Особенности процесса нагрева композиционного порошка при газотермическом напылении

УДК 621.793.18

А.В. Поликарпов, ассистент

ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА НАГРЕВА КОМПОЗИЦИОННОГО ПОРОШКА ПРИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАПЫЛЕНИИ

Газотермическое напыление позволяет получать покрытия из большого числа природных и искусственных материалов для повышения износостойкости и работоспособности деталей сельхозтехники в различных неблагоприятных условиях эксплуатации. Одно из существенных преимуществ метода — возможность управления составом, структурой и свойствами покрытий за счет применения различных композиционных порошков с широким интервалом соотношения компонентов. В качестве последних используют металлы, сплавы, оксиды, карбиды, бориды, нитриды, сульфиды, твердые смазки и др. Они формируют покрытия с разными физико-механическими характеристиками.

Композиционный порошок — это порошок сложного состава, у которого каждая гранулометрически самостоятельная частица состоит из макрообъемов нескольких компонентов, отличающихся по химическому составу, и идентична по качественному составу всем остальным частицам.

Многообразие способов получения и конструкций частиц композиционных порошков, изготавливаемых методами плакирования и конгломери-рования, обусловливает возможность получения материалов и покрытий различного назначения и с разными физико-механическими характеристиками:

• износостойкие покрытия;

• жаростойкие покрытия;

• коррозионностойкие покрытия;

• электропроводные покрытия и т. д.

Для получения покрытий с заданными физикомеханическими характеристиками необходимо изучение процесса газотермического напыления композиционных порошков, условий нагрева частиц с учетом сложных физико-химических процессов межфазного взаимодействия.

Эффективность газотермического напыления в значительной мере обусловлена характером нагрева частиц композиционного порошка в газовой струе [1].

Состояние частиц при газотермическом напылении находится в сложной зависимости от большего числа параметров:

• параметры газовой струи: температура, скорость, теплопроводность;

• параметры частиц композиционного порошка: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота плавления, размеры частиц и их форма.

Рассмотрим влияние компонентов композиционного порошка на процесс их нагрева в газовой струе с целью дальнейшего прогнозирования свойств полученного покрытия.

Математическую модель движения и нагрева частицы в объеме газовой струи представляют следующей системой дифференциальных уравнений [2]:

йуч _ 18ЦГ І1 + /

где Тч, Тг—температура, К; уч, V, - скорость, м/с; — диаметр, м; сч — теплоемкость, Дж/К; р — плотность, кг/м2; цг — динамическая вязкость, Па-с; X, - теплопроводность, Вт/(м-К); № — критерий Нуссельта; Яе — критерий Рейнольдса; индекс «ч» означает частицу, «г» — газ.

Анализируя вышеизложенную модель, можно прийти к следующему условию перевода частицы в расплавленное состояние:

\2

(1 + / (К-е Ж ц,

. > йч2Тп2с32рчК

4 Ш1П “ 4М2,

где 1ч ш1п — наименьший путь движения частицы в зоне нагрева, за который она расплавляется, м; сэ — условная эквивалентная теплоемкость, Дж/К; Ап — поправочный коэффициент, учитывающий погрешность от вве-

Условную эквивалентную теплоемкость частицы можно представить в виде [2]:

\cpdT + ХАЯф

С =-

т - т

где То, Тп — начальная температура и температура плавления частицы, К; ^АП<и — сумма теплот фазовых переходов при нагреве от То до Тп.

Совокупность параметров в правой части выражения (1), характеризующих свойства напыляе-

дения с .

мого материала и определяющих его с точки зрения трудности плавления в условиях газовой струи, обозначим как параметр трудности плавления материала при напылении D.

С учетом влияния внутреннего теплового сопротивления частицы и влияния экзотермических эффектов взаимодействия в частице параметр D имеет вид [2]:

D = (еэТпК0/ - п^э)2 рч (1 + 0,2В1)2,

где Qэ — экзотермический эффект взаимодействия; п<-> — степень использования экзотермического эффекта на участке нагрева частицы до расплавления; Б1 — критерий Био.

Физическая сущность параметра трудности плавления D заключается в отношении количества теплоты, необходимой для расплавления единицы объема частицы, к времени пребывания ее в зоне нагрева.

В связи с вышеизложенным параметр D может принимать ряд значений, соответствующих последовательному ряду температур плавления компонентов.

Для двухкомпонентной композиции имеем [2]:

D/ =

D" =

Р1Р2

Р1 +Р1

Р1Р2 c2))2

Р1 +Р1

п1’

п 2’

где D', D" — параметр трудности плавления материала ядра и плакирующей оболочки; е\, е" — эквивалентные теплоемкости ядра и плакирующей оболочки, Дж/К; е2 е'2 — теплоемкость ядра и плакирующей оболочки, Дж/К; р., р2 — плотность ядра и плакирующей оболочки, кг/м3; Т.., Т22 — температура плавления ядра и плакирующей оболочки, К; р. - массовое содержание плакирующей оболочки, %.

Теплоемкости вычисляются по следующим формулам:

Тп1 Тп1 Т 2

I е1^Т + ЬП1 | е1^Т + ЬП1 +| еЖ1^Т

ТП1 - Т0

Тп 2 - То

-•п1

'п1

-•п1

'п2

c^=

ТП1 - То

Тп 2 - То

где сж1 — средняя теплоемкость планирующей оболочки в расплавленном состоянии, Дж/К; Ь{1, Ь{2 — теплоты плавления ядра и плакирующей оболочки, К; То — начальная температура частицы, К.

В зависимости от характеристик газовой струи могут иметь место три варианта степени нагрева частиц композиционного порошка:

• частица в твердом состоянии;

• частица состоит из расплава оболочки и твердого ядра;

• полное плавление всех компонентов частицы. Характер зависимости D' и D" от состава композиции может быть определен по знаку производной от функции (2) и (3) [2]:

^ Т 2 е2 +Р1 (е1 ~ е2 ) у

тп Р1г2Тп / ч2

^

Х(2е1р1 _ е2 (Р1 +Р2) + (С1 _ е2)(Р2 _Р1 )?1).

Знак производной зависит от знака последнего многочлена. Из его анализа следует что:

• при е'1 > е' 2(р1 + р2) / (2р1) увеличение доли второго компонента приводит к уменьшению D', т. е. переход первого компонента в расплавленное состояние облегчается;

• при е'1 < е' 22р2 / (р1 + р2) имеет место обратная зависимость;

• при е'2(р1 + р2) / (2р1) > е'2(2р1) / (р1 + р2) происходит переход значений через ноль, т. е. изменение D носит экстремальный характер. Влияние доли плакирующей оболочки в на параметр трудности плавления D представлен на рис. 2. Анализу параметра трудности плавления D подвергались следующие композиционные порошки:

• композиционный порошок металла с материалом, не плавящимся в условиях газовой струи (рисунок — график 1);

• композиционные порошки, содержащие материалы с различным комплексом теплофизических свойств (рисунок — графики 2, 3, 4).

D  10~10, кДж2/

Влияние доли плакирующей оболочки р на параметр трудности плавления D:

1 — С-№ (оболочка); 2 — А1203-№ (ядро);

3 — А1203-№

п 1

В процессе нагрева частиц композиционного порошка возможно протекание следующих процессов:

• взаимное смачивание, растекание или сворачивание компонентов;

• образование сплавов;

• синтез соединений;

• образование новых фаз;

• взаимодействие материала частиц с окружающей средой.

Таким образом, процесс нагрева частиц композиционного порошка определяет межфазное взаимодействие частиц, а это, в свою очередь, оказывает влияние на структуру формируемого покрытия.

Проведенный анализ позволяет прогнозировать взаимное влияние компонентов частицы композиционного порошка на процесс их нагрева в газовой струе.

Список литературы

1. Балдаев, Л.Х. Газотермическое напыление: учебное пособие / Л.Х. Балдаев, В.Н. Борисов, В.А. Вахалин; под общ. ред. Л.Х. Балдаева. — М.: Маркет ДС, 2007. — 344 с.

2. Газотермическое напыление композиционных порошков / А.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, А.С. Мнухин [и др.]; под общ. ред. А.Я. Кулик. — Л.: Машиностроение, 1985. — 200 с.

УДК 621.9.015:62.187

В.Я. Коршунов, доктор техн. наук, профессор А.М. Случевский, соискатель

ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОПУСТИМОГО ИЗНОСА РЕЗЦОВ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ

Точность машин и механизмов, а также многих других изделий машиностроения является важнейшей характеристикой их качества. Современные мощные и высокоскоростные машины не могут функционировать при недостаточной точности их изготовления в связи с возникновением дополнительных динамических нагрузок и вибраций, нарушающих нормальную работу машин и вызывающих их разрушение.

Повышение точности изготовления деталей и сборки узлов увеличивает долговечность и надежность эксплуатации механизмов и машин. Этим объясняется непрерывное повышение требований к точности изготовления деталей машин в целом.

Повышение точности механической обработки устраняет пригоночные работы на сборке. Позволяет осуществить принцип взаимозаменяемости деталей и узлов и ввести поточную сборку, что не только сокращает трудоемкость сборки, но также облегчает и удешевляет проведение ремонта машин в условиях их эксплуатации.

Фактическая погрешность Лф формы детали, обработанной на каком-либо станке, может быть представлена в общем виде как сумма двух групп погрешностей [1]: кинетической Лк, определяемой точностью изготовления и настройки станка, а также динамической Лд, которая зависит от упругих деформаций технологической системы под действием сил резания:

д, = Л + Л

Кинетическая погрешность зависит от большого количества разнообразных факторов и, как правило, определяется экспериментально при осуществлении рабочих движений в условиях обработки без снятия стружки. Динамическая погрешность, которая составляет примерно 60.. .90 % Лф зависит от усилий (режимов) резания, износа инструмента и температуры его нагрева в процессе механической обработки, поэтому ее можно и нужно определять расчетным путем.

Для определения фактической погрешности диаметра изделия Лф.д при обработке на токарном станке используют формулу [2]:

ЛФ.Д = 2Py

1

1

J, J„

где Ру — радиальная (нормальная) сила резания, Н; J , J , J — жесткость детали, инструмента и станка

д’ ин ст *

(технологической системы), Н/мм.

Жесткость станка Уст в формуле (2) является величиной постоянной и приводится во многих литературных источниках [2, 3]. Использование основных положений дисциплины «Сопротивление материалов» позволяет достаточно точно устанавливать степень влияния жесткости детали /д и инструмента Уин на фактическую погрешность обработки.

Для прогнозирования погрешности обработки заготовки в зависимости от времени работы резца, с учетом роста ширины площадки износа по зад------------------------------------------135