ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки, в частности к электродным материалам для электроискрового легирования металлических поверхностей.
Для поверхностного упрочнения металлических поверхностей используются специальные электроды, расплавленные капельки которого переносятся на упрочняемую деталь.
Электродные материалы на основе чугунов используются в настоящее время очень редко. Одной из причин этого является появление на легируемой поверхности вначале обработки пленки графита, которая препятствует адгезии переносимого материала за счет наличия в составе свободных графитовых включений (Лазаренко Н.И. Технологический процесс изменения исходных свойств металлических поверхностей электрическими импульсами. - Ж. Электронная обработка материалов, 2, 1996).
Решение этой проблемы возможно двумя путями. Первый заключается в уменьшении количества углерода, но тогда состав электрода будет соответствовать сталям, которые обладают более высокой температурой плавления, большей величиной усадки и менее технологичны при получении.
Второе направление предусматривает связывание свободного углерода, а углерод в связанном состоянии находится в белых чугунах.
Известно устройство для электроискрового легирования, содержащее легирующий электрод, выполненный полым, что позволяет формировать дополнительный поток рабочей среды через него, причем суммарный расход обоих потоков сохраняют постоянным, а поток рабочей среды через полый электрод регулируют в функции потока через эрозионный промежуток (А.с. 1514527, В23Н 9/00, опубл. в БИ №38, 15.10.1989 г.).
Недостатком таких электродов является их сильное окисление кислородом воздуха и невысокая стойкость наносимых покрытий на деталь.
Известен электродный материал на основе белого чугуна для электроискрового легирования следующего состава, мас.%: 2,88 углерода, до 2,9 марганца, 1,0 кремния, остальное - железо (Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения инструментов и деталей машин. - М.: Машгиз, 1961, с.299).
Недостатком данного технического решения является высокая эрозионная стойкость за счет высокой температуры плавления, что в конечном итоге уменьшает массоперенос в процессе легирования поверхности.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является электрод для электроискрового легирования, выполненный из сплава, содержащего следующие компоненты, масс.: никель 25-45; бор 10-15; углерод 0,08-0,20; диборид титана - остальное, при этом электрод выполнен полым и обдувается охладителем, а поверхность выполнена с защитным покрытием толщиной 0,5-1,0 мм, в качестве охладителя используют сжатый воздух или нейтральный газ, а в качестве покрытия электрода используют электрокорундовую обмазку (патент на полезную модель №74844, кл. В23Н 7/00, опубл. 20.07.2008, БИ №20).
Основным недостатком известного решения является невысокая микротвердость получаемого при электроискровом легировании покрытия, которая составляет не более 12,0-16,5 ГПА.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача получения электрода такого состава, который бы обеспечил получение качественного покрытия с высокой микротвердостью.
Техническим результатом полезной модели является получение качественного электроэрозионного покрытия на упрочняемых деталях.
Технический результат достигается тем, что электрод для электроискрового легирования, выполненного из сплава, содержащего никель и углерод, согласно полезной модели дополнительно содержит хром и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,9-4,3; кремний 0,2-0,7; никель 20,0-35,0; хром - остальное, кроме того электрод выполнен с покрытием, а в качестве покрытия используют огнеупорную каолиновую глину толщиной 0,2-0,5 мм.
Преимущество предлагаемого технического решения заключается в том, что, благодаря использованию в основе электродного материала белого чугуна с оптимальным соотношением углерода и остальных компонентов, значительно снижается температура плавления материала, что в свою очередь уменьшает эрозионную стойкость, увеличивает массоперенос и соответственно эффективность процесса. Оптимальное содержание углерода определялось в соответствии с тем, что, чем ближе к эвтектике (4,3%), тем температура ликвидус ниже, что уменьшает эрозионную стойкость материала электрода. Увеличение содержания углерода более 4,3% повышает количество цементита и увеличивает хрупкость электродного материала.
Заявляемые пределы параметров элементов, входящих в состав электрода при нанесении электроэрозионных слоев обосновывается следующим. Установлено, что при нанесении электроискровым методом электроэрозионного покрытия электродами с содержанием углерода менее 2,9%, кремния менее 0,2%, никеля менее 20,0% упрочняющее покрытие получается с недостаточной микротвердостью и с невысокой прочностью сцепления с основой материала детали. При содержании углерода более 4,3%, кремния более 0,7% и никеля более 35,0% у покрытия увеличивается микротвердость, но снижается сплошность наносимого покрытия и прочность сцепления с инструментальной основой детали.
Содержание никеля в количестве 20,0-35,0% в составе шихты придает электроду увеличение твердости и прочности.
Опытно-экспериментальными проработками предлагаемого технического решения было установлено, что при использовании высокоуглеродистых электродов с указанными параметрами химических элементов появляется эффект повышения качества покрытия и увеличение микротвердости.
Сущность полезной модели также заключается и в том, что для повышения прочности и защиты поверхности от окисления окружающим воздухом высокоуглеродистый электрод выполнен с покрытием, в качестве покрытия используют огнеупорную каолиновую глину толщиной 0,2-0,5 мм.
Нанесение покрытия толщиной менее 0,2 мм и более 0,5 мм не обеспечивает хорошей сцепляемости с электродом.
Преимущество предлагаемого технического решения в сравнении с известными аналогами заключается в том, что, благодаря использованию электродов с покрытием в виде огнеупорной каолиновой глины значительно снижается температура нагрева материала электрода, что в свою очередь уменьшает эрозионную стойкость электрода, увеличивает массоперенос и соответственно эффективность процесса.
Пример
Для экспериментальной проверки заявляемой полезной модели был подготовлен состав из порошковых материалов.
В качестве исходного соединения брали белый чугун с содержанием, мас.%: углерод 3,8; кремний 0,6; никель 31,5; хром - остальное.
Выплавку электродного материала производили в печи Таммана.
Материалы предварительно перемешивались в конусном смесителе в течении 0,5 час. Затем смешанный состав расплавляли, затем нагревали до температуры 1490°С, а после выдержки в течении 5 мин. производили науглероживание расплава электродным графитом в количестве, соответствующем оптимальному содержанию углерода согласно полезной модели и запредельным значениям. После растворения графита и выдержки отливали электроды, создавая разряжение 0,5-1,5 мм.рт.ст., в кварцевые трубки диаметром 8,0 мм.
Затем на поверхность полученного электрода нанесли методом обмазки защитное покрытие в виде огнеупорной каолиновой глины толщиной 0,4 мм, после чего электроды поместили в печь и сушили при температуре 1050°С в течении 2-х часов.
Данная технология производства электродных материалов исключает стадию обработки электродов, снижает влияние процессов вторичного окисления при литье, позволяет варьировать составом в широком интервале концентраций. Изменяя температуру нагрева и скорость охлаждения расплава, появляется возможность получать электроды с различной дисперсностью микроструктуры.
Электродами из полученных материалов легировали ножи деревообрабатывающего станка, имеющие форму узкой прямоугольной пластины толщиной 4 мм и с размерами 50×400 мм. Ножевая пластина была изготовлена из рядовой углеродистой стали. Электроэрозионной обработке подвергалась большая поверхность ножа, начиная от режущей кромки на всю длину пластины и шириной, равной половине ширины пластины.
Электроискровое легирование осуществляли при следующих параметрах:
- скорость перемещения суппорта с устройством легирования, мм/ сек.
- 1
- технологический ток, ампер
- 4,5
- емкость конденсаторов, мкф.
- 850
- напряжение холостого хода, вольт
- 90
- диаметр электрода, мм
- 8
- скорость обработки, см<sup>2</sup>/мин
- до 3,5
- толщина легирующего слоя, мм
- 0,2
- шероховатость покрытия, Ra мкм
- 10,0
- частота следования импульсов, гц
- 60
- газ охладитель
- сжатый воздух
Используя микроскоп типа МПБ - 2 с 24 кратным увеличением установили, что, благодаря исключения окисления электрода кислородом воздуха, вся поверхность имела равномерное электроэрозионное покрытие, между отдельными участками разрывов не наблюдалось.
При необходимости легирование можно повторить методом наложения 2-го упрочняющего слоя.
Эксплуатационная стойкость обработанных деревообрабатывающих ножей увеличилась в 1,7-2,5 раз. Микротвердость обработанной поверхности ножей составляла 18,5-20,4 ГПА.
Результаты исследования покрытий представлены в таблице №1. Они показывают, что, при электроэрозионном легировании высокоуглеродистыми электродами с покрытием в виде огнеупорной каолиновой глины, износостойкость ножей значительно превышает износостойкость упрочненных ножей при их упрочнении электродами, изготовленными по способу - прототипу.
Таблица №1Результаты исследования покрытий
Вид электрода
ρ, мкм
Δ, мкм
Интенсивность изнашивания
Коэффициент трения
Углеродсодержащий с никелем и бором (по прототипу)
170
3,2×10<sup>-2</sup>
6,05×10<sup>-11</sup>
0,18
Углеродсодержащий с никелем и хромом
235
3,2×10<sup>-2</sup>
3,15×10<sup>-11</sup>
0,12
Оптимальное содержание углерода обосновано тем, что чем ближе к эвтектике (4,25%), тем температура ликвидус ниже, что уменьшает эрозионную стойкость электрода, однако увеличение содержания углерода выше 4,3% приводит к повышению количества цементита, ухудшающего свойства электрода по механической прочности, в результате чего электрод в процессе легирования разрушается.
Таким образом, электрод с предлагаемым составом химических элементов и с покрытием в виде электрокорундовой обмазки, повышает эффективность процесса легирования за счет увеличения массопереноса и уменьшает количество окислов в слое за счет капельно-плазменного переноса материала, что определяется визуально-оптическим методом.
Благодаря использованию углеродсодержащих электродов с никелем и хромом и с нанесенным покрытием на основе огнеупорной каолиновой глины удалось увеличить толщину легированного слоя, повысить сплошность покрытия, его сцепляемость с основным металлом и повысить микротвердость упрочненной поверхности.
Использование предложенных электродов с покрытием исключает стадию обработки электродов, снижает влияние процессов вторичного окисления, позволяет варьировать составом в широком интервале концентраций.
Таким образом, заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную задачу.
Заявляемое техническое решение не известно в Российской Федерации и за рубежом и отвечает требованиям критерия "новизна".
Техническое решение может быть реализовано промышленным способом в условиях серийного производства с использованием известных технических средств, технологий и материалов и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".