Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Нанесение толстослойных покрытий без нагрева деталей 8
1.1. Механизм электроэрозионного покрытия металлических поверхностей 8
1.2. Условия получения толстослойных покрытий электроэрозионным методом 15
1.3 Способы управления процессом 24
1.4 Свойства металлических слоев, наносимых электроэрозионным методом 31
1.5.Технологические режимы и процессы электроэрозионного нанесения толстостенных покрытий 64
Анализ состояния вопроса 70
Глава 2. Методика решения поставленных задач по получению многослойных качественных покрытий при восстановлении чугунных изделий 71
2.1. Рабочие гипотезы 71
2.2. Интеллектуальный задел 72
2.3. Экспериментальные установки и оснастка 79
2.4. Программа выполнения работы 83
Выводы 84
Глава 3. Механизм формирования многослойных бездефектных покрытий, наносимый на чугунные заготовки 85
3.1. Физическая модель механизма 85
3.2. Динамическая модель формирования покрытий 87
3.3. Математическое описание процесса 96
3.4. Подтверждение теоретических положений работы 94
3.5 Рекомендации по использованию теоретических зависимостей в технологии восстановления чугунных деталей 102
Выводы 104
Глава 4. Обоснование возможности использования при эксплуатации изделий многослойных покрытий, наносимых на чугун 106
4.1. Методы исследований слоя покрытий 106
4.2. Анализ качества покрытий 111
4.3. Обоснование количества наносимых слоев 117
4.4. Область преимущественного использования восстановленных деталей , 118
Выводы 122
Глава 5. Разработка режимов и технологии восстановления чугунных деталей 124
5.1.Режимы нанесения покрытий 124
5.2.Технология восстановления деталей 131
5.3. Рекомендации по нанесению покрытий по чугуну 134
5.4. Область использования и результаты внедрения процесса 137
Выводы 143
Основные результаты и выводы по работе 144
Список использованной литературы 146
Приложения 155
- Условия получения толстослойных покрытий электроэрозионным методом
- Экспериментальные установки и оснастка
- Математическое описание процесса
- Обоснование количества наносимых слоев
Введение к работе
Актуальность темы. Большинство базовых деталей в станкостроении,
сельскохозяйственном машиностроении, на транспорте и в других случаях
получают путем литья серого чугуна в песчаные формы. При этом возникают
местные недоливы, раковины, пустоты, которые требуется устранить, сохранив
структуру исходного материала без образования отбеленного чугуна. В
процессе эксплуатации литые чугунные детали изнашиваются и их
целесообразно восстановить без нагрева покрытия. Все известные способы
восстановления геометрии литых чугунных деталей не обеспечивают
стабильного получения требуемой структуры материала, не исключают
коробления изделий и потерю точности их профиля. Попытки применять для
восстановления формы электроэрозионную обработку дали
удовлетворительный результат только при толщине покрытия менее 0,4 мм, что в большинстве случаев не удовлетворяет потребностям производства. Увеличение толщины вызывает появление отбеленного слоя с развитой сеткой трещин, а многослойное наращивание слоев не позволяет обеспечить их надежного адгезионного соединения и сохранения исходной структуры материала. Кроме того, с увеличением количества слоев резко снижается скорость обработки, что делает электроэрозионный метод не рентабельным. Для создания технологии нанесения толстослойных слоев на серый чугун при восстановлении его геометрических размеров требуется разработать новый метод, устраняющий указанные недостатки. Такая проблема в технике не решена, хотя она и актуальна для промышленности.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением АТН РФ «Развитие новых высоких промышленных технологий на 2000-2010 годы» и одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Исследование процессов и средств технологического оснащения прогрессивных технологий» (ГБ 2004.15).
Целью данной работы является. Разработка режимов и технологии восстановления геометрической формы литых деталей из серого чугуна с получением качественных многослойных покрытий требуемой структуры. В процессе выполнения работы были решены следующие задачи:
1. Установление механизма образования слоев при электроэрозионном
нанесении покрытий различной толщины из различных сочетаний материалов.
Нахождение способов управления процессом нанесения толстостенных слоев с обеспечением заданных свойств.
Разработка режимов обработки, обеспечивающих получение покрытий с требуемыми свойствами и характеристиками.
Исследование свойств поверхностных слоев, нанесенных электроэрозионным методом при различных сочетаниях материалов с установлением граничных условий использования разработанных режимов.
Разработка типовых технологических процессов и средств технологического оснащения для нанесения качественных толстослойных покрытий на детали из чугуна.
Методы решения поставленных задач. В работе использовалась теория электроэрозионной обработки, металлографические исследования , положения теории проектирования качества поверхностного слоя, технологических процессов и их оптимизации, теория диффузии. Научная новизна работы включает:
Установление закономерностей нанесения слоев покрытий, отличающихся созданием различной температуры и свойств слоев на границах основного материала с первым слоем и между последующими слоями из-за образования зон со специфическими характеристиками.
Раскрытие и обоснование путей управления структурой слоев на исходной поверхности и между слоями, отличающиеся составом, использованием динамики перехода углерода в соседние слои, наносимые последовательно.
3. Раскрытие механизма управления режимами нанесения многослойных покрытий различными материалами, отличающийся возможностью управления составом и температурой процесса на границе слоев с обеспечением получения заданной структуры, толщины и качества покрытия. Практическая значимость включает:
методику проектирования режимов электроэрозионного нанесения чугунных многослойных покрытий с управляемыми свойствами и требуемого качества;
технологию электроэрозионного нанесения толстослойных покрытий, обеспечивающих требуемое качество, высокую адгезию между слоями и их получение, с возможностью сохранения на поверхности структуры серого чугуна без трещинообразования;
принципиальные схемы и требования к средствам технологического оснащения,и оборудованию для электроэрозионного нанесения покрытий. Личный вклад соискателя включает:
основные закономерности процесса электроэрозионного нанесения покрытий для получения первого и последующих качественных слоев чугунных покрытий на поверхности изделий из чугуна;
механизм диффузионного соединения слоев образующихся на границах наращиваемой поверхности и между последующими слоями, при обоснованном сочетании материалов по толщине покрытия;
новую схему нанесения покрытий путем управляемого нанесения металлов с перераспределением углерода до границ устраняющих появление отбеленного чугуна;
режимы многослойного электроэрозионного нанесения покрытий с регулированием границ их использования по критериям образования нежелательной структуры и трещинообразования;
рекомендации по созданию оборудования и средств технологического оснащения для реализации предложенного способа.
Апробация работы. Работа обсуждалась на международных, отраслевых и всероссийских конференциях: ППП-2007, Воронеж 2007; «Совершенствование производства поршневых двигателей для малой авиации», Воронеж, 2007; ССП-07, Воронеж, 2007; «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинныхх двигателей», Воронеж,2007; JSAA-2007, Диаборк, США; «Робототехника», Москва, 2007; ПС - 07, Гожув, Польша, 2007; «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки», Ростов н/Д, 2008; «Проектирование механизмов и подъемо-транспортных машин», Воронеж, 2008.; «Проблемы качества машин и их кокурентоспособности», Брянск,2008.
Использование результатов. Результаты работы используются при восстановлении геометрических размеров чугунных корпусных деталей на ПФК ВСЗ-Холдинг при ремонте оборудования и на ВМЗ. Эффект от внедрения составляет около 115 тысяч рублей.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ в т.ч. по перечню ВАК - 4. Личный вклад соискателя в [2] - обоснование структуры оборудования; [3] - процесс переноса тепла; [4] структура технологического процесса; [5] - процесс формирования покрытия; [б] - связь между слоями покрытия; [7] - пути получения слоев с заданными свойствами; [8] - роль рабочей среды при электрических методах обработки; [9] - методика расчета инструмента для импульсной обработки; [10] - анализ и пути получения слоя требуемого качества.
Структура и объем диссертации.
Работа содержит 158 страниц текста с приложением на 4 страницах, имеет 41 иллюстраций, 12 таблиц, список литературы из 94 источников.
Условия получения толстослойных покрытий электроэрозионным методом
Динамика формирования поверхностных слоев на катоде характеризуется тем, что интенсивность переноса материала анода на катод, максимальная в первые моменты проведения процесса, при последующей обработке уменьшается. В конечном итоге при определенных значениях энергия разряда перенос сменяется эрозией уже нанесенного слоя - привес катода становится отрицательным. Протекание конкурирующих процессов формирования и разрушения при преобладании последнего с увеличением времени обработки приводит к ограничению толщины формируемого слоя, а кривые заселенности привеса катода от времени обработки имеют максимум (рисунокі.3).
Обычно в диапазоне энергий разряда 0,1-3 Дж обработка 1 см поверхности в течение 0,5-2 мин дает максимальную или близкую к ней величину привеса катода. При большем времени обработки привес за единицу времени уменьшается и в последующие этапы обработки может периодически резко менять свою величину, причем эта величина может принимать и отрицательные значения. Зависимость суммарного и удельного привесов от времени обработки (рисунок 1.2-1.3) для материалов, значительно отличающихся по своим физико-химическим свойствам, имеет аналогичный характер. Это в первую очередь указывает на превалирующую роль в процессе формирования поверхностных слоев во времени физических явлений, обусловленных импульсным разрядом (эрозией полярного переноса, термоциклирования, термического напряжения т.д.).
Интенсивность переноса в первые минуты ЭИП при прочих равных условиях зависит как от свойств материала анода, так и катода. Естественно ожидать, что количественно привес катода будет связан с величиной эрозии анода. Следовательно, одним из факторов, определяющих интенсивность процесса ЭИП, может быть эрозионная стойкость материалов. Известно, что при размерной электроэрозионной обработке эрозионная стойкость определяется теплофизическими свойствами материала электродов. При ЭИП для большого количества материалов анода строгой связи между привесом катода и теплофизическими свойствами материала анода не наблюдается, хотя для отдельных групп материалов подобные корреляционные связи отмечаются. Учитывая большое число факторов, влияющих на процесс ЭИП, наиболее достоверные количественные данные, возможно, получить только экспериментальным путем для конкретных условий обработки.
При анализе влияния свойств материала катода на процесс формирования поверхностного слоя следует отметить три варианта зависимости у = f(t). В первом варианте кривые привеса носят обычный характер в соответствии с рисунком 1.2. В данном случае интенсивность привесов связывается с эрозионными свойствами материала катода.
Во втором варианте на ряде катодов на определенном этапе ЭИЛ отмечается отрицательный привес, который затем сменяется приростом массы катода. Например, при ЭИП титана металлами группы железа (Fe, Со, Ni) в любой из газовых сред на первом этапе обработки происходит интенсивная эрозия катода, затем этот процесс уменьшается, и дальнейшее легирование уже ведет к повышению привеса катода.
Если высокая активность взаимодействия исходного титана с разными металлами служит одной из причин превалирующей эрозии катода на первом этапе, то интенсивные физико-химические превращения (образование интерметаллидов, окислов, твердых растворов и т.п.) в поверхностном слое катода, приводящие к резкому изменению его свойств, могут объяснить дальнейший характер кривых привеса. В этом случае в процессе обработки на поверхности титана возникает своеобразный «подслой», на который в последующем идет перенос материала анода.
При ЭИП алюминия, магния и их сплавов, а также ряда легкоплавких металлов (в частности, Cd, Bi , Sb) отмечается третий вариант зависимости у = f(t), когда привес катода весь период обработки остается отрицательным. При легировании таких катодов их поверхности обычно покрываются эрозионными лунками и только в некоторых случаях на поверхности встречаются следы материала анода, расположенного на дне эрозионных лунок. Большая эрозия катода, интенсивное испарение и выброс жидкой фазы материала катода из зоны разряда (возможно уже с нанесенным материалом анода) не позволяют при обычных условиях сформировать рабочий слой на поверхности катода. Но даже в этом случае не исключается подбор материала электродов т.о. (например, для пар электродов железо-алюминий, никель-алюминий), что в процессе ЭИП формируется подслой, подобно тому, как это происходит при обработке титана, обеспечивающий в последующем положительный привес катода (на подслой возможно нанесение тугоплавких металлов, сплавов).
В зависимости от наносимого материала кривых эрозий анода могут иметь линейный (рисунок 1.3) или нелинейный характер. Твердые сплавы, тугоплавкие металлы и их соединения с углеродом, бором, азотом чаше всего имеют линейный характер зависимости эрозии анода от времени обработки, что объясняется относительным постоянством эрозионных свойств их поверхностей в течение всего периода ЭИП. Нелинейный характер эрозии анода, отмечаемый у материалов группы железа, платиновой группы, серебра, золота и ряда других металлов, в первую очередь связан с физико-химическими превращениями, протекающими в поверхностных слоях анода, подвергнутых воздействию разрядов.
Результаты опытов показали, что с увеличением энергии разряда интенсивность переноса возрастает, и максимум привеса катода достигается за более короткий промежуток времени (рисунок 1.3). Вместе с тем качество сформированных слоев при этом снижается - появляются поры, трещины, прижоги, неровности в виде бугров и т.д.
Для большинства материалов с увеличением энергии разряда наблюдается монотонный рост привеса катода. Например, несмотря на существенную разницу в свойствах, такой характер переноса наблюдается при использовании анода из твердого сплава и алюминия. Но встречается и немонотонный характер изменения привесов от энергии разряда. Для некоторых материалов при превышении определенней величины энергии разряда, например при Wu 3-5 Дж, привес катода становится меньше чем при малых значениях Wu. Такое явление может наблюдаться как для тугоплавких, хрупких материалов, так и для легкоплавких, пластичных. По-видимому, в этом случае основную роль начинают играть процессы на катоде (величина эрозии катода или уже сформированного слоя, термические напряжения и т.п.), когда большая энергия разряда создает менее благоприятные условия переноса и формирования слоя.
Экспериментальные установки и оснастка
Установка Рис.2.5 электроэрозионного упрочнения поверхностей «Элитрон-50» предназначена для повышения износостойкости новых и восстановления размеров изношенных деталей машин, упрочнения режущих инструментов и технологической оснастки.
«Элитрон-50» - передвижная установка, состоящая из генератора и ручных электромагнитных вибраторов.
Генератор предназначен для генерирования технологического тока, питания обмотки вибратора, контроля и управления технологическим процессом. Он выполнен в виде стойки (рис 2.5), в верхней части которой установлена панель управления І. В нижней части расположены два однотипных генератора импульсов тока 2 и 3. На панели I размещены элементы регулирования и контроля электрических параметров процесса.
На рисунке 2.6 приведен анализатор CS - 400, используемый для определения углерода в покрытии. Он сконструирован для измерений в широком диапазоне концентраций углерода и серы в металлах, рудах, керамике и других неограниченный, материалах. Анализ длится 40 сек, что обеспечивает быстрое получение результатов для лабораторий, заинтересованных в высокой производительности, с достаточной точностью. Дополнительный автоматический 20-типозиционнный загрузчик проб и устройство автоматической чистки печи обеспечивают полную автоматизацию процесса анализа с последующим снижением стоимости обслуживания прибора. Контроль за системой обеспечивается ЮМ совместимым компьютером дающим возможность работы с базой данных, статистической обработки результатов анализа, сохранения аналитических методов, диагностики прибора и передачи результатов на удаленный компьютер.
Величина заряда в импульсе оценивалась калориметрическим методом. Отсюда устанавливались реальные потери и коэффициент полезного действия процесса. В качестве образцов для исследований использовались серые чугуны СЧ21, СЧ24, а покрытия выполнялись малоуглеродистыми сталями и чугунными электродами с содержанием углерода до 3%. Подготовка и выполнение экспериментов на установке «Элитрон-50» проводится по следующей методике: - Замаркировать грани образца индексами 1.1, 2.1 и т.д. - Установить электрод и вибратор - Установить образцы в приспособление и закрепить. Подвести к приспособлению свободный провод от генератора. - Включить установку. Установить режим обработки. Отрегулировать вибратор (по наибольшей амплитуде). - Проверить работоспособность установки путем пробного касания электродом образца. При нормальном процессе должен возникнуть искровой разряд. - Обработать участок в 0,5...1 см2 около кромки образца путем последовательного возвратно-поступательного перемещения электрода вдоль грани на длину 8... 10 мм и с шагом 0,3...0,5 мм. Записать в отчет номер обрабатываемой грани. - Включить установку. Сменить электрод. - Обработать на том же образце другую грань. Или нанести следующий слой. Обработка результатов выполняется по методике: - Установить образец на стол инструментального микроскопа. - Зарисовать форму и размеры лунок на поверхности при обработке электродами. Замерить и зарисовать расстояние между кромками детали и слоем, отметить наличие или отсутствие микротрещин (их величину, направление относительно кромки), случаи повреждения кромки (место, размеры, форму). - Снять образец со стола. - Установить образец на стол твердомера. - Измерить микротвердость в трех точках на исходном материале, после упрочнения. Среднее значение занести в журнал экспериментов. - Установить образец на приспособление и закрепить. - Движением шабера добиться удаления неровностей. При этом учитывать число ходов. Повторить операцию три раза на соседних упрочненных участках. Предложенная программа включает: на базе предложенных методик и способов разработать физическое описание процессов, учитывающих специфику взаимодействия различных материалов при электроэрозионном нанесении толстослойных покрытий; математически описать процесс и получить формальные зависимости для численных расчетов; подтвердить правомерность расчетных результатов на экспериментальных установках; провести металлографические исследования наносимых слоев; разработать технологический процесс восстановления деталей из чугуна; обосновать область использования предложенного процесса для типовых деталей машиностроения.
1. Обоснованы рабочие гипотезы, отражающие процессы, протекающие при электроэрозионном восстановлении деталей из чугуна, и создающие возможность описания механизма нанесения толстослойных качественных покрытий.
2. Предложены новые способы восстановления, на которые поданы заявки на изобретения, что служит основой для создания конкурентоспособных технологий покрытий для изучаемых материалов.
3. Модернизировано экспериментальное оборудование, позволившее подтвердить результаты теоретических исследований и обработать технологические режимы для нанесения толстослойных покрытий на чугунные детали.
Математическое описание процесса
В зависимости от толщины покрытия изменяется содержание углерода на его границах (рис 3.10). в зоне А происходит диффузия углерода в стальную заготовку. Такие же явления наблюдались в [43], и сделано предположение, что ускоренная диффузия углерода возможна при больших градиантах температур, свойственных лазерной обработке. Процесс электроэрозионного удаления (а следовательно и нанесения) материала близок к рассматриваемому в [43], поэтому имеются основания учитывать изменение содержания углерода на границе «загатовка-покрытие». Доказательством этому служит металлографические исследования, где в рассматриваемой зоне отбеленный чугун не обнаружен.
На участке «В» (рис 3.10) очевидно наблюдается выгорание углерода в среде кислорода воздуха, что также просматривается на шлифах в виде участков отбеленного материала вблизи поверхности, но не всегда имеющих выход к воздушной среде.
Отбеленный чугун при его толщине более Н (зависимости (3,9), (3,10)) преимущественно наблюдается с наружной стороны покрытия, но возможно появление отдельных участков такой структуры на границе «чугун - чугунная заготовка» (рис 3.8)
Расчеты, выполненные для капли металла, эквивалентной сфере радиусом 0,25 мм, дали картину распределения температуры, приведенную на рисунке 5, через 20 мксекунд после касания каплей заготовки. Большой градиент температур между каплей и окружающей средой вызывает охлаждение наружной поверхности до границы зоны структурных преобразований для сталей. Далее за счет излучения тепла снаружи и теплопередачи вглубь покрытия температура на границе покрытия снижается. Вблизи границы поверхности заготовки, имеющей исходный нагрев не более, чем до 500 К, температура падает как со стороны капли, так и на поверхностной части заготовки, достигая при этом почти тех же значений, как и на поверхности капли. Участок приобретает температуру ниже зоны фазовых превращений и диффузионных процессов, где изменения свойств покрытий прекращается.
В процессе ремонта приходится покрывать поверхность чугунных заготовок малоуглеродистыми сталями (рисунок 3.11). При этом может формироваться измененный слой в виде отбеленного чугуна или слой покрытия с высоким содержанием углерода и микротрещинами. Рассматриваемый процесс близок к описанному в [43] для лазерного покрытия, но в этой работе не рассматриваются стальные покрытия по чугуну.
Для придания антифрикционных свойств стальным деталям, работающим в подшипниках качения, требуется нанести слой чугуна (желательно серого). Как видно из рисунка 3.11 такое покрытие возможно, хотя здесь практически весь слой является измененным и требуется его специально исследовать для оценки эксплуатационных качеств.
При нанесении серого чугуна на чугунную основу (рисунок 3.11 - 4) обычно ограничиваются слоем до 0,3 мм, где отбеленный чугун практически на образуется, хотя изменения отмечены в [43] для лазерного нанесения покрытий, но из влияние на эксплуатационные свойства в работе не рассматриваются. На рисунке 3.11 показаны толщины образования слоев с особыми свойствами при нанесении покрытий. Здесь приведены границы изменения толщин, которые зависят от многих, в том числе случайных факторов (условий нагрева, остывания, стабильности состава электродов и др.) под индексом «А» показан диапазон изменения размеров покрытий, под «Б» - возможные величины толщин с изменениями в нанесенном слое (микротрещины, появление зон отбеленного чугуна и др.). Наибольшее распространение получило нанесение сталей на металлические заготовки (рисунок 3.11) с целью «холодного» восстаноления размеров изношенных участков. По [24] толщина покрытия в таких случаях может достигать 2,0 мм, но для этого, как правило, требуется нанести несколько слоев, имеющих не стабильные показатели по адгезии, что снижает их эксплуатационные показатели. Это позволяет обоснованно назначать припуски на дальнейшую обработку.
В литературе [73] рекомендуется применять отжиг чугуна для устранения отбеленных участков. Однако в случае ремонта и восстановления деталей путем покрытия локальных участков чугуном такой подход практически не примеряется, т.к. в процессе нагрева при отжиге теряется главное преимущество электроэрозионного покрытия - отсутствие нагрева изделия, что позволяет сохранить геометрические размеры деталей и не требует последующей обработки всех элементов конструкции.
1. На базе предложенных рабочих гипотез и выполненных исследований сформирован механизм покрытия, учитывающий специфику многослойных покрытий со слоями из чугуна и стали, что позволило создать основы процесса восстановления чугунных деталей с эксплуатационными характеристиками, заложенными в материале изделия.
2. Разработано математическое описание процесса восстановления деталей, из которого получены основные зависимости для определения технологических режимов процесса.
3. экспериментально подтверждена правомерность полученных расчетных зависимостей, что позволила установить степень расхождения теоретических и реальных результатов и подтвердить обоснованность использования модели для технологических расчетов.
Обоснование количества наносимых слоев
Предложено при восстановлении чугунных заготовок использовать многослойные покрытия из стали по чугуну и из чугуна по стали. При этом общий припуск делится таким образом, чтобы первый слой был стальным, а последний - из чугуна. Тогда толщина-каждого слоя может быть снижена до 0,1-0,3 мм., где даже в чугунном покрытии отбеленный слой не образуется, а адгезия слоев достаточно высокая. На рисунке 4.9 показана глубина диффузии углерода в тонких (до 0,15мм.) слоях «сталь по стали» и «чугун по стали» при «мягких» режимах обработки, снижающих вероятность появления дефектных слоев. Глубина диффузионных слоев даже при наиболее «мягких» режимах (кривые 3; 4 на рисунке 4.9) обеспечивают прочную связь покрытий, что позволяет использовать при получении поверхностных слоев восстанавливаемых деталей режимы, не приводящие к нарушениям качества изделий. При этом толщина слоя выбирается из условия получения требуемых технологических показателей после чистовой обработки (как правило, с использованием абразивных инструментов). Припуск под окончательные операции для восстанавливаемых деталей, как правило, не превышает 20% общей толщины покрытий. Рисунок.4.9.Глубина диффузии углерода при толщине слоя 0,15 мм.
Таким образом целесообразно на чугунную деталь наносить слой стали, оставляя на окончательное покрытие 0,4 - 0,45 мм. чугунного слоя. Это компенсирует износ до 1,5 мм на сторону. Если износ превышает 1,5 мм, то количество слоев может быть увеличено за счет стальных покрытий.
В настоящее время имеется серьезная проблема с технической и экономической стороны по восстановлению изношенных поверхностей деталей выполненных из чугуна различных марок. В отраслях автотракторостроения транспортного машиностроения широко используются детали (коленчатые и распределительные валы, корпуса тормозных кранов ступицы и т.д.) в разных узлах и агрегатах изготовленные из вышеуказанных материалов. Изготовление новых часто сопряжено с отсутствием необходимого технологического оснащения, ограниченными возможностями предприятий, и как следствие ведёт к большим затратам на их производство или приобретение комплектующих на стороне. В большинстве случаев встречаются дефекты, которые вполне устранимы и срок эксплуатации восстановленных деталей можно существенно продлить.
Широкое применение для восстановления поверхностей получили сварочные процессы. При наваривании металла возникают различные структурно-фазовые изменения материала, происходит поглощение азота и малое содержание его карбидов, выгорание легирующих элементов. В особой степени это относится к чугуну, где качестве основного легирующего элемента выступает углерод. Окисление металла понижает механические свойства навариваемых участков.
Метод искрового легирования используется для наращивания металла, нанесение покрытий, так и для изменения физико-механических свойств поверхностного слоя. К преимуществам искрового легирования следует отнести: — отсутствие значительного термического воздействия на изделие, что не приводит к необратимым фазовым превращениям материала детали; — возможность использования для изменения свойств поверхности различных материалов, что позволяет изменять в широких пределах физико-механические свойства поверхностного слоя; — простота технологического процесса и его реализация; — относительно хорошая адгезия поверхностного слоя с деталью при оптимальных режимах. К недостаткам процесса следует отнести: — низкую производительность процесса; — высокий параметр шероховатости полученной поверхности; — ограничение толщины наносимого слоя легирующего материала. Формирование поверхностного слоя, а также его качественные характеристики зависят от многих факторов. Наиболее существенно влияют на процесс параметры импульсного разряда (длительность импульса разряда, частота, его энергия), природа материала, средний рабочий ток, вид движения легирующего электрода относительно детали.
Количество деталей из чугуна составляет значительную часть транспортной техники. Современные способы литья позволяют получать сложные детали, которые целесообразно восстанавливать в процессе эксплуатации изделия. Нередко износ отдельных поверхностей вызывает необходимость замены всей детали, что удорожает стоимость ремонта.
Главным критерием оценки целесообразности использования процесса восстановления является сохранение качества наносимого покрытия на уровне показателей исходного материала заготовки.
Известные методы наплавки, напыления, пластического деформирования материала для чугуна не нашли применения из-за его хрупкости, особенностей температурных деформаций и изменения механических характеристик при нагреве. Попытки использования «холодного» наращивания слоев в месте износа (в частности за счет электроэрозионного восстановления геометрии) оказались пригодными только при толщине покрытий до 0,2-0,3 мм, хотя износ чугунных деталей может достигать нескольких миллиметров.
В случае больших толщин (особенно при нанесении нескольких слоев) в поверхностном слое формировался отбеленный чугун с развитой сеткой трещин. Поэтому восстановленные детали утрачивали эксплуатационные свойства и были не пригодны к восстановлению.
Проведенные исследования показали, что при слое чугунного покрытия по чугуну с толщиной более 0,3 мм наблюдается сплошной или прерывистый отбеленный слой, в ряде случаев превышающий величину покрытия, в котором глубина трещин соизмерима с толщиной слоя.
Из литературы [73] известно, что образование отбеленного чугуна зависит от содержания углерода и температуры нагрева материала. Из [73] следует, что в момент электроэрозионного разряда на границе лунки образуется плазма с температурой до 3000 - 4000 К, что способствует переходу серого чугуна в белый. При нанесении покрытия 0,4 - 0,5 мм на чугунную заготовку с содержанием углерода 2,5-2,6 %. Этот показатель в поверхностном слое составил 2,7-2,8%, что показывает накопление углерода, способствующего образованию отбеленной зоны. Исследования проводились на анализаторе CS-400, обеспечивающем высокую точность измерений.
Результаты исследований приведены в таблице 4.5 . Анализ таблицы 4.5 показывает, что предельная толщина качественного покрытия может быть достигнута при нескольких слоях. Учитывая, что конечным слоем материала должен быть чугун, необходимо выбрать энергию импульса, обеспечивающую получение качественного покрытия.
