Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы, цель и задачи исследования 11
1.1. Особенности спекания порошков электроконтактным нагревом 11
1.2. Существующие подходы к определению режимов ЭКН МП при разработке технологий изготовления и восстановления деталей 22
1.3. Методы определения режимов в аналогичных процессах 30
Выводы 36
Глава 2. Математическое моделирование процесса электроконтактного напекания металлических порошков 39
2.1. Основные процессы, протекающие при напекании, и факторы, влияющие на качество покрытия 39
2.2. Математическая модель процесса напекания 45
2.3. Преобразование математической модели 52
2.4. Идентификация параметров математической модели
2.4.1. Идентификация эффективной объемной теплоемкости 61
2.4.2. Идентификация эффективного удельного сопротивления 63
Выводы
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 66
3.1. Общая методика 66
3.2. Материалы и образцы для проведения экспериментальных исследований 67
3.3. Экспериментальная и производственная установки (описание и порядок работы) 71
3.4. Методика определения области изменения режимов, обеспечивающих требуемый диапазон температур спекания 79
3.5. Методика регистрации параметров процесса и их интерпретация 82
3.6. Частные методики
3.6.1. Определение прочности сцепления слоя с основой... 94
3.6.2. Определение микропористости слоя 98
3.6.3. Определение металловедческих характеристик слоя 99
3.6.4. Определение износостойкости 99
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 103
4.1. Результаты сравнения способов обработки экспериментальных данных 103
4.2. Результаты идентификации параметров математической модели ПО
4.3. Оценка качества напеченных покрытий и прогноз режимов на производственную установку 116
4.4. Сопоставление результатов прогноза и натурного эксперимента 121
Выводы 129
Глава 5. Методика разработки технологий, основанных на элктроконтактном нагреве, и ее экономическая оценка 130
5.1. Методика прогнозирования режимов для новых ЭКН-технологий 130
5.2. Оценка экономической эффективности предлагаемой методики 139
Общие выводы 145
Литература
- Методы определения режимов в аналогичных процессах
- Идентификация эффективной объемной теплоемкости
- Методика регистрации параметров процесса и их интерпретация
- Сопоставление результатов прогноза и натурного эксперимента
Методы определения режимов в аналогичных процессах
Изучение процесса ЭКН МП было проведено в ряде научных организаций и учреждений, например, в ВНПО «Ремдеталь» под руководством А.В. Поляченко [57-61], в институте проблем надежности и долговечности машин АН Белоруссии под руководством Н.Н. Дорожкина [23-26], в ЧИМЭСХ под руководством И.Е. Ульмана и Ю.С. Тарасова [34, 76, 87], в АГАУ под руководством В.Н. Чижова [9, 44, 110] и другими авторами [20, 49, 75].
В данных работах прослеживается ряд попыток обобщения результатов исследования с целью переноса их на другие детали и схемы производственных установок при разработке новых технологий. Анализ рассматриваемых работ выявил два основных направления в определении режимов процесса: - получение удельных показателей процесса и использование их при определении режимов на других установках; - теоретическое описание процессов, происходящих при ЭКН, позволяющее найти взаимосвязь между основными технологическими параметрами и обосновать выбор режимов.
Первое направление базируется на методах физического моделирования, на основе которого авторы создавали образцы, по своим свойствам и размерам приближающиеся к исходным деталям. Далее подбирали оптимальное соотношение легирующих элементов в композиции порошка, обеспечивающее высокую износостойкость и стабильное формирование напекаемого покрытия. Применяя метод активного планирования эксперимента, авторы находили рациональное сочетание параметров, позволяющих достичь наилучшего качества напеченных покрытий. Получив удельные параметры, переносили их с образцов на детали и при необходимости делали небольшую корректировку режима. Преимущество этого направления заключается в простоте проводимых расчетов, позволяющих после проведения исследований на модельных образцах для данной композиции порошка переносить ре 23 жимы на детали. Так, в работе [76] проводя напекание встык, относили силу
тока, напряжение на контактах и давление прессования к толщине напеченного слоя порошка. Но полученные удельные показатели при использовании на других установках давали разброс качества напеченного слоя порошка, в результате чего требовалась корректировка полученного режима.
Изучая ЭКН МП на детали с большой протяженностью рабочей поверхности, в работе [75] автор обратил внимание на взаимосвязь между энергетическими параметрами установки и шириной ролика-электрода. Согласно работе [49] от ширины ролика-электрода зависит толщина наносимого покрытия. Однако дальнейшие исследования показали, что эта зависимость имеет нелинейный характер, затрудняющий использование получаемых удельных показателей при назначении режимов на других установках.
Дальнейшее развитие этого направления позволило в работе [97] перейти к площади пятна контактирования, которая позволяет учесть и ширину ролика-электрода, и толщину напеченного слоя. Для получения удельных показателей выведена формула по определению площади пятна контактирования: где SK - площадь пятна контактирования, м ; В - ширина ролика-электрода, м; dR - диаметр детали, м; h - толщина напеченного слоя, м; zy - степень уплотнения порошка при напекании: zy= , (1.2) Yn Y СП - отношение плотности наращенного слоя к насыпанной плотности Yn порошка, используемого для наращивания. Но получаемые удельные показатели не учитывали распространение выделившегося тепла в деталь, поэтому в работе [98] было предложено использование энергетического параметра, полученного на основе критериальной зависимости основных параметров процесса: Ен = т=, (1-3) 1,25-SK-VH-Va t где Ен - удельная энергия напекания, Дж/м4; I - сила тока напекания, А; U - напряжение, В; V„ - линейная скорость напеканя, м/с; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; t - время действия источника тепла (время спекания слоя), с. Получение зависимости качественных характеристик слоя от величины энергетического критерия показали хорошую сходимость получаемых результатов [44] (рис. 1.5).
Использование коэффициента температуропроводности позволило учесть скорость распространения тепла внутрь детали. Однако эта величина переменная, зависящая от температуры. Отличие геометрических размеров образцов от деталей приводит к изменению температурного режима при на-пекании детали и, как следствие, к изменению качества напеченного слоя порошка. Использование энергетического критерия применимо при работе с однотипными деталями. Дальнейшее совершенствование данного подхода, направленное на учет параметров установки и наносимого порошка, может сделать его приемлемым для различных схем ЭКН с разной геометрической формой деталей и различных композиции порошка. Применение удельных значений параметров позволяет сократить объем экспериментальных исследований. Но при распространении полученных значений трудно добиться требуемого результата при изменении схемы установки или состава порошковой композиции.
Идентификация эффективной объемной теплоемкости
В этом случае наряду с механизмами граничной диффузии играют роль вязкое и пластическое течение [75], объемная и поверхностная диффузии, перенос вещества через газовую фазу, т.е. те виды транспорта вещества, которые имеют место при спекании [17]. По заключению работы [118] пластическое течение оказывает сильное влияние на скорость диффузии, интенсифицируя ее. Диффузионные процессы массопереноса активируются благодаря совместному действию температуры и давления. Полнота протекания диффузионных процессов определяет качество напекания, характеризуемое, в частности, значением прочности сцепления напеченного покрытия с поверхностью детали, величиной микропористости и др. Моделирование процессов диффузии при ЭКН в принципе возможно, но является сложной задачей [66]. Сопутствующие процессы (электрические, механические, окисления и д.р.) сильно усложняют модель, требуя всесторонних теоретических и экспериментальных исследований. Поэтому необходимо рассмотреть основные из них - те, которые влияют на диффузию, определить факторы, оказывающие влияние на формирование напеченного покрытия.
Рассматривая процесс формирования слоя порошка, можно отметить влияние механических процессов на диффузионные. Процесс прессования порошка, определяемый геометрией электрода и детали, физико-механическими свойствами порошковой композиции и величиной усилия на электродах, способствует сближению частиц, уменьшению электрического сопротивления слоя порошка и локальному повышению температуры в местах контактирования.
В начальный момент, когда частицы находятся в свободном состоянии, порошок характеризуется малой плотностью, так как слой образован мостиками и арками из хаотически расположенных частиц. В данном случае процессы, протекающие в порошке (процессы окисления), не способствуют протеканию диффузионных процессов. При увеличении нагрузки упругие деформации заменяются на деформации сдвига, трения и изгиба, переходящие в пластические, что в значительной мере активирует контактирующие поверхности. Разрушение оксидных пленок способствует протеканию процесса экзоэлектронной эмиссии, уменьшая электросопротивление порошковой композиции. Пластическое деформирование контактирующих поверхностей способствует локальному выделению тепла в местах контакта [42]. Основное влияние процесс прессования оказывает на контактное сопротивление порошка, т.е. механические процессы взаимно увязываются с электрическими через сопротивление слоя порошка.
При рассмотрении влияния электрических процессов на формирование напекаемого покрытия установлено, что при ЭКН действуют электромеханические силы и появляются эффекты, порождаемые током. Электроперенос в порошковых частицах во многом подобен электропереносу в тонких металлических пленках. Это связано с существованием развитой поверхности у частицы порошка, а состав и физико-химические свойства поверхностных слоев частиц зачастую существенно отличаются от состава и свойств металла в глубине частиц. Поэтому интенсификация процессов диффузии начинается в начальные моменты (начало искровых разрядов п. 1.1) прохождения электрического тока, когда удельная поверхность порошковой массы относительно велика и сопротивление поверхностей раздела порождает высокие температурные градиенты [119]. Однако интенсификация процессов диффузии в момент искровых разрядов ограничена во времени, так как при ЭКН данная стадия сразу переходит в стадию установившихся контактов. Здесь происходит выделение тепла при прохождении электрического тока через частицы порошка. Сказанное обуславливает сложность и нечеткую выраженность связи факторов электрических процессов с качеством напеченного покрытия. Но электрические процессы обуславливают основное тепловыделение в слое. Выделяющееся тепло при прохождении электрического тока способствует повышению температуры в слое порошка. При этом основное тепло выделяется на участках с большим электросопротивлением, то есть в местах контактирования. Это ведет к интенсификации процессов термодиффузии на начальной стадии разогрева порошка. В связи с тем, что рост температуры происходит во всем объеме слоя порошка при увеличении силы тока в слое, диффузионные процессы протекают в полной мере, способствуя получению хорошо сформированных межчастичных соединений. При этом рост температуры зависит от количества тепла, выделившегося в слое порошка, которое в свою очередь определяется временем протекания процесса напекания и мощностью теплового источника. Таким образом, основное формирование физико-механических свойств спекаемого порошка происходит в процессе достижения температуры спекания (см. гл. 1). Следовательно, температура спекания является основным фактором, определяющим качество формирования напеченного покрытия. Это подтверждают и зависимости показателей прочности сцепления и микропористости от максимальной температуры (рис. 2.1) [44]. Величина температуры обеспечивающей спекание обусловлена как свойствами порошковой композиции (электрическим сопротивлением, теплоемкостью порошка), так и параметрами режима процесса (напряжением на контактах, временем спекания и давлением прессования).
Проведенный анализ процессов показывает сложную взаимосвязь (рис. 2.2) диффузионных, тепловых, электрических и механических процессов. Получение заданного качества покрытия является основополагающим условием разработки технологического процесса, поэтому при моделировании процесса следует учитывать влияние наибольшего количества факторов. Основными из них являются: для механики процесса - давление прессования, электрические процессы определяются мощностью источника тока, а тепловые характеризует температура спекания. В то же время температура спекания зависит и от давления, и от мощности источника тока, аккумулируя в себе их влияние.
Методика регистрации параметров процесса и их интерпретация
Идентификация эффективных физических характеристик порошковых композиций подразумевает решение обратной задачи теплопроводности, в которой по результатам термометрирования объекта исследования определяются неизвестные параметры математической модели. Для ее осуществления необходимо на конкретной детали и композиции порошка провести опыт и по снятым показаниям процесса вычислить неизвестные параметры математической модели. Однако параметры математической модели зависят от значения температуры в зоне спекания. Поэтому для прогнозирования режима необходимо знать значение температуры спекания, которое будет задано на производственной установке (ПУ). С этой целью необходимо провести исследования порошковой композиции для определения температуры спекания, обеспечивающей заданное качество напеченного покрытия.
В первой главе было отмечено, что проведение таких исследований связано с большими затратами труда и материальных ресурсов. В данном случае необходимо большое количество деталей для исследования, композиций порошков, расходных материалов. В связи с этим более удобно провести исследования по физическому моделированию процесса ЭКН МП. Физическая модель должна включать в себя основные этапы формирования напеченного покрытия. При этом она должна упрощать и сокращать объем экспериментальных исследований.
В соответствии с этими требованиями и была разработана экспериментальная установка (ЭУ), принципиальная схема которой представлена на рисунке 2.6.
Установка состоит из двух стержней - медного и стального, находящихся в теплоизолирующей оболочке. К ним приложена сила F и подведено переменное электрическое напряжение U. В промежутке между стержнями находится порошок, который разогревается при прохождении через него элек 60 трического тока. Разогреваемый порошок достигает температуры пластической деформации, деформируется и припекается к поверхности стального стержня. По достижении заданной температуры сварочный трансформатор выключается и медный электрод отводится - процесс закончен.
Отличительная особенность процесса формирования напеченного покрытия на ЭУ (рис. 2.7) по сравнению с процессом на ПУ (рис.2.5) состоит в том, что на ЭУ несколько по-иному протекает стадия холодного прессования. F
Отсутствие стадии холодного прессования моло сказывается на прохождении диффузионных процессов во время формирования напеченного слоя на ЭУ. Согласно работам [17,66] коэффициент диффузии увеличивается на один-два порядка с момента начала искровых разрядов. Именно в этот момент значительно активируются механизмы переноса вещества (граничная диффузия, электронный перенос дислокаций в момент начала прохождения электрического тока, объемная диффузия и др.). Таким образом, можно предположить, что на ЭУ во время формирования напеченного покрытия протекают все диффузионные процессы в полной мере подобно тому, как и на ПУ, а стадия холодного прессования вносит незначительный вклад в процессы диффузии. Следовательно, допускаем, что качество напеченного покрытия, полученного на ЭУ, аналогично качеству, полученному на ПУ, при достижении одинаковой температуры спекания Тсп в слое порошка и давлении Р на порошок на обеих установках. Это позволяет говорить о том, что ЭУ (рис. 2.7) является физической моделью ПУ (рис. 2.5). Значит, в дальнейших исследованиях правомерно использование ЭУ для подбора состава композиции порошка и идентификации параметров математической модели.
Использование ЭУ при проведении экспериментальных исследований позволяет уменьшить их сложность. Помимо этого экономятся присадочный материал и материал образцов для эксперимента, сокращается время проведения одного опыта, что позволяет использовать ее для подбора состава композиции порошка. Для нахождения параметров математической модели на данной ЭУ (рис.2.7) необходимо решить обратную задачу, рассматриваемую в работах [1, 86]. Но для этого нужно разработать математическую модель ЭУ по аналогии с математической моделью ПУ.
Выберем декартову систему координат. В связи с тем, что стержни находятся в теплоизолирующей оболочке и теплоотвод в окружающую среду пренебрежительно мал, будем рассматривать распространение теплоты по одной координате х (как показано на рисунке 2.7). Считая равномерным распределение тепловых источников по толщине спекаемого слоя в каждый фиксированный момент времени, воспользуемся методом термически тонкого слоя [33]. Тогда согласно тепловой схеме, представленной на рисунке 2.76, запишем уравнение теплового баланса по аналогии с уравнением (2.36):
Сопоставление результатов прогноза и натурного эксперимента
Прочность сцепления напеченного слоя с основным материалом является одной из важных характеристик работоспособности полученного покрытия. Оценка прочности сцепления может быть реализована различными способами: так, например, методы отрыва штифтов [73, 76] или слоя [39] путем приложения нормальной нагрузки. Известны способы оценки прочности сцепления путем осевого сдвига [45]. Однако перечисленные способы имеют ряд недостатков, и в частности, не удовлетворяют по трудоемкости и точности.
Как известно, используемые оценочные показатели характеризуют работоспособность изучаемого покрытия, следовательно, способ оценки конкретного параметра должен максимально приближаться к реальным условиям работы. Согласно исследованиям [88] наиболее приемлемым в нашем случае является метод касательного сдвига напеченного покрытия, так как во время работы в напеченном слое основные нагрузки возникают за счет касательных сил. Однако регистрация нагружения при касательном сдвиге ограниченной площадки слоя осуществлялась либо индикатором [97], либо записью на ленту осциллографа [44].
Использование индикатора для исследований осложняется резким колебанием стрелки индикатора в момент отрыва площадки. При записи на ленту, не смотря на высокую точность, значительно возрастает трудоемкость проводимых исследований.
Анализ способов определения прочности сцепления напеченного слоя позволил сконструировать установку (рис. 3.12), основными элементами которой являются: пневмоцилиндр (1), пневморедуктор (2), манометр (3) и балка равного сопротивления (4) (рис. 3.13).
Образец для испытаний на прочность сцепления: 1 - напеченный слой; 2 - основа Возможный диапазон изменения прочности сцепления для исследуемых напеченных покрытий находится в пределах 100.. .350 МПа. В результате для исследований использовали пневмоцилиндр с диаметром поршня 53,1 мм. При этом во время исследования устанавливали отношение надпоршневого пространства к подпоршневому, равным 5, что обусловило достижение требуемой точности измерений.
Образец для испытания (рис. 3.14) - стержень с напеченным на торцовую поверхность слоем - обработан таким образом, что на нем получено 2 площадки размером 2-2 мм.
Готовый к испытанию образец (7) устанавливается в зажимное устройство (6) так, что вылет его не превышает 10 мм от оси штока пневмоцилинд-ра. Под каждую площадку последовательно подводилась консоль балки (4). Поворотом рукоятки пневморедуктора (2) создавалось давление в верхней полости пневмоцилиндра (1). В момент отрыва увеличение давления прекращалось, и происходил визуальный контроль давления в верхней полости пневмоцилиндра при помощи манометра (3).
Обработка полученных результатов осуществлялась согласно выражению: где т - прочность сцепления напеченного слоя с основой, МПа; к - число повторностей опытов при напекании, к=3; п - число повторностей опытов при определении прочности сцепления на каждом образце, п=3; Pui - давление в верхней полости пневмоцилиндра при сдвиге і-й площадки напеченного слоя j-го образца (повторности), МПа; Кп - переводной коэффициент. Относительная погрешность оценки прочности сцепления на исследуемых образцах составила 4,2%. 3.6.2. Определение микропористости слоя
Исследованиями ряда авторов [49, 73, 76, 97] доказано, что микропористость является одной из важнейших характеристик работоспособности напеченного покрытия. Следовательно, определение данного параметра является необходимым при оценке качества напеченных покрытий.
Определение микропористости осуществляют различными методами [73, 76 ], так, например, расчетно-весовой метод, определение пористости по удельному весу, метод пропитки в масле или парафине, метод линейных сечений, косвенный метод (по твердости покрытия). Однако большая трудоемкость реализации методов снижает эффективность их использования.
Изготовление микрошлифов, необходимых для метода линейных сечений, метода планиметрического анализа микроструктур (ГОСТ 18898-73) и метода сетки приводит к разрушению исследуемого образца и невозможности использования его в дальнейших исследованиях.
Метод определения микропористости по диаметру масляного пятна после полного впитывания капли масла лишен этих недостатков [44]. Значение пористости определялось по формуле: і от V К П= V -100%, (3.14) d2-h где П - микропористость напеченного слоя, %; V - объем капли масла, м ; d - диаметр масляного пятна, м; h - толщина напеченного слоя, м; к - эмпирический коэффициент, учитывающий закрытую пористость и неполноту заполнения пор, к= 1,1... 1,3. Согласно работе [43], относительная погрешность измерения пористости не превышала ±5%. 3.6.3. Определение металловедческих характеристик слоя Для выявления внутренного строения напеченных слоев металла проводили структурные исследования с использованием оптического микроскопа типа МИМ-8М. Шлифы готовились по стандартным методикам (механического шлифования на абразивных шкурках различной зернистости и последующего полирования с применением алмазных паст). Травление шлифов проводили в 4%-ном растворе азотной кислоты в спирте. Фотографии микроструктур получены на микроскопе МИМ-8М.
Одной из важнейших характеристик качества напеченного покрытия является способность материала сопротивляться внедрению инородных тел, характеризуемая параметром микротвердости. Этот параметр позволяет качественно оценить микроструктуру исследуемого материала, ее однородность, насыщенность твердой фазой и равномерностью распределения твердой фазы в матрице материала [44]. Также параметр микротвердости позволяет косвенно охарактеризовать способность материала сопротивляться абразивному износу [51].
