CC BY
68
УДК 621.9.047
КОМБИНИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА АРМИРОВАННЫХ ТВЁРДЫХ СПЛАВОВ
В. А. Фёдоров
Твёрдые сплавы, в ряде случаев, являются основой для разработки перспективных узлов машин. Обработка созданных на их основе конструкционных и инструментальных материалов затруднена в связи с их высокой твёрдостью и прочностью. Использование комбинированной обработки и технологического армирования заготовок позволяет решить многие производственные проблемы
Ключевые слова: твёрдый сплав, электрохимическая обработка, ультразвук
Современное машиностроение позволяет создавать перспективные конструкции деталей машин, используя методы порошковой металлургии основанной на спекании мелкодисперсных композиций. Преимуществом данного способа являются возможность изготовления изделий, не требующих дополнительной механической обработки или с минимальным припуском. При этом возможно прогнозирование их механических свойств: твёрдости, прочности, анизотропии,
коэффициента трения и других.
В качестве примера можно привести такие узлы механизмов как медно графитовые вкладыши силовых установок, фильтрующие элементы, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. Особое место в машиностроении занимают твёрдые сплавы, полученные путём спекания карбидов вольфрама, титана и тантала на кобальтовой связке.
Они получили широкое применение при изготовлении высокопроизводительного режущего и деформирующего инструмента, подшипниках скольжения высокоточных механизмов, при нанесении износостойких покрытий. При формировании модулей из этого материала возникает проблема создания равномерного давления по всему объёму заготовки. Это затрудняет создание пространственных деталей, формирование в них полостей, отверстий и пазов. Таким образом, необходима механическая обработка. Высокая твёрдость, прочность и хрупкость накладывают ограничения на применение технологических воздействий.
Методы формообразования, основанные на резании при обработке твёрдых сплавов, имеют ограниченное применение. В основном это абразивная обработка, алмазное сверление, в том числе с наложением ультразвуковых колебаний. При этом стойкость инструмента, как правило, недостаточна, а качество получаемой поверхности неудовлетворительно.
Большее распространение получили нетрадиционные технологические процессы: электроэрозионная (ЭЭРО), светолучевая (СЛО), электроннолучевая (ЭЛО), электрохимическая (ЭХО), ультразвуковая обработка (УЗО).
Фёдоров Владимир Андрианович - ВГТУ, аспирант, тел.8 960 137 90 67
По экспертным оценкам наибольший эффект представляет воздействие на конструкционный материал электрическим разрядом. При этом достигается высокая точность порядка 7 квалитета и шероховатость прядка Яа = 0,8 мкм. При этом обеспечивается высокая гибкость позволяющая формировать сложные профили.
Но при решении задач связанных с прошиванием отверстий электроэрозионными способами межэлектродный промежуток
заполняется твёрдофазными продуктами обработки. При малых размерах инструмента их удаление представляет значительные сложности. С этой целью применяют осевое осциллирующее движение электрода. Сам формообразующий элемент претерпевает значительное изнашивание, что обуславливает погрешности формы получаемого канала. Для компенсации эффекта копирования используется комплект электродов - инструментов, сам технологический процесс разбивается на черновые, получистовые и чистовые переходы. Вследствие этих причин, несмотря на преимущества, конкретно для изготовления микроотверстий электроэрозионная обработка не обеспечивает оптимального результата.
Более приемлем технологический процесс, основанный на анодном растворении заготовки. В практике машиностроения для получения глубоких каналов малого диаметра применяют два способа. Один прошивка трубчатым электродом с осевым каналом. При том достигается отношение Ь/О до 100 при Б = 200 мкм. Другой струйное прошивание при котором обеспечивается отношение Ь/О до 200 при Б = 100 мкм. при удовлетворительной
производительности соответственно 0.5 - 10 мм/мин и 1 - 5 мм/мин. против 0,15 - 1,5 мм/мин. для электроэрозионного формообразования.
Такие показатели обусловлены образованием легко удаляемых газовых фаз, мелкодисперсных оксидов, легкорастворимых соединений. Также следует учесть, что благодаря применению малоизнашивающегося инструмента канал формируется за один рабочий ход исполнительно органа станка. При этом достигается высокое качество поверхности.
К числу существенных недостатков можно отнести сложность в изготовлении трубчатого электрода малого диаметра и значительным
отношением Ь/О. В случае применения струйного прошивания свободный поток электролита вызывает значительные погрешности формы и размеров получаемой поверхности. Все эти факторы приводят к ограничению глубины канала. Однако, существует необходимость получения внутренних полостей большей протяжённости и сложной конфигурации.
Известен способ, когда при изготовлении деталей из диэлектрических материалов, например в керамике на стадии формирования внедряют металлическую вставку, которая химическим или электрохимическим способом растворяется. При этом получают форму необходимой конфигурации. Удовлетворительные результаты обеспечиваются при достаточно больших размерах удаляемого элемента. Но при обработке канала малого поперечного размера возникают проблемы с удалением продуктов обработки, которые препятствую поступлению свежих порций активного вещества.
Существует метод формообразования [5], включающий технологическое армирование. Он заключается в том, что при придании изделию заданной конфигурации, на стадии формовки в заготовку устанавливается технологическая арматура заданной длины. Причём их поперечный размер может быть достаточно мал, а форма произвольна.
Перед спеканием матрицу с технологической арматурой передают на обработку. С этой целью используются электрохимические процессы с наложением ультразвукового поля [2]. Создаваемая упругими колебаниями кавитационная область обуславливает аномально высокий подъём рабочей жидкости [1]. Это явление носит название звукокапиллярного эффекта. Благодаря нему обеспечивается транспортировка электролита в рабочую зону и происходит его активация. По экспертным оценкам доставка промывка межэлектродного зазора может осуществляться на высоту до Ь/О = 800. В результате технологического воздействия получают микроканал значительной протяжённости.
Данный метод пригоден для широкого спектра конструкционных материалов: полимерных
композиций, технической керамики, метало - и минералокерамики [2]. При этом остаётся ряд вопросов связанных с получением изделий из твёрдых сплавов. Основная проблема заключается в том, что на традиционно применяемых режимах электрохимической обработки происходит
совместное растворение материала вставки и матрицы.
В работах [4,5] приводится теоретическое обоснование технологии обработки технологически армированных токопроводящих матриц. В
соответствии с ним, существует область на поляризацонных кривых, когда один из материалов (матрица) находится в пассивном состоянии, в то время как другой (арматура) подвергается активному растворению. Это явление связано с особенностью динамики образования пассивационных плёнок при некоторых значениях потенциала на электродах.
Наложение ультразвуковых колебаний на рабочую зону обеспечивает транспортировку электролита и изменяет активность реагирующих веществ. При этом происходит смещение начала активного растворения в сторону отрицательных значений изменяя зависимости «технологический ток - напряжение». Ультразвук также оказывает отрицательное воздействие на экранированную поверхность основного материала разрушая защитные плёнки. Факторы: интенсивность
ультразвукового поля и концентрация электролита уменьшают область применения этого технологического процесса.
Таким образом, существует возможность разработки технологического процесса, при котором материал матрицы из твёрдого сплава будет находиться в зоне пассивации и не претерпевать существенных изменений, в то время как вставка будет растворяться. Также важно определить режимы смены электролита в рабочей зоне, так как загрязнённость канала обуславливает
производительность формообразования.
В соответствии с поставленными задачами исследования проводятся в двух направления. Сначала выявляются пары материалов позволяющих локализовать анодное растворение одной из фаз композитной заготовки. С этой целью разработана методика эксперимента. В качестве образцов используются модули, состоящие из
унифицированной пластины изготовленной из двухкарбидного твёрдого сплава Т15К6 и элемента имитирующего арматуру. На их торцевые части наносится слой твёрдого припоя, который облуживается мягким припоем с целью подсоединения проводников. После чего части образца соединяются, помещаются в опоку и заливаются компаундом. Затем одна из сторон зачищается абразивным инструментом.
Полученный блок подключается к
положительному полюсу стабилизированного источника питания и подвергается травлению. Опыты производится с различными напряжениями. Поскольку, исходя из анализа поляризационных кривых, зона пассивности для выбранного твёрдого сплава начинается с 2,0 - 2,2 вольта эта разность потенциалов выбирается как исходная. Затем эксперимент проводится при напряжениях 4, 6, 8 В. Дальнейшее его повышение нецелесообразно, так как для большинства материалов наступает перепассивация.
Установлено, что пара Т15К6 и Сталь 20 даёт наиболее удовлетворительные результаты. При 2,2 В происходит интенсивный вынос массы металлического компонента, при образовании плотной пассивирующей плёнки на поверхности матрицы. Эффективность защиты такова, что можно наблюдать следы предшествующей механической обработки после длительного воздействия. На следующем шаге - 4,4 В наступает слабовыраженная транспассивность твёрдого сплава при более интенсивном растворении металлической фазы. При потенциале 6,4 В линейная скорость перемещения от катода границы эквивалентов арматуры и матрицы
сравнивается. Это может быть связано как с чисто электрохимическими явлениями, так и с образованием на обоих компонентах рыхлой окисной плёнки. Однако, при величине потенциала 8,6 В характер фазовых превращений для твёрдого сплава изменяется. Продукты обработки
представляют легко удаляемые соединения.
Благодаря этому данный компонент образца претерпевает существенные изменения размеров, в то время как металлическая фаза частично экранируется окислами.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1) Для технологически армированных твёрдых сплавов существует оптимальный по стоимости и технологичности материал удаляемой вставки, который обеспечивает локализацию
технологической зоны.
2) При этом возможна обработка с минимальными погрешностями формы.
3) Характер пассивационных плёнок позволяет формировать с помощью предварительно обработанной вставки заданный микрорельеф поверхности готового изделия и прогнозировать точность.
Это можно использовать, в том числе для формирования профиля изделий из твёрдого сплава, когда иные способы нецелесообразны по критериям экономичности или качества.
4) Интенсивное растворение твёрдого сплава при высоких напряжениях позволяет выполнять ремонт многокомпонентных дорогостоящих изделий.
Следующая задача заключается в разработке рекомендаций по технологическому использованию звукокапиллярного эффекта. С этой целью электрохимическая ячейка монтируется на ультразвуковом преобразователе позволяющим создавать ультразвуковое поле в зоне обработки. Образец представляет собой стеклянный монолит, в который внедрена металлическая вставка. Это даёт возможность визуализировать процесс анодного растворения. Были проведены три группы экспериментов. В первой обработка производилась без интенсифицирующего воздействия ультразвука в течение 60 минут. В результате наблюдалось растворение арматуры на глубину Ь/О = 3 - 4. Основной съём материала происходил в первые 20 минут, после чего технологический ток значительно уменьшался, приближаясь к нулю.
При наложении ультразвуковых колебаний Проникновение рабочей среды в канал стало значительно выше, что согласуется с результатами полученными в [4]
Были рассмотрены пути повышения производительности технологического процесса. В качестве предварительных решений предложены: увеличение технологического тока, повышение интенсивности ультразвукового поля, назначение периодически изменяющихся во времени параметров работы оборудования. Как показали дальнейшие эксперименты, наиболее эффективным явилось прерывание подачи разности потенциалов.
В качестве объяснения предположено, что при постоянном воздействии технологического тока межэлектродный промежуток не успевает очищаться. Постоянно выделяющиеся продукты обработки уменьшают электропроводность. С течением времени наступает динамическое равновесие между подводом электролита и эвакуацией шлама и газовой фазы. Нарушая его, путём снижения интенсивности формообразования, добиваются дополнительной промывки рабочей зоны. При этом следует учесть, что сокращение времени анодного растворения снижает вынос массы, что в целом уменьшает производительность обработки. Фактически скорость растворения повышается на 30 - 35% по сравнению с
рассмотренным выше способом. При этом сохраняется достаточно высокое отношение Ь/О.
Для практического применения разработан лепестковый катод (рис.1) - инструмент с
продольными пазами. При его вращении происходит периодическое уменьшение величины технологического тока с замедлением процесса газо
- и шламовыделения. Акустическое поле воздействуя на технологическую зону вызывает звукокапиллярный эффект обеспечивающий подъём рабочей среды по каналу обрабатываемого отверстия, что позволяет получать отношения Ь/О свыше 100. Непрерывное озвучивание создаёт условия для более эффективного удаления продуктов анодного растворения. Схема обработки приведена на рисунке.
Электрохимическая ячейка: 1 - лепестковый катод -инструмент, 2 - ультразвуковой преобразователь, 3 -матрица, 4 - арматура.
Варьируя отношения ширины пазов и ширины лепестков инструмента и частоту его вращения, подбираются оптимальные технологические и
экономические показатели технологического процесса.
Следующим этапом является разработка типовых технологических процессов. Для их реализации предлагается использовать общепринятые схемы. Изготовление деталей машин посредством технологического армирования можно разделить на следующие этапы:
1) Подготовка исходных компонентов.
2) Установку удаляемых вставок.
3) Формирование заготовки.
4) Сушка.
5) Комбинированная обработка.
6) Спекание.
7) Промывка
При этом необходимо учесть ряд особенностей в целях обеспечения качества размерной обработки. На первом этапе проводят получение порошка -шликера и изготавливают арматуру. Поскольку предлагается использовать Сталь 20, возникает проблема. Коэффициенты температурного
расширения для стали и твёрдого сплава значительно отличаются. При температурном воздействии при спекании возможно образование дефектов ответственных поверхностей.
В целях предотвращения этого явления предлагается проводить промежуточное травление, до обжига. Или же применить компенсирующие покрытия, например на основе органических лаков. Под действием высокой температуры в зазоре «матрица - арматура» образуется податливый слой. При охлаждении углеродная масса надёжно зафиксирует вставку.
При установке арматуры надо принять во внимание, что точность её позиционирования обуславливает погрешности положения. Для конструкций механизмов это важный показатель.
Поэтому надо предусмотреть вспомогательные опорные элементы. В зависимости от функционального назначения детали они могут располагаться в теле заготовки или вне его. В конструкции формы можно предусмотреть приливы на выходе вставок. Это позволит облегчить нанесение вспомогательного экранирующего покрытия, предохранить основной объём изделия от побочного растравливания и кавитационной эрозии.
В последствии дефектный слой может быть удалён при помощи механической обработки.
Режимы технологического воздействия при комбинированной обработке устанавливаются в соответствии с разработанными рекомендациями. Промывку рационально производить в рабочей зоне станка. Для этого в ней устанавливается дополнительная ёмкость с растворителем и ультразвуковым преобразователем.
Перспективными путями использования технологического армирования может стать обработка композитов с числом фаз более двух. Например, содержащих матрицу, рабочую и технологическую арматуру. Это позволит расширить область применения композиционных материалов в конструкциях работающих в условиях температурного воздействия.
Также можно создавать теплозащитные и теплообменные модули высокой прочности и износостойкости типа «сэндвич» - «твёрдый сплав -пористая керамика - твёрдый сплав».
Литература
1. Прохоренко П. П., Дежкунов Н. В., Коновалов Т. Е. Ультразвуковой капиллярный эффект/ П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Т. Е. Коновалов.-Минск: «Наука и техника», 1981. - 135 с.: ил.
2. БИ А. С. 944850, МПК В 23 Р 1/00. Способ
электрохимической обработки импульсами
технологического тока/ В. П. Смоленцев, Т. П. Литвин, В. А. Перов, А. В. Попов, В. М. Антипов. Опубликовано 23. 07. 82 .Бюл. № 27.
3. Антропов Л. И. Теоретическая электрохимия / Л. И. Антропов: Учеб. Для хим. - технолог. спец. вузов.
- 4 - е изд., перераб. и доп. - М.: Выс. шк., 1984. - 519 с., ил.
4. Трофимов В. В. Комбинированная обработка глубоких каналов в армируемых материалах/ В. В. Трофимов: Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук. - Воронеж.: ВГТУ, 1998. - 32 с.
5. РФ А. С. 22007321, МКИ В 23 Н 5/06, 3/00. Способ комбинированной обработки поверхностей в армируемых токопроводящих материалах/ В. В. Трофимов, В. В. Трофимов, Ю. В. Трофимов, Опубликовано 27. 06. 2003.Бюл. № 18.
Воронежский государственный технический университет
COMBINE WORK ARMOR HARD ALLOY V.A. Theodorov
Hard alloy make possible design progressive units of machines. New construction materials work with difficulty so far us they has high hardness and stability. Preference has new method - technological armor
Key words: hard alloy, electrochemical work, ultrasonic
