В данной статье рассматривается применение электроискрового напыления для ремонта дефектов в пресс-формах для литья под давлением и литейных формах.
Электроискровое напыление (ЭИН) используется для высокоточного восстановления дорогостоящих изношенных деталей в малых масштабах с помощью микросварки импульсами. Электроискровое напыление также известно как импульсное электродное напыление, импульсное легирование, электроискровое упрочнение и искровое закаливание. В промышленности этот метод применяется для устранения дефектов в пресс-формах для литья под давлением и литейных формах.
Системы ЭИН оснащены источником питания на базе конденсатора, который создает импульсы через вращающийся проволочный расходуемый электрод. Эти импульсы имеют высокий ток и очень короткую длительность. Материал расходуемого электрода (анода) переносится на заготовку (катод) с помощью электрической искры.
Между кончиком электрода и металлической заготовкой при разряде конденсатора возникает высокотемпературная плазменная дуга. Температура дуги достигает от 8000 до 25000°C. Плазма ионизирует анод, расплавленный материал которого быстро переносится на поверхность заготовки.
Ионизированный анод переносится на подложку короткими импульсами. Высокотемпературная дуга состоит из частиц анода, теплового потока (тепловой струи) и плазмы (образованной в результате разложения газов и активных атомов азота, кислорода и углерода). Основную часть тепла передают тепловая струя и плазма.
Поскольку импульсы очень короткие, теплопередача через струю и газы минимальна, а основное количество тепла поступает на подложку только с небольшим числом микрочастиц анода, осаждаемых на поверхности. Таким образом, на подложку подается минимальное количество тепла, что не приводит к изменениям её микроструктуры. Этот метод может быть более предпочтителен по сравнению с традиционной сваркой оплавлением, особенно для сплавов с низкими характеристиками в зоне термического влияния (например, с низкой вязкостью, высокой твердостью, склонностью к ликвационным трещинам).
Кроме того, данный процесс способствует формированию прочной металлургической связи между подложкой и покрытием. Микролегирование между расплавом электрода и основным материалом активирует образование плазмы за счет разложения воздуха, формирования карбонатов, карбидов и нитридов.
Качество напыления определяется конкретными параметрами разряда, такими как время импульса, сила тока и напряжение, которые зависят от химических и физических свойств материалов электрода и устройства. Поэтому параметры зависят от типа напыляемого электрода, зависимости от температуры, текучести, электрического сопротивления, плотности, диффузионной способности, химической активности анодных элементов, теплопроводности и температур плавления.
Электроискровое напыление металлических сплавов обладает рядом преимуществ. Например, не требуется специальная подготовка поверхности детали. Напыляемый слой приобретает аморфные свойства благодаря высокой скорости затвердевания и зачастую не нуждается в последующей обработке. ЭИН может быть легко применен к сложным поверхностям, обеспечивая напыление точно в указанных местах. В качестве электрода могут использоваться как металлические сплавы, так и чистые металлы. ЭИН позволяет использовать твердые плавкие соединения и металлические керамики для нанесения покрытий.
Еще одним преимуществом ЭИН является отсутствие нагрева образца в процессе напыления. Кроме того, процесс экологически чистый, поскольку не используются ядовитые неметаллические материалы, такие как цианиды. Оборудование отличается простотой, а стоимость процедуры во многом определяется качеством добавляемых материалов.
Еще одним преимуществом ЭИН является низкая плотность теплового воздействия на деталь, что позволяет сохранять свойства и химический состав основного материала. Тонкие слои, формируемые методом ЭИН, подразделяются на два подслоя: внутренний диффузионный, обладающий свойствами как основного, так и добавленного материала, и внешний, с выраженно модифицированной структурой. ЭИН также повышает эрозионную и износостойкость небольших участков поверхности.
ЭИН идеально подходит для ремонта неглубоких и малых дефектов, однако неэффективен для крупных повреждений из-за невысокой скорости процесса и максимальной толщины покрытия до 2 мм.
Иногда геометрия подложки ограничивает возможность нанесения покрытия. Контакт между электродом и поверхностью подложки необходим для ЭИН, однако некоторые формы поверхности этого не позволяют, поэтому покрытие наносится только на доступные участки.
Характеристики напыляемого слоя определяются параметрами процесса, такими как давление на кончик электрода, количество проходов по каждому участку, температура, частота, длительность и энергия искры и т.д. Волнистость поверхности с периодом, меньшим диаметра электрода, может привести к напылению только на выступающих участках. Некоторые параметры могут вызвать недостаточное начальное покрытие, оставляя отдельные участки незакрытыми. По мере того как дуга перемещается к ближайшей поверхности, только вершины будут наращиваться с последующими проходами. Решением этой проблемы является подбор оптимального режима работы и соответствующих параметров.
В последнее время проводится множество исследований по комбинированному применению ЭИН с другими методами для создания специальных сплавов. Например, в 2021 году исследователи из Университета Политехника Бухареста (Румыния) опубликовали работу, посвященную уникальному покрытию с высокой коррозионной стойкостью, нанесенному методом ЭИН.
В ходе исследования сплав с высокой энтропией был изготовлен из порошков Zr, Ti, Ta, Nb и Hf методом механического легирования и искрового плазменного спекания. Тонкий слой был нанесен на образец из нержавеющей стали с помощью ЭИН. Это покрытие отличалось большей твердостью по сравнению с подложкой, а при тестировании на коррозионную стойкость продемонстрировало крайне низкую скорость коррозии — всего 0,00024 мм/год.
