1.1 Сутність та переваги методу еіл
Одним з актуальних напрямків технологій зміцнення є метод електроіскрового легування (ЕІЛ), відкритий у 50-х роках ХХ століття вченими Б.Р. Лазаренком та Н.І. Лазаренко.
Сутність методу ЕІЛ полягає у тому, що під дією значних імпульсних теплових та механічних навантажень відбувається ерозія матеріалу легуючого електроду (аноду) і масоперенесення його на оброблювану поверхню (катод). Одночасно на поверхні катоду (виробу) під дією значних теплових навантажень відбуваються дифузійні, термомеханічні, гідродинамічні, мікрометалургійні та інші процеси, які здійснюють перемішування матеріалів електродів при взаємодії з компонентами середовища, що сприяє утворенню високої адгезії між основою та легованим шаром.
ЕІЛ дозволяє змінювати механічні, термічні, електричні, термоемісійні та інші властивості робочих поверхонь, за рахунок модифікування їх структури, що сприяє підвищенню фізико-механічних властивостей (твердість, міцність, зносостійкість, жаростійкість, корозійна тривкість та ін.).
Перевагами методу ЕІЛ є:
можливість локального формування покриття;
висока адгезія з матеріалом основи;
можливість нанесення будь-яких струмопровідних матеріалів;
відсутність нагрівання та деформування виробів в процесі обробки;
високий коефіцієнт перенесення матеріалу (60 – 80 %);
порівняно проста технологія, що не потребує спеціальної попередньої підготовки поверхні;
простота обслуговування та надійність малогабаритного обладнання, що можна легко транспортувати;
низька енергоємність (0,5 – 2 кВт) процесу;
екологічна чистота процесу обробки.
1.2 Фізичні основи процесу еіл
При зближенні електродів напруженість «електричного поля» збільшується. При деякій відстані між електродами, вона буде достатня для виникнення іскрового електричного розряду. Через виникаючий наскрізний канал провідності пучок електронів фокусується, ударяється об тверду металеву поверхню анода (рис. 1, а). Енергія руху зупинених електронів виділяється в поверхневих шарах анода. У зв'язку з тим, що в даний момент система кидком звільняє накопичену енергію, густина струму значно перевищує критичні значення. В результаті цього від анода відділяється крапля розплавленого металу, яка рухається до катода (рис.1,б), випереджаючи рухомий анод.
В процесі відділення від анода крапля, що летить, встигає нагріватися до високої температури, закипає і «вибухає». Ланцюг струму уривається стискаючі напруження електромагнітного поля зникають і тому частинки, що утворилися, летять широким фронтом (рис.1,в). Оскільки перегріта крапля і частинки знаходилися в зіткненні з газом, то за складом і властивостями вони можуть відрізнятися від початкового матеріалу анода. Розплавлені частинки, досягши катода, зварюються з ним і частково впроваджуються в його поверхню (рис.1,г). Процес на цьому не закінчується, оскільки слідом за частинками рухається електрод, включений в систему, що вже встигла знов накопичити енергію. Через розжарені частинки на катоді, проходить другий імпульс струму, що супроводжується механічним ударом рухомої маси анода.
Рис. 1.Схема процесу нанесення покриттів на металеві поверхні: а – момент пробою міжелектродного проміжку; б – відділення від анода краплі розплавленого металу; в – вибух розплавленої краплі; г – осадження і впровадження матеріалу анода на катоді; д – момент контакту електродів; е – розходження електродів
На наступному етапі процесу при механічному контакті електродів частинки зварюються між собою і прогрівається тонкий шар поверхні катода, на якому вони розташовані. При цьому крім дифузії під дією електричного струму перенесених частинок в товщу катода відбуваються хімічні реакції між цими частинками і матеріалами катода. Механічний удар по розжареній масі матеріалів проковує отримане покриття (рис.1,д), що значно збільшує його однорідність і щільність. Далі анод рухається вгору, а на поверхні катода залишається міцно сполучений з ним шар матеріалу анода (рис.1,е). З приведеної моделі процесу електроіскрового зміцнення виходить, що перенесення матеріалу анода відбувається з моменту пробою міжелектродного проміжку до зіткнення його з поверхнею катода; з моменту пробою і до зіткнення електродів відбуваються два імпульси струму; речовина переноситься в рідко-краплинному стані.
Дана модель процесу ЕІЛ розроблена стосовно «чистового легування», тобто для випадку високої, напруги і невеликих значень струмів короткого замикання (I < —10—20 А). Для «грубого легування» (Ік.з >10 А; U х.х < 50—60 В) описана модель вимагає деяких уточнень у зв'язку з незначною величиною пробивної відстані між електродами.