальные чугуны».
Работа выполнялась в рамках межрегиональной научно-технической программы «Дальний Восток России» (1997 - 1999г.г) «Синтез литейных и металлургических материалов на базе дальневосточного минерального сырья».
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Дальний Восток России" (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.), Российской конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва 1997 г.), конференции «Синергетика-98. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» г. Комсомольск-на-Амуре, 1998г.), международном симпозиуме «Первые Самсоновские чтения» (г. Хабаровск, 1998г.), международной научно-технической конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000г.)
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 работах, в том числе в тезисах и материалах докладов на научно-' технических конференциях, статьях в центральной печати.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка литературы и приложений. Материалы изложены на 175 страницах, содержат 40 таблиц, иллюстрированы 47 рисунками. Список литературы содержит 120 наименований.
