авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» Д.Н. Коротаев ...»

-- [ Страница 3 ] --

U нус qan tan. (3.18) Первое начало термодинамики для процесса формирования УУС представляется в виде q n t n, (3.19) U U уус нус где Uyyc величина поглощенной внутренней энергии при выходе структуры в УУС.

В уравнения (3.17) и (3.19) входят диссипативные составляющие энергобаланса системы упрочнения, выполняющие единые функции рассеивания и снижения внешнего энергетического воздействия и по глощенной внутренней энергии, но различающиеся между собой фи зической сущностью. Так, диссипативная составляющая уравнения (3.17) имеет тепловую природу, связанную с тепловыделением при взаимодействии УВ и ИС и ограниченной возможностью трансфор мации подводимой энергии через активационные каналы. Этот тепло вой источник функционирует только при наличии УВ, после прекра щения которого его активность падает до нуля. Однако его последей ствие может ощущаться некоторое время, до полного установления температурного равновесия. В общем случае время протекания дис сипативного процесса не совпадает с продолжительностью функцио нирования активационного процесса ( t ап tдп ), а оба, в свою очередь, не совпадают с длительностью УВ ( t ап t ув ;

tдп t ув ). Это объясняет ся, прежде всего, особенностью кинетики энергетических превраще ний и повышенной инерционностью теплового процесса.

В уравнении (3.19) диссипативная составляющая энергоба ланса имеет «нетепловую» природу и связана с микроструктур ным энергомассопереносом. Этот диссипативный процесс ини циируется повышенной упругой внутренней энергией, локализо ванной в зоне взаимодействия УВ с ИС, и связан с ее распростра нением в близлежащие области, а также микроструктурными превращениями. В отличие от теплового диссипативного канала «нетепловой» может функционировать дольше активного време ни УВ. Учитывая, что его движущей силой являются градиент ные структурно-энергетические соотношения, продолжитель ность «нетепловых» диссипативных процессов определяется вре менем релаксации упругих внутренних напряжений, скоростью протекания структурных преобразований и т.п. Объединяя (3.17), (3.18) и (3.19), окончательно получим q n t n. (3.20) t ув q n t U УУС q ув дп При представлении теплового диссипативного процесса в энтропийном виде уравнение (3.20) пре образуется:

t ув S T q n t n, (3.21) U УУС q ув где S энтропия процесса;

Т температура.

Процесс формирования упрочненных структур предусматривает выполнение условия U УУС 0, из которого следует q n t n q ув t ув S T. (3.22) С повышением энергии УВ температура процесса возрастает, и для обеспечения условия (3.22) эн тропия системы упрочнения должна снижаться. Следо вательно, развитие упрочненной структуры преду сматривает появление источников отрицательной эн тропии. Образующаяся упрочненная структура должна в своем развитии проходить стадию диссипативных структур, и поэтому связана с ней тесной техноло гической наследственностью.

Рассмотрим основные термодинамические соот ношения, описывающие развития диссипативных струк тур в системах упрочнения.

Внешнее воздействие в большинстве технологических приемов упрочнения имеет поверхностно распределенный характер, а энерге тические активационные и диссипативные структурные процессы объемный. С учетом этого первое начало термодинамики упрочняю щего процесса в обобщенном виде можно представить в виде E ув Ean S dF dt dV dt,(3.23) dV dt T t F t F t апV t t t дпV t V где Еi суммарная энергия процесса;

V и F активный объем и по верхность, охваченные упрочняющим процессом.

Из (3.23) следует уравнение баланса энергетических потоков:

E ув E S T S dF dt ап dv dt T dV.(3.24) dV t F t t t V t V F V V V Тогда уравнение производства энтропии () в упрочняющем процессе примет вид 1 E ув E S T S dF ап dV dV dV.(3.25) T F t F V t V V t V t V V Универсальный критерий Пригожина-Гленсдорфа для про цесса упрочнения можно представить как 1 E ув T Eап Х Р T 2 F dF t V dV t 0. (3.26) S t T F t t V Условия образования диссипативных структур определяются кинетикой энергетических потоков системы упрочнения, имею щих различный временной характер и вносящих на разных ста диях процесса свой вклад в производство энтропии.

Наиболее вероятной формой диссипативных структур в твер дых кристаллических телах являются дислокационные ансамбли, а функционирование таких структур проявляется в виде их коо перативного движения, которое требует определенных энергети ческих затрат. Плотность энергетического потока, отводимого дислокационным диссипативным каналом, можно оценить, исхо дя из следующих соображений. Упругая энергия всех дислокаций в единице объема может быть оценена выражением Е = Gb2.

Тогда плотность энергетического потока, отводимого движу щимися дислокациями, определится как q = Gb2V, где 0,5;

G модуль сдвига;

b вектор Бюргерса;

плотность дислокаций.

Средняя скорость скольжения дислокаций при низких температурах и скоростях пластических деформаций составляет V = 10-7... 10-2 см/с, но с увеличением температуры и напряжений она возрастает согласно уравнению U V Vo exp o, kT достигая в пределе скорости звука в твердом теле. Эксперименталь ные исследования высокоскоростных деформационных процессов подтверждают этот факт, причем скорость скольжения дислокаций может достичь величин порядка 103 м/с.

Выполненный оценочный расчет плотности энергетического от тока дислокационного диссипативного канала применительно к спла ву на основе -железа ( = 1016 см-2;

= 1,0;

G = 8,22 1010 Па;

b = = 2,5 10-10 м) показывает, что в пределе q = 5,14 106 Вт/см2. Полу ченная величина соизмерима с плотностью энергетического потока упрочняющего воздействия, в частности, ударно-деформационного, лазерного, электроискрового и др. Следовательно, учет функциони рования дислокационного диссипативного канала заслуживает пол ноправного внимания при рассмотрении термодинамики процессов упрочнения.

Диссипативные структуры, в т.ч. дислокационные, могут су ществовать только в динамических условиях. После снятия внешнего энергетического воздействия они вырождаются в структуру с относительно высокой плотностью линейных дефек тов кристаллического строения. Большинство упрочняющих тех нологий характеризуется постоянной плотностью мощности УВ, поэтому основные кинетические закономерности развития энер гетических потоков системы упрочнения рассмотрим на примере этого варианта.

Интенсивность протекания структурно-диссипативных процессов носит возрастающий временной характер от нулевой величины в начальный момент до максимума, достигающего к концу формирова ния упрочненной структуры плотности мощности УВ. Временная за висимость структурно-активационных механизмов при отсутствии инерционных реакций имеет противоположный характер, т.е. в на чальный момент активность процесса максимальна и равна плотности мощности УВ, а по мере завершения формирования упрочненной структуры она падает до нулевого уровня. Временная зависимость температуры для рассматриваемого варианта функционирования сис темы упрочнения имеет монотонно возрастающий вид, выходящий на стабилизированный уровень по завершении процесса упрочнения.

Технологическое время упрочнения определяется периодом заверше ния функционирования структурных активационно-диссипативных механизмов.

На рис. 3.9 представлена кинетика структурных активационно диссипативных процессов и временная зависимость температуры.

Продолжительность активационных и диссипативных реакций в пер вом приближении можно приравнять к длительности УВ, т.е.

t ув t ап tдп. Универсальный критерий Пригожина-Гленсдорфа для данного варианта функционирования системы упрочнения принимает отрицательное (в пределе нулевое) значение, указывая на принци пиальную возможность появления диссипативных структур. Нетруд но показать, что T t. (3.27) E ув Eап T dF dV S F F А V V V t Образующаяся в этих условиях диссипативная структура со ответствует наиболее упрочненному состоянию, но характеризу ется низкой устойчивостью к динамическим температурным и силовым возмущениям.

В реальных процессах все структуроформирующие механизмы упрочнения имеют активационный период и поэтому вступают в нормальный режим функционирования системы упрочнения посте пенно. Т.е. в начальный момент взаимодействия интенсивность акти вационных механизмов повышается от нуля до некоторого максиму ма, а затем, по мере формирования упрочненного слоя и интенсифи кации диссипативного процесса, снижается до нуля. Наличие актива ционного периода неблагоприятно сказывается на режиме функцио нирования всей системы упрочнения. Действительно, в этом случае в начальной стадии процесса структурные активационные и диссипатив ные каналы в силу неполного своего развития не в состоянии пропус тить всю подводимую энергию внешнего упрочняющего воздействия.

Рис. 3.9. Кинетика активационных и диссипативных процессов упроч нения В результате в системе упрочнения получает развитие дополнитель ный диссипативный канал, связанный со спонтанным выбросом энер гии на счет макро- или микроразрушения упрочняемого материала.

На рис. 3.9 этот период соответствует диапазону времени до tp, после которого наступает баланс между подводимым внешним энергетиче ским упрочняющим воздействием и энергетическим оттоком по акти вационно-диссипативным каналам.

Спонтанный выброс энергии, связанный с работой макро или микроразрушения, приводит к интенсивному тепловыделе нию и образованию новых поверхностей (диспергированию), по этому временная температурная зависимость теряет монотонно возрастающий характер и принимает более сложный вид, пред ставленный на рис. 3.9 кривой 2.

В реальных технологиях упрочнения спонтанный выброс энергии связывается с хрупким разрушением или образованием микротрещин, например, при лазерной и электроискровой обработке хрупких мате риалов, абляцией металлов и сплавов при лазерном или другом высо коконцентрированном тепловом воздействии на них, отслаивании и развитии микротрещин при поверхностно-пластическом деформиро вании.

При наличии спонтанного выброса энергии появление дис сипативных структур невозможно, что подтверждается универ сальным критерием Пригожина-Гленсдорфа, принимающим по ложительное значение, т.е.

Х P 0.

t Нетрудно убедиться, что в период времени от нуля до tp выпол няются условия T t. (3.28) E ув Eап T dF dV S F F F V V t V Из изложенного следует, что спонтанный выброс энергии пред ставляет собой по сути диссипативный канал, приводящий к рез кому увеличению энтропии системы упрочнения и скорости ее производства.

Другим негативным вариантом функционирования системы уп рочнения являются условия, когда активность диссипативно структурных процессов начинает превышать интенсивность внешнего энергетического воздействия. Схематично этот режим изображен на рис. 3.10, а после времени tупр.

РИС. 3.10. КИНЕТИКА СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕС СОВ УПРОЧНЕНИЯ Подобное возможно в случае деградации сформированной уп рочненной структуры, когда часть ее внутренней энергии начинает выделяться в виде тепла. Этот процесс можно интерпретировать как вырождение структурно-активационных механизмов в структурно диссипативные, когда интенсивность структурно-активационных процессов принимает отрицательные значения. Из анализа универ сального критерия Пригожина-Гленсдорфа следует, что в этих усло виях возможно развитие диссипативных структур, которые будут от личаться наибольшей устойчивостью, т.к. скорость производства эн тропии принимает наибольшее отрицательное значение по сравнению с другими вариантами упрочнения. Данный режим упрочнения неоп тимален с точки зрения обеспечения максимальных прочностных свойств материала, но к нему часто прибегают для стабилизации мо дифицированных структур.

Возможным вариантом функционирования системы упроч нения, может быть случай, когда структурно-активационные процессы завершаются раньше, чем активность структурно диссипативных каналов достигнет интенсивности внешнего УВ.

В этом случае также появляется дисбаланс между энергией УВ и энергетическим оттоком по активационно-диссипативным кана лам. В результате возможно появление спонтанного энергетиче ского выброса, который также приводит к макро- и микроразру шению упрочняемого материала.

Кинетика этого случая приведена на рис. 3.10, б, где энерге тические затраты на микро- и макроразрушение представлены заштрихованной областью. На практике такой режим работы системы упрочнения часто встречается при поверхностно пластическом деформировании в результате перенаклепа, обра зования аморфных структур при лазерной обработке и электро искровом модифицировании.

Выводы Анализ динамики активационных и диссипативных процессов выявляет основные пути повышения активности развития эрозионно го массового потока.

С увеличением фрактальной размерности проявляется устойчи вая тенденция повышения износостойкости упрочненной поверхно стной структуры. На основании этой закономерности открывается возможность прогнозирования износостойкости материала на основа нии фрактальной параметризации.

Определение фрактальных размеров структуры в методическом и технологическом отношении требует значительно меньших затрат по сравнению с другими металлографическими исследованиями, а нали чие специальных программных продуктов значительно облегчает этот процесс.

Термодинамический анализ различных упрочняющих техно логий выявляет единые закономерности процесса формирования структур с повышенными эксплуатационными свойствами. Уп рочнение материала можно интерпретировать как повышение свободной энергии исходной структуры при ее взаимодействии с внешним энергетическим потоком. При этом развитие упрочнен ных структур реализуется в системе упрочнения, функциони рующей в термодинамически открытом режиме, и описывается уравнениями неравновесной термодинамики.

Полученные обобщенные термодинамические соотношения рас крывают связь между процессом образования диссипативных струк тур и свойствами модифицированных поверхностей, сформирован ных различными упрочняющими технологиями.

Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ 4.1. Функциональное моделирование метода электроискрового легирования В последнее время в отечественной практике наблюдается расширение использования программно-технических средств функционального моделирования (ФМ) систем, процессов и объ ектов. Наиболее известным является функциональное структур ное моделирование в формате IDEF0, в основе которого лежит моделирование материально-информационных систем. Среди средств программной поддержки IDEF0 применение получил па кет прикладных программ BPWin – AllFusion Process Modeler 4.1.

Методика ФМ устанавливает требования к структуре функ ционального описания. Функциональное описание начинается с формализации цели, функциональных границ и точки зрения разрабатываемой модели. Сама графическая функциональная IDEF0-модель представляет собой многоуровневую иерархиче скую структуру функций от TOP-диаграммы к диаграммам ее де композиции. Эта структура пронизана сетью разнохарактерных связей между составляющими ее функциями, в том числе обрат ными связями, а также между функциями системы и средой [87].

Каждая функциональная модель начинается с верхней (ТOP) диаграммы, имеющей только один прямоугольник (бокс), симво лизирующий выполняемую функцию (Activity) моделируемой системы в целом. Все связи символизируются стрелками (Arrow) и на этой диаграмме являются внешними связями моделируемой системы. TOP-диаграмма подвергается функциональной деком позиции, т.е. разделению ее единственной функции на состав ляющие подфункции. Диаграмма декомпозиции является «до черней» по отношению к декомпозированной «родительской»

диаграмме.

На декомпозированной диаграмме формируются стрелки внутридиаграммных связей, начала и концы которых привязаны к тем или другим боксам. Каждый бокс оснащается ICOM комплектом связей (INPUT, CONTROL, OUTPUT, MECHANISM).

Связей CONTROL и OUTPUT должно быть не менее одной для каждой Activity. Далее, подобным же образом, могут быть деком позированы все или часть функций диаграммы декомпозиции («дочерней» диаграммы).

Рассматривая подробности методики функционального мо делирования IDEF0, отметим, что входами в функциональный прямоугольник (бокс) являются:

входы INPUT (в функцию);

выходы OUTPUT (из функций);

управления CONTROL (функциями);

механизмы MECHANISM (осуществления функций).

Наиболее распространены внутридиаграммные связи «вы ход-вход». Связи могут быть образованы также между разно именными гранями боксов, например, «выход-управление», «вы ход-механизм». Возможно образование связей не только прямых, но и обратных. Обратные связи могут быть связями по входу и обратными связями по управлению.

Данный инструмент используется в целях подготовки для анализа следующей информации:

проанализировать внешние связи системы;

изучить работу системы;

оптимизировать работу системы;

проанализировать корректность построения системы.

В настоящее время IDEF0 широко используется в промыш ленном и коммерческом секторах, поддерживая моделирование в широком ряду производственных и прикладных областей [87]. Не видно принципиальных причин для исключения какой бы то ни было предметной области деятельности из сферы возможного приложения рассматриваемого инструментария.

Внимательное рассмотрение методических особенностей и возможностей ФМ систем, с одной стороны, и характера и состава задач деятельности в различных предметных областях – с другой, показывают, что одной из сфер возможного и целесообразного ис пользования методического и программного инструментария ФМ может быть моделирование технологического процесса упрочне ния поверхностей электроискровым легированием.

На рис. 4.1 представлена родительская ТОР-диаграмма про цесса электроискрового легирования поверхности.

В левую грань бокса направлены стрелки, символизирующие входы в функцию, сверху располагаются стрелки управления, снизу – механизмы, а из правой грани бокса – стрелки выхода функции. Далее декомпозируем ТОР-диаграмму и строим диа грамму второго уровня (см. рис. 4.2).

Следующим шагом декомпозируем функцию – «Электроис кровое легирование» (рис. 4.3). Таким образом, если есть необхо димость, детализируются все три функции процесса, представ ленные на рис. 4.2 и строятся диаграммы нижнего уровня.

Функциональная модель, представленная в графическом IDEF0-формате, существенно улучшает возможность оценки комплексности и корректности моделируемого объекта и необхо димого пополнения его недостающими элементами.

Представленные диаграммы иллюстрируют процесс элек троискрового легирования поверхностей в состоянии AS-IS («как есть»).

По результатам перестроения технологического процесса ЭИЛ в графический формат функциональной модели IDEF0 не обходимо сделать заключение.

Разработка функциональной модели ЭИЛ производилась в следующей последовательности:

разработка функциональных моделей, соответствующих ЭИЛ, на первом этапе работ на глубину двух иерархических уровней: А-0 (ТОР-диаграмма) и А0 (первая декомпозиция);

на втором этапе разработана подробная модель функции – «Электроискровое легирование» на глубину А2.

Результаты первого этапа позволяют оценить:

степень охвата всех операций, входящих в технологический процесс электроискрового легирования поверхности;

связность между собой трех рассматриваемых функций процесса (диаграмма А0).

Результаты второго этапа позволяют объективно оценить:

состав объектов процесса ЭИЛ (нормативной документа ции, оборудования, приспособлений, инструмента, условий обра ботки);

выяснить управляемость отдельных операций и процесса в целом;

проанализировать внутренние связи между функциями про цесса.

Изучение разработанных функциональных моделей позволя ет сделать следующие оценки:

1) на диаграмме А0 четыре граничные стрелки не изображе ны на диаграмме верхнего уровня (стрелки, имеющие на конце квадратные скобки);

USE D A T: AUTHOR: Коротаев DATE: 02.10.05 WORKING REA DE R DA TE CONTEX T:

P ROJE CT: Модель у проч нения поверх нос ти RE V: 05.10.05 DRA FT ЭИЛ TOP RECOMMENDE D NOTE S: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PUBLICA TION Внешние Необходимые Инструкция по условия эксплуатационные процессу обработки свойства Неупрочненные поверхности Упрочненные поверхности Обработка поверхности электроискровым легированием Изношенные поверхности Восстановленные поверхности 0р. Цель: Моделировать технологию упрочнения поверхностей электроискровым легированием (ЭИЛ) Квалифицированный Доводочное Точка зрения: Автора персонал оборудование, приспособления Установка ЭИЛ IMES 01- NODE: TITLE: NUMBE R:

Обработка поверхности электроискровым A-0 легированием Рис. 4.1. ТОР-диаграмма функциональной модели технологического процесса ЭИЛ USE D AT: AUTHOR: Коротаев DATE: 02.10.05 WORKING REA DE R DATE CONTEX T:

PROJE CT: Модель у проч нения поверх нос ти RE V: 09.10.05 DRA FT ЭИЛ RECOMM ENDE D NOTE S: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PUBLICA TION A - C1 C2 C Степень Внешние чистоты условия Инструкция поверхности обработки по Требования по процессу Неупрочненные толщине к поверхности Необходимые легированному I Подготовка эксплуатационные слою Изношенные поверхности свойства поверхности I 0р. Упрочненные поверхности O Электроискровое Восстановленные Подготовленная легирование поверхности поверхность O 0р. Окончательно обработанные поверхности Финишная обработка Квалифицированный персонал 0р. Установка ЭИЛ IMES Доводочное оборудование, Контрольно-измерительный приспособления инструмент M3 M1 M NODE: TITLE: NUM BE R:

Обработка поверхности электроискровым A0 легированием Рис. 4.2. Функциональная модель технологического процесса обработки ЭИЛ USED AT: AUTHOR: Коротаев DATE: 05.10. 05 WORKING READER DATE CONTEXT:

PROJECT: Модель упрочнения поверхност и ЭИЛ REV: 19.12. 05 DRAFT RECOMMENDED NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PUBLICATION A C1 C Межэлектродный Вне шние Необходимые зазор условия экс плуата ционные Неупрочне нные обработки с войства пове рхност и Зажим заготовки I 0р. 1 За кре пле нна я за гот овка П одготовле нный Подготовле нна я Подвод легирующег о электрод Тре бования пове рхност ь электрода к поверхности по толщине I 0р. 2 и свойс тва м Тиски, па трон Легирование поверхности 0р. Обработа нна я пове рхност ь Элект рододе ржа тель отвод легирующего O электрода Упрочне нные 0р. пове рхност и Квалифицирова нный Ус тановка перс она л ЭИЛ "Элитрон-22В" M1 M NODE: TITLE: NUMBER:

Элек троиск ровое легирование A Рис. 4.3. Функциональная модель электроискрового ле гирования 2) на диаграмме А2 у функции «Зажим заготовки» отсутству ет стрелка управления и четыре туннелированные связи (имею щие на конце квадратные скобки);

3) отсутствуют обратные связи по управлению, когда выход нижестоящей функции направляется на управление вышестоящей работы;

4) отсутствует нормативная база (стандарты, правила, реко мендации) на процесс обработки поверхностей электроискровым легированием.

Перечисленные недостатки говорят о том, что процесс элек троискрового легирования поверхности является слабоуправляе мым и во многом стохастичным. Для их устранения необходимо разработать функциональную модель в режиме ТО BE («как должно быть»), что позволит определить ряд конкретных дейст вий, направленных на повышение эффективности процесса ЭИЛ.

Таким образом, основными факторами управления процессом электроискрового легирования с целью улучшения его качества яв ляются: материалы легирующих электродов, целенаправленное соз дание межэлектродной среды, варьирование энергетическими режи мами установок ЭИЛ.

4.2. Газовая межэлектродная среда в процессах ЭИЛ Газовая межэлектродная среда в процессах электроискровой об работки традиционно использовалась как охлаждающий и защитный компонент. Однако качеством процесса можно активно управлять це ленаправленным подбором межэлектродной среды, о чем свидетель ствуют исследования последних лет в этой области. При растворении кислорода, углерода, азота, аргона в переходных металлах, образуют ся твердые растворы внедрения или неметаллические соединения по границам зерен, что повышает порог хладноломкости металла и спо собствует его хрупкому разрушению под действием циклических на грузок от искровых разрядов [49;

50]. Возникновение оксидных, нит ридных и карбидных фаз на поверхности электродов препятствует схватыванию, тем самым улучшаются условия формирования легиро ванного слоя на детали. Это справедливо в отношении электродов из тугоплавких соединений и сплавов на их основе, для которых воз можно взаимодействие с элементами межэлектродной среды металла связки, металлической компоненты тугоплавкой фазы, а также самого тугоплавкого соединения [11;

12;

176].

Варьируя составом межэлектродной среды, можно не только ме нять ход эрозионного процесса, но и создавать поверхностные струк туры заданного свойства. Газовые среды принципиально не меняют характера межэлектродного массопереноса, удобны в технологиче ском отношении при транспортировке их в зону обработки и являют ся активными в структуроформирующих процессах вследствие высо кой ионизирующей способности.

Состав межэлектродной среды изменяет состояние рабочей по верхности легирующего электрода в процессе ЭИЛ. На поверхности, после ЭИЛ железа металлами в воздухе, наряду с железом (за счет обратного переноса) и легирующими элементами присутствуют также оксидные и нитридные фазы этого металла, возникающие при его взаимодействии с элементами окружающей среды в процессе обра ботки. Количество оксидных и нитридных фаз, способствующих ох рупчиванию поверхности электрода, при переходе от атмосферной к разряженной и инертной межэлектродной среде уменьшается, что объясняет более низкий уровень эрозии металлов при ЭИЛ в аргоне по сравнению с легированием в химически активной среде [50;

125].

В работе [213] проведено исследование влияния различных ме жэлектродных сред на процесс электроискрового легирования сталей тугоплавкими металлами. Например, установлено, что применение аргона в качестве межэлектродной среды способствует заметному снижению эрозии анода по сравнению с обработкой в воздухе. Так как одной из причин эрозии анода является разрушение его под дей ствием энергии, освобождаемой на аноде в результате торможения электронов эмиссируемых с катода, то можно было бы предположить, что уменьшение эрозии в аргоне связано с таким изменением состоя ния поверхности катода, которое вызывает снижение плотности тока эмиссии, увеличение работы выхода электронов с поверхности като да. Для выяснения влияния среды на работу выхода электронов с по верхности катода, определялись ее значения с вольфрамовых пластин ( = 100 мкм), предварительно упрочненных вольфрамовым анодом в аргоне и в воздухе. Полученные результаты показывают, что эмисси онная способность поверхности, упрочненной в воздухе, меньше, чем упрочненной в аргоне. Следовательно, увеличение эрозии анода в воздухе не связано с уменьшением работы выхода электронов с уп рочняемой поверхности. Подобное явление следует объяснять други ми факторами, действие которых более существенно, чем изменение работы выхода электронов с поверхности катода.

Было выдвинуто предположение, что таким фактором может быть взаимодействие материала анода с элементами межэлектродной среды (водородом, кислородом, азотом, углеродом);

в результате это го взаимодействия образуются твердые растворы внедрения, кроме того, примеси внедрения могут находиться в виде неметаллических включений, располагаясь по границам зерен. В обоих случаях наблю дается повышение температуры перехода металла из пластичного со стояния в хрупкое [53;

213], что способствует разрушению электро дов в процессе ЭИЛ.

Влияние межэлектродной среды на процесс ЭИЛ проявляется в двух аспектах. С одной стороны, высокие температуры в зоне разря да, ионизация межэлектродного газа, наличие жидкой и паровой фаз на электродах способствует интенсивному взаимодействию материала электродов с элементами межэлектродной среды и, как следствие это го, изменению физико-химических свойств формируемого слоя. На пример, изучая роль окислительных процессов при ЭИЛ, Н.И. Лаза ренко [140] установила возможность изменения характера зависимо сти эффективности обработки от времени легирования подбором ме жэлектродных сред, исключающих или уменьшающих окисление ма териала электродов. Наиболее сильно это проявляется при обработке в инертных и восстановительных средах, например аргоне и водоро де. Проведение процесса ЭИЛ в водороде или аргоне в ряде случаев позволяет получить более толстые и качественные поверхностные слои, чем при обработке в воздухе.

С другой стороны, особенности развития разряда в межэлектрод ном промежутке, его характеристики и процессы на электродах непо средственно связаны с термодинамическими и другими свойствами межэлектродного газа, что также влияет на явление эрозии и переноса и, в конечном итоге, на привес обрабатываемого образца.

При использовании в качестве легирующих электродов переход ных металлов был выявлен ряд особенностей взаимодействия их с га зами. Исследуемые переходные металлы в различной степени раство ряют кислород, углерод и азот, поэтому они оказывают неодинаковое влияние на эрозию материала анода. Для понимания закономерностей влияния межэлектродной среды на эрозию анода следует исходить из электронного строения атомов элементов, входящих в состав среды:

O s2p4;

N s2p3;

C s2p2.

Hаиболее устойчивыми в энергетическом отношении являются s p и sp3-конфигурации. Элементы, атомы которых в изолированном состоянии имеют конфигурации валентных электронов, отличающие ся от стабильных, стремятся путем s-p переходов и обмена электро нами приобрести одну из указанных конфигураций.

Атом углерода стремится приобрести при этом максимальный статистический вес квазиустойчивой sp3-конфигурации.

Атом азота способен, с одной стороны, к преобразованию валентной подоболоч ки s2p3 sp4 sp3 + p с преобразованием sp3-конфигурации со слабо связанным p-электроном, а с другой, может приобретать дополни тельно три электрона с образованием s2p6-конфигурации. Атом ки слорода наиболее вероятно приобретет дополнительные электроны с образованием s2p6-конфигурации. С точки зрения электронного строения различная растворимость кислорода в переходных металлах является следствием того, что по мере повышения степени локализа ции электронов в стабильные конфигурации в ряду Ti – Zr – W умень шается доля коллективизированных электронов, которые атомы ме таллов могут передавать кислороду для достройки до стабильной s2p6 конфигурации.

Многостороннее влияние межэлектродной среды на процесс ЭИЛ затрудняет точное предсказание характера изменения переноса и формирования поверхностного слоя на катоде. Но на основании мно гочисленных экспериментальных данных можно отметить, что при атмосферном давлении использование инертных и восстановитель ных сред, например, аргона, азота, водорода, практически всегда уве личивает количество перенесенного на катод материала анода и улучшает качество сформированного слоя [69;

103]. В работе [128] исследованы физико-механические, антифрикционные и противоиз носные свойства оксидных пленок. Основная роль оксидной пленки это экранирование молекулярного взаимодействия между трущимися телами, т.е. предотвращение образования металлических связей. Нит ридные и оксидные фазы в поверхностном слое снижают износостой кость [60].

В настоящей работе представляется целесообразным провести исследование роли газовых межэлектродных сред в управлении про цессом ЭИЛ для повышения эффективности упрочнения и эксплуата ционных свойств модифицированных структур. Для этого необходи мо выполнить следующее:

уточнить влияния газовой межэлектродной среды на эрозион ные процессы и формирование эрозионного потока, его энергосодер жание и фазовый состав;

исследовать влияния газовых сред на микро- макроструктуру и физико-механические свойства легированных слоев;

исследовать влияния газовой среды на массоперенос и толщину легированного слоя в зависимости от удельного времени обработки;

исследовать влияния газовой межэлектродной среды на трибо логические свойства упрочненных поверхностей.

Для реализации поставленных задач специальная газовая среда в зоне обработки обеспечивалась путем закачки газа в камеру зонтового типа, закрепляемой на держателе легирующего электрода. Принципи альная схема обработки в газовой среде представлена на рис. 4.4. Ка мера в процессе обработки перемещалась вместе с электродом, а ее внутренние размеры обеспечивали свободное размещение испыты ваемых образцов.

К установке 7 Газ Рис. 4.4. Схема обработки в газовой среде: 1 – вибровозбудитель;

2 – камера;

3 – крепежный винт;

4 – держатель электрода;

5 – легирующий электрод;

6 – столик;

7 образец 4.3. Влияние газовой среды на состав, распределение и энергетическое состояние эрозионного потока Поверхность, обработанная ЭИЛ, представляет собой множество перекрывающих друг друга лунок [109;

223]. Процесс образования этих лунок, их формы и размеры определяют качество обработанной поверхности и могут служить отображением распределения анодного потока по составу и энергетическому состоянию (потенциалу) эрози онных частиц. Для объяснения характера электроэрозионного процес са, его физической сущности, а также для разработки требований к качеству поверхности, важно исследовать закон распределения раз меров лунок, являющийся отображением распределения анодных эродированных частиц по энергии и массе. Проанализировав закон распределения единичных микролунок на упрочняемой поверхности катода-детали, можно зафиксировать степень влияния различных факторов на электроэрозионный процесс.

В данной работе рассматривается зависимость среднего диамет рального размера микролунки и диапазона рассеивания диаметраль ных размеров от применяемой в процессе ЭИЛ межэлектродной газо вой среды, материала легирующего электрода и энергии импульса.

Было произведено измерение ста единичных следов поражения (мик ролунок) на поверхности электрода-детали, что обеспечило достаточ ную достоверность полученных результатов.

При перемещении эродированной анодной массы в межэлек тродном пространстве в результате плазмохимических реакций веще ство переводится в жидкокапельное и плазменное состояние и в таком виде осаждается на упрочняемой поверхности детали [111]. Введение в межэлектродный промежуток газовой среды изменяет условия фор мирования анодного массового потока по гранулометрическому со ставу, энергии теплового импульса частицы и, как следствие, приво дит к изменению физико-механических свойств обрабатываемой по верхности.

Рассмотрим влияние газовой межэлектродной среды на размеры, распределение микролунок, а также на состав и энергетику частиц эрозии анодного массового потока.

Влияние межэлектродной газовой среды на процессы ЭИЛ пред ставлено на рис. 4.5 в виде структурной схемы. На схеме отражены все основные каналы воздействия межэлектродной среды на процесс формирования искрового разряда, эрозионные механизмы на анодно катодных поверхностях, состав анодного массового потока и характер взаимодействия упрочняемой поверхности с энергетически активным потоком энергии и вещества.

Газовая межэлектродная среда многоканально воздействует на все процессы, сопровождающие ЭИЛ, в частности, эрозионное раз рушение, гранулометрический состав межэлектродного потока веще ства и структурно-энергетические механизмы формирования моди фицированного слоя.

Исходный Электродный упрочняемый материал материал Режимы электроэрозионного процесса Электро эрозионный процесс МЕЖЭЛЕКТРОДНАЯ СРЕДА Процессы Состав активации анодного исходной массопотока структуры Структура и свойства модифицированной поверхности Рис. 4.5. Структурная схема влияния межэлектродной среды на процессы электроискрового легирования Изучение состава и энергетики частиц анодного массового пото ка, полученного при электроискровом импульсе, представляет опре деленные трудности в связи с экстремальными условиями формиро вания частиц эрозии. В связи с этим, вышеуказанные составляющие процесса оценивались косвенно по единичным следам (микролун кам), оставляемым на поверхности (рис. 4.6).

Обработка образцов осуществлялась на установке ЭИЛ «Элитрон–22А», предназначенной для электроискровой обработки деталей машин с целью по вышения их износостойкости, восстановления размеров изношенных деталей машин, упрочнения рабочих поверхностей режущего инструмента и штампо вой оснастки. В качестве обрабатываемого материала использовались образ цы из быстрорежущей стали Р6М5;

легирующего электрода – ВК6М, Т15К6.

Рис. 4.6. Внешний вид микролунок после единичного искрового разряда Электроискровое легирование проводилось по следующей мето дике. На зеркально отполированную поверхность образцов, закреп ленных неподвижно, наносились единичные фрагменты анодного эрозионного материала, которые оставляли следы на поверхности в виде кратерообразных лунок различных размеров и формы. Относи тельная скорость перемещения легирующего электрода определялась исходя из минимума наложения предыдущих и последующих следов взаимодействия (лунок). Энергия в импульсе изменялась в диапазоне от 0,022 Дж до 0,25 Дж.

Измерения диаметральных размеров микролунок проводили с помощью металлографического микроскопа ММУ-3 при 317-кратном увеличении, который предназначен для визуального наблюдения не прозрачных объектов в отраженном свете. Лунки измерялись в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Цена деления окуляра 4 и 6 мкм. Проводились замеры ста единичных лунок на всех исследуе мых образцах. Гранулометрический состав продуктов эрозии изучал ся при помощи электронно-сканирующего микроскопа JSM-35С.

На основании экспериментальных данных, используя методы ве роятности и математической статистики, строились кривые распреде ления диаметральных размеров микролунок, которые являлись ото бражением закона распределения эродированных частиц легирующе го электрода анода.

На рис. 4.7 представлены кривые распределения квадратичных диаметров микролунок на поверхности катода-детали при различных сочетаниях электродного материала и режимов упрочнения.

С повышением энергии искрового разряда кривая распределения смещается в область больших диаметральных размеров, трансформи руясь из монотонно падающей в экстремальную зависимость (рис. 4.7, а). Такой характер изменения средних размеров микролунок связан с увеличением тепловой мощности разряда, что приводит к росту термонапряжений в поверхностном слое электрода-анода и по явлению в анодном массовом потоке крупных частиц хрупкого раз рушения. Данные частицы образуют микролунки относительно боль шого диаметра, что и зафиксировано на кривых распределения. Нали чие экстремума на кривой распределения является результатом выго рания мелкодисперсных фрагментов, снижающего их содержание в эрозионном массовом потоке. Подтверждением возможности такого хода процесса можно считать наблюдаемую устойчивую тенденцию к смещению диапазона диаметральных размеров продуктов эрозии в сторону уменьшения при использовании газовых сред с большей окислительной активностью.

Важнейшим компонентом обработки ЭИЛ является материал леги рующего электрода, который не только влияет на фазовые и структурные превращения материалов – участников процесса, но и на размеры эроди рованных частиц и процесс осаждения потока частиц на упрочняемую поверхность. На рис. 4.8 приведены кривые распределения средних диа метральных размеров микролунок в зависимости от материала легирую щего электрода при фиксированной газовой среде (воздух) и энергии в импульсе. Особенностью приведенных кривых является то, что размер диаметра микролунки, полученного электродом Т15К6, на порядок пре вышает размеры лунок, полученных электродом ВК6М. Кроме того, кривые распределения, построенные после измерения лунок, созданных Т15К6, имеют экстремальный характер, что говорит о наличии в составе анодного потока большего содержания твердохрупких фракций анода, чем жидкокапельных, что подтверждается фотографиями на рис. 4.9.

В табл. 4.1 представлено процентное содержание и размеры эро зионных частиц анодной массы в зависимости от материала анода.

Появление твердокристаллических фрагментов в анодном массо вом потоке Т15К6 связывается с прочностью химической связи дан ного твердого сплава [49;

184;

185]. Прочность химической связи в карбидах определяется вероятностью образования атомами углерода стабильных электронных sp3 конфигураций.

Р, % d 2.10-8,м 0 20 40 60 80 а) Р, % 1 d. 10,м 2 -8 0 10 20 30 40 б) Рис. 4.7. Распределение квадратичных диаметральных размеров микролунок на поверхности образца из Р6М5 при ЭИЛ электродом из ВК6М. а) ЭИЛ на воздухе:

1 энергия искрового разряда 0,02 Дж;

2 энергия искрового разряда 0,09 Дж;

3 энергия искрового разряда 0,25 Дж;

б) ЭИЛ при энергии искрового разряда 0,09 Дж: 1 упрочнение в кислороде;

2 упрочнение в углекислом газе;

3 упрочнение на воздухе Р, % - d. 10, м 0 0, 0,2 0,6 2 4 6 Рис. 4.8. Кривые распределения диаметров микролунок при ЭИЛ стали Р6М5 на воздухе электродами: 1 – ВК6М;

2 – Т15К Таблица 4. Гранулометрический состав продуктов эрозии электродных материалов при ЭИЛ стали Р6М5 на воздухе (Элитрон-22А, Е = 0,25 Дж) Материал Шарообразные частицы Частицы хрупкого разрушения анода Диаметр, мкм Содержание, % Размер, мкм Содержание, % ВК6М 7 - 250 53 20 - 400 Т15К6 10 - 100 30 25 - 625 Наличие частиц твердохрупкого разрушения подтверждается со ставом и формой эрозионных частиц, представленных на рис. 4.9.

Основным упрочняющим фактором при ЭИЛ является электро эрозионный процесс, создающий анодно-катодный массовый поток.

Газовая среда проявляет себя в эрозионных процессах через электри ческие свойства, определяя энергетику искрового разряда. Воздейст вие потока электронов на поверхность анода создает эрозионную мас су, обладающую повышенной степенью ионизации и сверхвысокой температурой. При перемещении к катоду эродированная масса всту пает в активное физико-химическое взаимодействие со средой межэ лектродного пространства, окончательно формируя состав и энерге тическое состояние анодного массового потока. В итоге физико химические свойства среды отражаются на составе анодного массово го потока и его энергетике, и, как следствие, на структуре, составе и свойствах образующегося модифицированного поверхностного слоя.

а) б) Рис. 4.9. Состав продуктов эрозии легирующих электродов (х 92):

а – ВК6М;

б – Т15К В меньшей степени электрической эрозии подвержена поверх ность катода, но развивающаяся высокая температура стимулирует развитие микрометаллургических, диффузионных и термохимических реакций, которые можно квалифицировать как фактор активизации исходной структуры. В данных реакциях газовая межэлектродная среда также проявляет высокую физико-химическую активность.

Рассмотрим более детально роль межэлектродной среды в элек троэрозионных процессах упрочнения при фиксированной энергии в импульсе Е = 0,09 Дж и легирующем электроде ВК6М. Исследование влияния газовых сред проводилось в две стадии. Во-первых, участие газа в окончательном формировании электроимпульса через пробив ные напряжения газовых сред. Во-вторых, образование соединений и новых фаз при взаимодействии эродированной анодной массы с иони зированной газовой средой и последующее осаждение проэродировав шего вещества с определенным энергосодержанием на поверхности.

Электрические свойства межэлектродной газовой среды характе ризуются пробивным напряжением. Численные значения последнего для некоторых газов представлены в табл. 4.2, где Е*пр пробивное от носительное напряжение по сравнению с воздухом, т.е.

Е*пр = Епр.газа / Епр. воздуха.

Таблица 4. Пробивное напряжение некоторых газов Е*пр Епр.газа, кВ/см Вещество Азот 32,0 1, Аргон 8,0 0, Воздух 32,0 1, Кислород 28,8 0, Углекислый газ 28,8 0, С понижением пробивного напряжения в межэлектродном про странстве происходит более полная разрядка емкостей конденсаторов в системе ЭИЛ, приводя к повышению энергии каждого элементарно го электрического импульса. В первом приближении можно ожидать, что энергия электрического импульса в углекислом газе и кислороде на 10 %, а в аргоне на 75 % больше, чем в воздухе и среде азота.

Повышение энергии единичного искрового разряда вызывает смеще ние электроэрозионного процесса на поверхности легирующего элек трода из области оплавления и парообразования в зону термохрупко го разрушения, так как увеличение плотности тепловой мощности вы зывает рост термонапряжений. В результате, в составе анодного мас сового потока повышается доля твердокристаллической фазы, кото рая в дальнейшем приводит к увеличению содержания жидкофазной составляющей.

Данный факт подтверждается кривыми распределения диа метральных размеров микролунок и гранулометрическим анали зом продуктов эрозии, результаты которого приведены в табл.

4.3.

В результате гранулометрического анализа в составе эрозионного анодного потока зафиксированы частицы правильной шарообразной формы, что позволяет предположить образование этих частиц в жид кокапельном состоянии. Другая группа частиц имеет неправильную «рваную» форму, что говорит об образовании частиц в результате хрупкого разрушения электрода-анода. На фотографиях показаны эрозионные частицы, преобладающие при электроискровой обработке в углекислом газе (рис. 4.10, б) и в более окислительной среде – воз дух (рис. 4.10, а).

Таблица 4. Гранулометрический состав продуктов эрозии электрода ВК6М при ЭИЛ сплава ВК6М (t = 3 мин/см2) Газовая сре- Шарообразные частицы Частицы хрупкого да разрушения диаметр, мкм содержание, % размер, мкм содержание, % Углекислый 10 - 135 30 - 32 3 68 газ Воздух 15 - 100 20 - 60 3 40 Из изложенного следует, что автономное влияние межэлектрод ной среды как фактора, контролируемого пробивным напряжением, проявляется следующим образом. С понижением пробивного напря жения доля твердокристаллической и жидкокапельной фаз в структу ре анодного массового потока увеличивается, а это приводит к смеще нию диапазона рассеивания диаметральных размеров лунок на модифи цируемой поверхности в большую размерную область (см. рис. 4.7).

Предлагается количественный параметр распределения диамет ральных размеров микролунок средний квадратичный диаметр, оп ределяемый по формуле max 1N N d P( ) 2 d Pi ( ) 2 ( Ni di ), i N i min i где Р() уравнение кривой распределения диаметральных размеров микролунок.

а) б) Рис. 4.10. Состав продуктов эрозии легирующих электродов в газовых средах:

а – воздух;

б – углекислый газ С математической точки зрения средний квадратичный диаметр является отображением средней площади единичной микролунки на модифицируемой поверхности. Предлагаемый параметр позволяет оценивать характер распределения осажденных эродированных час тиц по энергии и массе и является количественным показателем со става анодного массового потока. Он не зависит от времени упрочне ния и площади обрабатываемой поверхности и учитывает только те составляющие анодного массового потока, которые играют основную роль в образовании осажденного модифицированного покрытия. Од нако один и тот же диаметральный размер микролунки может быть получен различными по массе эрозионными микрочастицами, соз дающими в момент осаждения одинаковые тепловые импульсы. Так, микролунку большого диаметра можно получить за счет осаждения крупной эрозионной частицы с относительно низким энергосодержа нием или мелкой частицы, но с высокой концентрацией потенциаль ного тепла и энергии. В первом случае размер микролунки обеспечи вается большой массой конденсированного вещества, а во втором за счет теплового выброса.

Перемещение анодного массового потока в межэлектродном про странстве протекает в течение 10-5...10-4 с. Несмотря на кратковремен ность этого процесса, имеются все условия для протекания полноцен ных химических реакций и физических взаимодействий. В первую очередь это обеспечивается высокой температурой и наличием в анодном массовом потоке активной ионно-плазменной фазы. Роль га зов в подобных условиях наиболее активно может проявляться в окислительных реакциях и других термических активируемых про цессах. Окислительная активность среды выражается в снижении до ли твердокристаллической и жидкокапельной фаз в структуре анод ного потока и повышении теплосодержания последнего (табл. 4.3).

При воздействии анодного массового потока с такой структурой и энергетикой на упрочняемой поверхности формируются микрократе ры относительно больших диаметров. Большие размеры обеспечива ются за счет теплового эффекта выброса материала упрочняемой по верхности, а не вследствие осаждения крупных эрозионных частиц.

Следовательно, с повышением окислительной или эндотермической активности межэлектродной газовой среды средний квадратичный диаметр микролунок смещается в большую размерную область (см. рис. 4.7, б).

Из изложенного следует, что по характеру распределения диа метральных размеров микролунок невозможно определить домини рующий канал воздействия газовой среды на состав анодного потока.

Так, снижение пробивного напряжения и повышение окислительной или эндотермической активности среды адекватно влияют на вид кривой распределения диаметральных размеров, хотя характер эрози онного процесса и состав анодного потока имеют при этом сущест венные отличия. Следовательно, средний квадратичный диаметр не всегда может отражать энергосодержание анодного массового потока.

Более полной характеристикой, отображающей состав анодного массового потока, является отношение среднего диаметра микролун ки к толщине покрытия, т.е.


d*, где d* средний диаметр микролунки;

средняя толщина осажден ного покрытия.

С повышением теплового эффекта выброса вещества в момент осаждения эрозионной частицы отношение возрастает, а при доми нировании в структуре анодного массового потока твердофазных фрагментов отношение принимает меньшие значения. В табл. 4. приведены значения, полученные при электроискровом упрочнении быстрорежущей стали Р6М5 легирующим электродом из ВК6М в раз личных газовых средах и энергии единичного искрового разряда. Из табл. 4.4 следует, что с повышением окислительной активности газа теплосодержание эрозионной частицы возрастает. Аналогичное имеет место и при увеличении энергии единичного искрового разряда.

Таблица 4. Численные значения отношения при электроискровом легировании стали Р6М5 электродом из ВК6М Межэлектродная Энергия единичного искрового разряда, Дж среда 0,022 0,090 0, Кислород 77,13 180,28 193, Воздух 44,48 65,19 100, Углекислый газ 22,08 36,74 39, Поверхность, сформированная в газовой среде с пониженным пробивным напряжением, отличается высокой концентрацией твер докристаллических фрагментов электродного материала и близка к дисперсно-упрочненной структуре. Рентгеноструктурные исследова ния подтверждают вышеизложенное [165].

Традиционно на газовую межэлектродную среду возлагались функции защиты формируемого анодного массового потока и легиро ванного слоя от окисления и удаления из зоны обработки нереализо ванных продуктов эрозии. Но роль газовых сред значительно важнее.

Целенаправленным подбором газовой среды можно активно управ лять процессом формирования анодного массового потока с опреде ленным составом и энергетическим состоянием и, как следствие, соз данием необходимой поверхностной структуры.

4.4. Образование и роль вторичных структур при электроискровом легировании Образующийся при электроискровом разряде поток активного вещества анода и катода вместе с элементами газовой среды участву ет в плазмохимических и физических процессах, протекающих в ме жэлектродном промежутке. Осаждение продуктов межэлектродного взаимодействия на поверхностях легирующего электрода и обрабаты ваемого материала приводит к образованию вторичных поверхност ных структур, теплофизические и электрические свойства которых отличаются от исходных материалов и в значительной степени опре деляют механизм протекания межэлектродного и эрозионного про цесса, и, следовательно, производительность и эффективность обра ботки [44;

54;

55;

71].

В основе электрической эрозии при ЭИЛ лежит тепловой меха низм разрушения, связанный с накоплением критической удельной тепловой энергии равной энтальпии плавления. Эрозионная стойкость материала определяется критерием Палатника, представляющего произведение коэффициента теплопроводности, температуры и эн тальпии плавления. С повышением плотности дефектов кристалличе ского строения коэффициент теплопроводности, температура и эн тальпия плавления металлов понижаются, что приводит к снижению критерия Палатника [194;

195], то есть для осуществления процесса электроискровой обработки необходимо учитывать эрозионную стой кость материала легирующего электрода и обрабатываемой поверхно сти. Интенсивность эрозионного процесса и, в связи с этим, выбор материала легирующего электрода традиционно осуществляется по критерию Палатника [187;

228].

Разрушение металлов и сплавов под действием электрического разряда происходит главным образом за счет оплавления материала и его удаления в жидкофазном состоянии. Эрозионная стойкость мате риала при электроискровом процессе определяется количеством теп ловой энергии необходимой для нагрева твердого тела до состояния оплавления. При тепловом воздействии существует критическая плотность теплового потока, обеспечивающая нагрев материала до температуры плавления, Tпл 0,885 Т пл, (4.1) q a 2 а где – коэффициент теплопроводности;

Тпл – температура плавлении;

– длительность теплового воздействия;

а – коэффициент температу ропроводности.

Коэффициент температуропроводности связан с коэффициентом теплопроводности соотношением, (4.2) a cp где ср – объемная удельная теплоемкость;

– плотность материала.

Тогда с учетом (4.2) выражение (4.1) примет вид cp Tпл. (4.3) q 0, Критерий Палатника представляет комбинацию теплофизических свойств нагреваемого материала, характеризующих его твердофазное состояние при теплопроводности вблизи температуры плавления, и вычисляется по формуле Pа c p Т пл H пл Т пл, (4.4) где Нпл – энтальпия плавления.

Тогда критическая плотность теплового потока принимает вид Pа. (4.5) q 8, Значения критерия Палатника, отнесенного к единичной плотно сти теплового потока, для некоторых металлов приведены в табл. 4.5.

Чем выше критерий Палатника, тем больше энергии необходимо затратить для формирования теплового поля в условиях динамиче ской теплопроводности, необходимой для оплавления материала.

Следовательно, с повышением критерия Палатника электрическая эрозионная стойкость материала возрастает. На рис. 4.11 представле на зависимость молярной эрозионной стойкости металлов в зависи мости от величины их критерия Палатника. Под молярной эрозион ной стойкостью понимают обратную величину скорости эрозионного разрушения, выраженную в молярных массах, т.е.

1 dt 1, T J J dM dM где – молярная масса металла;

J – массовая скорость эрози dt онного разрушения.

Таблица 4. Критерий Палатника различных материалов Критерий Палатника, Критерий Палатника Материал Материал ДжКм-2 1011 ДжКм-2 Титан 94 Хром Цирконий 218 Ниобий Ванадий 218 Медь Алюминий 246 Тантал Никель 473 Молибден Железо 475 Вольфрам Кобальт Большая величина критерия Палатника меди обеспечивается за счет высокой теплопроводности при относительно низкой температу ре плавления, а вольфрама, молибдена и тантала – за счет высокой температуры плавления. Однако многочисленные экспериментальные результаты показывают, что между критерием Палатника и эрозион ной стойкостью материала не наблюдается строгой функциональной зависимости [1;

2]. Это, в первую очередь, связано с тем, что расчет критерия Палатника определяется по стационарным теплофизическим параметрам материала, а процесс электроэрозионного разрушения происходит в неравновесных условиях, при которых теплофизические характеристики принимают численные значения отличные от стацио нарных. В работе [1] предложены модифицированные критерии Па латника, в большей степени отражающие поведение материала в не равновесных условиях. В модифицированном варианте критерия Па латника в качестве критической температуры принята температура, при которой твердая и газообразная фазы могут находиться в равно весии, а плотность материала соответствует плотности твердой фазы.

J, мин/моль Ра.1014, ДжКм- 3,0 6,0 7, 1,5 4, Рис. 4.11. Влияние критерия Палатника на молярную эрозионную стойкость материала При электроискровой обработке разрушению подвергаются леги рующий электрод и обрабатываемый материал, поэтому важным тех нологическим параметром является коэффициент взаимного переноса Квп, представляющий отношение критериев Палатника легирующего электрода и обрабатываемой поверхности и отвечающий следующему условию Pa ЛЭ 1. (4.6) Kвп Pa OП Для реальных металлов и сплавов критерий Палатника в значи тельной степени определяется технологией изготовления и состояни ем структуры материала. Состояние структуры оказывает активное влияние на все теплофизические и электрические характеристики ма териала, определяющие его эрозионную стойкость. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

С повышением плотности дефектов кристаллического строения внутренняя энергия материала увеличивается, вследствие чего снижа ется температура плавления и повышается удельное электрическое сопротивление. Последнее, согласно закону Видемана-Франца, озна чает снижение теплопроводности материала. При наличии примесей и легирующих элементов теплопроводность металлов падает. Для би нарных систем минимум теплопроводности достигается примерно при 50 % взаимной концентрации. Образование химических соедине ний, включая интерметаллиды, приводит к резкому снижению тепло проводности, в результате уменьшения плотности свободных элек тронов. Для ряда химических соединений и твердых растворов при менимо правило степенной аддитивности спл 1 1 2... n, (4.7) n где i – коэффициент теплопроводности отдельного компонента;

i – молярная концентрация компонента, при этом i 1.

Изменение теплоемкости с повышением плотности дефектов кристаллического строения материала, образования химических и ин терметаллидных соединений и полиморфных превращений носит бо лее сложный характер.

Изменение теплоемкости с образованием интерметаллидов мож но проследить с помощью правила Неймана-Коппа, согласно которо му молярная теплоемкость твердого химического соединения адди тивно складывается из атомных теплоемкостей компонентов:

n C a p1 C1 p2C 2...... pnCn pi Ci, (4.8) где pi – число атомов в молекуле химического соединения;

Ci – атом ная теплоемкость компонента.

Для определения удельной теплоемкости химического соедине ния необходимо значение Ca разделить на молярную массу. В области полиморфных превращений имеет место скачкообразное повышение удельной теплоемкости [104].

Как было показано ранее, электроэрозионный процесс сопровож дается активным выбросом анодного и катодного вещества в межэ лектродное пространство в ионизированном парообразном, жидко капельном и твердокристаллическом состоянии. Высокая температура межэлектродной области стимулирует протекание плазмохимических, металлургических, диффузионных и других реакций, продукты кото рых частично осаждаются на поверхности анода и катода, образуя сложные структурные композиции. Возможность взаимного массопе реноса подтверждается исследованием химического состава поверх ности легирующего электрода.


Результаты исследований показывают, что на поверхности леги рующего электрода в процессе электроискровой обработки происхо дит осаждение практически всех элементов, входящих в обрабаты ваемый материал, но наибольшая доля приходится на элемент матри цы. Учитывая, что в процессе работы температура легирующего элек трода может достигать высоких значений, а осаждаемые частицы не сут в себе определенный электрический заряд, вполне возможно об разование интерметаллидов и твердых растворов с их участием.

В результате эрозионная стойкость анода и катода будет опреде ляться не столько исходным составом и структурой материалов, сколь ко свойствами вторичных поверхностных образований, сформирован ных в комплексном процессе взаимодействия искрового разряда с ве ществом. Вторичные поверхностные структуры могут существенно от личаться по механическим и теплофизическим свойствам от исходных материалов, приводя в общем случае к изменению критерия Палатника.

Существенным фактором такого процесса может быть снижение критерия Палатника легирующего электрода и повышение критерия Палатника обрабатываемого материала. Рассмотрим характер проте кания этого процесса на примере медного легирующего электрода при электроискровой обработке титанового сплава. Все возможные интерметаллиды и сплавы с их активным участием можно определить из диаграммы состояния Ti–Cu, представленной на рис. 4.12. Выпол ненный расчет носит оценочный характер, раскрывающий принципи альные стороны процесса и не претендующий на строгий количест венный анализ.

На рис. 4.12 представлена диаграмма состояния системы Ti-Cu, ко торая характеризуется наличием нескольких интерметаллидов, твердых растворов и механических смесей на их основе. В областях, примыкаю щих к чистому титану и меди, располагаются зоны с ограниченной рас творимостью, так,до температуры 798 оС располагается область (Ti), имеющая плотноупакованную гексагональную решетку, а выше – (Ti), имеющая кубическую объемно-центрированную решетку. В диапазоне концентраций меди 45…80 % располагается ряд легкоплавких эвтектик.

Температура плавления чистых металлов превосходит темпера туру плавления интерметаллидов и сплавов на их основе. Вероятность образования и устойчивость химического, в том числе интерметал лидного соединения определяется энергией Гиббса, при этом, чем выше ее численное значение, тем ниже вероятность образования со единения, но выше устойчивость. Между энергией Гиббса и темпера турой плавления имеет место прямая связь, так как первая характери зует процесс образования химической связи, а вторая – разрушение этой связи при нагреве.

T oC Ti3Cu (Ti) Ti3Cu TiCu Ti2Cu 900 (Cu) TiCu Ti2Cu Ti2Cu (Ti) 20 40 80 Ti Cu % по массе Рис. 4.12. Диаграмма состояния системы Ti-Cu Анализ диаграммы состояния Ti-Cu показывает, что вероятность образования легкоплавких интерметаллидов типа TiCu2 и Ti3Cu наибо лее высока, и они же отличаются наибольшей активностью разрушения.

Расчеты производились только при тех соотношениях элементов, которые соответствуют химическим соединениям (интерметаллидам) и эвтектикам.

Удельную теплоемкость рассчитывали по правилу Неймана Коппа, теплопроводность по правилу степенной аддитивности, а плотность по правилу линейной аддитивности. Теплофизические характеристики чистых исходных металлов приведены в табл. 4.6, а результаты расчетов теплоемкости и теплопроводности интерметал лидов сведены в табл. 4.7.

Таблица 4. Исходные характеристики чистых металлов Молярная Коэффициент Температура Молярная Металл теплоем- теплопроводно плавления, масса, кость, сти, о К г/моль Дж/моль К Вт/м К Титан 1941 47,9 24,39 21, Медь 1356 63,546 20,787 393, Таблица 4. Теплофизические характеристики интерметаллидов системы Ti-Cu Молярная Удельная Коэффициент Температу- Моляр Интер теплоем- теплоем- теплопровод ра плавле- ная метал кость, кость, ности, ния, масса, лид о К г/моль Дж/моль К Дж/кг К Вт/м К Ti2 Cu 1273 159,346 69,567 436,578 73, TiCu 1248 111,446 45,177 405,371 85, Ti3 Cu 1223 207,246 93,957 543,359 131, Ti2Cu3 1198 286,438 111,141 388,011 151, TiCu2 1180 174,992 65,964 376,954 180, Ti3Cu7 1178 588,522 218,679 371,573 208, Ti2Cu7 1166 540,622 194,289 359,381 247, На рис. 4.13 показано влияние содержания меди на изменение удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности, а на рис. 4.14 – критерия Палатника сплавов системы Ti-Cu.

С повышением концентрации меди в сплавах системы Ti-Cu удельная теплоемкость снижается, а коэффициент теплопроводности и критерий Палатника повышается.

При электроискровой обработке титановой заготовки на ее по верхности осажденная медь образует низколегированные структуры, приводящие к повышению эрозионной стойкости обработанной по верхности по сравнению с чистым титаном. Титан, осаждаясь на мед ном легирующем электроде, образует вторичные структуры с более низкой эрозионной стойкостью по сравнению с чистой медью.

, Вт/мК Cp, Дж/кгК 500 СР 200 60 0 Cu, % Рис. 4.13. Влияние концентрации меди на удельную теплоемкость и коэффициент теплопроводности сплавов системы Ti-Cu Па.1010, Дж.К.м-2.

0 20 40 60 Сu, % Рис. 4.14. Влияние концентрации меди на критерий Палатника сплавов системы Ti-Cu Высокая и неоднородная температура в межэлектродном про странстве позволяет предположить, что формирование вторичных структур, как на обрабатываемой титановой заготовке, так и медном электроде идет преимущественно с участием (Ti) и (Cu), обладаю щих повышенной взаимной растворимостью.

Образование вторичных структур на поверхностях электрода и обрабатываемого изделия из-за их взаимного массообмена приводит к следующей ситуации. Критерий Палатника поверхности медного ле гирующего электрода снижается, а критерий Палатника противопо ложно расположенной ей обрабатываемой поверхности повышается, в результате чего происходит снижение коэффициента взаимного пере носа, при этом его величина принимает различные численные значе ния в разных зонах электроэрозионного контакта, а также меняется в зависимости от кинетики поверхностных физико-химических процес сов. На рис. 4.15 представлено изменение коэффициента взаимного переноса при электроискровой обработке ОТ-4 медным электродом с учетом взаимного массообмена.

Квп Ti % 0 20 40 60 Рис. 4.15. Коэффициент взаимного переноса вторичных поверхностных структур Анализ представленной зависимости показывает, что в началь ный период электроискрового процесса коэффициент взаимного пе реноса достигает более 10 и по мере развития вторичных структур монотонно снижается.

4.5. Управление толщиной легированного покрытия Существующие модели процесса ЭИЛ не затрагивают вопроса о влиянии времени обработки на кинетику формирования легированно го слоя, хотя авторы метода [139, 140] неоднократно указывали, что количество осажденного материала легирующего электрода на по верхности имеет нелинейную временную зависимость. В работе [49] также указывалось, что многократное воздействие искровых разрядов приводит к ограничению толщины легированного слоя. Однозначного объяснения причин нелинейного характера зависимости прироста по крытия от удельного времени обработки до настоящего времени не существует.

При исследовании на прирост легированного покрытия, в качест ве обрабатываемого материала использовалась сталь 50, легирующих электродов – ВТ1-0 (Al – 0,7%;

Fe – 0,3%;

C – 0,1%;

O – 0,2%;

N – 0,04%;

H – 0,01%), Т15К6 (TiC – 15%;

Co – 6%;

WC – 79%), ВК6М (Co – 6%;

WC – 94%). Электроискровое легирование осуществлялось во всем диапазоне энергетических режимов установки «Элитрон 22А» в воздушной среде (табл. 4.8).

Таблица 4. Основные энергетические характеристики установки «Элитрон-22А»

Характеристики Номер режима 1 2 3 4 5 0,5 0,8 1,3 1,8 2,3 2, Рабочий ток, А 20% Энергия в импульсе, 0,022 0,09 0,25 0,73 0,86 1, Дж Амплитуда напряже- 15 37 48 74 80 ния, В 30% Длительность разряда, 112 118 120 123 105 мкс Для построения временных зависимостей прироста легированных слоев измерение толщины покрытия проводили периодически через каждые 2 мин/см2. Суммарное удельное время упрочнения не превы шало 12 мин/см2.

Изменение прироста толщины легированного слоя оценивали на горизонтальном оптиметре ИКГ-3. Линейный прирост замерялся в шестнадцати точках поверхности, по которым определялось среднее значение толщины. ИКГ характеризуется следующими метрологиче скими показателями:

пределы измерения по шкале: 0,1 мм;

цена деления шкалы: 0,001 мм;

погрешность показаний измерительного устройства: 0, 0,0003 мм.

По полученным экспериментальным данным строили зависимо сти прироста толщины легированного слоя от удельного времени об работки. Как показывают исследования, процесс нанесения легиро ванного слоя характеризуется определенным временем обработки, после которого увеличение толщины наносимого слоя прекращается и наступает стабилизация легированного слоя. Для каждого режима упрочнения в различных газовых средах определяли время стабили зации легированного слоя и саму величину максимального прироста.

На рис. 4.16 визуализирован нанесенный легированный слой.

Рис. 4.16. Образование легированного слоя на образце из стали Анализ зависимостей на рис. 4.17 показывает, что при легирова нии стальных образцов на всех возможных режимах электроискровой установки наступает период, когда увеличение толщины слоя пре кращается. Наступает стабилизация легированного слоя материала и после 4 6 минут легирования, обработка ЭИЛ становится нецелесо образной.

В табл. 4.9 приведены результаты испытаний на прирост толщины покрытия при ЭИЛ электродами ВК6М, Т15К6 и ВТ1-0 на воздухе.

Из полученных зависимостей = f(E) (рис.

4.18) следует, что влияние энергии искрового разряда на установившуюся толщину ле гированного слоя проявляется по-разному в зависимости от материа ла легирующего электрода. В общем случае имеет место немонотон ный характер с экстремумом в области Е = 0,25 Дж. Однако, при ис пользовании электродов из Т15К6 и ВТ1-0 зависимость = f(Е) имеет максимум, а при легировании ВК6М примерно в этом же диапазоне энергий наблюдается минимум. Наибольшая толщина легированного покрытия зафиксирована при упрочнении электродом из Т15К6 ( = = 78 мкм при Е = 0,25 Дж). Эрозия и убыль упрочняемой поверхности отмечена при использовании электрода из ВТ1-0 на режимах Е 0,09 Дж. В диапазоне Е 0,09 Дж и Е 0,86 Дж наибольший при рост легированного покрытия обеспечивает ВК6М, а в области 0,09 Е 0,86 Дж Т15К6.

Таблица 4. Значения толщины легированного слоя при ЭИЛ стали 50 СТ, мкм № ре- Энергия в им- Электрод Электрод Электрод жима пульсе, Дж ВК6М Т15К6 ВТ1- 1 0,022 45 35 - 2 0,09 30 50 3 0,25 35 78 4 0,73 38 48 5 0,86 43 41 6 1,20 49 22 В табл. 4.10 приведены значения времени стабилизации наноси мого покрытия, после которого увеличение покрытия прекращается или начинает снижаться.

Из анализа табл. 4.10 следует, что энергетические режимы леги рования не однозначно влияют на стабилизацию наносимого поверх ностного слоя. Каждый материал легирующего электрода проявляется по своему. Наибольшее время легирования для стабилизации требует ся при обработке стали 50 электродом из твердого сплава ВК6М, за тем в порядке уменьшения времени идет электрод Т15К6 и наимень шее время легирования требуется электроду ВТ1-0. На третьем и чет вертом режимах упрочнения электродом ВТ1-0 время стабилизации составляет всего 2 мин на 1 см2.

, мкм, мин а), мкм, мин б), мкм, мин в) Рис. 4.17. Зависимость прироста легированного слоя на стали 50 от времени об работки различными электродами: а – ВТ1-0;

б – Т15К6;

в – ВК6М;

1 – Е = 0,022 Дж;

2 – Е = 0,09 Дж;

3 – Е = 0,25 Дж;

4 – Е = 0,73 Дж;

5 – Е = 0,86;

6 – Е = 1,2 Дж Таблица 4. Значения времени стабилизации при ЭИЛ стали 50, tc, мин № ре- Энергия в Электрод Электрод Электрод жима импульсе, ВК6М Т15К6 ВТ1- Дж 1 0,022 6 6 2 0,09 8 4 3 0,25 4 4 4 0,73 4 6 5 0,86 10 4 6 1,20 8 6 ст., мкм 0 1,2 Е, Дж 0,022 0,09 0,25 0,73 0, Рис. 4.18. Зависимость стабилизированной толщины покрытия от энергии в импульсе легирующими электродами: 1 – ВК6М;

2 – Т15К6;

3 – ВТ1- Толщина легированного слоя и кинетика его роста зависят не только от материала легирующего электрода и энергии искрового разряда, но и состава газовой межэлектродной среды.

Твердофазная растворимость и активность диффузионных про цессов определяются величиной атомарного радиуса и валентностью вещества, с понижением которых интенсивность протекания упомя нутых процессов возрастает.

Высокие температуры и наличие плазменной составляющей в со ставе анодного массового потока являются источниками ионов хими ческих элементов, входящих в состав межэлектродной газовой среды.

Известно, что валентные электроны оболочек 2s и 2р атомов реаген тов, попадая в кристаллическую решетку металлов, перекрываются с внешними оболочками окружающих их атомов, образуя с ними ме таллические связи. То есть в кристаллической решетке металла при меси неметаллических элементов переходят в металлическое состоя ние, при этом их внешние валентные электроны, взаимодействуя с внешними оболочками атомов металла, коллективизируются и вносят вклад в металлическую связь. Атомы реагентов при этом трансфор мируются в катионы, повышая электронную концентрацию. Основ ным условием взаимодействия реагентов с металлами является пере крытие их внешних валентных 2s и 2р оболочек внешними d и s обо лочками металла. Если орбитальные радиусы реагентов близки к ра диусам междоузелий, то степень их взаимодействия будет высока;

при этом прочность связи реагентов с металлами определяется чис лом коллективизированных валентных электронов, а донорская спо собность металла радиусом пустот или междоузлий. Для металлов с ОЦК решеткой размеры октаэдрических пустот составляют прибли зительно 0,98rм, для ГЦК около 0,412rм, а тетраэдрических соот ветственно порядка 0,291rм и 0,225rм, где rм атомарный радиус ме талла. Следовательно, атомы реагентов могут занимать октаэдриче ские пустоты в решетке металла, упруго искажая кристаллическую решетку и эффективно закрепляя краевые и винтовые дислокации, способствуя упрочнению и термической стабилизации. В табл. 4.11 и 4.12 приведены радиусы катионов и валентность химических элемен тов, применяемых при ЭИЛ, и размеры октаэдрических и тетраэдри ческих пустот в металлах ОЦК и ГЦК [192].

Таблица 4. Атомарный радиус и размеры катионов некоторых газов Показатель Химический элемент О С N N H He Валентность 6+ 4+ 5+ 3+ 1+ Радиус катиона, нм 0,1 0,15 0,13 0,15 0,001 Атомарный радиус, 1,36 1,52 1,48 1,48 0,046 1, нм Анализ табл. 4.11 и 4.12 показывает, что материал основы может активно взаимодействовать с газовой средой, находящейся в пароплаз менном состоянии. Учитывая, что ионные радиусы газов намного меньше их атомарных радиусов и одного порядка с размерами октаэд рических и тетраэдрических пустот материала основы, катионы газовой среды могут активно проникать в междоузлия и образовывать устойчи вые металлические связи с упрочняемым материалом в процессе ЭИЛ.

Таблица 4. Атомарный радиус и размеры междоузлий металлов Показатель Химический элемент Fe Ti Ni W Co Cr Октаэдрическая 1,25 0,22 0,53 0,21 0,51 0, пустота, нм Тетраэдрическая 0,37 0,42 0,28 0,40 0,28 0, пустота, нм Атомарный ра- 1,27 1,45 1,21 1,4 1,25 1, диус, нм Роль газовых сред исследовали на сталях 9ХС (0,85 – 0,95 % С, 0,95 – 1,25% Cr, 1,2 – 1,6 % Si, 0,3 – 0,6 % Mn) и Р6М5 (0,8 0,88 % С, 3,8 – 4,4 % Cr, 5,5 – 6,5 % W, 5,0 – 5,5 % Mo). В качестве межэлек тродных сред применялся углекислый газ, кислород и воздух. Резуль таты испытаний приведены на рис. 4.19...4.21. Из рисунков следует, что в случае легирования стали 9ХС, увеличение энергии единичного импульса в среде воздуха приводит к увеличению величины прироста покрытия. Так, на первом режиме легирования максимальный прирост составил 18 мкм, на втором режиме 36 мкм, на третьем 41 мкм. В среде углекислого газа и кислорода наблюдаются следующие результа ты: с увеличением энергии в импульсе прирост толщины слоя увеличи вается. В случае применения в качестве подложки стали Р6М5, увеличе ние энергии в импульсе способствует увеличению максимального при роста в углекислом газе, в меньшей степени в кислороде и воздухе. Из изложенного следует, что применение в качестве межэлектродной газо вой среды углекислого газа позволяет получить слои с большей толщи ной, чем на воздухе и в кислороде.

Характер формирования толщины покрытия при легировании элек тродом из Т15К6 быстрорежущей стали, адекватен процессу легирования электродом ВК6М, отличаясь лишь количественными соотношениями.

Толщина модифицированного покрытия является важным техно логическим параметром процесса электроискрового легирования, особенно при восстановлении прецизионных деталей и упрочнении режущих лезвийных инструментов. Однако более значимую инфор мацию об эрозионном процессе и росте легированного покрытия не сут приращения соответствующих масс анода и катода. К сожалению, между толщиной легированного слоя и приращением его массы при ЭИЛ отсутствует прямая зависимость. Это связано с тем, что разный привес массы упрочняемой поверхности может наблюдаться при оди наковой толщине легированного покрытия. Данный факт объясняется тем, что формируемые покрытия обладают разной степенью пористо сти, численные значения которых в значительной степени определя ются плазмохимическими реакциями в межэлектродном промежутке.

, мкм, мкм 0 2 4 6 8 10 а), мкм, мкм 0 2 4 6 8 10 б), мкм, мкм 0 2 4 6 8 10 в) Рис. 4.19. Прирост покрытия на стали 9ХС от времени легирования электродом ВК6М при энергии в импульсе: а – 0,022 Дж;

б – 0,09 Дж;

в – 0,25 Дж;

в газовой среде: 1 – воздух;

2 – СО2;

3 – О, мкм 20 12, мкм 0 2 4 6 а) 8, мкм 20, мкм 0 2 4 6 8 10 б), мкм, мкм 0 2 4 6 8 в) Рис. 4.20. Прирост покрытия на стали Р6М5 от времени легирования электродом ВК6М при энергии в импульсе: а – 0,022 Дж;

б – 0,09 Дж;

в – 0,25 Дж;

в газовой среде: 1 – воздух;

2 – СО2;

3 – О, мкм, мкм 0 2 4 6 8 а), мкм, мкм 0 2 4 6 8 б), мкм, мкм 0 2 4 6 в) 8 Рис. 4.21. Прирост покрытия на стали Р6М5 от времени легирования электродом Т15К6 при энергии в импульсе: а – 0,022 Дж;

б – 0,09 Дж;

в – 0,25 Дж;

в газовой среде: 1 – воздух;

2 – СО На рис. 4.22 приведены энергетические зависимости привеса мас сы упрочняемой детали из Р6М5 и убыли массы электрода из ВК6М при электроискровом легировании на воздухе и в углекислом газе.

Сравнивая данные рис. 4.22 и 4.20 видно, что меньшая толщина нане сенного слоя при легировании на воздухе соответствует большему привесу массы упрочняемой поверхности по сравнению с покрытием, полученным в углекислом газе.

-.10, г 0 0,24 0,48 0,72 0,96 1,2 Е, Дж - - - Рис. 4.22. Влияние энергии в импульсе на привес образца из Р6М и убыль легирующего электрода ВК6М в газовой среде:

1 – воздух;

2 – СО Следовательно, модифицированный слой, сформированный на воздухе, отличается большей плотностью и меньшей пористостью по сравнению с таковым, полученным в углекислом газе. Об этом можно косвенно судить по фотографиям на рис. 4.23, где поверхность, обра ботанная в углекислом газе, характеризуется множественными отвер стиями выхода газа на поверхность. Металлографические исследова ния модифицированных поверхностей проводились на растровом электронном микроскопе РЭМ 100 при увеличении в 1000 раз.

а) б) Рис. 4.23. Поверхностный слой стали Р6М5 после ЭИЛ (х 1000) в газовых средах: а – углекислый газ;

б воздух Характер влияния энергии искрового разряда на привес массы упрочняемой поверхности и толщину покрытия также неадекватен.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.