Delist.ru

Технологические и методологические основы формирования функциональных покрытий

Автор: Мулин Юрий Иванович

3. Исследование закономерностей изменения масс электродов и свойств образуемых покрытий от состава, структуры материалов, технологических параметров процесса ЭИЛ; установление механизма разрушения образованного на катоде ИПС при выполнении процесса.

4. Разработка основных положений теории формирования поверхностей с многослойными, толстослойными и несплошными покрытиями методом ЭИЛ и критериев выбора электродных материалов для обеспечения требуемых функциональных свойств.

5. Разработка и научное обоснование основных положений по созданию модели формирования поверхностного слоя при механизированном ЭИЛ и скользящем контакте электродов с установлением взаимосвязи энергетических и механических параметров процесса, а также создание конструкций установок с расширенными технологическими возможностями работы.

Объектом исследования являются образцы с покрытиями, полученными методом ЭИЛ при применении различных видов электродных материалов, структур формирования и технологических режимов современных установок.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработана, научно обоснована и апробирована новая технология синтеза комплексно-легированных упрочняющих покрытий методом ЭИЛ на стальных поверхностях из минеральных концентратов (шеелитового, датолитового, бадделеитового) Дальневосточного региона, содержащих дорогостоящие, остродефицитные легирующие элементы (W, Zr, B и др.), в виде оксидных фаз, с установлением взаимосвязи между составляющими системы “состав – структура – технология – свойства”.

2. Впервые разработана, обоснована и апробирована новая технология синтеза электродных материалов из шеелитового концентрата и ильменита методом алюминотермии с одновременным легированием Ni, Cr, Mo, Co, Zr, Ti, Fe, что существенно улучшает технологические и функциональные свойства формируемых ЭИЛ покрытий (триботехнические характеристики, жаростойкость) при уменьшении себестоимости формирования 1 см2 покрытия до 5 раз по сравнению с покрытиями из сплава ВК8 и W; получено 13 наименований новых электродных материалов (патенты № 2043862, 20982232, 2243063).

3. Научно обоснована общая закономерность эрозии электродных материалов при ЭИЛ в виде модели изменения доли жидкой фазы в продуктах эрозии от величины приведенной энергии; установлена корреляционная связь между параметром, определяющим содержание жидкой фазы, и средним коэффициентом массопереноса, обеспечивающая выбор эффективного синтезируемого электродного материала.

4. Разработана имитационная модель процесса образования ИПС, учитывающая влияние совместного действия его энергетических параметров (приведенной энергии Wп, частоты fи, длительности следования искровых разрядов ?и) на величину суммарного привеса катода ??к и позволяющая рассчитать толщину покрытия, оптимальную границу окончания процесса, энергетические затраты и другие показатели для применяемых электродных материалов.

5. Выявлено влияние энергетических параметров процесса ЭИЛ на микроструктуру, параметры кристаллической решетки, микротвердость, шероховатость и эксплуатационные характеристики покрытий, получаемых при применении различных анодных материалов: использование приведенной энергии Wп до значений 8,5–9,0 кДж/см2 способствует увеличению дисперсности блоков мозаичной структуры D, микронапряжений кристаллической решетки ?d/d, микротвердости Hµ и внутренних остаточных напряжений ?ост; при дальнейшей обработке ЭИЛ вследствие накопления дефектов и достижения границы хрупкого разрушения tх происходит усталостное разрушение покрытия и уменьшение микротвердости, по значениям которой можно определять предельные энергетические параметры процесса Wпх.

6. Использование пятизвенной схемы взаимосвязи “условия эксплуатации – состав – структура – технология – свойства” позволило определить особенности формирования многослойных, толстослойных и несплошных покрытий, повышающие их функциональные свойства.

7. Разработана модель формирования ИПС при ЭИЛ с контактным скользящим взаимодействием электродов и использованием механизированной установки модели ИМ-101, в которой происходит последовательное протекание процессов образования канала сквозной проводимости искровых разрядов через механизм “взрыва” контактирующих шероховатостей, расплавления микрообъемов, их взаимодействие с образованием “мостика”, его разрывом, переносом металлов на катод, их перемешивание и взаимная диффузия в ИПС.

Практическая значимость работы:

1. Получена серия опытных материалов для электродов ЭИЛ из шеелитового концентрата Дальневосточного региона с преимущественным содержанием вольфрама ( 49,0–77,5 (мас. %) и наибольшим содержанием легирующих элементов (мас. %): кобальта – до 32,0; никеля – до 28,0; хрома – до 24,2; молибдена – до 20,0; титана – до 17,5; циркония – до 6,0. В большинстве случаев легирующие добавки способствуют образованию с материалом подложки на основе железа неограниченных твердых растворов, химических соединений и обеспечивают формирование качественных ИПС. Технология производства материалов определяет возможность их изготовления на предприятиях, расположенных в местах добычи шеелитового концентрата.

2. Разработаны и апробированы “Методика назначения технологических

режимов при ЭИЛ”, зарегистрированная в ВНТИЦ, инвентарный номер 5020020017, включающая программы для ПЭВМ, с помощью которой, для принятых электродных материалов и известных энергетических характеристик используемых установок определяются оптимальные режимы процесса для обеспечения эксплуатационных свойств поверхностей (получены свидетельства об официальной регистрации в Реестре программ для ЭВМ № 2007610392, 2007612585).

3. Разработаны основные принципы формирования многослойных, толстослойных и несплошных покрытий, управления физико-механическими и эксплуатационными свойствами ИПС; определены области рационального их использования в промышленности (патенты № 2064380, 2068755, 2162488).

4. Разработаны, испытаны и реализованы новые транзисторно-тиристорные конструкции генераторов установок для ЭИЛ с ручным управлением: модели ИМ-01 – 3 шт., модели ИМ-03 – 1 шт., модели ИМ-05 – 10 шт., механизированные установки модели ИМ-101 – 2 шт., позволяющие перейти к реализации выпускаемых установок ЭИЛ для предприятий Дальневосточного региона (патенты № 2060118, 2245767).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методологические и технологические основы создания электродных материалов из шеелитового концентрата и ильменита методом алюминотермии, базирующиеся на научном обосновании экспериментальных данных о взаимосвязи параметров системы “технология – сырье ( материал”.

2. Экспериментальные результаты и модельные статистические представления об аспектах формирования покрытий с изменённым поверхностным слоем на катоде при выполнении процесса ЭИЛ в зависимости от энергетических параметров низковольтных искровых разрядов на основе использования в исследованиях четырехзвенной взаимосвязи “состав - структура - технология - свойства”.

3. Научные основы образования многослойных, толстослойных и несплошных покрытий со специальной микрогеометрией при выполнении процесса ЭИЛ, разработка научных положений по подбору и чередованию электродных материалов, обеспечивающих высококачественный ИПС.

4. Новые практические решения по применению разработанных материалов для образования электроискровых покрытий, конструкций устройств, технологических процессов с целью повышения долговечности эксплуатации изделий.

5. Классификация поверхностей и покрытий с изменяющимися параметрами в соответствии с технологическими аспектами их образования и эксплуатационными условиями работы изделий.

Личный вклад автора. Обобщенный в диссертации материал является итогом исследований, выполненных лично автором или под его руководством и при непосредственном участии. Вклад автора является

преобладающим в руководстве исследованиями. Автор искренне признателен коллективу Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН, всем коллегам за содействие в выполнении настоящей работы, лично профессору А. Д. Верхотурову за консультации, поддержку, плодотворный и критический анализ результатов исследований.

Реализация результатов работы

Работа выполнялась по заданиям промышленных предприятий:

1. На Хабаровском заводе строительных алюминиевых конструкций (ХЗСАК) в 1990 г. организован участок технологий восстановления изношенных поверхностей матриц для прессования панелей из алюминиевых сплавов и упрочнения рабочих поверхностей с представлением заводу необходимого оборудования и обучением персонала (договор № 10/11–89). Экономический эффект от внедрения участка составлял: в 1990 г. – 131,3 тыс. руб., за период с 1991 по 1997 гг. – 452 млн. руб. (в ценах 1997 г.), с 1998 по 1999 гг. – 43,6 тыс. руб.

2. В малом предприятии «Квант» (г. Оха, Сахалинская область) в 1992 г. организован участок по упрочнению режущих инструментов, штампованной оснастки для завода «Металлист» и восстановлению изношенных деталей транспортных средств (договор № 7/5–91). Экономический эффект от внедрения участка в 1995 г. составлял 287 млн. руб. (в ценах 1995 г.).

3. В дорожных электромеханических мастерских ст. Вяземская Хабаровского края в 2000 г. создан участок механизированного ЭИЛ с внедрением технологических процессов. Экономический эффект от внедрения участка составляет 30,0 тыс. руб. при односменной работе участка.

4. На Хабаровском станкостроительном заводе внедрены технологические процессы упрочнения режущих инструментов в 1995 г. Экономический эффект составил 1500 тыс. руб. (в ценах 1996 г.), в 2002 г. – 236 тыс. руб.

5. На Вяземском кирпичном заводе внедрены технологические процессы восстановления размеров и упрочнения поверхностей деталей транспортного участка и основного производства методом ЭИЛ в 2005-2006 гг. с экономическим эффектом 381,5 тыс. руб.

Акты внедрения НИР на указанных предприятиях прилагаются.

6. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий по курсам "Основы работоспособности технических систем", "Основы теории надежности и диагностики", "Реновация средств производства", "Инструментальное обеспечение участков реновации", "Методология проектирования технологических процессов".

Апробация работы. Основные экспериментальные и научные положения диссертации доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе на Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность технологического оборудования, качество поверхности " (Хабаровск, 1991 г.), на Международном научно-техническом симпозиуме "Достижения науки и технологический прогресс на Дальнем Востоке" (Харбин, 1992 г.), на Международном научно-техническом симпозиуме "Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на предприятиях Дальнего Востока" (Комсомольск-на-Амуре, 1994 г.), на VI Международной конференции "Современные материалы и прогресс" (Кюонги, 1995 г.), на Международном симпозиуме "Современные материалы и прогресс" (Пекин, 1995, 1997 гг.), на V Международном симпозиуме "Современные материалы и прогресс" (Байкальск, 1999 г.), на Международном научно-техническом симпозиуме (Первые, Вторые, Третьи Самсоновские чтения) "Принципы и процессы создания неорганических материалов" (Хабаровск, 1997, 2002, 2006 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 45 научные работы в рицензируемых изданиях и рекомендуемых ВАКом, в том числе 1 монография, 16 авторских свидетельств и патентов РФ, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 290 наименований, и приложений. Работа выполнена на 406 страницах машинописного текста, включает 82 рисунков и 64 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель, определены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

загрузка...