Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Анализ причин изнашивания деталей и актуальность их восстановления 11
1.2 Основные способы восстановления деталей 15
1.2.1 Способы восстановления сопрягаемых поверхностей деталей нанесением покрытий .22
1.3 Обзор существующих способов подачи присадочных порошковых материалов 30
1.3.1 Присадочные порошковые материалы .30
1.3.2 Способы подачи присадочных ферромагнитных порошков 32
1.4 Анализ режимов и параметров влияющих на качество металлопокрытия при электроимпульсном способе нанесения .35
1.5 Выводы по разделу и задачи исследования 45
2. Обоснование процессов восстановления и упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле .47
2.1 Конструктивно-технологическая схема установки для электроимпульсного нанесения порошков с упрочнением полученного слоя пластической деформацией 47
2.2 Теоретическое обоснование параметров теплофизических процессов при электроимпульсной наплавке легированных ферромагнитных порошков ...49
2.3 Теоретические предпосылки применения пластической деформации при ЭИС .55
2.4 Совершенствование нанесения порошковых материалов при ЭИС 63
2.5 Обоснование состава присадочного ферромагнитного порошка .66
2.6 Выводы по разделу 72
3. Программа и методика экспериментальных исследований 74
3.1 Программа экспериментальных исследований .74
3.2 Экспериментальная установка для реализации ЭИС нанесения металлопокрытий в магнитном поле .74
3.2.1 Электромеханический блок .76
3.2.2 Принципиальная электрическая схема установки 79
3.3 Методика исследований, обработки и анализа экспериментальных данных 80
3.4 Техника проведения экспериментов и используемое оборудование .82
3.4.1 Получение порошков на основе железа в легированной оболочке .82
3.4.2 Металлографические исследования .83
3.4.3 Исследование глубины упрочненного слоя .88
3.4.4 Исследование распределения углерода по глубине упрочненного слоя...89
3.4.5 Исследование прочности сцепления 90
3.4.6 Исследование износостойкости 92
4. Результаты экспериментальных исследований .96
4.1 Легирование кобальтом частиц железа .96
4.1.1 Изучение параметров и режимов процесса испарения Со2(СО)8...96
4.1.2 Получение и структура частиц Fe-Co 98
4.1.3 Магнитные свойства частиц легированных кобальтом 99
4.2 Параметры и режимы комбинированного способа восстановления и упрочнения деталей .101
4.3 Исследование параметров, характеризующих качественные показатели восстановленного покрытия .106
4.3.1 Результаты металлографических исследований 106
4.3.2 Результаты исследования прочности сцепления .109
4.3.3 Результаты исследования износостойкости .110
4.4 Выводы по разделу 111
5. Производственная проверка и технико-экономическое обоснование эффективности комбинированного способа восстановления .114
5.1 Результаты эксплуатационных испытаний технологии восстановления и упрочнения деталей легированнымиферропорошками 114
5.2 Технико-экономическое обоснование эффективности способа .116
5.3 Выводы по разделу 124
Общие выводы 125
Литература .128
Приложения .149
- Способы восстановления сопрягаемых поверхностей деталей нанесением покрытий
- Теоретическое обоснование параметров теплофизических процессов при электроимпульсной наплавке легированных ферромагнитных порошков
- Экспериментальная установка для реализации ЭИС нанесения металлопокрытий в магнитном поле
- Получение и структура частиц Fe-Co
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Актуальной проблемой современного сельскохозяйственного машиностроения является повышение надежности и долговечности машин, в том числе после ремонта. Известно, что в большей степени неисправность деталей обусловлена износом тонкого поверхностного слоя, а условия восстановления основного материала детали и ее поверхностного слоя различны.
Одним из направлений в решении этой проблемы является разработка новых технологических процессов нанесения износостойких покрытий на основе металлических порошков, порошков-сплавов и тугоплавких соединений. К числу прогрессивных способов создания поверхностного слоя с заданными физико-химическими свойствами относится электроимпульсный (ЭИС). Положительным аспектом использования данного способа служит то, что получаемые покрытия обладают небольшим припуском на механическую обработку и высокой прочностью сцепления, недостатком – высокая шероховатость и пористость наносимых слоев. Поэтому необходимы дальнейшие исследования ЭИС с целью получения плотных металлопокрытий при восстановлении деталей. Перспективны в этом направлении комбинированные способы восстановления и упрочнения, основанные на использовании импульсных потоков энергии с одновременным поверхностным пластическим деформированием (ППД).
Степень разработанности темы. Анализ существующих исследований показывает, что у комбинированных способов восстановления и упрочнения процесс обработки происходит в результате одновременного протекания двух и более воздействий на поверхность детали, что позволяет устранить недостатки, присущие каждому из них. Однако вопросы оптимизации основных параметров формирования качественного слоя, использования порошков с высокими магнитными свойствами, наложения дополнительного магнитного поля для повышения эффективности ЭИС изучены недостаточно.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО "РГАТУ" на 2011...2015 гг. по теме «Совершенствование технологических процессов, разработка и повышение надежности технических средств возделывания, уборки, транспортировки и хранения сельскохозяйственных культур в условиях ЦФО РФ» (номер гос. регистрации 01201174432).
Цель исследований – повышение долговечности металлопокрытий при восстановлении деталей нанесением ферромагнитных порошков электроимпульсным способом совместно с поверхностным пластическим деформированием.
Объект исследования – технологические процессы и материалы для восстановления и упрочнения деталей электроимпульсным способом совместно с поверхностным пластическим деформированием.
Предмет исследования – закономерности образования взаимозависимых связей основных технологических параметров с характеристиками качества восстановленных и упрочненных деталей.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием теплофизических расчетов и элементов механики сплошной среды. В экспериментальных исследованиях нашли применение методы обработки многократных измерений и вариационной статистики. Использовались серийные и специально изготовленные установки, приборы и аппаратура.
Научная новизна работы заключается в обосновании закономерностей протекания теплофизических процессов в поверхностных слоях покрытий при использовании электроимпульсного способа совместно с поверхностным пластическим деформированием, а также в определение условий получения ферропорошков в легированной оболочке элементами, различающимися термодинамическими параметрами.
Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена 2 патентами РФ на полезные модели.
Практическая значимость:
обоснованы режимы и параметры технологического процесса восстановления деталей типа “вал” ЭИС совместно с ППД;
предложен способ дозирования ферромагнитных порошковых материалов с использованием в качестве дозатора бункерного дозирующего устройства вибрационного типа;
обоснованы режимы и термодинамические параметры процесса легирования ферропорошков в кобальтовой оболочке.
Реализация результатов исследований. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические процессы восстановления и упрочнения деталей ЭИС совместно с ППД присадочными порошками и внедрены на ремонтно-технологических предприятиях: ОАО «Тяжпрессмаш» г. Рязань; ОАО «Прогресс», ООО «Урожай», ОАО «Авангард» Рязанской области; учебное хозяйство «Стенькино» и научно-производственный участок ФБГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева».
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и их сходимостью с теоретическими данными, использованием действующих методик, современной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с помощью компьютерных математических программ.
Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных и всероссийских конференциях и семинарах: «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (Москва, 2009…2011гг.); «Развитие АПК России в системе развивающихся межотраслевых и международных отношений» (Санкт-Петербург, 2009 г.); «Информационные технологии в образовательном процессе института» (Рязань, 2009 г.); «Пути повышения эффективности функционирования механических и энергетических систем в АПК» (г. Саранск, 2011 г.); «Перспективы развития технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 2012 г.)
Основные положения, выносимые на защиту:
конструктивно-технологическая схема установки для электроимпульсного нанесения порошков с упрочнением полученного слоя пластической деформацией;
закономерности влияния основных технологических параметров комбинированного способа обработки на показатели качества металлопокрытий;
способ получения присадочных порошков на основе железа в легированной оболочке;
результаты экспериментальных исследований комбинированного способа восстановления;
результаты технико-экономической оценки эффективности предложенного способа.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 15 печатных работах, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, 2 монографиях и 2 патентах на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы (источников) и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 41 рисунок.
Способы восстановления сопрягаемых поверхностей деталей нанесением покрытий
Если дефект устраняют в стенке толщиной более 5 мм, ее разделывают для гарантированного проплавления. Ремонтируемые места деталей из алюминия и его сплавов протравливают кислотой, осветляют и сушат до полного удаления влаги. Все операции по подготовке трещин производят непосредственно перед сваркой [61,91].
Сварку производят как с предварительным подогревом детали, так и без него. Предварительный подогрев может быть местным (350-450С) или общим (500-700С), который применяют для сложных деталей. Местный нагрев получают с помощью газовой горелки. При общем нагреве деталь помещают в печь, а во время сварки ее накрывают асбестовыми листами, оставляя только место шва. Затем деталь снова помещают в печь и охлаждают вместе с ней. Сварку без предварительного нагрева применяют для деталей простой конструкции.
При электродуговой сварке в качестве присадочного материала используют специальный электрод. Газовую сварку производят ацетиленокислородным пламенем под слоем флюса с введением в сварочную ванну чугунных прутков, диаметр которых равен половине толщины свариваемой стенки корпуса. При увеличении скорости сварки выше оптимальной (для уменьшения нагрева детали) шов получается узким, высоким и пористым, и требует переплавки [61]. Сварка чугунных корпусных деталей не может гарантировать высокого качества во всех случаях. Граница сплавления основного и присадочного металлов является зоной структурных изменений. Поэтому рядом со сварным швом в процессе работы двигателя или агрегата не исключено образование новых трещин [30,61,153]. Горячая сварка позволяет регулировать скорость охлаждения наплавленного металла, что в свою очередь снижает образование сварочных трещин, отбеливание и позволяет получить металл шва, близкий по своему химическому составу и механическим свойствам к металлу основы. Скорость охлаждения изделия после окончания сварки находится в пределах от 25 до 10 К/с.
Применение сварки все же ограничено в силу ряда недостатков. Необходимость в нагревательных устройствах практически сводит на нет использование ее в подвижных ремонтных пунктах. Так общая потребляемая мощность муфельной и шахтной печей составляет 30 кВт или почти 30 % от всей потребляемой мощности. Нагрев и поддержание температуры от 873 до 973 К при сварке также создает отдельные трудности, заключающиеся как в технологическом обеспечении данного интервала температур, так и в тяжелых условиях труда сварщика [30,61,153]. Нарушение температурного режима приводит к ухудшению качества и формированию негерметичного соединения. При ремонте деталей сложной конфигурации доступ к отдельным частям затруднен вследствие большой температуры [30,61,153].
При ремонте чугунных деталей пайкой применяют как легкоплавкие, так и тугоплавкие припои. Наличие в структуре чугуна свободного графита отрицательно влияет на процесс пайки из-за плохого смачивания металла припоем [104]. Если на стационарных авторемонтных предприятиях для получения качественного соединения применяют электрохимическую обработку и безэлектролизное омеднение, то в подвижных ремонтных средствах такая возможность отсутствует. Наибольшее применение для пайки чугунных изделий нашли припои оловяно-свинцовистые (ПОС) [30,61,153]. Для улучшения шва рекомендуется кратковременный отжиг при температуре 700 - 750С. Известны случаи ремонта трещин в головках блоков цилиндров с применением пайки и чугунной вставки [104]. В то же время применение пайки, как метода заделки трещин или устранения других дефектов в чугунных корпусных деталях весьма ограничено из-за сложности технологического процесса и низкой производительности [104]. Практически невозможно заделывать трещины значительной длины (более 150 мм). Необходимая прочность также не всегда обеспечивается. Восстановлению корпусных чугунных деталей с применением полимерных материалов посвящено значительное количество работ [23, 44, 58, 92, 93]. Данный метод заключается в правильной подготовке состава, нанесении его на обезжиренную поверхность и, в дальнейшем, в отверждении. Существует несколько вариантов использования эпоксидных смол как в «чистом» виде, так и в сочетании с различными дополнительными наполнителями, обеспечивающими лучшую адгезионную прочность, термостойкость, герметичность. При длине трещины менее 20 мм нет необходимости в использовании накладки, выполненной из стеклоткани [44, 58, 92, 93]. Заделку трещин (в ненагруженных частях изделия), длина которых превышает 150 мм, рекомендуется проводить с использованием ввертышей. Так же для увеличения прочности клеевого соединения применяют упрочняющие скобы. Заделка трещин постановкой заплат на эпоксидном составе – метод, часто применяемый в ремонтной практике вследствие его простоты и отсутствия необходимости в специальном оборудовании. Удовлетворительные адгезионные свойства к черным металлам, хорошая плотность соединения, возможность применения в полевых условиях неспециализированных мастерских привели к достаточно широкому использованию методов заделки трещин в корпусных деталях, требующих герметичности, композициями на основе эпоксидных смол. Наряду с этим, заделка трещин эпоксидными композициями имеет ряд существенных недостатков, в настоящее время значительно ограничивающих применение описанных выше способов. Эпоксидные составы высокотоксичны, имеют длительный процесс отверждения, обладают высокой чувствительностью к точности дозировки ингредиентов. Быстротвердеющие композиции («холодная сварка») позволяют значительно сократить время восстановления автомобильных деталей. Вместе с тем, высокая скорость отверждения приводит к возникновению значительных внутренних напряжений в клеевом шве, что снижает прочность соединений. Кроме этого сегодня выдвигаются более высокие требования к эпоксидным композициям по термостойкости. В промышленном производстве применяется комбинированный (клеесварной) метод герметизации стыков деталей, выполненных из стали или чугуна [44, 58, 92, 93], заключающийся в совместном применении двух технологических процессов – склеивания и электроконтактной сварки [58].Основные технологические операции: подготовка поверхности детали, нанесение клеевого состава, установка стальной пластины и приварка ее электроконтакным точечным способом. Из-за трудности получения герметичного сварного соединения часто прибегают к обмазке клеевым составом шва и околошовной зоны [23]. Длительный процесс отверждения, низкая технологичность не позволили данному методу найти широкое применение в ремонтном производстве.
Теоретическое обоснование параметров теплофизических процессов при электроимпульсной наплавке легированных ферромагнитных порошков
Существенный вклад в развитие электроимпульсного способа внесли следующие ученые: В.И. Абрамов, Л.М. Акулович, Ю.П. Александров, В.П. Ананьев, Б.П. Борисов, А.Е. Гитлевич, К.К. Гуларян, С.Ю. Жачкин, Е.Г. Коновалов, Л.М. Кожуро, Н.И. Лазаренко, В.А. Люцко, И.Ф. Марченко, И.А. Мишин, В.С. Новиков, И.Т. Сычева, Г.С. Шулев, Б.П. Чемисов, В.И. Черноиванов, П.И. Ящерицын и другие [3, 6, 8,47,52].
На ремонтных предприятиях для нанесения металлопокрытий при восстановлении изношенных деталей электроимпульсным способом применяются в установки конденсаторного типа, работающие по принципу периодического контактирования электрода с деталью. Они просты по устройству и надежны в эксплуатации. Основным недостатком этих установок является низкий коэффициент полезного действия, невысокая производительность и небольшая толщина покрытия до 0,1 мм [47].
При анализе установок на базе выпрямителя типа ВСА-3М и ВКГ-101A установлено, что при напряжении 3…12 B количество наносимого материала ограничено. ЦНИЛ-Электромом совместно с институтом прикладной физики АН MCCP разработаны установки типа ЭФИ-10М, ЭФИ-11Б и ЭФИ-66, которые отличаются высокой мощностью и производительностью за счет применения многоэлектродной обработки [8]. Применение дорогостоящих электродов в виде монолитных стержней большого сечения (до 3,1104 м2 на установке ИАС-3), для расплавления которых затрачивается большая энергия источника питания, вызывает коробление деталей и образование микротрещин. Большое количество электродов и механизмов для их подачи и вибрации усложняют конструкцию многоэлектродных установок, особенно при нанесении покрытий на фасонныеповерхности[45]. Для устройств с материалами стержневого вида характерна многократность импульсного воздействия, как на наносимое покрытие, так и на торцевую часть электрода, что приводит к образованию нитридов, охрупчиванию покрытия и повышению шероховатости поверхности. Применение токопроводящих порошков позволяет значительно повысить производительность процесса при меньших расходах электрической энергии, повысить качество покрытия, исключить трещинообразование за счет уменьшения термического влияния на деталь, повысить износостойкость металлопокрытия и наносить покрытие с заданными физико-механическими свойствами. Однако, пористость металлопокрытий сдерживает применение электроимпульсного способа в ремонтном производстве [52]. При ручном нанесении металлопокрытий имеет место низкая производительность и качество покрытий. Для механизации процесса разработаны установки типа ЭФИ-10М, ЭФИ-11Б, ЭФИ-66, однако малая толщина металлопокрытия и высокая шероховатость поверхности ограничивают их применение. Производительность установок не превышает 0,33…0,6510-4 м2/с, толщина покрытия составляет 0,2 мм при токе 80…150 А. Повышение производительности до 1,310-4 м2/с и толщины до 0,8 мм получено на установке ИАС-3 за счет потребления большой мощности источника питания (сила тока 350А, напряжение 50В) [4]. Увеличение мощности импульсов тока привело к развитию электроимпульсного способа, который основан на контактировании электрода с поверхностью детали. При пропускании тока большой мощности электрод оплавляется и переносится на деталь в жидкой фазе, что позволяет увеличить толщину металлопокрытия. При этом усложняется технологический процесс и понижается усталостная прочность восстановленных деталей до 30…70% [6]. Было предложено сердечники электромагнитов и детали подключать к внешнему источнику электрического тока, что обеспечивает получение дополнительных искровых разрядов, тогда взаимодействие частиц порошка и вращающейся детали кратковременно. При этом происходит возбуждение искрового разряда. Дополнительная тепловая энергия электрических разрядов в частицах порошка, дает полное его плавление в результате чего и происходит нанесение небольших порций расплава порошка на поверхность обрабатываемой детали [5]. С целью получения толстослойных покрытий в условиях «жестких» режимов был предложен предварительный нагрев электрода в пределах 10…30% от температуры плавления его материала [47]. В [8] разработаны и исследованы процессы восстановления деталей с роторным (вращающимся) электродом-инструментом. Многократное воздействие высоких температур и ударных нагрузок в процессе перемещения рабочего инструмента вдоль обрабатываемой детали приводит к переносу материала анода на катод и разрушению ранее перенесенного металла; повышению доли хрупкого разрушения легирующих элементов и их карбидов, что снижает качество покрытия, его плотность и шероховатость[122]. Малая осевая подача рабочего инструмента объясняется недостаточной точностью дозирования присадочного порошкового материала. Разбрызгивание части подаваемого в рабочую зону порошка, различные влажность и гранулометрический состав усугубляют процесс дозирования, его точность носит случайный характер. Нанесение тонкослойных покрытий по винтовой линии с незначительным перекрытием слоя невозможен, так как при избытке порошка в рабочей зоне покрытие характеризуется значительной пористостью и недостаточной сцепляемостью, а при недостатке порошка процесс переходит в режим резания [5]. Имеются данные о проведении электроимпульсного метода в присутствии азота. В общем охлаждающая среда повышает стабильность электроимпульсного способа, но ухудшает физико-химические свойства покрытия[6].
В [8] показано разработанное дополнительное устройство, позволяющее использовать и другие порошковые материалы, но при этом перенос материала порошка на поверхность детали и производительность процесса значительно ниже, чем в случае использования ферромагнитного порошка. В направлении интенсификации процесса, повышения качества и толщины покрытия предложены различные способы и пути реализации. Рассматриваются процессы с использованием ультразвуковой частоты; с уменьшением значения магнитной индукции в процессе обработки за время прохождения одного импульса источника тока; с использованием импульсного (переменного) магнитного поля, при котором каждому импульсу магнитного поля соответствует импульс источника тока [46]. Магнитное поле является активным технологическим фактором, определяющим свойства восстановленной детали. Применение магнитного поля для интенсификации электрофизических способов обработки и нанесения металлопокрытий привлекает все большее внимание исследователей.
Экспериментальная установка для реализации ЭИС нанесения металлопокрытий в магнитном поле
Активаторы должны быть инициаторами активной диффузии. Во многих работах в качестве активаторов железа рассматриваются такие элементы как алюминий, бор, кремний. Они легко образуют сплавы соответствующие легкоплавким эвтектикам и приводят к снижению поверхностного натяжения в точке наплавки. Такие активаторы как кремний, бор широко используются в качестве легирующих добавок. При высоких температурах они образуют полимеры, растекающиеся по поверхности основы и защищающие её от окисления.
Другая особенность действия активаторов – это возможность их использования в качестве подслоя. Подбор таких систем по химическим свойствам дает прочное сцепление покрытий с основой. В качестве таких систем используются [9] 88% Ni и 9-10% Р; 70% Ni, 20% Сr, при этом удается снизить температуру получения слоя из шихты с более высокой температурой припекания. В любом случае действие активаторов при использовании их в получении покрытий электроимпульсным способом сводится к усилению устойчивости порошка к импульсному воздействию.
При нанесении покрытий электроимпульсным способом продукты разрушения выделяются в трех фазах: паровой, жидкой и твердой [64], количественный состав которых зависит от химической природы. Процесс разрушения определяется таким понятием как эрозионная стойкость. Эрозионная стойкость обусловлена интенсивностью разрушения электродов и определяет качество и толщину наносимого покрытия. С повышением температуры плавления материалов дисперсность получаемых продуктов эрозии должна быть более высокой.
С помощью статистического метода была определена зависимость величины эрозии металлов от их теплофизических констант [95]. В качестве независимых переменных выбраны: теплота плавления и испарения, температура кипения и плавления, теплопроводность и теплоемкость материалов электродов. Причем величина эрозии анода падает с ростом температуры полной теплоты плавления массы металла, подвергающегося эрозии [55] и с ростом теплоты сублимации и теплосодержания на единицу объема при температуре [32]. На эрозионную стойкость анода влияет электронное строение металла, а с повышением модуля упругости переходных металлов их эрозия в общем случае уменьшается. Для тугоплавких соединений – карбидов и боридов – низкая эрозионная стойкость связана с высокой хрупкостью этих материалов [10]. Поэтому в продуктах эрозии больше частиц хрупкого разрушения, анод скалывается кусками значительной величины от 0,5 до 1 мм. Снизить долю хрупкого разрушения и повысить эрозионной стойкости тугоплавких соединений, можно за счет введения пластичных добавок железа, кобальта или никеля [126], обладающих высокой коррозионной устойчивостью. Эффект повышения эрозионной стойкости зависит от способности металла перераспределять электронную плотность[124]. Например, никель в качестве связки, обладает более сильными акцепторными свойствами, чем кобальт и железо и в большей степени уменьшает эрозию в отличие от двух последних металлов. Эрозионная стойкость зависит и от хрупкости тугоплавкого соединения, чем она выше, тем при большем содержании пластифицирующей добавки композиционный материал обеспечивает качественное проведение процесса упрочнения.
Изменение силы тока, напряжения, удельной длительности процесса оказывают значительное влияние на эрозию материала[77]. Изменяется величина его переноса и качество металлопокрытий. Масса вещества, переносимого с анода на катод, пропорциональна количеству электричества прошедшего через разрядный контур электрической цепи [41]. При увеличении токов короткого замыкания и напряжения эрозия анодов возрастает. На величину эрозионной стойкости влияет длительность процесса упрочнения[98]. При увеличении длительности процесса и больших токах короткого замыкания, возникающих в зоне контакта, происходит выгорание поверхностных слоев основного металла [53] и значительное понижение качества покрытия.
Важным в этом процессе является и количество пластичной связки. Наиболее оптимальным является содержание 10…30% [28], дальнейшее повышение процентного содержания связки способствует снижению прочности связи между карбидными частичками в мягкой основе. Это объясняется тем, что составляющие упрочняющего электрода будут обладать различными температурами плавления и когда карбидные частицы только размягчаются и закрепляются на подложке, металлические составляющие анода могут закипать и испаряться. При этом происходит нарушения сплошности покрытия, появляются трещины, пустоты. Причем при содержании связки до 30% значения коэффициента переноса металла стабилизируются.
Известно [109,110], что на прочность связи переносимого материала с металлом подложки влияет характер взаимодействия материала анода и катода. Прочность связи тем выше, чем больше склонность материала анода к образованию твердых растворов с катодом, поэтому при упрочнении металлами, для которых ограничена растворимость в материале катода, сцепление нанесенного слоя менее прочное. К таким металлам относятся титан, молибден, вольфрам, ниобий, тантал. Если в данном случае происходит отслаивание покрытия вместе с материалом катода, то при работе с металлами, образующими неограниченные твердые растворы образуется покрытие без видимых трещин и раковин [126]. Наиболее эффективными являются такие металлы как ванадий, никель, кобальт, хром. Состав упрочненного слоя не всегда зависит от материала подложки. Это характерно для металлов, подвергающихся в процессе обработки многократным полиморфным превращениям.
Получение и структура частиц Fe-Co
Для синтеза легированных частиц системы железо-кобальт из независимого испарителя по системе газовых трубок в реактор подавался пар карбонила кобальта (Co2(CO)8) и затем происходило совместное разложение (пиролиз) паров Fe(CO)5и Co2(CO)8. Испарение металлсодержащих веществ производилось раздельно при различных температурах и скоростях несущего газа аргона. Таким образом, контролируя скорость испарения одного из компонентов, например карбонила железа, можно изменять содержание железа в газовой фазе и, как следствие, соотношение Fe/Co в частицах, что должно позволить варьировать содержание кобальта в частицах во всем диапазоне концентраций от 0 до 100%.
По данным электронной микроскопии структура полученных частиц системы железо-кобальт практически не отличается от частиц железа. Частицы имеют форму, близкую к сферической, и состоят из металлического сердечника и оксидной оболочки, полученной в результате контролируемого окисления при пассивации. При увеличении содержания кобальта более 30 массовых % наблюдаются дефекты типа двойников, которые полностью отсутствуют в структуре частиц на основе чистого железа. Сплавы железо-кобальт при высоких температурах имеют гранецентрированную кристаллическую решетку (ГЦК) [178]. При получении легированных частиц методом газофазного синтеза скорость испарения карбонила кобальта намного ниже, чем карбонила железа[181] и температура в реакторе разложения не превышала 700С. При увеличении температуры реактора размер частиц существенно увеличивается. При этом не наблюдается следов упорядоченной фазы Fe-Co или гексагональной фазы на основе кобальта. Размер частиц, а также содержание кобальта контролировалось параметрами процесса синтеза: расход несущего газа, температура испарения, резидентное время в реакторе и температура разложения паров карбонилов. Намагниченность частиц увеличивается при увеличении размера (рис.4.2), что связано с уменьшением доли оксидов и доли суперпарамагнитной составляющей. Максимум намагниченности до 234 АЧм2/кг наблюдается при 43 вес.% кобальта. Отметим, что максимальное значение намагниченности насыщения превышает соответствующее значение для частиц на основе железа такого же размера более, чем в 1.3 раза, а также превышает теоретическое значение для чистого железа М = 225 Ам2/кг [174].Изменению намагниченности соответствует тенденции для компактного сплава железа при легировании кобальтом, однако максимум намагниченности продолжает наблюдаться при содержании кобальта до 55%. В случае исследованных частиц, снижение намагниченности насыщения наблюдается уже при содержании кобальта ниже 50 вес. %[114,167,178].
В процессе восстановления деталей электроимпульсным способом в магнитном поле происходит перенос материала ферромагнитного порошка на поверхность детали. При этом толщина упрочненного слоя находится в зависимости от количества перенесенного материала на поверхность детали, удельной рабочей нагрузки накатника, которая определяется сочетанием технологических факторов процесса. Один и тот же привес детали можно получить при различных сочетаниях уровней технологических факторов процесса. При этом характеристики упрочненного слоя будут различными.
Эксперименты показали, что влияние этого эффекта наиболее значительно при уменьшении первоначальной массы твердого вещества более, чем на 30%. Существенно увеличить скорость испарения, а, следовательно, и концентрацию карбонила в газовой фазе, можно увеличением массы исходной навески карбонила. При увеличении массы скорость испарения увеличивается[182]. Поэтому в каждом эксперименте исходная масса карбонила также контролировалась.
Таким образом, проведенное предварительное изучение скорости испарения карбонила кобальта позволило оцепить время, при котором испарение происходит равномерно с практически постоянной известной скоростью. При этом, если использовать не более 20% от исходной массы карбонила кобальта в каждом эксперименте при температурах не превышающих 45С, можно считать, что скорость испарения практически постоянна.
