Transcript Области практического применения электроэрозионных порошков

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 коррозионноабразивного 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 оС 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 шлифовальнополировального 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 физикомеханическими 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 10903-78 от 28.02.2011 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 10903-78 согласно «Общей
ведомости прихода материалов в ЗРГО» по складу № 8
за период с 01.01.2010 по 31.12.2010 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
4...10 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 СМД−18
•
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 плазменнопорошковой 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 плазменнопорошковой 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 2-21000x630 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
(FeCl2·4H2O) – 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/дм2.
• 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 (FeCl2·4H2O) – 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/дм2; 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.