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 …

ЭЭДметод (электроэрозионного

диспергирования)

Широкое использование метода ЭЭД для переработки вольфрамсодержащих

твердых сплавов в порошки с целью их повторного использования сдерживается

отсутствием в научно-технической литературе полноценных сведений по

влиянию исходного состава, режимов и среды получения на свойства порошков и технологий практического применения.

Одной из основных причин выхода из строя является их изнашивание

• При большом многообразии видов и механизмов изнашивания в машиностроении одной из актуальных

проблем является повышение качества деталей, работающих в условиях абразивного и коррозионно-

абразивного изнашивания, характерных для сельхозмашин, автомобилей, дорожно-строительных, пищеперерабатывающих машин, горнодобывающего

оборудования и т.д. Эта проблема может быть решена за счет применения эффективных методов

изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин путем применения специальных материалов, обеспечивающих получение покрытия с заданными

физико-механическими свойствами.

Такими материалами, с точки зрения цены и качества, являются, прежде всего,

порошковые твердые сплавы, полученные из отходов вольфрамсодержащих твердых

сплавов.

• Одной из основных проблем развития современного машиностроения является

повышение качества, надежности и долговечности деталей, узлов и механизмов. Одной из основных причин выхода из строя

является их изнашивание. При большом многообразии видов и механизмов

изнашивания в машиностроении одной из актуальных проблем является повышение качества деталей, работающих в условиях абразивного и коррозионно-абразивного

изнашивания, характерных для сельхозмашин, автомобилей, дорожно-строительных,

пищеперерабатывающих машин, горнодобывающего оборудования и т.д.

• Эта проблема может быть решена за счет применения эффективных методов

изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин путем

применения специальных материалов, обеспечивающих получение покрытия с

заданными физико-механическими свойствами. Такими материалами, с точки зрения цены и качества, являются, прежде

всего, порошковые твердые сплавы, полученные из отходов

вольфрамсодержащих твердых сплавов.

• Восстановление деталей современной автотракторной техники с высоким уровнем надежности и требуемым

ресурсом – сложная и актуальная задача. Эта задача может быть решена за счет

применения эффективных методов поверхностного упрочнения при

восстановлении деталей машин путем применения специальных износостойких материалов, обеспечивающих получение

покрытий с заданными физическими свойствами.

Разработка и внедрение технологии упрочнения режущегоинструмента электроискровым легированием

Получение и исследование электродов из твердосплавныхэлектроэрозионных 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 шлифовально-полировального станка для ручной

пробоподготовки «LaboPol-5».

ДАЛЕЕпредставлены результаты исследования микроструктуры поверхности образцов, пористости и размера зерна полученных электродов после травления с помощью

оптического инвертированного микроскопа «OLYMPUS GX51», оснащенного системой

автоматизированного анализа изображений «SIMAGIS Photolab».

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

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

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

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

эил (электроискровое легирование)

металлических поверхностей является одной из самых перспективных современных упрочняющих

технологий. Под действием кратковременного электрического разряда, протекающего между

упрочняемой поверхностью – катодом и упрочняющим материалом – анодом, происходит

перенос элементов материала анода на поверхность катода в виде поверхностного

легированного слоя (ПЛС) с повышенными физико-механическими свойствами. При ЭИЛ происходит

преимущественное разрушение материала анода в паровой, жидкой и твердой фазах.

• В настоящее время технология электроискрового легирования широко используется для увеличения твердости, коррозионной стойкости, а также износостойкости и жаропрочности металлических поверхностей деталей и инструмента.

• При ЭИЛ в качестве электродных материалов используется широкий спектр металлов и сплавов. В настоящее время в основном используются тугоплавкие соединения − твердые сплавы.

Полученные электроды апробированы и внедрены для упрочнения режущего инструмента электроискровым легированием в ООО «Завод по ремонту горного

оборудования» Михайловского горно-обогатительного комбината г. Железногорск и ОАО «Геомаш» г. Щигры Курской области. Согласно акта

испытания сверл 12 мм ГОСТ 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 использованиемв 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 наплавкиколенчатых 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 плазменно-порошковой наплавкой с использованием порошков

сплава, х 450 Т15К6 (керосин)

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

• Свойства покрытий, полученных плазменно-порошковой наплавкой с использованием

порошков сплава Т15К6 (вода) и ВК8 (вода): относительная износостойкость

• Внедренная в ОАО «Краснополянская сельхозтехника» г. Курск технология показала,

что стоимость восстановленного вала по данной технологии на порядок ниже

стоимости нового вала при большем ресурсе последнего. В ООО «Сервис-Черноземье» г.

Курск внедрена технология восстановления и упрочнения тарелок клапанов двигателей

спортивных автомобилей ВАЗ-2113 плазменно-порошковой наплавкой с

использованием порошков, полученных ЭЭД отходов вольфрамсодержащих твердых

сплавов.•

«Разработка и внедрение технологии восстановления и упрочнения лемехов

плугов электродуговой наплавкой с использованием твердосплавных электроэрозионных порошков»

• Лемех плуга в результате изнашивания затупляется и изменяет свою первоначальную форму. Его носок

закругляется, а с тыльной стороны лезвия образуется «затылочная» фаска. При работе на

песчаных и супесчаных почвах у лемеха интенсивно изнашивается лицевая (рабочая) поверхность,

особенно в носовой части.• Разработана технология восстановления и

упрочнения лемехов плугов электродуговой наплавкой с использованием порошков,

полученных ЭЭД отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов.

• Лемех шириной менее 92 мм бракуют или восстанавливают способом приварки полосы, изготовленной из выбракованных лемеха или

полевой доски.

«Технология восстановления и упрочнения лемехов плугов электродуговой наплавкой с

использованием твердосплавных электроэрозионных порошков»

Технологический процесс восстановления лемеха плуга, изготовленного из стали 65Г

• 1. Дефектация лемеха.• Очищенный и вымытый лемех осматривали и контролировали основные параметры технического

состояния. Поверхность лемеха должна быть ровной. Допускается коробление лезвия лемеха до 4, а его спинки

— до 2 мм. Контроль ведли на поверочной плите 2-2-1000x630 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 электродуговойнаплавкой, 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 качествеупрочняющей 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.