3.9. Электроимпульсные технологии обработки материалов

Электроимпульсные процессы (ЭПМ) – это процессы, связанные с протеканием электрического тока через изделие при его обработке без процесса расплавления металла. В металлургии применяются следующие электро-физические процессы: индукционный разогрев изделий при термической обработке; электроконтактный разогрев; обработка электрическим импульсным разрядом; электростимулированное деформирование; электроспекание метал-лических порошков и др.

Согласно современным представлениям, электрический ток в металле при определенных частотах и плотности может взаимодействовать с вакансиями и дислокациями, диэлектрическими включениями, полупроводниковыми фазами. Все это позволяет разрабатывать новые процессы в технике за счет уникального изменения структуры обрабатываемого металлического изделия. Использование скоростного электроконтактного нагрева позволяет получать мелкое аустенитное зерно и повышать температуру термической обработки сталей. Применение электроспекания металлических порошковых материалов необходимо для псевдосплавов, которые невозможно изготавливать традиционными методами.

Наибольшее применение в практике находят скоростные процессы: скоростной нагрев током; импульсная обработка; электроспекание; электро-деформирование. Процессы отличаются экологичностью, высокой технической производительностью.

Классификация ЭПМ показана в табл. 7. Их классифицируют по виду подводимого электрического тока на постоянный, импульсный, переменный; по плотности тока; величине электрического тока; частоте тока; температуре процесса и виду механического напряжения - без или с деформацией; типу физического эффекта, реализуемого в способе.

Таблица 7

Электроимпульсные процессы

Способ	Плотность тока, А/м2	Напря- жение, В	Частота тока, Гц	t,С	Характеристика
Электроотпуск	103	10…380	пост. и до 400	200…600	Эффект Садовского
Электроконтакт- ный разогрев под закалку	103	10…380	пост. и до 400	750…1300	А-М, мелкое зерно в сравне-нии с печным нагревом, ско-рость разогрева до 20 град/с
Нагрев ТВЧ	103	600	до 8000	750…1300	тоже, скорость разогрева до 50 град/с
Электроразряд- ная обработка поверхности	106…109	6000	до 8000	750…1300	скорость разогрева до 350 град/с, тонкий поверх-ностный упрочненный слой
Импульсная обработка про- теканием тока	106…109	380	до 8000	до 400 по стали	Залечивание поверхностных микротрещин в деталях, ско-рость разогрева до 50 град/с
Электроразряд- ное спекание порошков	103…106	6000	200	до 1500 по Fe	Ступенчатое прессование для образования расплавленного контакта между частицами
Электроимпуль- сное спекание порошков	106…109	до 20	25…50	до 1500 по Fe	Электропластические эффекты на контактах частиц при пос-тоянно растущем механичес-ком давлении
Электроимпуль- сная легирован- ная деформация металлов	106…109	до 20	до 800	до 400	Эффект электропластичности металлов при пропускании то-ка высокой плотности и одно-временной деформации свыше 5 %
Электроимпуль- сный нагрев под закалку	106…109	до 20	25…50	до 1500 по стали	Скорости нагрева свыше 250 град/с, резкое повышение температуры Ас3, сквозное прохождение линий электри-ческого тока, залечивание вну-тренних и поверхностных мик-ротрещин, мелкое зерно

В свою очередь, каждый способ имеет свои отличительные особенности, например, известно более двадцати патентов на электротермическую обработку, которую используют при изготовлении изделий металлургии от болтов и шпилек, рессор и пружин до листов, валов, осей и канатной проволоки.

Методом ЭИС при прокатке получены экспериментальные ленточные материалы на основе порошков железа, коррозионностойких сталей, композиционных материалов (рис. 38).

Рис. 38. Влияние пористости П (а) и содержания диэлектрической фазы В

на свойства ЭИС материалов:

1 – ЭИС процесс; 2 – обычное формование; А – зона вырождения обычного

холодного процесса

Рис. 39. Внешний вид элемента ЛУМ, плакированного никелем, из порошка Нибон-20:

а – внешний вид ленты; б – торцевой срез уплотнительной плакированной ленты

В условиях формования при прессовании при низких давлениях (100 МПа) и одновременном пропускании через прессовку из порошка Нибон- 20 тока высокой плотности был получен уплотнительный порошковый материал с пористостью всего 3 %.

Порошок прокатывали на установке ЭИС в валках диаметром 0,2 м и шириной 0,02 м с наложением на очаг формования тока высокой плотности. Готовые ленты соответствовали по свойствам прокату, прошедшему спекание в печах при температуре 900 С. Полученные ленты разрезали и укладывали в пакеты из фольги никеля НП-2 толщиной 0,3 мм. Полученную сборку подвергали горячей прокатке на установке конструкции НГТУ при температуре 850 °С и степени деформации 20…25 %. Внешний вид плакированных никелем уплотнительных материалов показан на рис. 39. По физико-механическим свойствам полученный материал удовлетворяет требованиям к уплотнительным элементам газотурбинных двигателей. Достоинством такого материала является высокое содержание неформующейся фазы (нитрида бора), которая в ЛУМ достигает 80 % объемных. Электромеханическая обработка (ЭМО) основана на термическом воздействии электрического тока и силовом нагружении поверхности изделий. Она существенно изменяет физико-механические показатели поверхностного слоя деталей и позволяет резко повысить их износостойкость, предел выносливости и другие эксплуатационные характеристики деталей. Применение ЭМО нашла в ремонте и восстановлении изделий, в обработке поверхности машиностроительных конструкций. Процесс ЭМО имеет две разновидности: электромеханическое сглаживание (ЭМС) и электромеханическая высадка металла (ЭМВ). Высадка является основной операцией электромеханического способа восстановления деталей. Электроме-ханическое сглаживание сопровождается упрочнением поверхностного слоя, поэтому его называют электромеханическим упрочнением (ЭМУ). По существу, ЭМУ есть следствие ЭМС.

Электромеханическое упрочнение заключается в том, что в процессе обработки через место контакта инструмента с изделием проходит ток большой силы и низкого напряжения, вследствие чего выступающие шероховатости поверхности подвергаются сильному нагреву, под давлением инструмента деформируются и сглаживаются, а поверхностный слой металла упрочняется. Особенностью ЭМУ является то, что поверхностный слой подвергается многократным термомеханическим воздействиям в зависимости от числа рабочих ходов инструмента ЭМО.

Структурообразование поверхностного слоя зави-сит в основном от соотношения параметров режима процесса ЭМУ. Характерная структура стали 45 после ЭМС показана на рис. 40. Структура светлой зоны поверхностного слоя является результатом фазового превращения при нагреве в ЭМС свыше Ас₃. Глубина зоны 230 мкм. Микротвердость верхнего слоя HV = 7400 МПа, нижнего - 2000 МПа. В зоне перехода светлой структуры к исходной существенных следов пластической деформации не наблюдается. Это свидетельствует о том, что высокая температура переходной зоны привела к разупрочнению. Светлая зона представляет собой мелкодисперсный мартенсит. Ближе к границе перехода от светлой зоны к исходной

Рис. 40. Структура упроч- структуре располагаются более светлые пятна понижен-

ненного слоя стали 45 ной твердости, которые представляют собой нераст-

после ЭМС. х120 ворившийся наклепанный феррит. Темная зона поверх-

ностного слоя с прожилками, образуемая при наложе-нии токов низкой частоты, имеет весьма мелкодисперсную структуру, полученную в результате пластического деформирования металла в состоянии нагрева, когда температура недостаточно высока для фазового превращения. Поверхностный слой структуры характеризуется состоянием горячего наклепа. Об этом свидетельствует тонкая светлая полоска у самой поверхности. Здесь переходная зона имеет вид завихренных зерен металла. Средняя микротвердость темной зоны поверхностного слоя с прожилками составляет HV= 2900 МПа.

Скоростная электротермическая обработка (СЭТО) относится к электро-физическим методам упрочнения металлических материалов, в частности сталей (табл. 8). При СЭТО возникают физические эффекты, обусловленные протеканием электрического тока и действием электромагнитного поля.

Таблица 8