graduate student
Stary Oskol, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
employee
Stariy Oskol, Belgorod, Russian Federation
UDC 621.9.048.4
The article presents the prospects for the application of electrospark alloying and the factors limiting its widespread use in industry. Images and a description of the operating conditions of diesel locomotive bogie components are presented, where the application of electrospark alloying hardening technology is promising. A description of the equipment, tools, materials, and methods for studying mechanized electrospark machining in interelectrode environments is presented. An experiment plan has been developed for mechanized electrospark machining of parts such as bodies of revolution with different values of the total energy per minute of machining within the frequency-energy operating mode of the electrospark alloying unit. Mechanized electrospark machining was performed in three different interelectrode environments formed by flows of argon, carbon dioxide, and air. The surface roughness of the electrospark coating was measured on experimental samples. The microhardness and thickness of the formed coatings were measured. A description of the dependence of the surface roughness, microhardness, and coating thickness on the total energy per minute of machining for each interelectrode environment is presented. Based on experimental data, graphs of microhardness and coating thickness were constructed. The experimental data were analyzed, and dominant factors and response functions were identified. Based on the results of the analysis, interelectrode environments were selected that exhibit significant changes during the electrospark alloying process, affecting microhardness and coating thickness. Regression equations were selected based on the graphs of the obtained dependencies. These equations allow for the most approximate description of the dependences of microhardness and coating thickness on the total energy per minute of machining, within the range of frequency and energy parameters of the electrospark alloying unit, for each interelectrode environment. Based on the experiments and the mathematical dependencies developed, intermediate conclusions and directions for further research on mechanized electrospark machining in various interelectrode environments were formulated in the form of regression equations.
electrical discharge alloying, interelectrode medium, roughness, continuity, coating thickness, microhardness, total energy
Введение
Известно, что электроискровое легирование позволяет формировать на поверхности детали упрочненный слой, обладающий повышенными физико-механическими характеристиками. Сдерживающими факторами,
ограничивающими широкое применение данного процесса, являются: низкая производительность самого электроискрового легирования и перегрев электрода при высокой интенсивности формирования электроискрового
покрытия.
Для увеличения производительности электроискрового легирования целесообразно:
– осуществлять механизацию, что позволит повысить сплошность покрытия и поддерживать стабильную скорость его формирования;
– варьировать вид межэлектродной среды с целью интенсификации процесса формирования и корректировки физико-механических свойств покрытия.
Объектом исследования данной работы являются детали тележек тепловозов, такие как палец и валик, представленные на рис. 1.
Данные детали установлены в узле рессорного подвешивания тележки тепловоза модели ТГМ4Б. Обобщая условия работы данных деталей, можно сказать, что основные дефекты, связанные с выходом деталей из строя, напрямую связаны с износостойкостью контактных поверхностей трения скольжения. Таким образом, для увеличения эксплуатационного ресурса деталей палец и валик целесообразно применение электроискрового легирования для упрочнения поверхности и придания ей повышенных физико-механических характеристик.
Материалы и методы
Для определения рациональных параметров механизированного электроискрового легирования в среде защитных газов необходимо проведение серии экспериментов по формированию покрытий и последующему их изучению.
Механизированное формирование электроискровых покрытий производили на
токарно-винторезном станке. Кинематические параметры механизированного электроискрового легирования были следующими:
подача – 0,063 мм/об; частота вращения заготовки – 36 об/мин; число проходов
электрода по поверхности – 4 шт. (выполнение
такого количества проходов гарантирует
формирование максимальной сплошности
покрытия); направление подачи по проходам – 2 слева направо, 2 справа налево.
Для формирования покрытия применяли установку для электроискрового легирования марки «Alier-Metal G53» с модернизированным электрододержателем, обеспечивающим создание определенной межэлектродной среды в процессе легирования.
В качестве электрода был принят прямоугольный стержень из твердого сплава марки Т15К6 поперечным сечением 5×6 мм. В качестве заготовки применяли круглый прокат из стали 45 по ГОСТ 1050-2013 в состоянии поставки, после предварительной механической обработки до диаметра 60 мм и разделения обрабатываемой поверхности на участки длиной 30 мм.
В качестве межэлектродной среды были принять следующие газы: аргон (инертный газ); углекислый газ (активный газ). Для оценки влияния межэлектродной среды была проведена дополнительная серия экспериментов с формированием межэлектродной среды потоком воздуха от компрессора.
Шероховатость сформированных
покрытий определяли измерителем шероховатости TR200. Базовая длина для оценки
шероховатости составляла 2,5 мм (фактическая длина измерения шероховатости составила
5lб = 12,5 мм).
Исследование микротвердости сформированных покрытий проводились на твердомере МЕТОЛАБ 502 по шкале Виккерса в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1. Испытательная нагрузка составляла 0,9807 Н. Исследование толщины покрытия производилось на металлографическом микроскопе 4ХС при увеличении 400×.
Соответствие наименования экспериментальных образцов значению суммарной энергии за одну минуту обработки и межэлектродной среде приведены в табл. 1.
В результате формирования электроискровых покрытий механизированным способом в различных межэлектродных средах были получены следующие значения шероховатости, представленные в табл. 2.
График зависимости шероховатости от суммарной энергии за одну минуту обработки представлен на рис. 2.
Из графика, представленного на рис. 2, очевидно, что шероховатость сформированных покрытий, при увеличении суммарной энергии за одну минуту обработки изменятся незначительно, а в некоторых случаях значение шероховатости при большем значении суммарной энергии меньше. Что касается межэлектродной среды, можно отметить, что она также не оказывает значительного влияния
на процесс формирования шероховатости
покрытия.
Исходя из требований к деталям, представленных на рис. 1, сформированная в рамках экспериментов шероховатость требует доработки. Например, поверхностное пластическое деформирование или абразивная обработка.
Таким образом, принимать шероховатость за функцию отклика нецелесообразно. Как для готового изделия, так и для технологического процесса доработки, значимыми параметрами детали являются твердость и толщина покрытия.
Следующим этапом изучения сформированных покрытий было исследование твердости и толщины покрытий. Полученные в результате измерений микротвердости значения представлены в табл. 3.
График зависимости микротвердости покрытия от суммарной энергии за одну минуту обработки представлен на рис. 3.
Из анализа кривых, представленных на рис. 3, очевидно, что микротвердость покрытия от суммарной энергии растет только в межэлектродной среде, сформированной потоком воздуха. Для аргоновой межэлектродной среды при увеличении суммарной энергии со значения 1,92 до 9,6 кДж·мин микротвердость незначительно выросла, несмотря на то, что при значении энергии 5,76 кДж·мин было отмечено падение микротвердости до значения 475,57 кг/мм2. Напротив, микротвердость покрытия в углекислотной межэлектродной среде незначительно снизилась при тех же значениях суммарной энергии, за исключением микротвердости 773,47 кг/мм2, полученной при энергии 5,76 кДж·мин.
Другой характер зависимости от суммарной энергии имеет толщина покрытия. Результаты измерений толщины покрытий представлены в табл. 4.
График зависимости толщины покрытия от суммарной энергии за одну минуту обработки представлен на рис. 4.
Анализ кривых, представленных на
рис. 4 показал, что толщина покрытия от суммарной энергии в различных межэлектродных средах изменялась значительно. Например, для аргоновой межэлектродной среды характерно увеличение толщины покрытия с 30 до 37 мкм. Для межэлектродной среды из углекислого газа характерно уменьшение толщины покрытия с 30 до 20 мкм при увеличении суммарной энергии со значения 1,92 до 9,6 кДж·мин. В межэлектродной среде из потока воздуха толщина покрытия при увеличении суммарной энергии со значения 1,92 до 9,6 кДж·мин осталась на одном и том же уровне, за исключением значения толщины покрытия 37 мкм при суммарной энергии 5,76 кДж·мин.
Обобщая полученные зависимости, можно сформулировать промежуточные выводы:
– шероховатость покрытия от межэлектродной среды и значения суммарной энергии в исследуемом диапазоне не изменяется;
– микротвердость покрытия имеет зависимость как от межэлектродной среды, так и от суммарной энергии;
– толщина покрытия имеет некоторую зависимость как от межэлектродной среды, так и от суммарной энергии, но разность значений толщин может отличаться в пределах погрешности, что в свою очередь требует дополнительных исследований с другими значениями суммарной энергии;
– из полученных экспериментальных данных, в качестве межэлектродной среды целесообразно будет оставить аргон и поток воздуха, т.к. для этих сред характерны значительные изменения процесса легирования;
– для определения зависимостей свойств покрытия от межэлектродных сред и суммарной энергии целесообразно проведение дополнительных серий экспериментов.
Таким образом, были проведены дополнительные серии экспериментов в двух межэлектродных средах и с большими значениями суммарной энергии. Скорректированные и дополненные данные по соответствию наименования экспериментальных образцов значению суммарной энергии за одну минуту обработки и межэлектродной среде приведены в табл. 5.
Значения микротвердости сформированных покрытий с дополнительными экспериментами представлены в табл. 6.
Графики зависимости микротвердости покрытия от суммарной энергии за одну минуту обработки с дополнительными экспериментами в различных межэлектродных средах и предполагаемые уравнения математической зависимости представлены на рис. 5 и 6.
Из анализа зависимостей микротвердости при увеличении суммарной энергии до значения 15,36 кДж·мин стоит отметить следующие особенности:
– микротвердость покрытия в аргоновой межэлектродной среде при суммарной энергии 12,29 кДж·мин возрастает до максимального, в рамках данного эксперимента, значения 1118,73 кг/мм2, дальнейшее увеличение суммарной энергии приводит к снижению микротвердости до 852,83 кг/мм2;
– микротвердость в межэлектродной среде, сформированной из потока воздуха, наоборот, при увеличении суммарной энергии до значения 12,29 кДж·мин, снижается, при дальнейшем увеличении суммарной энергии до значения 15,36 кДж·мин снова возрастает, но само значение микротвердости ниже, чем при энергии 5,76 и 9,6 кДж·мин.
Возможно, такой характер формирования твердости покрытия связан с параметрами режимов работы установки электроискрового легирования, которые включают в себя силу тока, мощность импульсного разряда, длительность импульса и частоту следования импульсов.
Что касается математического описания зависимости микротвердости от суммарной энергии, как очевидно из графика, то в обоих случаях это уравнение четвертой степени. При этом стоит отметить, что значение коэффициента достоверности аппроксимации уравнений регрессии равно единице, что свидетельствует о высоком уровне соответствия действительному процессу.
Величины толщин покрытий с дополнительными экспериментами представлены в табл. 7.
Графики зависимости толщины покрытия от суммарной энергии за одну минуту обработки с дополнительными экспериментами в различных межэлектродных средах и предполагаемые уравнения математической зависимости представлены на рис. 7 и 8.
Из анализа зависимостей толщины покрытия при увеличении суммарной энергии до значения 15,36 кДж·мин также стоит отметить некоторые особенности:
– толщина покрытия в аргоновой межэлектродной среде при суммарной энергии 12,29 кДж·мин возрастает до максимального, в рамках данного эксперимента, значения
50 мкм, дальнейшее увеличение суммарной энергии приводит к снижению толщины покрытия до 30 мкм, что соответствует меньшим значениям суммарной энергии;
– толщина покрытия в межэлектродной среде, сформированной из потока воздуха, при увеличении суммарной энергии до значения 12,29 кДж·мин, увеличивается до значения 56,7 мкм, при дальнейшем увеличении суммарной энергии до значения 15,36 кДж·мин толщина покрытия доходит до 60 мкм.
Также, как и в случае зависимости микротвердости от суммарной энергии, прослеживается аналогичный характер формирования толщины покрытия, который также может быть связан с параметрами режимов работы установки электроискрового легирования.
Математическое описание зависимости толщины покрытия от суммарной энергии, как очевидно из графика, для двух межэлектродных сред является уравнением четвертой степени. Коэффициент достоверности аппроксимации уравнений регрессии также равен единице, что также свидетельствует о высоком уровне соответствия действительному
процессу.
Выводы
Таким образом, обобщая полученные результаты, целесообразно сформулировать дальнейшие направления исследований:
– исследовать зависимость микротвердости и толщины от суммарной энергии в широком диапазоне доступных частотно-энергетических режимов работы установки электроискрового легирования;
– исследовать влияние энергии единичного импульсного разряда при одинаковом значении суммарной энергии за одну минуту обработки, но при разной длительности импульсного разряда;
– провести теоретические исследования выявленных зависимостей микротвердости и толщины покрытия от суммарной энергии методом крутого восхождения по градиенту;
– произвести оценку сплошности формируемого электроискрового покрытия от количества проходов в разных межэлектродных средах.
1. Gitlevich A.E. Mikhailov V.V., Parkansky N.Ya., Revutsky, V.M. Electrospark alloying of metal surfaces. Chisinau: Stiinca, 1985. 196 p.
2. Verkhoturov A.D. Formation of surface layer on metals during ESA process. Vladivostok: Dalnauka Publ., 1995. 323 p.
3. Poida A.A. Diesel locomotives: Mechanical equipment: Arrangement and maintenance: Textbook for technicial schools. Moscow: Transport, 1988. 320 p.
4. Kim V.A., Korotaev D.N. The gas medium is a hardening factor in electric spark alloying // Electronic processing of materials. Chisinau. 1998. pp. 37−43.
5. Korotaev D.N., Mashkov Yu.K. Technological capabilities of controlling the wear resistance of friction surfaces during ESA // ONV. 2006. No. 10 (48).
6. Korotaev D.N. Quality management of the formation of wearproof blankets by the method of electric spark alloying // Guide. Engineering magazine. 2015. No. 5. pp. 34−37.
7. Suslov A.G. Surface engineering of parts. Moscow: Mashinostroenie. 2008. 320 p.
8. Zhuldybin A.A. Prospects of using electric spark alloying to increase the service life of diesel locomotive body parts // Modern problems of the mining and metallurgical complex. Science and Production: proceedings of the twenty-first All-Russian Scientific and Practical Conference, Stary Oskol, November 29, 2024. Stary Oskol: National Research Technological University «MISIS». 2024. pp. 416−419. EDN LVFCNP.
9. Zhuldybin A.A. Determination of research directions of electrospark alloying in protective environments // Modern problems of the mining and metallurgical complex. Science and Production: proceedings of the twenty-first All-Russian Scientific and Practical Conference, November 29, 2024. Stary Oskol: National Research Technological University «MISIS». 2024. pp. 420−424. EDN FFSTHW.
10. Zhuldybin A.A. Prospects of application of mechanized electric desintegration in protective environments for ship equipment parts // Actual problems of science and technology. 2025: Proceedings of the All-Russian (national) Scientific and Practical Conference dedicated to the 95th anniversary of the Don State Technical University, March 12-14, 2025. Rostov-on-Don: Don State Technical University, 2025. pp. 804−805. EDN TEBCFY.
11. Demidovich B.P., Maron I.A., Shuvalova E.Z. Numerical methods of analysis. Approximation of functions, differential and integral equations: A textbook. 5th ed., ster. / Edited by B.P. Demidovich. St. Petersburg: Lan Publishing House, 2021. 400 p.
