Delist.ru

Технологические и методологические основы формирования функциональных покрытий

Автор: Мулин Юрий Иванович

Экспериментальная проверка расчета напряженного состояния на границе раздела «основа–покрытие» проводилась на пластине с двухсторонним покрытием, сформированным электродом из твердого сплава Т5К10, адгезионная прочность которого значительно превышает когезионную. В результате фрактографического исследования контактной поверхности хрупкого покрытия на стали в условиях критических деформаций установлено, что на поверхности металла после разрушения покрытия оставались участки («островки»), прочно соединенные с основой. Статистическая обработка размеров «островков» показала, что среднее отношение их ширины а к размеру Dо составляет 0,61 при дисперсии 0,33. Шаг между трещинами совпадает с характерным размером Nп, определяющим расстояние от кромки покрытия до того участка, на котором величина напряжения в покрытии асимптотически приближается к когезионной прочности покрытия ?в / ?п ? 1. На рис. 9 представлена схема разрушения покрытия.

Рис. 9. Поверхностное разрушение сплошного покрытия в условиях критических деформаций

В соответствии с результатами экспериментов выполнено проектирование и изготовление поверхностей трения образцов с образованием несплошного покрытия (несколько вариантов). При испытании на износ определены оптимальные значения размеров несплошных покрытий: суммарная площадь заполненных металлом участков составляет 60(70 % от номинальной площади, угол расположения оси локальных упрочненных участков к направлению скольжения должен составлять ( 15о.

По результатам анализа видов формируемых на поверхностях покрытий разработана классификация поверхностей и покрытий с изменяющимися параметрами (рис. 10). Предложенная классификация поверхностей и покрытий учитывает возможности использования методов упрочняющей обработки, варьирования основными свойствами поверхностного слоя с разделением их на виды, классы, группы и подгруппы.

Рис. 10. Классификация поверхностей и покрытий с изменяющимися параметрами

В седьмой главе приведены результаты исследования по формированию покрытий при использовании механизированного процесса ЭИЛ со скользящим контактом электродов и установлена взаимосвязь электрических и механических параметров.

Отсутствие синхронизации искровых разрядов относительно пространственно-временного положения электродов при вибрирующем электрододержателе является причиной значительных непроизводительных затрат энергии (короткое замыкание, шунтирование), неравномерности толщины покрытия и сплошности. Увеличение количества искровых взаимодействий при увеличении fи генератора ограничивается системой

вибратора, особенно при fи > 500 Гц. Для повышения производительности возможны два варианта: 1 – физический скользящий контакт электродов с формированием канала искрового разряда взрывом контактирующих микронеровностей; 2 – постоянные расположение анода на определенном от катода расстоянии и формирование канала искрового разряда пробоем газового промежутка.

По второму варианту в Институте прикладной физики Республики Молдова и в Болгарии выполнены исследования, изготовлены установки. Схема скользящего контакта электродов была использована в конструкции генератора установки мод. ИМ-101. При этом выполнена проверка достаточности запасаемой энергии в рабочем конденсаторе, которая обеспечивает формирование канала сквозной проводимости через механизм взрыва микронеровностей. Учитывались следующие составляющие:

Ек ( Еоб(t) = Eв + Ер + Ерк(t), (10)

где Ек – энергия, запасаемая в конденсаторе; Ев (энергия, затрачиваемая на нагрев контактирующих микронеровностей с последующим взрывом; Ер – энергия, затрачиваемая на нагрев локального объема электродов в месте физического контакта с обеспечением формирования мостика оплавления; Ерк(t) – ленц-джоулево тепловыделение в разрядном контуре. Определена возможность расчета каждой составляющей с использованием ПЭВМ и установлена емкость конденсаторов генератора, обеспечивающих выполнение процесса ЭИЛ при скользящем контакте электродов и мостиковым переносом материала анода. Расхождения в значениях, полученных расчетом и в эксперименте, не превышают 12 % для данной конструкции установки.

В уравнении нагрева жидкого цилиндрического мостика

, i = 1, 2, (11)

индекс 1 – относится к жидкой фазе анода: 2 – относится к жидкой фазе катода.

Здесь h i = (I I2 / (iCi F2, (12)

где ? – удельное электросопротивление; I – величина тока; C – удельная теплоемкость; ( – удельная плотность материала; а – коэффициент температуропроводности; F = (rм2 – среднее сечение мостика.

Определены условия однозначности решения уравнения (11), разработана математическая модель, установлены начальные и граничные условия мостикового массопереноса с определением температуры мостика, места его разрыва, направления переноса металла. Для выполнения указанных расчетов при использовании ПЭВМ разработана программа "МОСТЭР ВАS". Полученные результаты расчетов соответствуют значениям массопереноса материалов электродов, получаемых экспериментально.

Для обеспечения равномерности расположения электроискровых лунок, сплошности покрытия и меньшей шероховатости выполнены исследования по установлению взаимосвязи электрических и механических параметров механизированного процесса ЭИЛ в виде следующей зависимости частоты следования искровых разрядов:

fи = nд ( d / 60 S, (13)

где nд –частота вращения детали-шпинделя станка, мин–1; d – диаметр детали, мм; S(подача на оборот шпинделя, мм.

Определение величины приведенной энергии Wп, суммарного привеса катода, рекомендуемой границы окончания процесса Wпг и других параметров выполнено с использованием ранее полученных зависимостей (2, 3) с определением численных значений коэффициентов регрессии. При механизированном ЭИЛ коэффициент массопереноса материала повышается по сравнению с ручным легированием. Испытаниями на износ определена большая эффективность применения покрытий, образованных материалами 07Х19Н11М3Г2Ф и ВК8.

В восьмой главе приведены результаты практического приложения основных положений по формированию функциональных покрытий ЭИЛ для разработки технологических процессов и их внедрения в производство.

Установлены особенности новых элементов взаимосвязи "условия и параметры эксплуатации", "технология" и их влияние на постановку задачи, последовательность проведения исследований, используемые методы и достижение результатов. Для конкретных условий образования функциональных покрытий ЭИЛ с изменяющимися параметрами на поверхности, по глубине поверхностного слоя и совместно на поверхности и по глубине поверхностного слоя выполнены исследования с использованием значительного количества наименований изделий различного назначения, работающих в разнообразных эксплуатационных условиях с применением известных и вновь создаваемых электродных материалов. При этом указанное методологическое положение используется не только для улучшения качества, надежности изготавливаемых изделий, но и для восстановления размеров изношенных поверхностей с высокой долговечностью их последующей работы.

Эффективность применения результатов исследований значительна при обработке инструментов различного назначения, в том числе режуших, изделий кузнечно-штампового назначения, деталей современных двигателей, газовых и паровых турбин и многих других. Экономический эффект внедрения результатов исследований приведен в разделе реализация результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены основные положения об эффективности использования минеральных концентратов, содержащих дорогостоящие и остродефицитные легирующие элементы (W, Zr, В и др.), для создания электродных материалов, упрочняющих и защитных покрытий методом ЭИЛ:

– установлено, что для формирования покрытий на стальной основе при использовании в качестве анодных материалов шеелитового, датолитового и бадделеитового минеральных концентратов наибольшие толщину покрытий, их микротвёрдость и шероховатость обеспечивает шеелитовый концентрат; в составе покрытий вольфрам находится в растворенном состоянии в железе (? – Fe), в виде соединений с железом, углеродом и кислородом (FeW, Fe2W, WC и WO3);

– установлена взаимосвязь между составляющими системы “условия эксплуатации ( состав – структура – технология – свойства”.

2. Разработана технология синтеза электродных материалов из шеелитового концентрата и ильменита ДВ региона методом алюминотермии с одновременным легированием Ni, Cr, Mo, Co, Zr, Ti, Fe и последующим их применением при ЭИЛ для создания покрытий функционального назначения;

получены следующие электродные материалы: W-Fe, W-Ni, W-Co, W-Zr,

W-Cr, W-Mo-Co, W-Ni-Mo, W-Ni-Zr, W-Cr-Mo, W-Cr-Co, W-Ni-Cr, W-Ni-Co, W-Fe-Ti:

при ЭИЛ с величиной 0,56 для сплава ВК8 до значений 0,69– 0,76 для материалов W-Zr, W-Fe-Ti, W-Ni-Cr, W-Cr-Mo, W-Mo-Co, W-Fe, W-Ni-Zr, W-Cr, W-Ni-Mo, W-Ni-Co и до 0,79 – 0,81 для материалов W-Cr-Co, W-Co, W-Ni толщина образуемых покрытий возрастает с 50 до 140 мкм;

( в процессе эксплуатации повышается износостойкость покрытий в среднем в 2,4 раза и жаростойкость покрытий до 3 раз при уменьшении себестоимости формирования 1 см2 покрытия из новых электродных материалов до 5 раз по сравнению с электродами из сплава ВК8.

, которая обеспечивает выбор материалов анода с наибольшими значениями доли жидкой фазы в продуктах эрозии и определяет необходимые энергетические параметры процесса.

4. Разработана имитационная модель процесса образования ИПС, которая позволяет выявить влияние совместного действия его энергетических параметров на величину суммарного привеса ??к:

– модель позволяет рассчитать граничные значения энергии Wпг для окончания процесса, порога хрупкого разрушения Wпх, значения наибольшей эффективности использования энергии Wпэ, расчетное время легирования tр, необходимое для образования толщины покрытия h при заданных fи и ?и и принятом материале электрода и другие параметры;

– анализ полученных закономерностей позволяет рекомендовать в качестве критерия выбора материала легирующего электрода параметр А;

– из технологических факторов основное влияние на величину суммарного массопереноса материала анода на катод оказывают параметры: приведенная энергия(до 63 %; частота импульсов разрядов(до 16,3 %; влияние взаимодействия Wп·fи(до 12.4 %;

– для оценки эффективности затрачиваемой энергии и себестоимости процесса ЭИЛ предложены соответственно взаимосвязанные отношения ??кпг/Wпг и Wпг /??кпг.

5. Разработаны и апробированы "Методика назначения технологических режимов при ЭИЛ", включающая программу "Расчет технологических параметров процесса электроискрового легирования для образования функциональных поверхностей с использованием ПЭВМ" и программа “МОСТЭР ВАS ( для определения координат разрыва мостика при контактном массопереносе материала электрода” (получены свидетельства об официальной регистрации в Реестре программ для ЭВМ № 2007610392, 2007612585) , с помощью которых определяются оптимальные энергетические параметры процесса для обеспечения эксплуатационных характеристик.

загрузка...