Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальные направления использования плазменных технологий в промышленном сервисе по повышению срока службы и надежности машин и технологического оборудования 12
1.1. Анализ условий эксплуатации и причин потери работоспособности узлов машин и агрегатов бытового назначения 12
1.2. Анализ технических и технологических возможностей газотермических методов нанесения покрытий 25
2. Математическое моделирование процесса восстановления и упрочнения деталей 41
2.1. Математическая модель выбора рационального технологического процесса восстановления деталей рабочих органов 41
2.2. Разработка режимов нанесения покрытий 54
2.3. Энергетические и тепловые характеристики плазмотрона 55
2.4. Тепловые и динамические параметры плазменной струи 58
2.5. Расчет поведения частиц в плазменной струе 62
2.6. Математическая модель расчета оплавления покрытия плазменной струей 67
3. Разработка методик исследования свойств покрытий и экспериментальных характеристик деталей с покрытиями 71
3.1 Методики оценки прочности сцепления покрытия с основой 71
3.2. Испытание образцов на относительную износостойкость 77
3.3 Испытания образцов на твердость 78
3.4 Методика металлографических исследований 79
4. Экспериментальные исследования влияния режимов напыления на свойства покрытий и деталей с покрытиями 82
4.1. Исследование влияния режимов напыления на свойства покрытий 82
4.2. Исследования механических свойств напыленных покрытий в зависимости от режимов напыления 85
4.3 Исследование микроструктуры напылённых покрытий в зависимости от режимов напыления 88
4.4 Исследование триботехнических характеристик напылённых покрытий 94
5. Разработка технологии упрочнения и восстановления изношенных деталей 96
5.1. Технология подготовки поверхности под напыление 96
5.2. Методика расчета толщины газотермических покрытий 103
5.3. Технология напыления восстанавливающих и упрочняющих покрытий 108
5.4. Результаты внедрения разработок 122
Общие выводы 138
Литература 140
Приложения 151
- Анализ технических и технологических возможностей газотермических методов нанесения покрытий
- Энергетические и тепловые характеристики плазмотрона
- Испытание образцов на относительную износостойкость
- Исследования механических свойств напыленных покрытий в зависимости от режимов напыления
Введение к работе
Особенностью модели современного общества с развитой стабильной экономикой является оптимальное соотношение между материальным производством и сферой сервиса, так как расширение сферы сервиса есть не только результат, но и важный фактор роста материального производства, социального и духовного прогресса общества в целом.
В последние десятилетия в развитых странах мира сфера сервиса развивается быстрее материального производства, к настоящему времени она выросла в крупнейший сектор экономики. Даже без транспорта и связи на сферу услуг в США приходится около 70% работающих, в Великобритании, Франции, Японии, Германии - 60% и выше. В США доля капиталовложений в сферу услуг, в общем их объеме (без расходов на жилищное строительство) находится на уровне 30%, в Великобритании- 40%.
Долговременная тенденция опережающего роста сферы сервиса становится определяющей в современном обществе. Глубокая структурная перестройка реального сектора экономики и его интенсификация не только не замедлили этот процесс, а наоборот, усилили его, создав новые стимулы к сбалансированному развитию двух секторов хозяйства, обеспечив переход к формированию нового качества жизни и качества рабочей силы. Целесообразно выделить в сфере услуг следующие различающиеся по функциональной направленности сектора:
Услуги, ориентированные на производство;
Услуги, ориентированные на обслуживание населения;
Услуги, ориентированные на домашнее хозяйство;
В чистом виде немного видов услуг, которые формируют исключительно данный по функциональной направленности сектор услуг. Так, к услугам, ориентированным на производство относятся услуги по техническому обслуживанию, наладке, настройке и ремонту производственного оборудования
и технических систем. Сюда могут быть отнесены услуги по ремонту оборудования и снабжению материально-техническими ресурсами сферы бытового обслуживания населения и различные услуги производственной инфраструктуры (жилищно-коммунальное хозяйство, дороги, мосты, подъездные пути и т.д.).
Эти виды услуг в настоящее время являются наиболее значимыми в связи с
большим объемом импортной техники, нуждающейся в наиболее
рациональных методах ремонта и существенном продлении срока службы оборудования сервиса.
Актуальность исследования. Использование плазменных технологий в машиностроении, в дорожно-строительной и сельскохозяйственной технике, добывающих отраслях промышленности, в городском и коммунальном хозяйстве вызывает в настоящее время повышенный интерес.
Наиболее перспективными применениями плазменных технологий в настоящее время являются:
-плазменное напыление покрытий различного функционального
назначения (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие,
восстанавливающие первоначальные размеры детали и др.); - плазменная поверхностная обработка материалов (оплавление, плазменная наплавка, поверхностное модифицирование, плазменная строжка и др.); -плазменная резка металлических и неметаллических материалов.
Основными достоинствами плазменных технологий являются высокие плотности потоков энергии, достигающие 10 -10 Вт/м , что позволяет за время нескольких микросекунд достигать на поверхности детали температур, превышающих температуру плавления. При этом, широкая возможность регулирования температуры, скорости, давления и химической активности среды в зоне обработки от нейтральной до восстановительной или
окислительной, позволяет наиболее полно использовать уникальные возможности плазменной технологии. Переход на воздушное плазменное напыление позволил разработать экономически выгодные процессы упрочнения и восстановления деталей для дорожно-строительной, автомобильной и сельскохозяйственной техники, газонефтедобывающей промышленности, городского и коммунального хозяйства, а также в ряде других отраслей.
В настоящее время из-за резкого удорожания горючих газов возросла актуальность плазменной резки металлов в заготовительных производствах и особенно при разделке металлических изделий в лом.
По сравнению с ацетилен-кислородной резкой металлов, воздушная плазменная резка более чем в 10 раз производительнее и в 6 раз экономичнее.
Следовательно, нанесение упрочняющих и защитных покрытий, а также резка металлов и утилизация металлического лома с наибольшей эффективностью может быть решена с помощью использования плазменных технологий.
Преимущества этих технологических процессов заключаются в экономичности, возможности наносить различные по назначению и составу покрытия, сравнительной простоте управления энергетическими характеристиками плазмы, использовании в качестве рабочих газов воздуха и регулируемым термическим воздействием на обрабатываемую деталь.
Однако, в промышленном сервисе плазменные технологии пока еще не нашли должного применения. Это связано в первую очередь с недостаточной информированностью работников промышленного сервиса с возможностью и экономической эффективностью плазменных технологий.
В городском и жилищно-коммунальном хозяйстве большое количество оборудования различной сложности выходит из строя по причине износа
отдельных, наиболее нагруженных деталей, коррозии деталей, потери теплоизоляционных свойств узлов оборудования теплоснабжения и др.
Многие рабочие параметры машин и технологического оборудования в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) определяются состоянием поверхностного слоя, поэтому использование дефицитных и дорогих конструкционных материалов во всем объеме изделия нецелесообразно, а в некоторых случаях невозможно. Это является стимулом для усовершенствования существующих и разработки новых технологий и материалов, отличающихся повышенными эксплуатационными характеристиками.
Одним из путей по увеличению ресурса деталей является нанесение на их поверхность износостойких покрытий. Совершенствование существующих и создание новых способов нанесения покрытий, изучение их структуры и свойств, разработка новых составов материалов является актуальной задачей.
В настоящее время, как в Российской Федерации, так и за рубежом,
для повышения износостойкости поверхностей деталей все больше
получают распространение экологически чистые плазменные технологии
нанесения износостойких покрытий. Однако эти покрытия не всегда
полностью отрабатывают свой ресурс из-за преждевременного адгезионно-
когезионного разрушения, вызываемого как эксплуатационными
нагрузками, так и сложным напряженным состоянием, возникающем в покрытии и на границе раздела покрытие-подложка из-за остаточных напряжений, обусловленных различием коэффициентов термического расширения разнородных материалов.
Одним из путей повышения адгезионно-когезионной прочности покрытий во многих случаях является нанесение покрытий с последующим
их оплавлением плазменной струей, что обеспечивает плавный переход физико-механических свойств покрытия от поверхности к подложке.
Таким образом, решение проблем повышения эффективности, надежности и качества функционирования городского и жилищно-коммунального хозяйства в области жилищного, водопроводно-канализационного хозяйства, коммунальной энергетики, городского электротранспорта, дорожных служб, защиты подземных сооружений от коррозии является весьма актуальной задачей.
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в увеличении ресурса работы деталей и оборудования городского и жилищно-коммунального хозяйства за счет нанесения на их поверхность износостойких покрытий формируемых методом плазменного напыления.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка теоретических основ формирования износостойких покрытий:
Анализ технологических способов и определение рационального метода нанесения покрытий на единичные, мелкосерийные и серийные детали;
Разработка методик расчета технологических режимов нанесения покрытий;
Экспериментальные исследования влияния режимов напыления на свойства покрытий и эксплуатационные характеристики деталей;
Разработка технологии и оборудования для упрочнения и восстановления изношенных деталей
Научная новизна заключается в следующем:
Проведен анализ методов нанесения износостойких покрытий с точки зрения технических, технологических и экономических характеристик.
На основе проведенного анализа впервые предложена методика аналитического выбора наиболее рационального метода нанесения восстанавливающих и упрочняющих покрытий на единичные, мелкосерийные и
серийные детали.
Разработана методика выбора режимов напыления, позволяющая в десятки раз сократить время разработки технологического процесса упрочнения и восстановления изношенных деталей.
Предложена аналитическая методика расчета режимов оплавления напыленного покрытия воздушной плазменной струей, существенно сокращающая себестоимость восстановленных деталей ЖКХ.
Экспериментально изучены физико-механические свойства покрытий в зависимости от режимов напыления.
Практическая значимость работы. 1. Разработаны способы получения износостойких покрытий на детали и оборудование городского и ЖКХ. 2. Разработанные аналитические методики выбора наиболее рационального метода (в зависимости от серийности восстанавливаемых деталей), а также методики выбора режимов напыления и оплавления позволяют технологу сократить время разработки конкретных технологических процесса в 7- 10 раз. 3. Предложены составы порошковых композиций для восстанавливаемых деталей (Патент РФ на изобретение №2130506. БИ. №14,1999.)
Разработаны: структура, состав, изготовлены и внедрены опытные стационарные и мобильные плазменные воздушно-плазменные установки с микропроцессорным управлением.
Разработанные технологические процессы позволили: в 2...4 раза повысить контактную прочность напыленного покрытия, создать высокопрочные (amax = 300 МПа), антифрикционные (fTp = 0,01...0,038), износостойкие (1= 3,2* 10"6) мм/час покрытия.
Достоверность результатов исследования. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, одобрением научной общественности,
практической реализацией и внедрением разработанных научных и технических решений. Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 6 Российских, международных и отраслевых конференциях и семинарах. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ и получено два патента РФ на изобретение. В первой главе_ выполнен анализ условий эксплуатации и причин потери работоспособности узлов машин и агрегатов бытового назначения и оборудования городского и жилищно-коммунального хозяйства, указаны причины, влияющие на ресурс их работы.
Анализ работы технологического оборудования проведен по основным подотраслевым группам, к которым относятся: швейное производство, обувное производство, производство химической чистки и прачечных, трикотажное производство, оборудование городского и жилищно-коммунального хозяйства, оборудование дорожно-строительных служб и т.п.
Во второй главе представлены теоретические исследования по разработке математических моделей выбора рационального технологического процесса восстановления деталей, выбору режимов нанесения покрытия, модели расчета оплавления покрытия плазменной струей.
Поскольку при выборе метода напыления необходимо учитывать конструктивные, технологические, производственные, эксплуатационные и экономические показатели, обязательным условием выбора наиболее рационального варианта является комплексный подход.
В третьей главе описаны экспериментальные методики, с помощью которых проводились экспериментальные исследования.
Одно из главных свойств покрытий - прочность сцепления с основой.
В четвертой главе проведены экспериментальные исследования влияния
режимов напыления на свойства покрытий и деталей с покрытиями.
Установлена зависимость свойств покрытий с температурой напыляемых частиц.
В пятой главе, представлены результаты внедрения разработок.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность кандидату технических наук, доценту Буткевичу М.Н. за помощь и постоянное внимание к диссертационной работе, доктору технических наук, профессору Ставровскому М.Е., оказавшим активную творческую поддержку автору на всех этапах выполнения работы; сотрудникам лаборатории плазменных технологий Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана, сотрудникам других лабораторий институтов и организаций, принимавших участие в обсуждении и внедрении результатов работы.
Анализ технических и технологических возможностей газотермических методов нанесения покрытий
Технический уровень и эксплуатационные характеристики современных машин предприятий бытового обслуживания (и в особенности отечественных) находится на невысоком уровне. Это приводит к резкому возрастанию необходимости приобретения новых запасных частей. Казалось бы, такое положение должно привести к возрастанию удельного веса восстановленных деталей, учитывая их существенно меньшую стоимость при практически равном, а как правило большем ресурсе эксплуатации.
По данным ВНИИТУВИД «Ремдеталь» [4, 28] удельный вес восстановленных деталей от поставки новых должен составлять не менее 30-70%. К сожалению явно видна невостребованность передовых ремонтных технологий, которую можно объяснить как финансовыми трудностями предприятий сервиса, так и недостаточной информированностью о новых технологических процессах восстановления изношенных деталей.
Существует большое число методов восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей машин [21, 26,28,29]. Выбор материала и метода нанесения того или иного покрытия зависит от способности изделия противостоять воздействиям среды, в которой ему предстоит работать. В настоящее время у нас и за рубежом применяются практически все методы и способы получения покрытий: наплавка, металлизация [, газопламенное, плазменное и детонационное напыление.
Процессы нанесения покрытий постоянно совершенствуются. В самые последние годы появились новые технологические процессы, занимающие теперь значительное место в специальной литературе.
Наибольший интерес с технической и экономической точек зрения представляют газотермические процессы: наплавка, металлизация, газопламенное, плазменное и детонационное напыление.
Одним из наиболее распространенных способов восстановления и упрочнения поверхности деталей машин и механизмов, используемых в народном хозяйстве является метод наплавки.
Наплавка—одна из разновидностей сварки— служит, для нанесения слоя металла заданного состава на поверхность изделия. Нанесенный металл прочно связывается с основным, образуя надежное соединение.
При всех способах наплавки характерным является расплавление поверхности детали и наплавочного материала в виде проволоки или порошка под действием электрической дуги или другого концентрированного источника тепла и перенос расплавленного металла на поверхность детали. После кристаллизации и остывания металл сварочной ванны превращается в наплавленный валик. В составе наплавленного металла имеются различные по составу и структуре участки: зона литого металла, зона термического влияния, где произошло изменение структуры и свойств основного металла.
Зона термического влияния нередко является местом образования хрупких фаз, приводящих к резкому изменению физико-механических свойств детали: понижению усталостной прочности и упругости металла детали, возникновение внутренних напряжений в теле детали.
В то же время наплавка металлов дает возможность получать покрытия, равнопрочные с основой, регулировать свойства поверхности наплавленного металла, получать покрытия с требуемыми свойствами: кислотоупорные, жаростойкие, коррозионно-стойкие, износостойкие, антифрикционные. Однако наплавку нельзя применять для деталей из сплавов железа с содержанием углерода более 0,45% вследствие его значительного выгорания, а также для легкоокисляющихся сплавов.
Существенным недостатком этого метода является значительный нагрев поверхности (до 1300К), вызывающий нежелательные структурные превращения в основе, а последующее охлаждение ведет к образованию трещин в наплавленном слое, вследствие чего усталостная прочность деталей снижается на 35-60%. Недостатком, ограничивающим применение наплавки в изделиях специальной техники, является также и сложность получения на поверхности детали тонких (до 5.10"4 м), отличных от основы по химическому составу и физическим свойствам, покрытий. Это ограничение возникает из-за расплавления основного металла детали и частичного перемешивания с материалом наплавки.
Наплавку применяют для восстановления и упрочнения деталей машин и оборудования путем нанесения на их рабочие поверхности металлических покрытий, обладающих необходимым комплексом свойств: износостойкостью, термостойкостью, кислотоупорностью и т. п. С помощью наплавки создают биметаллические изделия, у которых выгодно сочетаются свойства наплавленного и основного металлов. Номенклатура наплавляемых деталей весьма разнообразна по массе, форме, материалам и условиям работы. Это вызвало появление различных видов и способов наплавки. Например, для наплавки автомобильных клапанов двигателей внутреннего сгорания [8, 21] используют плазменную наплавку, так как другие способы наплавки в этом случае неэффективны; шарошки буровых долот наплавляют индукционным способом с применением сплава—связки и тугоплавких зерен карбида вольфрама; лопатки вентиляторов упрочняют газопламенным напылением с последующим оплавлением, т. е. в каждом конкретном случае выбирают наиболее эффективный способ наплавки. Также учитывают производительность выбранного способа наплавки в зависимости от массы наплавляемого металла и возможности деформации изделия. Для упрочнения небольших деталей предпочитают газовую или плазменную наплавку. Дуговой или электрошлаковый вид наплавки чаще всего применяют для массивных изделий.
Таким образом, наплавка может быть осуществлена многими видами и способами. В основу классификации положены физические, технические и технологические признаки. Различают дуговую, газовую, электрошлаковую, плазменную, индукционную наплавку и плакирование.
В большинстве случаев процессы наплавки основаны на применении дуговой сварки плавящимся электродом (рис. 1.2). Отличаются эти процессы способами защиты наплавляемого металла от вредного воздействия воздуха и степенью механизации, хотя сущность их одинакова. Она заключается в том, что под действием высокой температуры электрической дуги, горящей между электродом и изделием, к которым подведен ток, электродный и основной металлы расплавляются, создавая на поверхности изделия общую сварочную ванну в виде наплавленного валика.
Энергетические и тепловые характеристики плазмотрона
Строгой теории расчета параметров плазменных струй не существует, однако общая постановка задачи по исследованию высокотемпературных струй представлена в ряде работ. При этом было получено хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов для начального участка воздушной плазменной струи, причем вместо уравнения состояния для изобарических потоков было использовано апроксимирующее уравнение Бейда для связи плотности с энтальпией плазмы в виде
Применение этого уравнения позволяет учесть процессы диссоциации и ионизации, происходящие в газе при высоких температурах. Схема для расчета параметров струи, распространяющейся вдоль оси х, приведена на рис. 2.4. Условно струю можно разделить на три участка: начальный (х„), переходный (х„) и основной.
Изменение начального подогрева Н„ (т.е. отношения энтальпии газа при 20С к энтальпии при искомой температуре) и скорости истечения плазмы позволило определить углы раскрытия струи, а также выяснить, как распределяются скорость и температура в пограничной зоне.
В начальном участке струи выделяется ядро, температура и скорость в котором принимаются равными значениям на срезе сопла плазмотрона.
Протяженность начального участка (Х„) можно приближенно определить по формуле: где Rc - радиус сопла, мм; а- экспериментальный коэффициент, равный 0,143; (рх - внутренняя граница струи. Наибольший интерес представляет начальный участок струи, на котором частицы получают основное количество тепла. Из совместного решения интегральных соотношений законов сохранения импульса, энергии и уравнения состояния газа получено выражение для длины начального участка: где: С„- экспериментальная константа начального участка; Bi,B2, By функции начального подогрева струи и состава газа. Коэффициенты Bj,B2, В3 в выражении (2.37) определяются согласно зависимостям: Расчет длины начального участка плазменной струи по (2.37) довольно громоздкий, поэтому нами предварительно расчитанные значения апроксимированы для аргоноазотной плазмы выражением вида: X Rc(7,61/Qo0 142+(8M/QoOJ94-7,61/QoOM2))C/0,3 (2.41) Значения длины начального участка в дальнейшем используется для расчетов температуры и скорости в переходном основном участках струи. Температура на оси переходного участка определяется по выражению Tsm(x) =Ts0 -0.255 Ts0 (х- xft)/0.5x„ (2.42) Температура и скорость на оси основного участка описывается следующими выражениями: где 7/ - температура окружающей среды; Хн - длина начального участка струи; Со -экспериментальная константа, равная для аргона - 0.01 а для азота -0.001. Для аргоноазотной струи константа меняется линейно от 0.01 до 0.001 в зависимости от массового содержания азота в смеси. Радиальное затухание температуры и скорости в переходном и основном участках описывается профилями Шлихтинга. где: Vsm , Tsm -значения скорости и температуры на оси струи; С=/у-Кс/У2 - безразмерная ордината. Коэффициент "п" в выражениях (2.25) - (2.26) зависит от состава плазмообразующего газа и рассчитываются по (2.46) с использованием значений удельной энтальпии и плотности, расчитанные по методике изложенной в [103]. Значения п для аргоноазотной смеси с массовым содержанием азота до 30% лежат в пределах 0.5746 - 0.6681 и апроксимированы нами выражением:
Проведенные по разработанной методике расчеты, показывают, что плазменные струи подобны газодинамическим струям малого подогрева. Об этом говорит график, изображенный на рис. 2.5, где представлен профиль скоростей в безразмерных координатах. Следует заметить также, что профили скоростей (так и температур) полнее, чем для неизотермических струй и несжимаемой жидкости. Все это указывает на возможность более полного использования плазменной струи для технологических применений.
Испытание образцов на относительную износостойкость
Существует огромное количество методик испытаний материалов на износостойкость [43-46], отличающихся между собой по точности и сложности в реализации. Анализ методик испытаний позволил сделать вывод о том, что наиболее предпочтительным и наиболее информативным является метод сравнительных испытаний. Сущность методики состоит в следующем: на аналитических весах ВЛТ-1 взвешиваются образцы без покрытия и с покрытием. Далее испытуемый образец помещается в камеру под струю электрокорунда, вытекающую из пескоструйного пистолета под углом 45 градусов к образцу. Давление сжатого воздуха составляет для испытательной системы 6 атм. Время испытаний, вес образцов до и после испытаний, величина потери веса и относительная износостойкость фиксируется в протоколе испытаний.
Способы оценки твердости позволяют относительно дешево, быстро и почти без разрушений испытуемого материала определить его характеристику, с помощью которой можно произвести оценку износостойкости материала покрытия [69]. Наибольшее распространение для определения твердости получили методы, основанные на пластическом вдавливании малодеформирующегося наконечника (индентора), имеющего различную форму: шарика, конуса, пирамиды и др.
Используются макро- и микромеханические испытания на твердость. Макротвердость определяется на приборах Бринеля, Роквелла и Викерса. Методом Бринеля, основанном на вдавливании стального шарика, можно испытывать материалы с твердостью, не превышающей 450 кгс/мм . На приборах Роквелла и Виккерса можно испытывать практически все материалы от самых мягких до алмаза включительно.
В методе Роквелла в зависимости от твердости испытываемого материала применяют два типа наконечников: стальной шарик для измерения твердости при суммарной нагрузке 100 кгс (шкала В) или алмазный конус с углом при вершине 120+ 30 и радиусом закругления в вершине конуса 0,200 + 0,005 мм для измерения твердости методов при суммарной нагрузке 150 кгс (шкала С) и 60 кгс (шкала А).
Толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка, расстояние от центра отпечатка до края образца и между центрами отпечатков должно быть не менее 3-4 мм.
Напыленные и оплавленные покрытия приобретают свойства, существенно отличающиеся от свойств исходного материала [70-76]. Свойства материалов определяются его структурой. При изучении структуры покрытий определяются следующие характеристики: зерно, частица, слой - их размер, форма, ориентация, а также тип и характер границ между ними; фазовый состав - число и характер присутствующих фаз, относительное количество каждой фазы, их расположение относительно друг друга и по толщине покрытия.
Наиболее широко используемым методом исследования структуры металлических материалов, полученных различными способами, является исследование плоскости полированных шлифов в отраженном свете, которое состоит из следующих этапов: приготовление шлифов; изучение структуры нетравленых шлифов; травление шлифов; исследование фазового состава и структуры на микроскопе.
Основой микроскопического исследования является приготовление шлифа. На подготовленном образце следует получить совершенно плоскую поверхность шлифа. Производится шлифовка и полировка образца. Шлифовка производится на шлифовальных кругах в несколько этапов с переходом от бумаги с крупным к бумаге с мелким абразивным зерном.
Вслед за шлифовкой производится полировка, предназначенная для удаления мелких и мельчайших неровностей на поверхности шлифа. Наиболее распространенной является механическая полировка с помощью паст (глинозем, магнезия или алмазный порошок) на полировальной подложке.
Ознакомление со структурой исследуемого материала ведется на полированных нетравленных шлифах при малых увеличениях микроскопа, что позволяет составить общее представление о структуре, наличии и распределении дефектов.
Для проведения микроскопических исследований используют образцы после химического травления. Основным результатом травления, обусловленным структурой металла, является вытравливание границ и поверхности зерна. При травлении поверхности кристаллы зерна имеют цветную или черно-белую окраску различной тональности. Получаемое различие в рельефе и шероховатости поверхности позволяет установить разницу между присутствующими фазами. Иногда фазы, присутствующие в материале, не могут быть определены с помощью их оптических свойств, тогда установление их присутствия и идентификация осуществляется с помощью избирательного травления. Для каждого типа материала подбираются подходящие химические реагенты и метод травления.
Исследования механических свойств напыленных покрытий в зависимости от режимов напыления
Зависимость прочности сцепления от температуры частиц а), а также от дистанции напыления (б). С повышением величины Т наблюдается плавное увеличение прочности сцепления (см. рис. 4.2), которое может быть описано параболической зависимостью вида зависимостью вида: где: Т = Т /2000; Т - температура частиц; b,, b2, Ь3 - численные константы, зависящие от напыляемого материала. Однако, прочность сцепления зависит также и от следующих факторов: подготовки поверхности (высоты микронеровностей), температуры напыляемой детали, уровня остаточных напряжений, степени наклепа поверхности детали. Прочность сцепления покрытия с основой при увеличении удельного расхода (q) абразивного материала (степени наклёпа) значительно возрастает, несмотря на некоторое снижение шероховатости поверхности основы. На наш взгляд, прирост прочности сцепления наклёпанных образцов следует отнести за счёт образования межатомных связей. Зависимость прочности сцепления от степени наклёпа 1 - основа из Д16АТ; 2 - основа из XI8Н1 ОТ Некоторое снижение прочности сцепления при стабилизации степени наклёпа можно объяснить тем, что деформированный слой полностью отдал ту часть энергии, которая идёт на межатомные связи, и поступление энергии прекращается, а снижение шероховатости ведёт к снижению прочности сцепления (рис. 4.3).
Подготовка поверхности, в результате которой создается макро- и микрогеометрия поверхностного слоя, должна быть направлена на увеличение истинной площади поверхности, а значит числа возможных физических и химических связей. Однако истинная площадь поверхности после струйно-абразивной обработки определяется как высотой микровыступов, так и их числом. Увеличение высоты микровыступов приводит к росту температуры в контакте под напыляемыми частицами на этих микровыступах шероховатости, что улучшает теплофизические условия для протекания активационных процессов. Кроме того, увеличение шероховатости поверхности (RJ улучшает сцепляемость напыляемого материала с точки зрения «заклинивания» расплава в микровыступах шероховатости. Увеличение числа пиков повышает суммарную площадь участков, а также увеличивает общую площадь контакта напыляемых частиц с материалом основы [96-99]. Прочность сцепления резко снижается с увеличением среднего размера напыляемых частиц, что обусловлено ухудшением прогрева частиц с большим диаметром при поддержании других параметров процесса плазменного напыления на неизменном уровне.
Естественно предположить, что применение порошков мелких фракций позволит вести процесс напыления на более точном режиме наряду с большей однородностью покрытия по структуре и добиться снижения разброса величины прочности сцепления (рис.4.5) Таким образом, прочность сцепления покрытия с основой является более сложным параметром, зависящим от многих, трудно учитываемых факторов. Напылённые покрытия приобретают свойства, существенно отличающиеся от свойств исходного материала. В свою очередь свойства материала определяются его структурой. При изучении структуры покрытий определяются следующие характеристики: 1. Зерно, частица, слой - их размер, форма, ориентация, а также тип и характер границ между ними; 2. Фазовый состав - число и характер присутствующих фаз, относительное количество каждой фазы, их расположение относительно друг друга и по толщине покрытия.
Исследованы образцы с покрытиями из следующих смесей порошков износостойких материалов в объёмных процентах: - образец №1 - 50% ПР-Н70Х17С4Р4, 50% ПГ-ФБХ6-2; - образец №2 - 30% ПР-Н70Х17С4Р4, 70% ПГ-ФБХ6-2; - образец №3 - 70% ПР-Н70Х17С4Р4, 30% ПГ-ФБХ6-2; - образец №4 - 60% ПР-Н70Х17С4Р4, 40% ПГ-ФБХ6-2; - образец №5 - 100% ПГ-ФБХ6-2; - образец №6 - 50% ПР-Н73Х16СЗРЗ, 50% ПГ-ФБХ6-2; - образец №7 - ПР-Н70Х17С4Р4; а также антифрикционные бронзовые и металлополимерные составы. Для исследования стабильности свойств покрытий из каждого состава порошковых смесей были изготовлены шлифы. На всех исследованных образцах граница раздела «покрытие-основа» отсутствует и может быть обнаружена только по различию цветов, отслоения покрытия от основы не наблюдалось. Дефекты напылённого слоя в виде трещин, локальных отслоений от основы, крупных пор на образцах не обнаружены. Фотографии микрошлифов исследованных образцов приведены на рис. 4.6 - 4.9.
Похожие диссертации на Исследование и разработка плазменных технологий для повышения работоспособности машин и агрегатов бытовой техники и жилищно-коммунального хозяйства
