RU2101145C1

RU2101145C1 - Method of electric-spark alloying and device intended for its realization

Info

Publication number: RU2101145C1
Application number: RU95109486A
Authority: RU
Inventors: Юрий Львович Чистяков
Original assignee: Юрий Львович Чистяков
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1995-06-06
Publication date: 1998-01-10
Also published as: RU95109486A

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: coating is applied by means of vibrating electrode with subsequent plastic deformation of applied layer. Deformation is performed by face surface of disc. Alloying electrode has axis of rotation in common with disc on which ultrasonic oscillations are superimposed. Time lag of plastic deformation from electro-erosion application of coating does not exceed solidification time of transferred particles of electrode material. Alloying electrodes are positioned in radial recesses made in disc. Oscillation system is spring-loaded in direction of article being treated. EFFECT: higher efficiency. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим методам обработки материалов и может быть использовано для легирования, упрочнения и повышения коррозионной стойкости различных деталей машин и инструментов. The invention relates to electrical methods of processing materials and can be used for alloying, hardening and improving the corrosion resistance of various parts of machines and tools.

Известен способ электроискрового нанесения покрытий, при котором электроду аноду сообщают ультразвуковые крутильные колебания, а детали - катоду низкочастотные механические вибрации в плоскости, перпендикулярной направлению продольной составляющей колебаний электрода анода. There is a method of electrospark coating, in which ultrasonic torsional vibrations are communicated to the anode, and low frequency mechanical vibrations in the plane perpendicular to the longitudinal component of the anode electrode vibrations are transmitted to the anode.

При соприкосновении электрода-катода с поверхностью детали анода, осуществляется в месте контакта цикл продольно-крутильных ультразвуковых колебаний, способствующих активации поверхности изделий и улучшению диффузионного процесса проникновения легирующих элементов наносимого материала (авт.св. N 1002124, кл. В 23 Р 1/18, 1983). When the cathode electrode comes into contact with the surface of the anode part, a cycle of longitudinal-torsional ultrasonic vibrations is carried out at the point of contact, which activates the surface of the products and improves the diffusion process of penetration of the alloying elements of the applied material (ed. St. N 1002124, class B 23 P 1/18 , 1983).

Уплотняющее деформирующее воздействие ультразвуковых колебаний по этому способу слабо выражено и сводится к выравнению слоя на небольшой длине (примерно 10 мкм), определяемой амплитудой продольно-крутильных колебаний, а низкочастотные механические вибрации детали катода малоэффективны. The sealing deforming effect of ultrasonic vibrations according to this method is weakly expressed and reduces to leveling the layer over a short length (approximately 10 μm), determined by the amplitude of the longitudinal-torsional vibrations, and low-frequency mechanical vibrations of the cathode part are ineffective.

Кроме того, вследствие отсутствия согласования по времени между импульсами разрядного тока и ультразвуковыми колебаниями электрода, определяющими скорость электрода к моменту искрового разряда, нарушается стабильность по интенсивности искровых разрядов, что ухудшает качество покрытия и снижает эффективность процесса легирования. In addition, due to the lack of time coordination between the pulses of the discharge current and the ultrasonic vibrations of the electrode, which determine the speed of the electrode at the time of the spark discharge, stability in intensity of spark discharges is violated, which affects the quality of the coating and reduces the efficiency of the alloying process.

Известен также способ электроискрового легирования, когда нанесение покрытия для улучшения качества совмещено с последующим электроконтактным обкатыванием детали. Легирующий электрод устанавливается между упрочняющими роликами, поджимаемых к детали с необходимым рабочим давлением, и на него подается напряжение от генератора электрических импульсов, а упрочняющие ролики подключены к низковольтному источнику питания для получения тока большой силы через место их контакта с поверхностью детали. При вращении детали электрод, вследствие упругого закрепления и шероховатости поверхности вибрирует и совершает нанесение покрытия, а ролики, соприкасаясь с поверхностью детали, вращаются и выполняют электромеханическое упрочнение (авт. св. N 656791, кл. В 23 P 1/10, 1/12, 1979). Однако указанный способ, в силу неравномерности разогрева места обработки, вызывает появление внешних повреждений слоя (микротрещин, выкрашиваний, отслаиваний) и приводит к отпуску термообработанной основы детали и самого легированного слоя. There is also a method of electrospark alloying, when the coating to improve quality is combined with subsequent electrical contact rolling of the part. The alloying electrode is installed between the reinforcing rollers pressed to the part with the necessary working pressure, and voltage is supplied to it from the electric pulse generator, and the reinforcing rollers are connected to a low-voltage power source to obtain a large current through their contact with the surface of the part. When the part is rotated, the electrode vibrates and makes a coating due to elastic fastening and surface roughness, and the rollers, in contact with the surface of the part, rotate and perform electromechanical hardening (ed. St. N 656791, class B 23 P 1/10, 1/12 , 1979). However, this method, due to the uneven heating of the treatment site, causes the appearance of external damage to the layer (microcracks, spalling, peeling) and leads to the release of the heat-treated base of the part and the alloyed layer itself.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности процесса легирования и качества слоя покрытия за счет увеличения его твердости, сплошности и уменьшения шероховатости. The problem solved by the invention is to increase the efficiency of the alloying process and the quality of the coating layer by increasing its hardness, continuity and reducing roughness.

Для решения поставленной задачи согласно способу электроискрового легирования, включающему электроэрозионное нанесение покрытия вибрирующим электродом и последующее пластическое деформирование нанесенного слоя вращающимся диском, поджимаемым к поверхности детали, деформирование осуществляют торцевой поверхностью диска, при этом легирующий электрод имеет общую ось вращения с диском, на который накладывают ультразвуковые колебания. To solve the problem according to the method of electrospark alloying, including electroerosive coating with a vibrating electrode and subsequent plastic deformation of the applied layer by a rotating disk, pressed to the surface of the part, the deformation is carried out by the end surface of the disk, while the alloying electrode has a common axis of rotation with the disk onto which ultrasonic fluctuations.

Временное отстаивание пластического деформирования от электроэрозионного нанесения покрытия не превышает времени затвердения переносимых частиц материала электрода. Temporary settling of plastic deformation from electroerosive coating does not exceed the curing time of the transported particles of the electrode material.

Электроискровое легирование по предложенному способу осуществляют устройством, содержащим упруго подвешенный электрод и дисковый деформирующий элемент с торцевой рабочей поверхностью, закрепленный на введенной в устройство ультразвуковой колебательной системе со стержневым концентратором, в осевой ступенчатой полости которого размещен с возможностью осевых перемещений электродержатель, при этом легирующие электроды расположены в радиальных пазах, выполненных в диске, а колебательная система подпружинена в направлении обрабатываемого изделия. Electrospark alloying according to the proposed method is carried out by a device containing an elastically suspended electrode and a disk deforming element with an end working surface, mounted on an ultrasonic oscillating system with a rod concentrator inserted into the device, in the axial step cavity of which an electromotor is axially displaceable, while the alloying electrodes are located in the radial grooves made in the disk, and the oscillating system is spring-loaded in the direction of machining the product to be

На фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1. In FIG. 1 shows a general view of the device; in FIG. 2 section aa in figure 1.

Электроискровой промежуток образован обрабатываемой деталью 1 и легирующими электродами 2, закрепленными в держателе 3, выполненном из термостойкого электроизоляционного материала. Держатель с пружиной 4 размещают внутри ступенчатой полости стержневого концентратора 5 акустической системы с возможностью перемещения его в осевом направлении по сквозным пазам, выполненным в полой нижней части концентратора. The spark gap is formed by the workpiece 1 and alloying electrodes 2, mounted in a holder 3 made of heat-resistant electrical insulation material. The holder with the spring 4 is placed inside the stepped cavity of the rod hub 5 of the speaker system with the possibility of moving it in the axial direction through the grooves made in the hollow bottom of the hub.

Дисковый деформирующий элемент 5а закрепляют (пайкой) на конце концентратора так, чтобы его радиальные пазы совпадали с пазами на концентраторе или выполняют за одно целое. Акустическую систему с магнитострикционным преобразователем 6 размещают внутри полого вала 7, получающего вращательный момент посредством шлицевого соединения от втулки 8. The disk deforming element 5a is fixed (by soldering) at the end of the concentrator so that its radial grooves coincide with the grooves on the concentrator or are made in one piece. An acoustic system with a magnetostrictive transducer 6 is placed inside the hollow shaft 7, which receives torque by means of a spline connection from the sleeve 8.

На втулке имеются щеткодержатель 9 с токосъемными кольцами 10, щеточными контактами 11 и пружинами 12 для подключения к устройству двух источников тока: генератора импульсного тока с разобщенной связью с искровым промежутком для питания легирующих электродов и ультразвукового генератора для питания акустической системы. Генератор импульсного тока положительным полюсом (+ГИ) подключен к щеточному контакту, а отрицательным полюсом (-ГИ) к обрабатываемому изделию. On the sleeve there is a brush holder 9 with slip rings 10, brush contacts 11 and springs 12 for connecting two current sources to the device: a pulse current generator with disconnected coupling with a spark gap for powering the alloying electrodes and an ultrasonic generator for powering the speaker system. The pulse current generator with a positive pole (+ GI) is connected to the brush contact, and a negative pole (-GI) to the workpiece.

Вал с закрепленной внутри акустической системой поджимается к обрабатываемой поверхности пружиной 13. Втулка установлена на подшипниках 14 в приспособлении 15, обеспечивающего вертикальное перемещение и плавную подачу инструмента к обрабатываемой детали. The shaft with the acoustic system fixed inside is pressed to the work surface by a spring 13. The sleeve is mounted on bearings 14 in the device 15, which provides vertical movement and smooth feed of the tool to the workpiece.

Привод устройства осуществляют от электродвигателя (не показан), связанного с осью вращения на втулке шлицевого соединения. The device is driven by an electric motor (not shown) associated with the axis of rotation on the spline connection sleeve.

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

К детали 1, укрепленной на подвижном столе, подводится с помощью ходовой передачи 15 устройство. Создается необходимое давление стержневого концентратора 5 и деформирующего диска 5а на обрабатываемую поверхность детали за счет пожатия пружины 13. Регулируя положение легирующих электродов 2 по вертикали в держателе 3, подбирают степень сжатия пружины 4, обеспечивая запас давления на расход электродов. Легирующие электроды устанавливают внутри радиальных пазов деформирующего диска так, чтобы деформирующая обработка наносимого слоя осуществлялась по всей его ширине за электродами. The device 1 is connected to the part 1 mounted on a movable table using a running gear 15. The necessary pressure of the rod concentrator 5 and the deforming disk 5a is created on the workpiece surface by compressing the spring 13. By adjusting the vertical position of the alloying electrodes 2 in the holder 3, the compression ratio of the spring 4 is selected, providing a pressure margin on the electrode flow rate. Alloying electrodes are installed inside the radial grooves of the deforming disk so that the deformation processing of the applied layer is carried out over its entire width behind the electrodes.

Затем включают электродвигатель и источники питания. Втулка 8 с помощью шлицевого соединения передает вращательный момент валу 7 с закрепленной внутри него акустической системой. Легирующие электроды, двигаясь по окружности, наносят покрытие, а радиальные выступы деформирующего диска осуществляют ультразвуковое деформирование слоя. Наличие шероховатости детали и упругой опоры легирующих электродов на стержневой концентратор, позволяет поддерживать при их движении пробивной зазор, что дает возможность более эффективно использовать безвибрационное легирование с применением высокочастотных генераторов, в которых выделение импульсов тока происходит независимо от контактов электродов с обрабатываемой поверхностью. Then include an electric motor and power sources. The sleeve 8 using a spline connection transmits the torque to the shaft 7 with a speaker system fixed inside it. Alloying electrodes, moving around the circle, are coated, and the radial protrusions of the deforming disk carry out ultrasonic deformation of the layer. The presence of the roughness of the part and the elastic support of the alloying electrodes on the rod concentrator makes it possible to maintain a breakdown gap during their movement, which makes it possible to more effectively use vibration-free alloying with the use of high-frequency generators in which current pulses are separated regardless of the contacts of the electrodes with the treated surface.

Изменяя электроакустические, электрические и механические параметры способа получают покрытия различной толщины, твердости и шероховатости с производительностью до 10 см²/мин.By changing the electro-acoustic, electrical and mechanical parameters of the method, coatings of various thicknesses, hardness and roughness with a productivity of up to 10 cm ² / min are obtained.

Конкретное выполнение предлагаемого способа электроискрового легирования с применением описанного устройства проводилось на образцах из стали 30 х 13. В качестве материала легирующего электрода применялся сплав феррохром. Использовалась акустическая система мощностью 2,5 кВт с частотой У3 колебаний 26 кГц и амплитудой ультразвуковых колебаний приблизительно 50 мкм. Деформирование покрытия в пластичном состоянии достигалось при скоростях вращения 600-1200 об/мин при центральном угле "фи" положения середины электрода в пазу деформирующего диска, отсчитанного от передней кромки радиального выступа 10-20^o; энергии импульсных разрядов 0,06-1,0 Дж с частотой следования до 800 Гц; диаметре деформирующего дискового элемента ≈ 50 мм.A specific implementation of the proposed method of electrospark alloying using the described device was carried out on samples of 30 x 13 steel. Ferrochrome alloy was used as the material of the alloying electrode. An acoustic system with a power of 2.5 kW was used with a frequency of U3 oscillations of 26 kHz and an amplitude of ultrasonic vibrations of approximately 50 μm. The deformation of the coating in a plastic state was achieved at rotational speeds of 600-1200 rpm with a central angle “phi” of the position of the middle of the electrode in the groove of the deforming disk, counted from the front edge of the radial protrusion 10-20 ^o ; pulse discharge energy of 0.06-1.0 J with a repetition rate of up to 800 Hz; the diameter of the deforming disk element ≈ 50 mm

Результаты экспериментальных исследований показали, что по сравнению с известными способами:
сплошность покрытия увеличилась с 80 до 97
микротвердость увеличилась с 400-500 до 800-900 кгс/мм²;
шероховатость слоя увеличилась с 5-10 мкм до 1,5-2,5 мкм;
толщина слоя увеличилась с 50-100 мкм до 20-50 мкм.The results of experimental studies showed that in comparison with known methods:
coating continuity increased from 80 to 97
microhardness increased from 400-500 to 800-900 kgf / mm ² ;
the roughness of the layer increased from 5-10 microns to 1.5-2.5 microns;
the layer thickness increased from 50-100 microns to 20-50 microns.

Деформирование слоя ультразвуковым вращающимся дисковым инструментом по предложенному способу изменяет физико-механические свойства наносимого слоя покрытия. The deformation of the layer by an ultrasonic rotating disk tool according to the proposed method changes the physical and mechanical properties of the applied coating layer.

Эффективнее осуществляется легирование и микрозакалка наносимого слоя, повышается содержание в нем неравновесных систем со сверхмелкозернистой структурой карбидов, интерметаллидов и аморфных фаз, обладающих повышенной износостойкостью6 жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Doping and microhardening of the applied layer are carried out more efficiently, and the content of nonequilibrium systems with an ultrafine-grained structure of carbides, intermetallic compounds, and amorphous phases with increased wear resistance6, heat resistance, and corrosion resistance is increased in it.

Использование устройства обеспечивает качественное с высокой производительностью нанесение покрытий, существенно уменьшая высоту микронеровностей слоя, улучшая его сплошность и плотность, увеличивая микротвердость. Процесс нанесения покрытия не вызывает отпуск слоя и основы обрабатываемого материала и позволяет осуществлять его на термообработанные детали. Using the device provides high-quality, high-performance coating, significantly reducing the height of the microroughness of the layer, improving its continuity and density, increasing microhardness. The coating process does not cause the release of the layer and the base of the processed material and allows it to be carried out on heat-treated parts.

Применение данного способа для нанесения износостойких и коррозионно-стойких покрытий по большим площадям рабочих поверхностей различных деталей машин и инструментов, эксплуатирующихся в экстремальных условиях, позволяет поднять срок их службы в несколько раз. The use of this method for applying wear-resistant and corrosion-resistant coatings over large areas of the working surfaces of various parts of machines and tools operating in extreme conditions allows to increase their service life by several times.

Claims

1. The method of electrospark alloying, including electroerosive coating with a vibrating electrode and subsequent plastic deformation of the applied layer by a rotating disk, pressed against the surface of the part, characterized in that the deformation is carried out by the end surface of the disk, while the alloying electrode has a common axis of rotation with the disk on which to impose ultrasonic vibrations.

2. The method according to claim 1, characterized in that the temporary lag of plastic deformation from electroerosive coating does not exceed the time of hardening of the transported particles of the electrode material.

3. A device for electrospark alloying containing an elastically suspended alloying electrode and a disk deforming element, characterized in that the deforming element with the end working surface is mounted on an ultrasonic oscillating system with a rod concentrator introduced into the device, in the axial step cavity of which the electrode holder is axially displaceable while alloying electrodes are located in radial grooves made in the disk, and the oscillating system is spring-loaded in board of the processed product.