Методы обработки самофлюсующихся покрытий. Индукционное оплавление

определять параметры эксплуатационных и предельных состояний железобетонных элементов при силовых и коррозионных воздействиях.

Предполагая неизменным характер и интенсивность деградационного воздействия окружающей среды, задаваясь реономными моделями деградации бетона и арматуры, с помощью ди-ахронной модели деформирования можно прямо определять проектный ресурс вновь возводимых и остаточный ресурс эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций по информации о наступлении следующих предельных состояний:

достижения растянутой арматурой в трещине предела текучести по условию а5 =

исчерпания несущей способности сжатого бетона в сечении с трещиной по условиям гь = гш либо аь = Яь;

разрушения системы сцепления из условия

Р = 1;

расслоения элементов с образованием и развитием вторичных трещин, исходящих из вершин пионерных трещин, по условию аг =

чрезмерного раскрытия трещин асгс = асгс и1г Важно отметить, что применение такой методики впервые открывает возможность своевременного повышения экономической эффективности проектных решений путем обеспечения однородной долговечности железобетонных конструкций с синхронизацией проектного ресурса отдельных зон, элементов и частей зданий и сооружений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Никитин, С.Е. Оценка эксплуатационных и предельных состояний, проектного и остаточного ресурсов коррозионно-поврежденных элементов с позиции блочной модели деформирования [Текст] / С.Е. Никитин, В.В. Белов // Проблемы современного бетона и железобетона: Сб. тр. в 2 ч. Ч. 1. Бетонные и железобетонные конструкции / Ред.: М.Ф. Марковский (гл. ред.) |и др.).— Минск: Минсктиппроект, 2009.-С. 127-138

2. Никитин, С.Е. Силовые и коррозионные нарушения контактной системы «арматура-бетон» [Текст] / С.Е. Никитин, В.В. Белов // Сб. науч. тр. между-нар. научно-техн. конф. «Строительная наука— 2010. Теория, практика, инновации Северо-арктическому

региону»,— Архангельск, 2010,— С. 83—91.

3. Maaddawy Т.Е., Analytical model to predict nonlinear flexural behavior of corroded reinforced concrete beams [Текст] / Т.Е. Maaddawy, K. Soudki, T. Topper // AC1 Structural Journal.— 2005.— Vol. 102. № 4,- P. 550-559.

4. Mangat, P.S. Flexural strength of concrete beams with corroding reinforcement [Текст] / P.S. Mangat, M.S. Elgarf // AC1 Structural Journal.— 1999,- Vol. 96. № 1,- P. 149-159.

5. Попеско, А.И. Работоспособность железобетонных конструкций, подверженных коррозии [Текст] / А.И. Попеско,— СПб.: Изд-во СПб гос. архит.-строит. ун-та, 1996,— 182 с.

УДК621.793.74:621.365.5

ЕЛ. Смирнова

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ САМОФЛЮСУЮЩИХСЯ ПОКРЫТИЙ. ИДУКЦИОННОЕ ОПЛАВЛЕНИЕ

Покрытия из самофлюсующихся сплавов на никелевой основе (ПГ-СР, СНГН, ПГ-12Н-01, ВСНГН), используемые в промышленности для восстановления и упрочнения деталей, имеют матрицу твердого раствора микротвердостью 3800— 4500 МПа и кристаллы карбидов (карбоборидов) переменного состава микротвердостью 7000— 11000 МПа. В зависимости от марки самофлюсу-

ющегося порошка твердость изменяется в пределах 35—62 Н ЯС. Износостойкость таких покрытий в оплавленном состоянии в 5,5 раз выше, чем закаленной стали 45 твердостью 52—55 НЯС.

Однако покрытие, полученное в результате напыления, по своей структуре является в значительной степени пористым: при соприкосновении с подложкой капля напылителя снизу за-

твердевает, а сверху растекается по затвердевшей поверхности, образуя фигуру похожую на диск с утолщением в средней части, что приводит к образованию слоистой структуры газотермических покрытий и их пористости. В некоторых случаях это свойство можно использовать, но, как правило, требуются плотные покрытия с низким содержанием пор, в том числе для упрочнения детали и повышения износостойкости.

При затвердевании капель обычно происходит кристаллизация материала с усадкой, и покрытие находится под действием остаточных напряжений растяжения. Эти напряжения возрастают с увеличением толщины покрытия и могут вызвать его отслоение. Остаточные напряжения внутри покрытия по величине могут быть соизмеримы с прочностными характеристиками покрытия. В этой связи вопрос о величине остаточных напряжений и методах снижения их уровня имеет принципиальное значение.

Кроме того, недостатком самофлюсующихся материалов является высокое значение температурного коэффициента линейного расширения, что также приводит к возникновению существенных напряжений на границе покрытия и подложки.

Другой существенный недостаток плазменных покрытий — их относительно невысокая адгезионная прочность.

Из многих факторов, определяющих условия образования прочной адгезионной связи [1], выделим основные, на которые возможно оказать влияние с помощью последующей обработки газотермического покрытия. Наиболее значительные из них: температура в зоне контакта покрытия и основы; пористость покрытия (влияющая на эффективную площадь контакта); наличие напряжений внутри покрытия и между покрытием и основой.

Исследователи в разное время занимались поиском путей улучшения свойств покрытий, нанесенных методом газотермического напыления. Можно выделить несколько основных технологий последующей обработки детали и повышения качества покрытия: пропитку покрытий специальными составами; окрашивание; поверхностное оплавление; плазменную дуговую обработку, ультразвуковое упрочнение; вакуумный отжиг; лазерную обработку.

До сих пор ни один из перечисленных методов не позволил решить проблему в комплексе.

В большинстве случаев для обработки поверхностей используют различные технологии оплавления. Одним из наиболее простых и широко применяемых методов упрочнения покрытий служит поверхностное газо-пламенное оплавление на воздухе, при помощи ацетилен-кислородной горелки либо в газовой печи.

Результаты исследований этого метода для самофлюсующихся покрытий на основе N1, Сг, В, 81, приведенные А. М Шмаковым в [2], свидетельствуют о высокой эффективности тонких покрытий (до 2 мм) при малом времени выдержки (до 3 с): полученные значения пористости составляют порядка 1 %, микротвердость — 606 (НУ 0,05). При увеличении времени выдержки микротвердость покрытия уменьшается. Для покрытий толщиной до 4 мм повышается средняя пористость оплавленного слоя, при малом времени выдержки до 3 с она составляет 9—11 %, что объясняется большей вязкостью расплава и невозможностью выхода пузырьков газа на свободную поверхность.

В качестве недостатка метода оплавления покрытия А. М. Шмаков приводит возможность шлакообразования на поверхности материала в случае перегрева: при газо-пламенном оплавлении, особенно в случае перегрева выше температуры плавления, наблюдается снижение твердости вследствие появления оксидных пленок бора и кремния, удаляемых в виде шлаков из объема покрытия.

К основным недостаткам термообработки оплавлением можно также отнести: сопутствующий нагрев подложки; невозможность прецизионного нагрева; сложность автоматизации процесса, что немаловажно при современном промышленном производстве.

Более эффективная модификация метода поверхностного оплавления — вакуумный отжиг изделия. Эта технология позволяет сильно уменьшить пористость покрытия и снять остаточные напряжения, благодаря чему можно повысить прочность покрытия. Уменьшение пористости наблюдается уже при 600 °С, остаточных напряжений — при 700 °С. Наибольший эффект достигается при нагреве до 1150 °С в течение 4—6 часов. Микротвердость покрытий составляет от 700 НУ 0,05 при нагреве в течение 50 минут до 1846 НУ 0,05 при нагреве 20 минут [2], что свидетельствует о снижении микротвердости с увеличением времени обработки.

Недостатками этого способа обработки являются дороговизна метода, длительность, а так-

же сложность применения для крупногабаритных деталей, обусловленная необходимостью вакуумной камеры. Кроме того, при всех видах оплавления, как вакуумного, так и газо-пламенного, также происходит нагрев детали, что в большинстве случаев нежелательно, поскольку может привести к изменению свойств металла вследствие отпуска либо деформации детали.

Ультразвуковая обработка может быть применена в качестве способа регулирования остаточных напряжений в плазменных покрытиях.

В.П. Безбородов в [3] предлагает использовать вибрационную обработку, аналогичную приметаемой при обработке сварочных соединений, для снятия остаточных напряжений покрытия. В работе [3] приведены результаты экспериментального исследования покрытий из порошкового состава на основе никеля (10-14 %Сг, 1,7-2,5% В, 1,3-3,2 % 81,0,3-0,6% С, N1 - остальное), нанесенного на цилиндрические образцы диаметром 4 см из стали 45 с помощью установки плазменного напыления. Толщина покрытия — 1мм, ширина пояска покрытия — 2 см. УЗО производили послойно ультразвуковым инструментом, колеблющимся с частотой 20 кГц и амплитудой 20 мкм. Результаты исследований показали, что УЗО изменяет строение и структуру покрытия. Повышается дисперсность основной фазы покрытия — твердого раствора на основе никеля, частицы деформируются и вытягиваются вдоль подложки, уровень остаточных растягивающих напряжений снижается. При усилии прижима ультразвукового инструмента РС] = 100 Н достигается полная релаксация напряжений в покрытии толщиной 1мм. Таким образом, использование УЗО позволяет повысить динамическую прочность деталей с покрытием, однако этот способ обработки никак не влияет на сцепление покрытия с подложкой. Авторы [3] также не упоминают о влиянии ультразвуковой обработки на пористость покрытия.

Лазерная модификация газотермических покрытий с использованием газовых С02-устано-вок — один из самых перспективных методов обработки покрытий. Основные преимущества данного вида обработки заключаются в высокой точности и возможности локального нагрева, а также в отсутствии перегрева подложки вследствие оплавления на больших скоростях за счет высокой концентрации вводимой энергии. Подробно технология лазерного модифицирования покрытий

рассмотрена у А.М. Шмакова в [2]. Приведены результаты исследований лазерной обработки покрытий из самофлюсующегося сплава ПГ12Н-02, материал подложки — порошковая сталь СП 70-2. Лазерную обработку осуществляли на лазерном технологическом комплексе ЛТК ЛТ1-2М. При исследовании микроструктуры материалов, облученных с максимальной скоростью перемещения луча (минимальныйэнерговклад), установлено, что проплавление покрытия толщиной 0,2 мм произошло на локальных участках глубиной 150—180 мкм. Более толстые покрытия (0,6 мм) оплавлению не подвергались и сохранили исходную структуру. Отсутствуют также изменения структуры переходной зоны. При средних значениях энерговклада (v = = 4 мм/с, Р— 700 Вт) отмечается полное проплавление покрытия при одновременном его уплотнении, остаточная пористость 1—3%. В области контакта покрытия с основой снижена микротвердость покрытия в связи с диффузией железа из материала основы, при этом в материале основы формируется зона термического влияния малой толщины. Средний энерговклад не достаточен для формирования прочной адгезионной связи, в связи с чем образцы имеют трещины адгезионного характера. При обработке излучением лазера с максимальным энерговкладом (v =4 мм/с, Р = = 1200 Вт) микроструктура образца представляет собой плотное оплавленное покрытие (пористость 1—3 %) и глубокую зону термического влияния в объеме основы (до 700 мкм), причем в переходной зоне отмечено снижение микро-тротвердости. Однако поверхность материала характеризуется волнистостью, формирующейся в виде валика, который образуется при повторных прохождениях луча по поверхности.

При исследовании одноосного деформирования растяжением образцов стали 40Х с покрытием из самофлюсующегося сплава, оплавленного лазером, было также установлено, что зарождение микротрещин происходит на границе контакта при нагрузке 480—500 МПа (температура испытаний 400 °С), что свидетельствует о слабом воздействии лазерной обработки на сцепление покрытия с подложкой. Установлено также, что одновременно с участками, которые граничат с основой покрытий на границе «первичные кристаллы — матрица», на порах и оксидах, а также в самих первичных кристаллах зарождаются трещины. Множественное появление трещин при деформации образца свидетель-

ствует о высоком уровне остаточных напряжений в покрытии после лазерного оплавления.

Относительно новым способом обработки является метод индукционного нагрева. Этот способ хорошо подходит для обработки деталей любых габаритов, в том числе крупногабаритных, может применяться при серийном производстве, но изделий узкой номенклатуры.

В работе [6] приводится описание и результаты исследования покрытий, обработанных с использованием установки ТВЧ непрерывно-последовательным методом с предварительным подогревом детали по следующей схеме: 1) до температуры 770-800 °С, 2) до 900-1050 °С, 3) до 1110-1150°С. Данная схема обеспечивает выравнивание теплового поля по всей поверхности детали, гарантирует проплавление покрытия по всей глубине, уменьшает тепловые деформации. В результате исследований установлено, что износостойкость покрытий, подвергнутых индукционной термообработке , оказалась в 1,1—1,4 раза выше, чем в случае традиционного газо-пламенного оплавления.

В [4] описаны результаты исследования оплавления покрытий из самофлюсующихся сплавов (в частности, ПР-Н73Х16СЗРЗ), нанесенных на образцы-имитаторы вала из стали 40Х диаметром 50 мм, токами высокой частоты двумя способами: однопроходным — со скоростным нагревом до температуры плавления покрытия; многопроходным — с постепенным повышением температуры от прохода к проходу Наилучшие результаты показал многопроходной способ оплавления с помощью трехвиткового индуктора.

Микроструктура покрытия, оплавленного индукционным способом, отличается более равномерным распределением высокодисперсных первичных кристаллов на основе никеля. Пористость оплавленного покрытия составила 2—4 %, микротвердость покрытия — 4730—6440 МПа.

Основное преимущество использования ТВЧ состоит в том, что индукционный нагрев позволяет производить оплавление материалов при дозированном выделении тепла в узкой зоне сцепления подложки с покрытием без существенного нагрева самой заготовки. На рис. 1 представлена эпюра распределения плотности тока внутри заготовки с покрытием. Такой характер распределения плотности тока объясняется следующим эффектом, обнаруженным еще в 60-е годы Г.И. Бабатом: при воздействии переменного электромагнитного поля на слоистую структуру с пе-

ременными свойствами электропроводности на границе раздела напряженности магнитного и электрического полей изменяются скачком, что приводит также к изменению скачком плотности тока и мощности, выделяемой в среде.

Для покрытий, нанесенных плазменным методом, удельные сопротивления покрытия и подложки могут различаться на 2—3 порядка. В этом случае данный эффект будет выражен достаточно ярко, и максимальное выделение тепла будет в граничной области между покрытием и подложкой.

Для исследования процесса индукционного нагрева заготовок с газотермическими покрытиями были использованы численные методы решения электромагнитной и тепловой задач, основанные, в частности, на методе контрольного объема [7]. В результате были получены для расчетной области в процессе нагрева распределения различных величин — температуры, электрического и магнитного полей, плотности электрического тока, на основе которых могут быть выбраны режимы для последующего экспериментального исследования.

По результатам исследований сделаны следующие выводы:

Индукционное оплавление имеет ряд значительных преимуществ по сравнению с технологиями отжига и поверхностного плавления, ультразвуковой и лазерной обработки; данная технология позволяет значительно увеличить износостойкость покрытия при высокой производительности и низком значении глубины термического влияния.

Разработана электротехнология ускоренного индукционного оплавления самофлюсующихся покрытий, нанесенных плазменным напылением, которая позволяет повысить ресурс

У, Л Подложка Покрытие

\\\\\\ ш

о о г

5 £>ь Г'оГ та

ш

"«"ал!

ЙРеРа-

О " °~а

р2<<р1

Радиальное распределение плотности тока в заготовке с покрытием

работы детали: возрастает твердость нанесенного покрытия за счет снижения его пористости, увеличивается адгезия между покрытием и подложкой. Математическое моделирование позво-

ляет выбрать наиболее эффективный диапазон параметров электротехнологического оборудования для дальнейшего исследования на экспериментальной установке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бабушкин, Г.А. Диффузионно-кинетический механизм сцепления порошкового покрытия с подложкой |Текст| / Г.А. Бабушкин, В.Я. Буланов, Л.В. Соловьев // ЖТФ,- 1983,- Т. 53, вып. 3,-С. 554-556.

2. Шмаков, А.М. Проблемы порошкового материаловедения. Часть 4. Плазменно-лазерые покрытия [Текст] / А.М. Шмаков, В.Н. Анциферов, В.Я. Буланов, A.M. Ханов // Екатеринбург: Изд-во Урб РАН, 2006,- ISBN 5-7691-1596-3.

3. Безбородое, В.П. Влияние ультразвуковой обработки на напряженное состояние газотермических покрытий из никелевых сплавов [Текст] / В.П. Безбородое, Е.А. Ковалевский // Физика и химия обработки материалов,— 2001. N° 1,— С. 67—69.

4. Глебова, М.А. Повышение качества газотермических покрытий при термической обработке

токами высокой частоты и лазерным лучем [Текст] / М.А. Гтебова, А.Б. Корнев, В.В. Гтебов, Е.К. Бе-резин // Сварочное производство,— 2004. N° 6,— С. 43-46.

5. Спиридонов, Н.В. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин [Текст] / Н.В. Спиридонов, О.С. Кобяков, И.Л. Куприянов; Под ред. В.Н. Чачина,— Минск : Вышэйш. шк„ 1988.

6. Фролов, H.H. Газотермические износостойкие покрытия в машиностроении [Текст] / H.H. Фролов,— М.: Машиностроение, 1992 .— 255 с.

7. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов 4.2: Электромагнитные задачи в плазмотронной технике [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехнического университета, 2006,— 296 с.