Электроискровые толстослойные покрытия повышенной сплошности

В. И. Иванов  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОИСКРОВЫЕ ТОЛСТОСЛОЙНЫЕ 
ПОКРЫТИЯ ПОВЫШЕННОЙ СПЛОШНОСТИ: 
ФОРМИРОВАНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ 
 
Монография 
 
 
Под редакцией академика РАН В. И. Черноиванова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 
 

УДК 621.9.048 
ББК 34.6 
И20 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана В. П. Лялякин; 
доктор технических наук, профессор Московского политехнического  
университета Б. П. Саушкин 
 
 
 
 
 
Иванов, В. И.  
И20  
Электроискровые толстослойные покрытия повышенной сплошности: 
формирование, свойства, применение : монография / В. И. Иванов ; под ред. 
В. И. Черноиванова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 228 с. : 
ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-0491-4 
 
Монография посвящена актуальной проблеме увеличения толщины электроискровых (ЭИ) покрытий. Выполнен анализ опубликованных работ об электроискровом легированиии как технологическом способе металлообработки, 
рассмотрены согласно существующим представлениям причины ограничения 
толщины ЭИ покрытий и методы ее увеличения. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по формированию ЭИ покрытий 
и их свойств для упрочнения и восстановления деталей, включая электроискровые толстослойные покрытия повышенной сплошности (ЭИТСП). Исследованы 
свойства таких покрытий и показаны примеры их эффективного практического 
применения. Даны рекомендации по технологии выполнения работ. Предложены пути развития метода формирования ЭИТСП. 
Для специалистов в области электрофизических методов обработки, материаловедения, машиностроительных и ремонтных предприятий, студентов и 
аспирантов соответствующих специальностей. 
 
УДК 621.9.048 
ББК 34.6 
 
 
ISBN 978-5-9729-0491-4 
” Иванов В. И., 2020 
 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
........................................................................................................ 6 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 8 
 
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 
.................................................................... 11 
1.1. Детали машин, инструменты и технологическая оснастка -  
 объекты упрочнения и восстановления: условия эксплуатации  
 и износ ......................................................................................................... 11 
1.2. Методы упрочнения и восстановления: эффективность  
 и недостатки 
................................................................................................ 20 
1.3. Электроискровое легирование как технологический способ  
 металлообработки ...................................................................................... 25 
1.3.1. Краткие сведения об ЭИЛ .................................................................. 25 
1.3.2. Технологические параметры и характеристики покрытий,  
выбор параметров обработки 
............................................................. 28 
1.3.3. Оборудование для ЭИЛ ...................................................................... 33 
1.3.4. Эффективность применения ЭИЛ ..................................................... 38 
1.4. Увеличение толщины электроискровых покрытий: проблемы  
 и пути решения ........................................................................................... 38 
1.4.1. Толщина и шероховатость покрытий ............................................... 39 
1.4.2. Причины ограничения толщины покрытий ..................................... 43 
1.4.3. Способы увеличения толщины покрытий ........................................ 47 
1.5. Цель и задачи исследований   ................................................................... 51 
 
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ  
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ЭИ ПОКРЫТИЙ  
И ИХ СВОЙСТВ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ  
ДЕТАЛЕЙ 
................................................................................................................. 52 
2.1. Исследования разрушающего действия на катод искрового  
 разряда при ЭИЛ ........................................................................................ 52 
2.2. Исследования температурного поля обрабатываемой поверхности  
 при ЭИЛ ...................................................................................................... 59 
2.3. Исследования шероховатости обработанной поверхности при ЭИЛ 
... 72 
2.4. Исследования формирования измененного поверхностного слоя  
 и его свойств при ЭИЛ .............................................................................. 84 
2.4.1. Начальный этап обработки (стадия I) ............................................... 85 
2.4.2. Этап стабилизации процесса массопереноса на катод  
(стадия II) ............................................................................................. 88 
2.4.3. Этап хрупкого разрушения поверхностного слоя (стадия III) ..... 118 
3 
 

2.5. Гипотеза значительного увеличения толщины электроискровых  
 покрытий ................................................................................................... 119 
2.6. Выводы по главе 2 
.................................................................................... 121 
 
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ..... 122 
3.1. Выбор материалов образцов и электродов ............................................ 122 
3.2. Выбор электрических режимов ЭИЛ ..................................................... 123 
3.3. Определение результатов обработки ЭИЛ ............................................ 123 
3.3.1. Толщина нанесенного слоя .............................................................. 123 
3.3.2. Масса образца 
.................................................................................... 124 
3.3.3. Микроструктурные исследования 
................................................... 124 
3.3.4. Прочность сцепления 
........................................................................ 125 
3.3.5. Контактная жесткость покрытий 
..................................................... 126 
 
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ  
ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫХ ТОЛСТОСЛОЙНЫХ (ЭИТСП)  
И МНОГОСЛОЙНЫХ (ЭИМСП) ПОКРЫТИЙ ПОВЫШЕННОЙ  
СПЛОШНОСТИ И ИХ СВОЙСТВ ..................................................................... 128 
4.1. Исследования процесса ЭИЛ по традиционной технологии 
............... 128 
4.1.1. Твердый сплав Т15К6 на стали 45 
................................................... 129 
4.1.2. Сталь ШХ15 на стали 45 .................................................................. 129 
4.1.3. Нихром Х20Н80 на стали 45 ............................................................ 131 
4.1.4. Бронза БрКМц3-1 на стали 45.......................................................... 131 
4.2. Исследования формирования на стали 45 ЭИТСП твердым  
 сплавом Т15К6 
.......................................................................................... 133 
4.3. Исследования формирования на стали 45 ЭИТСП сталью ШХ15 ..... 138 
4.4. Исследования формирования на стали 45 ЭИТСП  
 нихромом Х20Н80 
.................................................................................... 142 
4.5. Исследования формирования на стали 45 ЭИТСП  
 бронзой БрКМц3-1 ................................................................................... 145 
4.6. Исследования формирования ЭИТСП на других  
 токопроводящих материалах .................................................................. 150 
4.7. Исследования формирования электроискровых многослойных  
 покрытий ................................................................................................... 152 
4.8. Разработка способа формирования ЭИТСП 
.......................................... 153 
4.9. Свойства ЭИТСП ..................................................................................... 156 
4.10. Выводы по главе 4 
.................................................................................. 165 
 
 
 
4 
 

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭИТСП.  
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ 
...................................................................................... 167 
5.1. Классификация объектов обработки методом ЭИЛ и ее  
 технологические особенности ................................................................ 167 
5.2. Восстановление поверхностей неподвижных соединений 
.................. 173 
5.3. Восстановление поверхностей пар трения ............................................ 175 
5.4. Восстановление поверхностей технологической оснастки ................. 184 
5.5. Технологические рекомендации по нанесению ЭИТСП ..................... 184 
5.6. Организация работ по восстановлению деталей  
 с применением ЭИТСП и их эффективность ........................................ 187 
5.7. Выводы по главе 5 
.................................................................................... 190 
 
ГЛАВА 6. ПУТИ РАЗВИТИЯ МЕТОДА ФОРМИРОВАНИЯ ЭИТСП .......... 191 
6.1. Электродные материалы 
.......................................................................... 191 
6.2. Методы и технологии .............................................................................. 191 
6.3. Оборудование ........................................................................................... 192 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 194 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................. 195 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ ..................................................................................................... 205 
Приложение 2А. Фото образцов (кинетика) 
................................................. 205 
Приложение 2Б. Сводная таблица результатов исследования кинетики  
процесса ЭИЛ .................................................................................................. 207 
Приложение 2В. Микроструктура поверхностных слоев с ЭИ  
покрытиями 
...................................................................................................... 211 
Приложение 4А. Таблица 4.5. Результаты исследования формирования  
на стали 45 ЭИТСП твердым сплавом Т15К6 
.............................................. 214 
Приложение 4Б. Таблица 4.6. Результаты исследования формирования  
на стали 45 ЭИТСП сталью ШХ15 
................................................................ 216 
Приложение 4В. Таблица 4.7. Результаты исследования формирования  
на стали 45 ЭИТСП нихромом Х20Н80 
........................................................ 218 
Приложение 4Г. Таблица 4.8. Результаты исследования формирования  
на стали 45 ЭИТСП бронзой БрКМц3-1 ....................................................... 220 
Приложение 4Д. Таблица 4.10. Характеристика образцов с ЭИТСП  
(установка «БИГ-5») ....................................................................................... 223 
Приложение 5А. Диплом Салона изобретений и инновационных  
технологий ....................................................................................................... 225 
 
 
5 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
При изготовлении деталей из металлических материалов и их восстановлении используются многие технологические методы для улучшения их эксплуатационных свойств путем обработки на основе механического, физического, химического воздействия или их сочетания. За счет этого поверхностный 
слой материала деталей изменяется по структуре, составу и свойствам, часто 
изменяется также рельеф обработанной поверхности. Это способствует увеличению ресурса или обеспечению работоспособности деталей в определенных 
условиях эксплуатации. 
Около 80-ти лет на производстве применяют электроискровой метод обработки металлических поверхностей - электроискровое легирование (ЭИЛ), 
для нанесения износо-, жаро-, коррозионностойких покрытий на детали и инструменты и для восстановления размеров изношенных поверхностей, а также 
для устранения брака после механической обработки различных деталей (прослабление размеров). Помимо широкого управления свойствами поверхностного слоя деталей за счет возможности нанесения большинства токопроводящих 
материалов с присущими им свойствами, нанесение покрытий этим методом 
сопровождается обычно увеличением размеров обрабатываемого изделия. 
Толщина электроискровых покрытий является одной из качественных характеристик метода ЭИЛ. Производственники, применяющие его, как недостаток отмечают наличие предела толщины нанесенного слоя, а также низкую 
опорную поверхность, недостаточную для работы в условиях трения скольжения и в неподвижных соединениях. 
Автор, работая в области ЭИЛ около 50 лет, включая многолетнюю деятельность на Опытном заводе Института прикладной физики Академии наук 
Молдавской ССР (г. Кишинев) и занимаясь экспериментальными исследованиями при создании и испытаниях новых установок ЭИЛ, отработкой прикладных 
технологий упрочнения и восстановления различных деталей и инструментов и 
внедрением установок и технологий ЭИЛ на предприятиях страны и за рубежом, развивая эту деятельность в ВНИИТУВИД «Ремдеталь», в последующем  
в ГОСНИТИ, и в настоящее время в Федеральном агроинженерном центре 
ВИМ, неоднократно выслушивал замечания производственников по этому поводу и пожелания решить проблему увеличения толщины слоя покрытия. Эта 
проблема была хорошо известна специалистам и ставилась для решения создателем электроискрового метода обработки токопроводящих материалов академиком Борисом Романовичем Лазаренко, с которым автору посчастливилось 
неоднократно общаться по роду работы. 
В этой монографии приводятся краткие сведения о методе ЭИЛ, результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования ЭИ покрытий и их свойств, результаты анализа причин ограниченной толщины этих покрытий и путей, которыми исследователи пытались преодолеть 
размерный барьер, приведены методики и результаты экспериментальных  
исследований, направленных на решение проблемы увеличения толщины ЭИ 
6 
 

покрытий с получением толстослойных и многослойных покрытий, обладающих повышенной сплошностью, без привлечения иных методов обработки, 
приведены примеры эффективного использования таких покрытий, рассмотрены пути развития этого направления. 
Еще раз хочется вернуться в прошлое, в 1947 год, к актуальным и в наше 
время словам человека, открывшего Искру для человечества, Б. Р. Лазаренко: 
«Многовековое царствование механического способа обработки металлов, перевернувшего мир в прошлых столетиях, – кончается. Его место занимает, 
несомненно, более высокоорганизованный процесс, когда обработка металла 
производится электрическими силами… Ему будет принадлежать будущее, и 
притом – ближайшее будущее!». 
Автор с глубокой благодарностью отмечает своих Учителей в профессиональной деятельности докторов технических наук и профессоров Анатолия 
Демьяновича Верхотурова, Виктора Алексеевича Тимощенко и Фархада Хикматовича Бурумкулова, которые определенным образом создали основу для 
этой монографии, а также сотрудникам, участвовавшим в выполненных исследованиях. 
 
 
7 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Научно-технический прогресс непосредственно связан с развитием промышленных технологий, обеспечивающих получение материального продукта с 
высокими потребительскими и эксплуатационными свойствами с учетом рационального использования энергетических, материальных и трудовых ресурсов 
при сохранении окружающей среды. В машиностроительном и ремонтном производстве он реализуется в виде новых методов обработки материалов, более 
прогрессивных технологий, новых материалов с улучшенными свойствами. Это 
особо актуально в современных условиях при ужесточении режимов эксплуатации техники и ее отдельных агрегатов и является одним из приоритетных 
направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации [1].  
С развитием научно-технического прогресса вводятся в хозяйственный 
оборот все новые машины [2], но при этом также увеличивается количество 
техники, утратившей работоспособность по причине размерного износа деталей 
агрегатов (валы, оси, корпусные детали и прочие) и подлежащей ремонту или 
утилизации. Анализ технического состояния этих деталей показывает различие 
их по характеру и величине износа исполнительных поверхностей. Большинство из них сохраняют прочностные свойства для возможной дальнейшей эксплуатации, что обеспечивается восстановлением размеров изношенных поверхностей.  
Из всего массива изношенных деталей основная их часть, около 85 , 
приходится на детали с износом до 150െ200 мкм. Существует также группа 
среднеизношенных деталей (износ от 0,2 до 1 мм) [3].  
Для деталей с таким износом отсутствуют или недостаточно эффективны 
существующие технологии восстановления размеров. В ремонтном производстве наиболее широко применяются электродуговые процессы, эффективные 
для восстановления деталей с большим износом (более 1 мм), но при этом детали подвергаются сильному тепловому воздействию, которое может вызвать их 
деформацию. Использование сварочных и наплавочных процессов, основанных 
на применении электрической дуги, не рационально при износе деталей менее 
1 мм, так как, помимо перегрева детали, основной слой наплавленного металла 
уходит в стружку, что экономически невыгодно. Также не всегда эффективны 
для восстановления таких деталей существующие плазменные технологии 
напыления по причине низкой прочности сцепления покрытия с основным металлом и недостаточной гибкости и универсальности этого метода.  
Указанное свидетельствует о наличии проблемы в области технологии 
восстановления мало- и среднеизношенных деталей, являющейся причиной 
значительных финансовых и временных потерь, об острой необходимости разработки новых способов и их развития. Но и машиностроительное производство нуждается в технологическом совершенствовании с учетом появления новых технических задач. 
В направлении разработки новых методов и технологий обработки деталей ведутся исследования многих научных коллективов. При этом растет доля 
8 
 

разработок, направленных на вторичное использование ответственных и дорогостоящих деталей после восстановления изношенных поверхностей и придания им улучшенных эксплуатационных свойств [3]. 
Значительная часть современных технологий основаны на использовании 
электрофизических и электрохимических методов обработки. В результате их 
применения исполнительным поверхностях и поверхностным слоям, определяющим ресурс деталей, придаются отличные от основного металла свойства, соответствующие условиям эксплуатации и обеспечивающие требуемый ресурс. 
Одним из таких методов является электроискровая обработка токопроводящих материалов в газовой среде, традиционно называемая «электроискровое 
легирование» (ЭИЛ). Этот метод нашел широкое применение во всех отраслях 
производства при нанесении упрочняющих покрытий, покрытий со специальными эксплуатационными свойствами, при восстановлении изношенных поверхностей различных деталей, для декоративных целей. 
Этот метод заключается в многократном воздействии искровыми разрядами регулируемыми энергией (0,01െ10 Дж и более), длительностью (5െ2000 мкс) 
и частотой (5െ2000 Гц) на поверхность токопроводящего материала в газовой 
среде или в вакууме. При каждом искровом разряде осуществляется полярный 
перенос материала электрода (анод) на деталь (катод) в твердом, жидком или 
газообразном состоянии в зависимости от теплофизических свойств электродного материала и энергетических параметров процесса ЭИЛ. В результате такого воздействия на поверхности детали происходят микрометаллургические 
процессы с диффузией элементов материала электрода и межэлектродной среды в поверхностный слой материала детали. Образуется измененный поверхностный слой (ИПС) - покрытие с новыми, отличными от исходного материала, 
свойствами, и формируется новый рельеф поверхности; при этом обрабатываемое изделие увеличивается в размере за счет нанесенного покрытия.  
Широкие возможности применения различных токопроводящих материалов в качестве электрода, что определяет свойства покрытия, большой энергетический диапазон электрических режимов, позволяющий управлять толщиной 
наносимых покрытий, а также возможность обработки этим методом наружных 
и внутренних поверхностей деталей и инструментов различного назначения 
независимо от их конструкции, массы и размеров являются основой высокой 
универсальности ЭИЛ. Это качество выгодно отличает его от других методов 
обработки материалов, обеспечивает привлекательность его как для машиностроительного, так и для ремонтного производства, независимо от их масштаба. 
При высокой универсальности ЭИЛ, его экономичности, эффективности 
и ряде других положительных характеристиках, основным ограничивающим 
фактором его применения является барьер по толщине наносимых покрытий. 
Еще в начальный период применения электрической искры для нанесения металлических покрытий на токопроводящие материалы создателями метода 
электроискровой обработки Б. Р. и Н. И. Лазаренко отмечалось наличие порога, 
за которым прекращается рост толщины покрытия и начинается съем нанесенного материала [4]. Этот эффект Б. Р. Лазаренко относил к числу важнейших 
9 
 

проблем, сдерживающих развитие ряда электротехнологий [5]. На сегодня известные технологические приемы ЭИЛ позволяют увеличить толщину электроискровых (ЭИ) покрытий не более чем в 3െ4 раза, но при этом такие покрытия 
обладают низкой опорной поверхностью. 
Дальнейшее развитие работ в этом направлении способствует расширению эффективного применению метода ЭИЛ с учетом его достоинств. Это особенно актуально в условиях режима экономии материальных, энергетических  
и трудовых ресурсов. 
Задачей этой монографии является освещение результатов выполненных 
автором исследований формирования толстослойных и многослойных покрытий повышенной сплошности преимущественно методом ЭИЛ в ручном и механизированном режимах, без привлечения других методов обработки, а также 
накопившегося опыта практического применения таких покрытий толщиной до 
8െ10 мм и более, многократно превышающих толщину традиционных ЭИ покрытий. 
Читатели, пожелавшие получить более детальную информацию, могут обратиться к оригинальным работам, список которых приводится в конце книги. 
Автор будет благодарен за отзывы и пожелания по адресу: 109428, 
г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 1, лаборатория «Электроискровые и термодиффузионные процессы» или по электронной почте tehnoinvest-vip@mail.ru, 
тел. (499) 174-83-42, которые будут учтены в последующих работах. 
 
 
 
10