Обзор перспективных электродных материалов для электроискровой обработки

The article describes the technology recovery bearing housings. The technology consists in applying to the worn seat electrospark coating of alloy VK6 – OM. The technology allows to obtain a durable coating having a solidity of 80%, a thickness of 120 µm, and a surface roughness equal to Ra 3,2 µm. Definitely time for a rational electrospark deposition of 6 min/cm2.

Одним из основных факторов, определяющих эффективность процесса электроискровой обработки (ЭИО), является выбор материала электрода, который дол^ен обладать достаточной прочностью при изгибе и разрыве, хорошей электропроводностью, максимально допустимой электрической эрозией, способствующей наибольшему переносу легирующего материала на упроченную поверхность, и содер^ать в своем составе компоненты, необходимые для получения упроченного слоя с заранее заданными химическими и физико-механическими свойствами.

Для получения электроискровых покрытий (ЭИП) с высокой износостойкости в настоящее время на деталях и инструменте применяют, главным образом, тугоплавкие металлы и их соединения, например, твердые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана с кобальтовой или никель-молибденовой связкой. Покрытие, полученное при ЭИО инструментов обладает достаточно высокой твердостью и износостойкостью при резании и других видах механической обработки. На данный момент проведено много исследований влияния содер^ания связующего элемента и размера зерна твердых сплавов на привес катода. Так, Золотых Б.Н. писал, что наибольшая величина привеса катода наблюдается для низко- и высококобальтовых сплавов, независимо от времени их обработки. Это объясняется тем, что при ЭИО эрозия анода из низкокобальтовых сплавов лишь частично происходит за счет испарения, а большая её часть - за счет хрупкого разрушения. В случае ЭИО высококобальтовыми сплавами ВК20 и ВК25, которые содер^ат большую долю легкоплавкого кобальта, эрозия анода проходит преимущественно за счет его плавления и испарения. В то^е время,среднекобальтовые сплавы, содержащие оптимальное сочетание хрупкой (WC) и легкоплавкой (Со) фаз, обладают большей эрозионной стойкостью и соответственно меньшим привесом катода. Некоторые авторы утверждают, что с увеличением размера зерна до 2-3 мкм привес катода повышается, а при дальнейшем увеличении размера зерна (до 8 мкм) -уменьшается. Это объясняется тем, что с уменьшением величины карбидных зерен вольфрама их электроэрозионная стойкость повышается, и соответственно перенос материала анода сни^ается. Если твердый сплав, например ВК6В, крупнозернистый (величина карбидных зерен ~ 5 мкм), привес катода пони^ается, но у^е за счет малого коэффициента переноса эродированного материала. В работе [1] проведено сравнение покрытий, полученных из электрода ВК8 и электрода того же состава (92% WC - 8% Co), но с размером карбидного зерна 70-100 нм и с удельной поверхностью 17 м²/г. Показано, что структура электродного материала сильно влияет на состав, структуру и свойства ЭИП (твердость, модуль упругости, шероховатость, коэффициент трения, износостойкость). Наноструктурный электродный материал обладает более высокой эрозионной способностью. Условием его высокой эрозионной способности является: высокая доля границ раздела зерен; равномерность распределения наночастиц по границам зерен тугоплавкой фазы. При использовании наноструктурного электрода содержание карбидной фазы (Ti, W)C + W 2 C в покрытии увеличивается с 60 до 95%, в результате чего твердость увеличивается с 6 до 12 ГПа, а коэффициент трения уменьшается с 0,7 до 0,3.

Однако по критериям твёрдости легирующего электрода приемлемо использование для получения износостойких покрытий, то применительно к покрытиям специального назначения (^аростойким, коррозионностойким и т.д.), непригодно. Кроме того, твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама сравнительно неэффективны для ЭИО в связи с их высокой эрозионной стойкостью, а твёрдость легированного слоя, полученного при ЭИО твёрдыми сплавами, в некоторых случаях мо^ет быть соизмерима с твёрдостью слоя, полученного ЭИО металлами и графитом. В настоящее время в связи с ростом цен на вольфрам возникает потребность в применении новых материалов, способных повысить физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий, полученных ЭИО. Так, в работе [2] проведены исследования покрытий на основе карбонитрида титана. Электроды для образования этих покрытий получены спеканием карбонитрида титана в связке на Ni - Mo основе. Авторы проводили исследования твердости и износостойкости, и пришли к выводу, что твердость таких покрытий мо^ет достигать 12 ГПа, а с использованием новых композиционных материалов (карбонитрида титана) износостойкость увеличивается в 1,5 раза.

В работе [3] для обработки ЭИП и придания им улучшенных триботехнических свойств использовали два типа углеродосодер^ащих материалов: мелкопористый графит (МПГ) и двумерный композиционный материал углерод – углеродное волокно (КМУУ). КМУУ получают из препегов на основе полиакрилонитрильного волокна. Волокна выкладывают в двух перпендикулярных направлениях и пропитывают связующим (каменноугольный пек или формальдегидная смола) с последующей термической обработкой. ЭИО такими материалами приводит к сни^ению шероховатости поверхности. Так при использовании МПГ, шероховатость исходного ЭИП, образованного сплавом ВК8, уменьшается на 54%, а при обработке электродом КМУУ – на 60%. Данный факт обусловлен, как сгла^иванием бугров, вследствие их оплавления под действием энергии импульсного разряда, так и заполнением графитом пор и микронеровностей на внешней поверхности. По данным микрорентгеноспектрального анализа верхнего слоя толщиной 6-8 мкм, образовавшегося в результате ЭИО покрытия углеродным электродом, в ЭИП содер^ится от 90 до 65% атомов углерода. Поэтому ЭИО поверхности ЭИП графитом и двумерным углеродом – углеродным композитом – ведет к сни^ению коэффициента трения и росту износостойкости за счет сни^ения шероховатости, изменения фазового состава покрытий и появления свободного углерода, выполняющего роль твердой смазки.

Есть работы, в которых представлены сведения о структуре, фазовом составе и физико-механических свойствах ЭИП, полученных из эвтектических сплавов. В работах ЭИП наносили электродами из порошковых эвтектических сплавов на ^елезной (Fe–Cr– P–C) и никелевой (Ni–Cr–B–Si–C) основах. Образование на поверхности белого нетравящегося слоя переменной толщины наблюдается после ЭИО стали 30ХГС^. В покрытии помимо аморфной фазы, присутствуют кристаллические фазы,. Одной из причин Неполная аморфизация мо^ет быть за счет растворения в рассматриваемом слое большого количества металла основы, так как при этом, помимо переноса капель с анода на катод, происходит оплавление катода. Поэтому химический состав покрытия значительно отличается от химического состава материала электрода. Кроме того, частично выгорают легкие элементы – углерод и фосфор. Отклонение химического состава ЭИП от состава электрода затрудняет получение аморфной структуры, но мо^ет облегчить образование метастабильных кристаллических фаз. При исследовании покрытий с аморфно-кристаллической структурой на машине торцевого трения без смазочного материала было установлено, что износ исследуемых покрытий в 2-3 раза меньше линейного износа в сравнении с цианированнойсталью 30ХГС^ и на 5-10% меньше износа ЭИП, полученных электродом из сплава ВК8.

В работе [4] в качестве материала анодов авторы использовали переходные металлы (IV–VI групп) и их бориды, а так^е износостойкую композиционную керамику «ЦЛ^Б2» на основе ZrB 2 системы ZrB 2 - ZrSi 2 – LaB 6 со связкой Ni–Cr–Al (30 мол.%) и «ТВС3» системы (TiC – TiB 2 ) со связкой Ni–Cr–Al (30 мол.%). В данной работе авторы доказывают, что данные электродные материалы являются многообещающими для ЭИО. Однако необходимо отметить, что данные исследования направлены в основном на повышение ^аростойкости материалов.

Исследования в области создания и применения новых материалов для ЭИО определяют перспективу сни^ения себестоимости образуемого модифицированного слоя, улучшения физико-механических свойств получаемых ЭИП и развития способа ЭИО в целом. Одним из направлений сни^ения себестоимости является создание материалов из минерального сырья на основе модифицированного вольфрама с одновременным его легирование Сr, Ni, Со, Zr, Fe. Исследования в этой области материаловедения, как правило, позволяют добиться существенного сни^ения себестоимости образуемого модифицированного слоя.

В работах [4-26] рассматривается применение в качестве электродных материалов аморфных и нанокристаллических сплавов, имеющих высокую твердость, прочность, пластичность и одновременно обладающих уникальными теплофизическими свойствами, позволит повысить толщину наносимого слоя и производительность процесса. С их помощью, возмо^но получать ЭИП с аморфной или нанокристаллической структурами, обладающие высокими физико-механическими свойствами и износостойкостью [5, 13, 14, 19, 23]. Отсутствие научно-технической информации о влиянии химического состава аморфных и нанокристаллических сплавов на показатели качества, износостойкость ЭИП и процесс ЭИО в целом ведет к необходимости проведения научных исследований в этом направлении.

Выво^ы . Обзор традиционных материалов, применяемых для ЭИО, показал, что наиболее распространены электродные материалы на основе маталлокерамических композиций. Наиборлее перспективными и мало изученными электродными материалами являются аморфные и нанокристаллические сплавы.