Поверхностное электроупрочнение

Особенностью всех электрофизических методов обработки токопроводящих материалов является введение в поверхностные слои заготовки теплового источника энергии значительной мощности. Эта энергия может быть использована не только для направленного разрушения металла, но и для повышения поверхностной прочности изделия (при незначительном съёме материала), восстановлении изношенных участков деталей, поверхностного легирования и т.д.

Суть и классификация электрофизических методов упрочнения

Поверхностное упрочнение различают по следующим параметрам:

1. По химическому составу поверхностных слоёв металла после обработки. Если он остался неизменным, то говорят об электроупрочнении, а если изменился – то о легировании электрическим разрядом

   

   Рис. 1. Микроструктуры и распределение микротвердости по толщине упрочненной зоны стали У10 после легирования ванадием

2. По виду электрического разряда, который был использован. Он может быть стационарным (электродуговое упрочнение) или нестационарным (электроискровое, электроимпульсное упрочнение).
3. По конструкции упрочняющего электрода – электроупрочнение профилированным или непрофилированным электродом.
4. По виду рабочей среды, в которой производится процесс. Может быть использован и обычный воздух, но чаще электроупрочнение ведётся в потоке жидкой или газообразной рабочей среды.

Сущность процесса поверхностного электроупрочнения заключается в следующем. В стандартную RC-цепь (для электроискрового станка) или в прямую цепь обратной полярности (для электродугового станка) включают упрочняющий электрод и упрочняемую деталь. Для улучшения качества и точности обработки через межэлектродный зазор начинают прокачку рабочей среды. При пробое промежутка между катодом и анодом начинаются термохимические реакции между материалом электрода (в большинстве случаев это графит, хотя могут быть использованы и другие токопроводящие материалы с повышенной эрозионной стойкостью, например, медь). Поскольку в зоне обработки возникают огромные температуры – до 5000…60000С – то мгновенно начинаются процессы диссоциации компонентов рабочей среды.

При обычном электроупрочнении в воздушной среде в межэлектродном зазоре появляются атомарный азот (из воздуха) и атомарный углерод (из электрода). Поскольку энергия активации чрезвычайно высока. То эти элементы активно диффундируют вглубь поверхностных слоёв металла, образуя карбиды и нитриды. Их количество и состав определяется процентной концентрацией карбидо- и нитридообразующих элементов, поэтому электроупрочнение легированных сталей и сплавов значительно эффективнее, чем обычных.

Энергия активации плавно убывает по мере увеличения глубины проникновения тепла в толщу упрочняемой заготовки. Поэтому наибольшая твёрдость наблюдается на поверхности, а затем она плавно снижается, и на глубине более 0,5…2 мм (зависит от режима упрочняющей обработки) микроструктура металла заготовки уже не изменяется.

Соответственно в практике поверхностного упрочнения различают:

• • Поверхностный слой металла, образующий так называемую зону термического влияния или диффузии. На микрошлифах эта зона не травится, а потому представляет собой сплошной белый слой;
  • Переходную зону повышенной твёрдости, в которой процессы формирования структуры с увеличенными механическими характеристиками прошли не полностью (переходной подслой);
  • Зону основного металла.

Положительной особенностью всех процессов поверхностного упрочнения является то, что протяжённостью и твёрдостью термически изменённых зон можно управлять, независимо от сложности конфигурации поверхности. Управляющими параметрами выступают ток и напряжение электрического разряда, величина межэлектродного зазора, полярность процесса, скорость прокачки рабочей среды и её состав.

Физико-химические параметры поверхностного упрочнённого слоя

Эффективность электроупрочнения оценивают по следующим характеристикам:

• • 1. Общей глубине зоны термического влияния («белый слой» + термически изменённый подслой).
    2. Шероховатости поверхности после обработки.
    3. Равномерности протекания процесса.
    4. Производительности электроупрочнения.
    5. Микротвёрдости в зоне термического влияния.
    6. По структуре зоны.

Размеры зоны термического влияния определяются значениями поверхностной тепловой мощности разряда. Непрерывно горящая дуга обладает в разы большей, в сравнении с электрической искрой, удельной мощностью. Поэтому электродуговая упрочняющая обработка применяется для повышения твёрдости массивных молотовых штампов, прокатных валков или штамповых вставок кривошипных горячештамповочных прессов. В то же время преимуществом упрочнения электроискровым разрядом считается повышенная точность обработки и сниженная шероховатость поверхности. Это важно для большинства видов металлорежущего инструмента, а также технологической оснастки для штампов холодной штамповки.

Для поверхностного электроупрочнения марка материала заготовки особого значения не имеет. Вмесите с тем, чем больше в составе стали нитридо- и карбидообразующих элементов, тем эффективнее процесс. Активными карбидообразующими элементами в составе сталей являются (по степени возрастания) железо, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан. Вместе с тем такие легирующие элементы, как кобальт, марганец и кремний собственных карбидов не образуют.

Рис. 4. Влияние типа легирующего элемента и вида термообработки на прочность модифицированного слоя стали У10: 1. лазерное легирование; 2. лазерное легирование + азотирование

При легировании в воздушной среде важное значение имеет склонность сталей к образованию мелкодисперсных нитридов металлов, которые входят в состав материала упрочняемой заготовки. Активными нитридообразующими элементами являются железо, алюминий, хром, молибден и вольфрам. Поэтому наиболее эффективно поверхностное электроупрочнение для тех сталей, в составе которых находятся одновременно хром, молибден и вольфрам.