Области практического применения электроэрозионных порошков

Данная презентация поможет накопить у студентов и аспирантов прикладные навыки и сформировать профессиональные компетенции.

Спеченные твердые сплавы имеют в современной технике очень большое значение. Основой большинства применяемых твердых сплавов является карбид вольфрама. С экономией вольфрама тесно связаны мероприятия по сбору отходов твердых сплавов и их переработка. В отечественной и зарубежной промышленности в настоящее время применяют несколько методов переработки отходов твердых сплавов, которые в большинстве своем характеризуются крупнотоннажностью, энергоёмкостью, большими производственными площадями, малой производительностью, а также экологическими проблемами. Одним из перспективных методов получения порошка, практически из любого токопроводящего материала, в том числе и твердого сплава, отличающийся относительно невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса, является …

ЭЭД метод (электроэрозионного диспергирования)

Широкое использование метода ЭЭД для переработки вольфрамсодержащих твердых сплавов в порошки с целью их повторного использования сдерживается отсутствием в научно-технической литературе полноценных сведений по влиянию исходного состава, режимов и среды получения на свойства порошков и технологий практического применения.

Одной из основных причин выхода из строя является их изнашивание При большом многообразии видов и механизмов изнашивания в машиностроении одной из актуальных проблем является повышение качества деталей, работающих в условиях абразивного и коррозионно- абразивного изнашивания, характерных для сельхозмашин, автомобилей, дорожно-строительных, пищеперерабатывающих машин, горнодобывающего оборудования и т.д. Эта проблема может быть решена за счет применения эффективных методов изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин путем применения специальных материалов, обеспечивающих получение покрытия с заданными физико-механическими свойствами.

Такими материалами, с точки зрения цены и качества, являются, прежде всего, порошковые твердые сплавы, полученные из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Одной из основных проблем развития современного машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей, узлов и механизмов. Одной из основных причин выхода из строя является их изнашивание. При большом многообразии видов и механизмов изнашивания в машиностроении одной из актуальных проблем является повышение качества деталей, работающих в условиях абразивного и коррозионно-абразивного изнашивания, характерных для сельхозмашин, автомобилей, дорожно-строительных, пищеперерабатывающих машин, горнодобывающего оборудования и т.д.

Эта проблема может быть решена за счет применения эффективных методов изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин путем применения специальных материалов, обеспечивающих получение покрытия с заданными физико-механическими свойствами. Такими материалами, с точки зрения цены и качества, являются, прежде всего, порошковые твердые сплавы, полученные из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Восстановление деталей современной автотракторной техники с высоким уровнем надежности и требуемым ресурсом – сложная и актуальная задача. Эта задача может быть решена за счет применения эффективных методов поверхностного упрочнения при восстановлении деталей машин путем применения специальных износостойких материалов, обеспечивающих получение покрытий с заданными физическими свойствами.

Разработка и внедрение технологии упрочнения режущего инструмента электроискровым легированием Получение и исследование электродов из твердосплавных электроэрозионных порошков:

В качестве материала для получения цилиндрических твердосплавных электродов выбран порошок, полученный из отходов твердого сплава Т15К6 в керосине осветительном. Образцы заготовок из твердосплавных электроэрозионных порошков получали изостатическим прессованием (давление 300 МПа) на прессе «EPSI» и термообработкой (спеканием) в вакууме в высокотемпературной печи «Nabertherm» при температуре 1500 о С в течение двух часов.

Получение образцов для дальнейшего исследования из заготовок изделий спеченного порошка карбида вольфрама проводили механическим способом с помощью автоматического высокоточного настольного отрезного станка «Acuutom-5». Был использован алмазный диск для резки керамик и минералов «MOD 15». Пробоподготовку (шлифование и полирование) поверхности образцов заготовок изделий спеченного порошка карбида вольфрама проводили с помощью шлифовально- полировального станка для ручной пробоподготовки «LaboPol-5».

ДАЛЕЕ представлены результаты исследования микроструктуры поверхности образцов, пористости и размера зерна полученных электродов после травления с помощью оптического инвертированного микроскопа «OLYMPUS GX51», оснащенного системой автоматизированного анализа изображений «SIMAGIS Photolab».

Морфология (а) и состав электродов для ЭИЛ из порошка, полученного ЭЭД твердого сплава Т15К6, в точке

Cостав электродов для ЭИЛ из порошка, полученного ЭЭД твердого сплава Т15К6, в точке1 :

Cостав электродов для ЭИЛ из порошка, полученного ЭЭД твердого сплава Т15К6, в точке2:

Cостав электродов для ЭИЛ из порошка, полученного ЭЭД твердого сплава Т15К6, в точке 3:

эил (электроискровое легирование) металлических поверхностей является одной из самых перспективных современных упрочняющих технологий. Под действием кратковременного электрического разряда, протекающего между упрочняемой поверхностью – катодом и упрочняющим материалом – анодом, происходит перенос элементов материала анода на поверхность катода в виде поверхностного легированного слоя (ПЛС) с повышенными физико- механическими свойствами. При ЭИЛ происходит преимущественное разрушение материала анода в паровой, жидкой и твердой фазах.

В настоящее время технология электроискрового легирования широко используется для увеличения твердости, коррозионной стойкости, а также износостойкости и жаропрочности металлических поверхностей деталей и инструмента. При ЭИЛ в качестве электродных материалов используется широкий спектр металлов и сплавов. В настоящее время в основном используются тугоплавкие соединения твердые сплавы.

Полученные электроды апробированы и внедрены для упрочнения режущего инструмента электроискровым легированием в ООО «Завод по ремонту горного оборудования» Михайловского горно-обогатительного комбината г. Железногорск и ОАО «Геомаш» г. Щигры Курской области. Согласно акта испытания сверл 12 мм ГОСТ от г. установлено следующее: Сверло с электроискровым легированием передней режущей поверхности электродом из порошка, полученного ЭЭД отходов твердого сплава Т15К6 (рис. 1) Сверло 2 – без электроискрового легирования. Рис.1

В результате испытания выявлено: сверло 1 с электроискровым легированием имеет износ по передней поверхности не более 0,3 мм; сверло 2 без электроискрового легирования имеет износ по передней поверхности 1,3 мм.

Выводы комиссии: 1. Количество приобретенных сверл 12 мм с коническим хвостовиком ГОСТ согласно «Общей ведомости прихода материалов в ЗРГО» по складу 8 за период с по г. составляет – 164 шт., общей стоимостью 14302,38 руб. 2. Фактическая стойкость сверла с электроискровым легированием – 17,4 мин до первой переточки. 3. Фактическая стойкость сверла без электроискрового легирования – 4,3 мин до первой переточки. 4. Стойкость сверла с электроискровым легированием превышает стойкость обычного сверла в 4,3 раза. 5. На основании выше изложенного сумма на приобретение годовой потребности сверл 12 мм снижается до 3575,6 руб., т. е. экономия составляет 10726,78 руб.

Выводы комиссии : Годовые затраты на приобретение сверл составила 190 тыс. руб. 6. Электродов в количестве 70 шт. достаточно для электроискрового легирования режущего инструмента на протяжении 2-х лет при 2-х сменном графике работы на установке.

ДАЛЕЕ Представлены результаты исследования микроструктур покрытий, полученных ЭИЛ с использованием электродов.

Микроструктуры покрытий, полученных ЭИЛ с использованием порошков сплава Т15К6, полученных ЭЭД, х450 9 (косой срез)

Микроструктуры покрытий, полученных ЭИЛ с использованием порошков сплава Т15К6, полученных ЭЭД, х 450 (поверхность покрытия)

Видно, что дефекты типа пор, трещин и несплошностей отсутствуют. Примеры упрочненного инструмента и свойства их покрытий, представлены в далее в таблице. Показано, что стойкость режущего инструмента, упрочненного с использованием предложенного электрода, повышается в 3,8…4,8 раза.

Примеры упрочненного инструмента ЭИЛ с использованием в качестве электродного материала твердосплавных электроэрозионных порошков и их свойства

Обработку проводили на болгарской механизированной установке «ЭЛФА-541» (рисунок 4) с вращающимся электродом и столом, движущимся с постоянной скоростью. Процесс ЭИЛ: а) схема процесса; б) установка ЭЛФА-541

Отработка технологии нанесения упрочняющего покрытия из твердого сплава осуществлялась на следующих режимах: 1) емкость разряда С = 0,68 мкФ; 2) сила тока J = 9,6 А; 3) частота следования импульсов f = 66 кГц; 4) коэффициент заполнения τ = 2; 5) частота вращения электрода ω = 4000 об/мин; 6) скорость передвижения электрода V = 0,4 – 0,5 мм/сек; 7) число проходов n = 2.

В результате упрочнения образуется регулярный микрорельеф из полос по образующей конуса вдоль оправки со следующими характеристиками: микротвердость (12…18 ГПа); шероховатость Ra = 5,7…6,8 мкм; толщина 10 – 12 мкм. Качество поверхности (Ra) инструмента, упрочненного локальным электроискровым нанесенным покрытием (ЛЭНП) в значительной степени зависит от правильного выбора технологического режима его нанесения – энергетических и частотных параметров процесса (J, С, f и др.). С целью получения минимальной шероховатости была проведена оптимизация энергетических и частотных параметров процесса: силы тока – J, емкости заряда – С, частоты импульсов – f.

2. «Разработка и внедрение технологии восстановления шеек коленчатых валов и тарелок клапанов двигателей внутреннего сгорания плазменно-порошковой наплавкой с использованием твердосплавных электроэрозионных порошков.»

2.1. Технология восстановления шеек коленчатых валов За объект промышленного опробования технологии плазменной твердосплавной порошковой наплавки был принят коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания (ДВС) марки СМД-18, устанавливаемый на тракторы, комбайны и другую сельхозтехнику.

Коленчатый вал – это одна из наиболее ответственных, дорогостоящих, а также сложных в изготовлении и ремонте деталей двигателя. Причем стоимость нового вала в раз выше стоимости восстановленного. Особенно ощутима эта разница для коленчатых валов двигателей автотракторной техники импортного производства, доля которых в общем объеме машинотракторного парка нашей страны с каждым годом неуклонно возрастает.

Общий вид двигатель СМД-18 коленчатый вал двигателя СМД-18

При постановке экспериментов по восстановлению изношенных шеек коленчатых валов двигателя СМД-18 в условиях ремонтного предприятия ОАО «Краснополянская сельхозтехника» г. Курска с использованием твердосплавных порошков использовалась установка для наплавки УД-209 на основе переделанного токарного станка, выпрямитель сварочный ВДУ-506. Установка для плазменно-порошковой наплавки коленчатых валов ДВС

При этом использовалась технология плазменной твердосплавной порошковой наплавки для шеек коленчатых валов СМД-18, вышедших из последних ремонтных размеров, представленная далее в таблицах

На изношенные шейки коленчатого вала, подлежащие восстановлению методом плазменно-порошковой наплавки, накладывается ряд требований: 1. Коленчатые валы с кольцевыми трещинами, продольными трещинами в виде волосовин, трещинами выходящими на галтели подлежат выбраковке. 2. На восстановление плазменной наплавкой принимаются валы с биением по средней шейке не более 0,5 мм. 3. Повторное восстановление плазменной наплавкой допускается после шлифовки до основного материала. 4. Не допускается наличия трещин на поверхностях восстановленного вала.

Порядок операций наплавочных работ по коленчатому валу СМД18

Режимы плазменной твердосплавной порошковой наплавки шеек коленчатого вала СМД-18

В общем случае последовательность технологических операции по восстановлению изношенных шеек коленчатых валов с использованием твердосплавных электроэрозионных порошков представлена рисунке ниже:

«ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ»

Видно, что плазменно-порошковая наплавка с использованием порошков сплава Т15К6, полученного в керосине осветительном, приводит к образовании трещин в покрытиях, что не допустимо, поэтому от его дальнейшего использования при наплавке отказались. Показано, что твердость плазменных покрытий, полученных с добавлением порошков твердых сплавов к промышленному порошку, выше твердости покрытий, полученных с использованием только промышленного порошка. Показано, что твердость покрытий с добавлением порошка Т15К6 несколько выше, чем с добавлением порошка ВК8.

Микроструктура покрытий, полученных плазменно-порошковой наплавкой с использованием порошков сплава, х 450 Т15К6 (вода)

Микроструктура покрытий, полученных плазменно- порошковой наплавкой с использованием порошков сплава, х 450 Т15К6 (керосин)

Свойства покрытий, полученных плазменно-порошковой наплавкой с использованием порошков сплава Т15К6 (вода) и ВК8 (вода): твердость поверхности

Свойства покрытий, полученных плазменно- порошковой наплавкой с использованием порошков сплава Т15К6 (вода) и ВК8 (вода): относительная износостойкость

Внедренная в ОАО «Краснополянская сельхозтехника» г. Курск технология показала, что стоимость восстановленного вала по данной технологии на порядок ниже стоимости нового вала при большем ресурсе последнего. В ООО «Сервис-Черноземье» г. Курск внедрена технология восстановления и упрочнения тарелок клапанов двигателей спортивных автомобилей ВАЗ-2113 плазменно-порошковой наплавкой с использованием порошков, полученных ЭЭД отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов.

«Разработка и внедрение технологии восстановления и упрочнения лемехов плугов электродуговой наплавкой с использованием твердосплавных электроэрозионных порошков»

Лемех плуга в результате изнашивания затупляется и изменяет свою первоначальную форму. Его носок закругляется, а с тыльной стороны лезвия образуется «затылочная» фаска. При работе на песчаных и супесчаных почвах у лемеха интенсивно изнашивается лицевая (рабочая) поверхность, особенно в носовой части. Разработана технология восстановления и упрочнения лемехов плугов электродуговой наплавкой с использованием порошков, полученных ЭЭД отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов. Лемех шириной менее 92 мм бракуют или восстанавливают способом приварки полосы, изготовленной из выбракованных лемеха или полевой доски.

«Технология восстановления и упрочнения лемехов плугов электродуговой наплавкой с использованием твердосплавных электроэрозионных порошков»

Технологический процесс восстановления лемеха плуга, изготовленного из стали 65Г 1. Дефектация лемеха. Очищенный и вымытый лемех осматривали и контролировали основные параметры технического состояния. Поверхность лемеха должна быть ровной. Допускается коробление лезвия лемеха до 4, а его спинки до 2 мм. Контроль ведли на поверочной плите x630 пластинчатым щупом 3-2. Ширина лемеха должна быть не менее 92 мм. Ее проверяют штангенциркулем ЩЦ-I-125-0,1.

2. Восстановление лемеха. Затупленный лемех восстанавливали оттяжкой после нагрева с последующей закалкой и заточкой, а также последующей наплавкой тыльной стороны лезвия специально изготовленным электродом полого типа с порошком, полученным методом ЭЭД из сплава Т15К6 в воде, с помощью сварочного выпрямителя ВД-306 (рисунок 6.11) на посту ручной дуговой наплавки, и заточкой с лицевой стороны. Характер износа лезвия лемеха при вспашке средних и тяжелых почв: Р сила, выталкивающая лемех из почвы; h ширина затылочной фаски; α угол наклона затылочной фаски к дну борозды.

Электродуговая наплавка: а) сварочного выпрямителя ВД-306; б) схема процесса

«Исследование свойств покрытий, полученных электродуговой наплавкой»

Характеристики покрытий, нанесенных электродуговой наплавкой, с использованием твердосплавных порошков, полученных ЭЭД

Установлено, что электродуговая наплавка с использованием порошков сплава Т15К6 способствует увеличению микротвердости в 2,1 раза и относительной износостойкости покрытий в 1,9 раза. Предложенная технология опробирорвана и внедрена в ОАО «КСТ». Эксплуатационные испытания показали, что срок службы упрочненных лемехов увеличился в два раза по сравнению с не упрочненными.

«Разработка и внедрение технологии восстановления поршневых пальцев железнением с использованием в качестве упрочняющей фазы твердосплавных электроэрозионных порошков»

«Выбор и исследование электролита для получения композиционных гальванических покрытий при восстановлении и упрочнении деталей»

Одним из наиболее универсальных и гибких технологических приемов воздействия на свойства обрабатываемых поверхностей как метод восстановления и упрочнения деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания, является нанесение (композиционных гальванических покрытий) КГП

КГП – это покрытия многоцелевого назначения. Суть метода осаждения КГП заключается в том, что вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждают различные порошки: оксиды, карбиды, бориды или сульфиды, а также порошки полимеров, металлов и др. Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу значительно изменяет свойства покрытий, а главное – значительно повышает их износостойкость, антифрикционные характеристики, термическую и коррозионную стойкость, что создает предпосылки для широкого применения покрытий в самых разнообразных устройствах.

КГП получают различными способами, но наиболее часто – из гальванической ванны. В простейшем варианте в ванну заливают электролит, засыпают порошок, перемешивают, устанавливают аноды, закрепляют на катоде деталь; дисперсную фазу поддерживают во взвешенном состоянии или транспортируют к катоду. При пропускании через суспензию электрического тока на детали образуется покрытие. Установлено, что КГП можно получить из многих известных электролитов, но наиболее легко КГП образуются из электролитов меднения, серебрения, никелирования и железнения.

Применительно к условиям ремонтного производства нанесение гальванических покрытий (в том числе и КГП) может решать три основные задачи: нанесение металлопокрытий на изношенные поверхности при восстановлении деталей и их упрочнении (хромирование, железнение, никелирование); нанесение металлических и других покрытий для защиты поверхностей деталей от коррозии (цинкование, кадмирование); нанесение защитно-декоративных покрытий (хромирование, никелирование).

Для получения износостойких покрытий на деталях машин обычно используется электролит-суспензия на основе железа, включающий порошок карбида вольфрама с размерами частиц 1…10 мкм. Недостатком применения данного электролита-суспензии является необходимость в постоянном направленном перемещении частиц дисперсной фазы к катоду, а также относительно невысокая износостойкость и физико-механические свойства полученных покрытий.

5 мкФ, частота следования импульсов 700 Гц, расстояние между электродами – 100 мм. Для получения КГП на основе железа приготавливался простой хлористый среднеконцентрированный электролит железнения следующего состава: хлористое железо (FeCl 2 ·4H 2 O) – 300 г/л, соляная кислота (HCl) – 0,8–1,5 г/л. Затем, в приготовленный электролит вводили небольшими порциями и тщательно перемешивали нанопорошок с размерами частиц 0,1 мкм и менее, полученный из твердого сплава марки ВК8, до концентрации 100 г/л. Нанесение покрытий осуществляли при следующих режимах: температура ванны: 60, 75, 90ºС; сила тока: 40, 50, 60 А/дм 2. Для получения КГП использовалась экспериментальная установка(см. далее)

Установка для нанесения КГП

Ввиду того, что размер частиц порошка менее 1 мкм, а сам процесс нанесения покрытий, как правило, не занимает более одного часа (из-за высокой скорости осаждения железа), то достаточно предварительного перемешивания электролита–суспензии перед осаждением покрытия и отсутствует необходимость в постоянном направленном перемещении частиц порошка к катоду, чем повышается устойчивость процесса, а, следовательно, увеличивается его технологичность и снижается себестоимость.

Электролит – суспензия с частицами порошка размером менее 1,0 мкм кинетически устойчив и из технологических соображений наиболее пригоден для получения КГП. Под действием частиц порошка размером до 0,1 мкм происходит искажение кристаллической решетки металла подложки. Наибольшую твердость имеют покрытия с явно выраженными дефектами кристаллической решетки. Применение электролита–суспензии, включающего порошок твердого сплава на основе карбида вольфрама с частицами размером до 0,1 мкм, способствует увеличению микротвердости и износостойкости покрытий деталей машин.

Общий вид деталей после восстановления КГП

Технологический процесс восстановления поршневых пальцев дизельного двигателя СМД–14/18/20 железнением с использованием твердосплавных электроэрозионных порошков в качестве упрочняющей фазы

«Внедрение технология восстановления поршневых пальцев железнением с использованием в качестве упрочняющей фазы порошков, полученных ЭЭД отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов»

В ООО «НВА АГРОСЕРВИС» п. Коренево Курской области внедрена технология восстановления поршневых пальцев двигателей автомобилей железнением с использованием в качестве упрочняющей фазы порошков, полученных ЭЭД отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов. Для получения композиционных гальванических покрытий (КГП) на основе железа приготавливали простой хлористый среднеконцентрированный электролит железнения следующего состава: хлористое железо (FeCl 2 ·4H 2 O) – 300 г/л, соляная кислота (HCl) – 0,8–1,5 г/л. Затем, в приготовленный электролит вводили небольшими порциями и тщательно перемешивали порошок, полученный из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов методом ЭЭД. Нанесение покрытий осуществлялось при следующих режимах: температура ванны 70 ºС; плотность катодного тока 50 А/дм 2 ; концентрация порошка в электролите 100 г/л.

Микроструктура КГП, полученных с использованием в качестве упрочняющей фазы твердосплавных порошков, полученных ЭЭД в воде, х 550: а) Т15К6; б) ВК8

Свойства КГП, полученных с использованием в качестве упрочняющей фазы порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов: микротвердость.

Свойства КГП, полученных с использованием в качестве упрочняющей фазы порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов: относительная износостойкость.

Экспериментально установлено, что микроструктура КГП, полученных с использованием в качестве упрочняющей фазы порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов Т15К6 (вода) имеет более мелкодисперсную структуру, чем с порошками ВК8 (вода), а также большую микротвердость и износостойкость. Показано, что оптимальная концентрация порошка Т15К6 в электролите 100 г/л. Отмечено, что срок службы деталей, восстановленных с использованием разработанной технологии, увеличился в 1,4 раза при снижении их себестоимости в 2 раза по сравнению с новыми.