Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ материалов по комбинированным методам обработки и исследованию износостойких покрытий
1.1. Методы обработки, используемые для проектирования комбинированных видов получения износостойких покрытий 11
1.2. Механизм и процесс нанесения электроэрозионных износостойких покрытий 16
1.3 Лучевые методы нанесения покрытий 30
1.4 Построение технологических процессов комбинированного нанесения покрытий 33
1.5 Область преимущественного использования плазменных покрытий 38
Глава 2. Пути решения поставленных задач и разработки технологии получения эрозионно-лучевых плазменных покрытий
2.1. Научные гипотезы 44
2.2. Объекты исследований 46
2.3. Материалы для металлических покрытий и проведения исследований 49
2.4. Техническая база для проведения работы 54
2.5 Научная база для решения поставленных задач 64
2.6. Процедура и методика выполнения работы 76
Выводы по главе 2 82
Глава 3. Механизм и процессы комбинированного нанесения покрытий
3.1. Условия формирования покрытий 83
3.2 Механизм комбинированного получения покрытия 84
3.3. Моделирование процесса эрозионно-лучевого плазменного нанесения износостойких покрытий 89
3.4. Параметры комбинированного эрозионно-лучевого плазменного износостойкого покрытия 103
3.5. Создание новых способов и устройств для реализации технологии эрозионно-лучевого покрытия 107
Выводы по главе 3 118
Глава 4. Технология эрозионно-лучевого плазменного нанесения износостойких покрытий .
4.1. Проектирование эрозионно-лучевого технологического процесса нанесения износостойких покрытий 119
4.2. Выбор и расчет технологических режимов эрозионно-плазменного плазменного покрытия 125
4.3. Влияние режимов нанесения комбинированного покрытия на эксплуатационные характеристики изделий 134
4.4. Опыт нанесения износостойких покрытий 139
4.5. Перспективы расширенного использования комбинированных покрытий для наукоемких изделий машиностроения 146
Выводы по главе 4 148
Заключение. Общие выводы 149
Список использованной литературы 152
Приложение А 164
Приложение Б 167
- Механизм и процесс нанесения электроэрозионных износостойких покрытий
- Техническая база для проведения работы
- Моделирование процесса эрозионно-лучевого плазменного нанесения износостойких покрытий
- Опыт нанесения износостойких покрытий
Введение к работе
Актуальность темы. Многолетний опыт исследований
комбинированных методов обработки деталей показал, что это один
из эффективных путей достижения высоких технологических
показателей, открывающий возможность за счет объединения
воздействий, расширить область рационального использования в
машиностроении уже известных, освоенных в промышленности, и
новых технологических процессов. Так, в последние годы
достигнуты весомые успехи в повышении эксплуатационных свойств
изделий за счет изменения свойств поверхностного слоя путем
нанесения покрытий и придания им характеристик, существенно
превышающих отдельные показатели базового материала при
сохранении обязательных полезных свойств. Среди известных
покрытий особое место занимает электроэрозионное нанесение
различных материалов (включая твердые сплавы) на режущие
кромки режущего инструмента, переходные участки инструментов
для объемного формообразования, при восстановлении геометрии
деталей (например, для устранения брака при литье, штамповке).
Однако, в процессе совершенствования процесса наращивания
толстых (до 1,5 мм на диаметр) слоев выявилось нежелательное
увеличение местных неровностей поверхностного слоя и
растрескивание хрупкого покрытия при резком охлаждении. Попытки предварительного плазменного подогрева детали в месте обработки не дали стабильных положительных результатов по сохранению качества поверхности, а в ряде случаев оказались не достижимыми из-за геометрии и габаритов изделия.
Лучевые методы, в частности плазменный, используемые в машиностроении, показали возможность достижения высокой твердости и требуемых показателей легирования поверхностного слоя, но только в случае, если его толщина не превышает десятых долей миллиметра.
С увеличением толщины слоя в процессе плазменной
наплавки существенно возрастает высота микро- и
макронеровностей, при удалении которых до требуемого показателя
частично или полностью снимается упрочненный слой,
определяющий эффективность метода. Сочетание в едином процессе двух тепловых воздействий (электроэрозионного и плазменного) позволяет спроектировать технологию создания комбинированного
эрозионно-лучевого плазменного покрытия, востребованную в
машиностроении, в частности для локального восстановления и
получения качественных износоустойчивых покрытий сопрягаемых
поверхностей (подшипники скольжения, запорные устройства,
передачи и др.) при восстановлении местного износа с приданием им
повышенных эксплуатационных показателей, например,
износоустойчивости. При этом в большинстве случаев удается
исключить трудоемкие и не всегда выполнимые промежуточные
операции по удалению части покрытия, сохранив высокие
эксплуатационные свойства упрочненных деталей, что, в первую
очередь, востребовано в авиакосмической отрасли и в других
отраслях транспортного машиностроения, в том числе в изделиях нового поколения, создаваемых разработчиками.
Таким образом, рассматриваемое в работе направление по
проектированию и применению нового технологического процесса
эрозионно-лучевого нанесения качественного покрытия в
большинстве случаев за одну технологическую операцию является актуальным и востребованным в машиностроении.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой
программы «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России» и в соответствии с научным направлением
ФГБОУ ВО «Воронежского государственного технического
университета» (ГБ НИР № 2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении и ракетно-космической технике»).
Цель работы: повышение качества и износостойкости
поверхностного слоя покрытий и снижение трудоемкости их окончательной обработки за счет выравнивания лучевым методом микропрофиля электроэрозионного покрытия.
Задачи работы:
1. Исследование механизма совместного протекания в
комбинированном технологическом процессе электроэрозионного
нанесения токопроводящих покрытий и лучевого плазменного
выравнивания поверхностного слоя для достижения требуемых
эксплуатационных показателей.
2. Разработка модели, описывающей взаимосвязь между
динамикой локального формирования при электроэрозионном
нанесении слоя и лучевом воздействии плазмы для снижения
высоты неровностей и повышения износостойкости полученного
покрытия.
3. Исследование особенностей построения технологического
процесса комбинированного нанесения покрытий с разработкой
режимов, обеспечивающих повышенную износостойкость
контактирующих поверхностей.
4. Исследование эксплуатационных показателей
комбинированных эрозионно-лучевых плазменных покрытий и
разработка технологических рекомендаций по использованию
результатов работы для упрочнения, повышения износостойкости и
восстановления размеров деталей, работающих в узлах трения,
силового контакта, местах сопряжения запорных устройств.
5. Обоснование высокоэффективной области рационального
использования комбинированной электроэрозионно-лучевой
обработки в машиностроении.
Объекты исследований: детали, требующие восстановления и получения износостойких поверхностей при работе в узлах трения, сопрягаемых элементах конструкций, обеспечивающих, например, герметичность подвижных частей в условиях вакуума, высоких перепадов давления, в агрессивных средах, а также стойкость режущего металлического инструмента.
Научная проблема, подлежащая исследованию: отсутствие
механизма управления комбинированным процессом электронно
лучевого формирования микропрофиля поверхностного слоя,
особенно с большой толщиной покрытия, с целью получением
параметров, отвечающих заданным техническим требованиям без
последующей трудоемкой механической обработки, нарушающей
износостойкость и другие характеристики слоя, а также снижающей
возможности восстановления геометрических размеров изношенных
участков деталей, работающих в узлах трения.
Научная новизна:
1. Разработан механизм взаимодействия тепловых процессов
при электроэрозионном и плазменном лучевом воздействии на
деталь при нанесении покрытия и формировании поверхностного
слоя, отличающийся возможностью перераспределения тепловой
энергии для повышения толщины и качества износостойкого
покрытия.
2. Математическое описание и модель формирования
покрытия, базирующиеся на многократном перераспределении
тепловой энергии между электроэрозионным получением слоя,
созданием его микроповерхности и параметрами для обеспечения требуемой износостойкостью под действием луча.
3. Создание новых способов комбинированной обработки, реализующих предложенный механизм на уровне изобретений, защищенных патентами.
Теоретическая значимость:
Разработка механизма и модели протекания процесса на базе
энергетического подхода с учетом взаимного влияния тепловых
потоков от электроэрозионной составляющей и лучевого воздействия
для получения слоя заданной толщины с требуемыми
характеристиками.
Практическая значимость:
1. На базе созданной модели разработана методика
проектирования эрозионно-лучевого процесса, учитывающая
эксплуатационные особенности работы покрытий в различных
условиях, а также возможности восстановления геометрии деталей с
созданием износостойкого слоя.
2. Созданы новые способы комбинированного эрозионно-
лучевого получения покрытий, позволяющие значительно снизить
высоту неровностей, вплоть до выглаживания, и за счет этого
сократить или исключить последующую ранее применяемую
трудоемкую чистовую обработку с целью повышения чистоты
поверхности, а также расширить технологические возможности по
восстановлению геометрических размеров за счет сохранения
толщины нанесенного покрытия.
3. Создана опытно-промышленная установка для
комбинированной обработки, учитывающая особенности
эрозионного нанесения покрытий и лучевого плазменного
упрочнения поверхностного слоя. Установка обеспечивает
экспериментальное подтверждение полученных в диссертации
закономерностей, пригодна для опытно-промышленного
использования при внедрении результатов в производство.
Положения, выносимые соискателем на защиту:
1. Структура и механизм комбинированной эрозионно-
лучевой обработки и их реализация в форме новых способов и
устройств, защищенных патентами.
2. Модель протекания процессов и методики проектирования
комбинированного технологического эрозионно-лучевого процесса,
режимы, которые назначаются на базе предложенной модели.
3. Экспериментальные и производственные исследования
комбинированного технологического эрозионно-лучевого процесса
нанесения покрытий применительно к типовым деталям, требующих
восстановления геометрической формы и обеспечения повышенной
износостойкости в различных условиях эксплуатации изделий.
4. Научное обоснование рациональной области
использования комбинированной эрозионно-лучевой обработки и
путей снижения трудоемкости при восстановлении деталей и
повышения их износостойкости.
5. Подтверждение полученных результатов в процессе
внедрения в производство и учебный процесс.
Методы и достоверность исследований: теоретические исследования выполнялись на базе основных теорий электрических и комбинированных методов обработки – лучевых (в том числе плазменных) процессов, технологии машиностроения, теплотехники, массо-теплопереноса.
Экспериментальные исследования выполнялись на
оригинальных созданных установках с использованием современных приборов высокой точности.
Обработка результатов проводилась с использованием методов математической статистики при достаточном количестве экспериментов. Результаты подтверждались опытом промышленного внедрения при нанесении покрытий на типовые детали, что дает основание считать полученные материалы достоверными.
Апробация и реализация результатов: основные положения
работы докладывались на международных конференциях в
Воронеже («Студент. Специалист. Профессионал») в 2008-2017 годах, в Ростове-на-Дону («Виброволновые процессы») в 2008-2017 годах, в Москве, Туле, Рыбинске, Брянске, Курске, Казани, Севастополе.
Результаты работы внедрены на Воронежском механическом заводе, на ПАО «Автоматика», на ООО НПФ «ИнТехКом», в учебный процесс ВГТУ, ЛГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе по списку ВАК 5, 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций 3,5 п. л., из них соискателю принадлежат 2,7 печатного листа.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: 1; 2 - методы
проектирования технологий получения комбинированных покрытий;
3 – построение механизма формообразования комбинированного
покрытия; 4 – построение технологий эрозионно-лучевого покрытия;
5 – моделирование процесса комбинированного покрытия деталей; 6;
7; 9 – упрочнение режущего инструмента; 8 – пути увеличения
стойкости упрочненных деталей; 10 – применение
комбинированного упрочнения при ремонте изделий.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение,
4 главы, выводы и приложения, список литературы из 117
наименований. Работа изложена на 167 страницах с 57 рисунками и
12 таблицами. В приложении приведены документы о внедрении,
содержащий новизну патент.
Механизм и процесс нанесения электроэрозионных износостойких покрытий
При нанесении покрытий необходимо получить не только высокое качество покрытия, но и обеспечить требуемые эксплуатационные свойства поверхностного слоя. В [97-99] рассмотрены вопросы нанесения износостойких чугунных покрытий при восстановлении геометрии деталей и придания им нужных характеристик при работе в узлах трения. Для увеличения толщины покрытия применяется нанесение нескольких слоев, что необходимо для восстановления изношенных участков деталей. Но при этом возрастает высота микронеровностей и требуется последующая механическая обработка с удалением значительной части уже нанесенного слоя. Для обеспечения достаточной адгезии покрытия к основе были изучены физические явления на границе слоев, которые зависят от сочетания материалов, толщины каждого слоя. Они определяются энергией импульса, температурами капли, наносимой электроэрозионным методом. В [99] изучена физическая и разработана математическая модель формирования многослойных покрытий, в которой обосновано назначение технологических режимов, обеспечивающих нужное качество наносимых износостойких покрытий.
В [97] показано, что если чугун наносится на аналогичную основу, то бездефектный слой составляет не более 0,45 мм, и сначала на деталь наносят слой малоуглеродистой стали повышенной толщины, а процесс проектируют так, чтобы далее на слой стального покрытия наносили чугун, который и формирует износостойкий поверхностный слой. На рисунке 1.2. представлена схема, раскрывающая протекание процессов нанесения слоев покрытий.
На рисунке 1.2 на первом этапе [17] процесса «а» на заготовку 1 под действием разряда между катодом 1 и анодом 3 падает капля 2, расплавленного чугуна с анода. Далее такие капли образуются по всей поверхности заготовки 1, но процесс рассматривается при взаимодействии расплавленной частицы чугуна и слабо нагретой части 4 заготовки. Процесс 5 идет по всей поверхности заготовки, но целесообразно рассматривать его с учетом взаимодействия капли чугуна и материала детали.
На рисунке 1.2,«б» рассмотрен [24;26] механизм передачи тепла от капли в начале ее остывания, когда тепло рассеивается в окружающую среду (воздух) 6, переходит в материал капли и частично в соседние участки заготовки. Интенсивность потока 5 зависит от температуры не только рассматриваемой, но и соседних капель. При высокой частоте импульсов, свойственных электроэрозионной обработке, можно принять процесс теплопереноса одномерным, где передача тепла происходит по схеме, приведенной на рисунке 1.2 «в». Здесь принято, что плотность теплового потока, протекающего вдоль оси «y» одинакова при излучении и теплопереносе. После охлаждения поверхности капли (рисунок 1.2«б») образуется ядро, состав которого может заметно отличаться от исходного из-за активной диффузии углерода из чугуна в сталь материала детали, имеющего пониженное содержание углерода. После этого в поверхностном слое капли до ее охлаждения содержание углерода не изменяется, а скорость остывания достаточна для сохранения сформировавшейся износостойкой структуры серого чугуна.
Подобное [42;43;56;69] наблюдается на границе заготовки 1 с каплей 2 (рисунок 1.2,«в»), где имеет место обезуглероживание капли и поэтому хрупкий слой отбеленного чугуна не образуется. При электроэрозионном покрытии его толщина может достигать нескольких миллиметров, но качественный слой удается получить только для сталей. Поэтому приходится переходить [69] на многослойные покрытия, где количество слоев может быть до 2-3. Однако опыт показывает, что при нанесении нескольких слоев из чугуна каждый последующий слой должен иметь меньшую толщину.
Попытки нанести толстый слой серого чугуна на чугунную основу приводят [97] к образованию отбеленных слоев с ограниченной адгезией и развитой сеткой микротрещин, что может вызвать осыпание покрытий при механической обработке и разрушение в процессе эксплуатации.
По [20] электроэрозионное покрытие обычно выполняется на воздухе, который является слабым диэлектриком. Так диэлектрическая постоянная воздуха в 10 – 15 раз ниже по сравнению с дистиллированной водой и при нанесении металлических покрытий импульсами тока может наблюдаться химическое воздействие, вызывающее «стекание» заряда в период зарядки конденсаторов генератора. По [104;105] в зарядном устройстве теряется до 50% энергии. Здесь же показан процесс электроэрозионного нанесения металлических покрытий на деталь. На первом этапе происходит зарядка конденсаторов генератора импульсов. По [104] длительность импульса (и ) зависит от технологических режимов и составляет 50 – 150 мкс.
Калориметрическим методом можно оценить величину заряда при различной длительности процесса. Здесь потери могут составлять до 50% величины заряда, что подтверждает сведения, приведенные в [104]. В случае малого времени зарядки часть заряда может восстанавливаться за счет наведенного электромагнитного поля от предшествующего импульса, поэтому сумма остаточного заряда утечки может оказаться больше теоретически рассчитанной величины.
После достижения напряжения пробоя наступает пробой промежутка между электродом - инструментом и заготовкой. Этот этап процесса приведен на рисунке 1.3.
В процессе разрядки конденсаторов происходит нагрев анода (зона нагрева приведена на рисунке 1.3 под индексом 4). Катод 1 и анод 2 разнесены на расстояние до 30 мкм, поэтому между ними происходит обмен теплом, а изотермы на катоде приведены на рисунке 1.3 под индексом 3.
Энергия импульса величиной до 5 Дж (если не учитывать потери на теплопередачу) создает температуру нагрева t2 , которую можно оценить по зависимости
По [97] температура в зоне локального нагрева не превышает 310 - 320 К. Такой подогрев позволяет устранить следы влаги на поверхности и исключить нарушение процессов покрытия в зонах 3; 4 из–за появления перегретого пара в процессе разряда.
По мере нарастания напряжения на электродах участок зазора S ионизируется и появляется канал проводимости (рисунок 1.3, а). Через него протекает разряд между анодом и катодом (рисунок 1.3, б). Анод и катод интенсивно нагреваются, и на аноде появляется расплавленный металл (6 на рисунке 1.3,б), часть которого составляет каплю покрытия. Время разряда не превышает нескольких микросекунд, а плотность энергии достигает сотен тысяч килокалорий на квадратный миллиметр. При этом жидкий металл в лунке (рисунок 1.3,в) перегревается до (3,0-4,0)103 К и создается неустойчивое состояние энергии-плазма, которая способна проявляться как взрывоопасное вещество.
При этом происходит возрастание внутреннего давления до 1,7 МПа [99;104], взрыв и выброс из лунки (рисунок 1.4) плазмы. Возникает импульс силы F , под действием которого перегретый металл с большим ускорением вылетает из лунки на электроде к заготовке и образует здесь каплю покрытия. На третьем этапе процесса действие импульса тока прекращается и подвод энергии к жидкому металлу отсутствует.
На четвертом этапе (рисунок 1,5) жидкий металл перемещается на деталь и деформируется в форме капли в покрытии с предельной толщиной h . На этом этапе происходит интенсивный теплообмен между каплей, окружающей средой и поверхностью детали (показано стрелками на рисунке 1.5).
Если требуется нанести второй и третий слой, то следует переходить [98] на многослойное покрытие, где количество слоев может быть до 2-3. Однако опыт показывает [68;106], что при нанесении нескольких слоев из чугуна каждый последующий качественный слой должен иметь меньшую толщину (рисунок 1.6).
Если деталь выполнена из малоуглеродистой стали (при этом С имеет наибольший показатель), то получают качественные покрытия (Т на рисунке 1.6) с толщиной более 1 мм. Материал детали задан в чертеже, а технолог должен обосновать выбор толщины (рисунок 1.6) и рассчитать для нее технологические режимы, а при необходимости назначить последующую обработку. При многослойных чугунных покрытиях с последующей обработкой предельная толщина слоя, как правило, не превышает 1-1,2 мм. Толщина покрытия зависит от свойств материалов электрода, детали. Для чугуна это содержание углерода и условия охлаждения капли. Если наносят покрытие из малоуглеродистой стали на стальную деталь, то содержание углерода в нем будет низким и при всех скоростях охлаждения и толщины покрытия, фазовые изменения в слое не вызывают нарушений качества поверхностного слоя.
Техническая база для проведения работы
Создана техническая база для подтверждения правомерности выдвинутых гипотез, научной новизны, практических результатов, полученных в работе и внедренных в производство.
Модернизирована под комбинированную обработку установка для финишного плазменного упрочнения типа ФПУ-114 (рисунок 2.3).
Установка ФПУ-114 позволяет наносить плазменным напылением износостойкое алмазоподобное нанопокрытие при атмосферном давлении. Покрытие является продуктом плазмохимических реакций паров реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон.
На установке можно выполнять плазменное упрочнение при изготовлении инструмента, штампов, прессформ, ножей, фильер, подшипников и других деталей, придавая им улучшенные эксплуатационные свойства: износостойкость, антифрикционность, коррозионностойкость, жаростойкость, разгаростойкость, антисхватывание, стойкость против фреттинг - коррозии.
В паспорте установки указывается, что эффект от плазменного упрочнения достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.
Установка скомплектована прибором для электроэрозионного покрытия ENPO (рисунок 2.4).
В приборе (рисунок 2.4) для электроэрозионного покрытия используются импульсные искровые разряды в газовой среде при периодическом контактировании электрода с изделием, вследствие чего осуществляется перенос и осаждение расходуемого материала электрода на поверхность детали.
На рисунке 2.5 приведена созданная экспериментальная установка для комбинированного покрытия деталей типа валов (рисунок 2.2).
На рисунке 2.6 приведена комбинированная установка в процессе нанесения покрытий.
На базе вертикально-фрезерного станка создана машина трения (рисунок 2.7).
Представленная на рисунке 2.7 машина предназначена для проведения испытаний на трение и износ металлических и неметаллических материалов в условиях применения различных смазочных материалов (масла и пластичные смазки), а также без масла.
Метод испытаний основан на взаимном перемещении прижатых друг к другу с заданным усилием испытываемых образцов в среде смазочных материалов или без них. Скорость вращения образца без нагрузки, плавно регулируется от 0 до 2500 об/мин, усилие прижима испытываемых образцов, от 50 до 5000 Н. Размер образцов: пластины диаметр 50 мм (зона трения около 3,5 см2), вращающихся роликов (3 штуки), каждый диаметром 10 мм и площадь трения каждого примерно 1,5 см2 (зависит от приработки образцов)
Схема контакта: торец вращающегося ролика и плоскости неподвижного диска. Момент трения и осевая нагрузка регистрируется тензодатчиками, температура – капельной термопарой. Регистрируемые параметры записываются и обрабатываются с использованием ПЭВМ в реальном времени. Программное обеспечение при испытании позволяет фиксировать момент трения, осевую нагрузку и температуру в реальном времени с графическим отображением их изменений, а также проводить длительные испытания продолжительностью несколько часов.
Измерения микротвердости выполнялись на микротвердомере ПМТ-3М (рисунок 2.8) по стандартным методикам методом Кнупа.
При использовании прибора (рисунок 2.8) для хрупких тонких покрытий удается получить более точные результаты, хотя контроль твердости по методу Кнупа очень напоминает метод Виккерса, но угол при вершине пирамидки на конце индентора составляет 172,5.
Метод имеет преимущества при контроле узких деталей из-за допусков по отступу и сохраняет свойства хрупкого поверхностного слоя. На рисунке 2.9 приведены технологические переходы для измерения твердости и визуальное изображение метода.
Микроскоп может использоваться для научных, исследовательских целей, а также для лабораторных исследований и учебных работ; применяться в различных областях науки, техники и жизнедеятельности: металлургическая, электронная и полупроводниковая промышленности, металлография, петрография, минералогия, геология, криминалистика, стоматология и др.
Предусмотрена возможность расширения технических характеристик микроскопа за счет свободной комплектации узлами и принадлежностями, такими, как объективы, окуляры, визуальные насадки, устройства контрастирования, светофильтры и др. Таблица 2.3 - Технические характеристики микроскопа (рисунок 2.10)
Для определения износа образцов использовался сканирующий туннельный микроскоп «УМКА» (рисунок 2.11) с атомарным разрешением.
В работе измерения выполнялись:
-методом оценки изменения массы образцов с помощью аналитических весов;
-по истиранию следа пирамидки на микротвердомере ПМТ-3М по ГОСТ 23.224-86 «Обеспечение износостойкости изделий»;
- на профилографе.
Наилучшие результаты получены путём исследования на сканирующем туннельном микроскопе «УМКА» с атомарным разрешением (рисунок 2.11), т.к. здесь регистрируются характеристики:
-время работы пары трения; -коэффициент трения; -весовой износ образцов.
На рисунке 2.12 приведен прибор для измерения остаточных напряжений «Ситон-Тест».
Приборы типа СИТОН (рисунок 2.12) позволяют измерять механические напряжения (технологические, остаточные и эксплуатационные) в поверхностном слое изделия неразрушающим методом АФЧХ-тестирования.
Для измерения шероховатости исходной поверхности, покрытия до упрочнения и после этого процесса применялся современный профилограф-профилометр «Сейтроник-ПШ8-3» (рисунок 2.13).
Моделирование процесса эрозионно-лучевого плазменного нанесения износостойких покрытий
Научные гипотезы (раздел 2.1) механизм (и физическая модель процесса) (раздел 3.1) позволяют математически описать процессы, происходящие при комбинированном покрытии.
С учетом сказанного, в качестве исходных данных можно принять:
- выполненные на текущий момент эксплуатационные требования (включая износостойкость) к покрытиям рассматриваемого вида;
- характеристики заложенных в документации материалов и покрытий (включая жидкотекучесть, шероховатость поверхности покрытия);
- возможность технических средств технологического оснащения для электроэрозионного покрытия и плазменного упрочнения, а также возможность совмещения воздействий для управления комбинированным процессом;
- рабочая среда (газы) для выполнения операции;
- ввиду малой площади участка соприкосновения капли покрытия с деталью в расчетах можно принимать эту поверхность плоской независимо от геометрической формы детали.
В качестве граничных условий для использования разрабатываемой модели можно принять:
- предельные возможности по толщине электроэрозионного нанесения требуемых качественных покрытий на заданные материалы деталей с заложенными в документации требованиями к поверхностному слою покрытия;
- температуры плавления материалов детали и покрытия;
- показатели жидкотекучести материала покрытия.
При моделирования процесса следует рассматривать все этапы протекания механизма комбинированной обработки (раздел 3.1).
На первом этапе, где на деталь воздействует сканирующий луч плазмы, температура детали зависит от времени ее нагрева (). Тогда по [105] критерий Фурье ( F0) может быть представлен через средний коэффициент теплопроводности аср.
Без учета комбинированного покрытия в качестве hc можно принять нижний предел изменения допуска на толщину упрочняемого участка. В случае, когда плазменное упрочняющее покрытие наносится на электроэрозионное, можно в качестве hc принять толщину этого слоя. Тогда удается установить время (г) воздействия луча, скорость его сканирования по длине D0 (рисунок 3.2) или D1 (рисунок 3.3), которые имеют пренебреженно малое для расчетов расхождение
Расчеты, выполненные по первому этапу модели, являются контрольными для оценки назначения или расчета технологических режимов плазменной обработки (глава 4).
На втором этапе (рисунок 3.2) определяющими являются параметры капли, наносимой в процессе электроэрозионного покрытия. Опираясь на приведенные в разделе 2.1 научные гипотезы, можно установить высоту капли на детали, а с учетом коэффициента перекрытия капель (/?) найти глубину впадины, определяющую шероховатость покрытия (Rzo на рисунке 3.2). Форма капли зависит от текучести расплавленного сплава с учетом температуры перегрева (500-600 К) и давления (Pk) Плазма обладает высоким гидродинамическим напором, что может повысить величину Рупш относительно расчетного значения.
По [105] радиус зоны действия луча может быть до 1-2 мм, что дает основания считать, что давление плазмы воздействует на всю открытую поверхность капли.
Расчет по формуле (3.39) может дать только достоверное качественное описание механизма действия плазмы и для количественной оценки в расчетах, как правило, не используется.
В [36] приведены исследования, позволяющие создать расчетные методики для определения численной величины импульсного (ударного) давления
На четвертом этапе (рисунок 3.4) формируется упрочняющий слой плазменного покрытия. Как показано в разделах 3.2 и 2.1 толщина этого слоя составляет несколько микрон и при заданной толщине покрытия (/?1), превышающей 100 мкм, нет необходимости рассчитывать толщину слоя плазменного упрочняющего покрытия, т.к. она находится в пределах погрешности расчетов. Плазменное покрытие может снижать передачу тепла от луча к слою после электроэрозионной обработки. Это учтено в расчетах в виде приращения тепла (А/), но, учитывая многократное превышение температуры плазмы (до (8-10)-10 К) над температурой плавления наносимого покрытия ((1-1,5)-10 К), можно считать обоснованным для комбинированного процесса предложенное деление цикла на рассматриваемые этапы, которые фактически протекают совместно.
Использование зависимостей, приведенных в модели, позволяет при расчете технологических режимов (глава 4) предусмотреть припуск на обработку покрытия (если это требуется)
Полученные в процессе моделирования параметры позволяют проектировать технологические процессы комбинированной обработки с получением износостойких покрытий.
Опыт нанесения износостойких покрытий
Разработанная технология нанесения комбинированных покрытий была опробована на примере упрочнения сопрягаемых деталей (рисунок 4.12) изделия, приведенного на рисунке 2.1 и восстановления геометрии детали (рисунок 2.2).
Проведены экспериментальные исследования (рисунок 4.12), показавшие широкие возможности снижения контактного трения (рисунок 4.13) и возрастания износостойкости пар трения (рисунок 4.14) в узлах запорного устройства типа приведенных на рисунках 2.1 и 4.12.
На рисунке 4.14 приведена информация о динамике износа шибера, контактирующего с седлом (рисунок 4.12).
Были проведены испытания образцов из стали 1Х18Н10Т. В качестве покрытия использовался чугун СЧ24. Зона контактного трения аналогична имеющейся в устройстве (0,33 см2). Давление между контактными поверхностями - 160 Н, скорость перемещения между контактными поверхностями 0,1 м/сек. Количество испытанных образцов - 6. Шероховатость исходной контактной поверхности Rz=5 мкм. Испытания проводились в углеводородной среде.
Аналогично исследованием, приведенным в разделе 3.4, изучались эксплуатационные показатели на узлах трения. Полученные результаты (рисунки 4.13; 4.14) еще раз подтвердили эффективность комбинированных покрытий и обоснованность затрат на такие операции.
Анализ рисунков 4.13 и 4.14 показывает, что нанесение комбинированных покрытий дает значительное повышение эксплуатационных характеристик узлов трения. Так, при отсутствии плазменного слоя трение (по сравнению с испытанием покрытия без упрочнения) изменяется незначительно, но износостойкость (рисунок 4.14) изделий после покрытия и плазменного упрочнения возрастает относительно исходного состояния (1 на рисунке 4.14) до 2,5 раз, что оправдывает необходимость в дополнительных затратах на нанесение и плазменное упрочнение покрытия для повышения его износостойкости.
Аналогичные результаты получены при комбинированных покрытиях хромом деталей типа приведенных на рисунке 2.2, где без дополнительной механической обработки нанесением многослойного покрытия удалось получить износостойкую поверхность для последующей работы в узлах трения.
На рисунке 4.15 приведен типовой высоконагруженный привод, где подшипники скольжения выходили из строя из-за повышенного износа.
На рисунке 4.16 показана корпусная деталь, где торцевые поверхности претерпевали усиленный износ, и их требовалось восстанавливать и придавать им повышенную износостойкость. Разработанный способ [68] нанесения на алюминиевые сплавы чугунных покрытий позволил решить эту задачу путем нанесения слоя покрытия и повышения износостойкости до 7 раз [72].
Для восстановления геометрии посадочных мест детали (рисунок 4.17) и последующего упрочнения этих поверхностей по патентам [69], [73] было достигнуто повышение износостойкости, превышающее ресурс зубчатого колеса.