Исследование кинетики процесса эрозии и формирования поверхностного слоя при электроискровом легировании твердыми сплавами

Исследование кинетики процесса эрозии и формирования поверхностного слоя при электроискровом легировании твердыми сплавами

Введение. Известно, что повышение работоспособности инструментального материала (ИМ) осуществлялось за счёт повышения его твёрдости и температуры плавления. Что привело к использованию в качестве ИМ тугоплавких соединений (cамсонидов) и алмаза. Появилась тенденция создания компактных ИМ, преимущественно за счёт изменения фазового и химического состава ВТС. В работах [2,3,4,5] приведены данные по проделанным экспериментам повышения физико-химических свойств покрытий обрабатываемых в процессе ЭИЛ. Изучение этапов формирования поверхностного слоя (ПС), а вместе с тем и процесса переноса материала анода на катод позволит прогнозировать скорость и коэффициент переноса массы в процессе электроискрового легирования.

Задача данной работы заключается в изучении закономерности формирования первичного и вторичного слоя с учетом кинетики переноса массы с анода на вольфрам — и титансодержащие модельные материалы.

Целью данной работы является исследование влияния анода ВК15, структуры, твердости на формирование ЛС при ЭИЛ ТС промышленного производства и ВК8ИМ.

Современное состояние проблемы исследования кинетики формирования легированного слоя. Высокая стоимость вольфрамового и кобальтого сырья и сокращение его запасов, появление новых труднообрабатываемых материалов в настоящее время обостряет проблему повышения работоспособности вольфрамсодержащих твердых сплавов (ВТС) — основного материала в производстве режущего инструмента (РИ), для обработки металлов и их сплавов, а также в горнодобывающей промышленности. Наибольшее применение ВТС получили в условиях, чрезвычайно неблагоприятных для процесса резания, где с одной стороны, существует постоянная необходимость повышения производительности и точности обработки, а с другой стороны — условия резания непрерывно ужесточаются. [1]

Можно предположить, что в процессе ЭИЛ в результате изменения состава и структуры поверхностных слоёв электродов (образования «вторичных структур» [6, 7], а также их нагрева («вторичного тепла») будет изменяться микро — макроструктура ЛС и его ФХС. Кроме того, в процессе ЭИЛ в связи с особенностью воздействия искровых разрядов на поверхность электродов (приведённую, как правило, к см² поверхности) с повышением удельного времени легирования будет наблюдаться постепенное «закрытие» обрабатываемой поверхности материалом легирующего электрода, что также должно приводить к изменению фазового и химического состава поверхности ЛС, при исследовании ФХС по площади физико-химическими методами исследования.

Материал, методика, оборудование. Выбранные марки твердых сплавов отражали в значительной мере состав и свойства наиболее применяемых марок для режущего инструмента, содержащих только карбиды WC либо WC-TiC. [1]

Для исследования массопереноса материала электродов анод / катод в процессе ЭИЛ использовали установку Корона 1101 со следующим режимом: Iср.=0,7 А; Uср.=40 в; t_ИМП=12•10^-5; г^ср_ИМП/сек=50, мощность режима Дж/мин (расч.)= 10,08. Изменение массы ИПС определялось гравиметрическим методом с использованием стандартных весов «ВЛР-200» класса 2 с точностью 5 мкг, ГОСТ 24 104–80, трехкратным измерением.

Методически работа составлена из нескольких этапов:

1. Предварительное исследование кинетики массопереноса модельных материалов при ЭИЛ поверхностей ВТС с анализом полученных данных по эффективности процесса формирования ЛС.

2. Определение модельных материалов металлов, обладающих наибольшим суммарным массопереносом.

3. Детальное исследование кинетики массопереноса электродных материалов на поверхность ВТС с определением? k, Кп в процессе ЭИЛ.

4. Исследование поверхности легированного слоя.

5. Анализ, обобщение результатов исследований

Исследование кинетики массопереноса. Для выявления закономерностей формирования поверхностного слоя исследовали кинетику массопереноса, то есть эрозию анода и привес катода, гравиметрическим методом (рисунок 1). При этом образцы (анода и катода) взвешивали до и после легирования. Удельную эрозию анода, а и удельный привес катода к оценивали взвешиванием образцов до и после ЭИЛ. Учёт массы образцов производился через 5−10 секунд, процесса ЭИЛ с использованием стандартных весов «ВЛР-200» класса 2, ГОСТ 24 104–80, трехкратным измерением с точностью до 5 мкг.

Суммарное время легирования поверхности, отнесённое к 1 см², достигало до 4 минут.

электроискровой легирование анод катод Рисунок 1 — кинетика массопереноса при ЭИЛ/ВК₁₅

Наибольший привес получил твердый сплав Т₅К₁₀, по мнению автора это объясняется плотностью сплава с=13,1 г/см³, так как по плотности сплав наиболее приближен к аноду — ВК₁₅ с=14,1 г/см³. Остальные сплавы имеют либо большее либо меньшее значение плотности таблица 1.

Таблица 1. Характеристики твердых сплавов

Значения массы электродов после ЭИЛ определяли как среднеарифметическую величину после 3-кратных измерений таблица 2. Из временных зависимостей и, суммарных величин привеса катода и эрозии анода, определяли коэффициент переноса материала с анода на катод:

Кm = / (рисунок 2).

Таблица 2. Зависимость Km от плотности сплава

Таким образом, показывается, что упрочнение твердых сплавов необходимо проводить твердыми сплавами (анодами) по плотности приближенными к катоду. Отрицательный массоперенос говорит об обратном переносе материала на анод, либо потере материала в виде продуктов эрозии.

Рисунок 2 — коэффициент переноса массы анода от плотности катода Ниже (рисунок 3) приведен детальный график привеса / отвеса катода и анода в процессе ЭИЛ. Общий принцип у всех проводимых исследований похож, поэтому приводится наиболее выраженный характер построения кривой.

Первые две минуты (120 секунд) наблюдается фаза образования первичной структуры на катоде, при этом пики привеса соответствуют пикам отвеса, допускается потеря материала анода в виде продуктов эрозии, поэтому отвес больше чем привес. После образования первичного слоя, его структура начинает разрушаться за счет появления микротрещин, происходит откалывание структуры и образование нового поверхностного слоя. Со второй минуты идет образования вторичной структуры, появляются кратеры, и происходит залипание вибратора на катоде. Увеличивается перенос массы, за счет продуктов эрозии и налипания материала.

Рисунок 3 — процесс эрозии и формирования поверхностного слоя На рисунке изображены кривые — катода и анода — вертикальная шкала коэффициент привеса / отвеса соответственно, кривая изменения массопереноса Km. Материал катода — твердый сплав T₃₀K₄, материал катода твердый сплав ВК₁₅. Легирование катода проводилось в интервале 10 — 15 секунд с измерением массы после каждого опыта — горизонтальная шкала — время легирования.

Заключение. На начальном этапе формирования поверхностного слоя 0 — 120 секунд наблюдается два этапа, первый — формирование первичного поверхностного слоя, второй — формирование вторичного слоя.

Предполагается, что на первом этапе происходит изменение структуры с переносом элементов анода в поверхностный слой катода. Кода поверхностный слой насыщается материалом анода, происходит схватывание с электродом и откол поверхностного слоя. На втором этапе происходит повторное формирование поверхностного слоя с образованием кратеров и неровностей.

Важно учитывать материал анода и катода при ЭИЛ, это объясняется тем, что качество переноса материала зависит не только от состава электродов, но и от их физико-химических свойств. В проделанных опытах наблюдается зависимость увеличения коэффициента переноса массы от плотности материала анода. Твердые сплавы, наиболее приближенные по плотности к аноду имеют максимальный коэффициент переноса массы.

Список литературы

1. Верхотуров А. Д., Гордиенко П. С., Достовалов В. А., Коневцов Л. А., Панин Е. С. Высокоэнергетическое локальное воздействие на вольфрамсодержащие материалы и металлы // Владивосток. — 2012. — С. 470.

2. Коневцов Л. А. Повышение работоспособности режущего инструмента из вольфрамсодержащих твёрдых сплавов электроискровым легированием металлами и боридами / Дисс. к.т.н. — Комсомольск-на-Амуре. 2009. — 198 с.

3. Верхотуров А. Д., Подчерняева И. А., Самсонов Г. В. и др. Зависимость эрозии анода от состояния упрочняемой поверхности при электроискровом легировании // Электронная обработка материалов. — 1970. — № 6. — С. 29−31.

4. Верхотуров А. Д. Научные основы формирования легированного слоя и создания электродных материалов при электроискровом легировании / Дисс. д.т.н. — Киев. 1984. — 532 с.

5. Сутягин В. В., Сайкин С. А. Повышение ресурса концевого инструмента за счёт применения нанокомпозитных PVD-покрытий при обработке титановых сплавов в авиастроении / Упрочняющие технологии и покрытия. — 2008, № 5. С. 41−44.

6. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. — М.: Машиностроение, 1993. — 336 с.

7. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. — М.: Машиностроение, 1982. — 320 с.

8. ГОСТ 3882–74. Сплавы твердые спеченные. Марки — М.: Изд-во Стандартов, 1998. — 13 с.