Механизм и процессы комбинированного нанесения покрытий

УДК 621.9.047

Машиностроение и машиноведение

МЕХАНИЗМ И ПРОЦЕССЫ КОМБИНИРОВАННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

М.В. Кондратьев, Е.В. Смоленцев, В.П. Смоленцев

Показана эффективность интенсификации процесса электроэрозионной обработки путем подогрева места разряда. В комбинированном процессе эффективным источником тепловой энергии оказался факел плазмы, поэтому перед нанесением покрытия предложено облучить поверхность детали, придав лучу осциллирующее движение в направлении подачи электрода-инструмента. Приведены требования к покрытиям: структура и др. Учтены основные факторы, влияющие на протекание механизма нанесения покрытия: режим электроэрозионного и плазменного процесса, жидкотекучесть материала электрода.

Приведено принципиальное отличие комбинированного процесса от ранее использованного процесса последовательного нанесения покрытий, разнесенного по времени. Это позволяет сохранять суммарную тепловую энергию покрытия с минимальными потерями и снижать градиенты температур, вызывающих внутренние напряжения в покрытии и его растрескивание. Поэтому для получения качественного покрытия при рассмотрении механизма и процессов комбинированной обработки смещение луча плазмы на стадии нанесения упрочняющего слоя относительно электрода-инструмента должно быть минимальным, но во всех случаях последний слой должен наноситься на покрытие, полученное электроэрозионным методом до его остывания за счет теплоотдачи

Ключевые слова: подогрев, покрытие, электроэрозионное упрочнение, плазма

Введение

Для проектирования технологических процессов комбинированного нанесения износостойких покрытий необходимо раскрыть последовательность этапов воздействий, описывающих формирование поверхностных слоев, обладающих требуемыми эксплуатационными

характеристиками. Предлагаемый механизм позволяет разработать систему управления процессом нанесения покрытий и создает базу для разработки математической модели исследуемого процесса.

Механизм комбинированного получения покрытия

Анализ исследований сформировать механизма

ранее выполненных [1-5] дает возможность условия для разработки получения износостойких

покрытий, где наблюдается несколько этапов протекания процесса.

I этап приведен на рис. 1.

На этом этапе (рис.1) плазменный луч используется для предварительного подогрева зоны нанесения покрытия, при котором его

Кондратьев Михаил Вячеславович - ВГТУ, старший преподаватель, e-mail: 540520@mail.ru Смоленцев Евгений Владиславович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: smolentsev.rabota@gmail.com Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: Vsmolen@inbox.ru

направляют так, чтобы предельная температура поверхности детали не превышала границы плавления металла. Здесь может использоваться сканирование луча с частотой, при которой время нагрева зоны Нл (рис. 1) достаточно, чтобы достичь заданной температуры и успеть вернуть луч на центральную часть капли, только что нанесенной электроэрозионным методом.

Рис. 1. Подогрев детали лучом плазмы. 1 - деталь; 2 - луч плазмы; 3 - амплитуда сканирования; Нл - зона подогрева детали

Обычно амплитуду сканирования луча ограничивают 2-3 диаметрами капли на границе с поверхностью детали, что не

превышает 1,2-1,5 мм. Это соответствует зоне эффективного нагрева [5; 6] при частоте 120150 Гц и зависит от скорости перемещения и мощности луча плазмы. Сканирование луча позволяет объединить подвод тепловой энергии на подогрев, расплавление и перегрев покрытия, получение упрочняющего слоя и разработать режимы обработки, при которых обеспечивается получение качественного износостойкого покрытия при минимальном расходе энергии.

II этап. Охватывает электроэрозионное нанесение покрытия на поверхность участка Нл детали при совмещении времени попадания капли на деталь с подводом тепла лучом плазмы (рис. 2; 3).

III этап. На этом этапе (рис. 3), который при комбинированном покрытии связан со вторым, происходит дальнейший разогрев материала капли и увеличение ее текучести.

Рис. 2. Нанесение капель покрытия. 1 - деталь; 2 -капля; 3 - электрод-инструмент; 4 - перемещение электрода; 5- перекрытие капель; Rzo - высота неровностей; Ио - толщина покрытия; г0 - радиус капли; Нл - зона подогрева детали; D0 - диаметр основания отдельной капли; Н - шаг между каплями

Температура капли (рис. 2) должна быть выше температуры плавления металла покрытия (по [7; 8] на 200-300К). С учетом подогрева можно увеличить время текучести материала покрытия и обеспечить растекание капли независимо от времени действия луча плазмы, при котором формируется профиль покрытия толщиной Ьо с высотой неровностей Яаз (рис. 2). Радиус капли (г0) можно принять постоянным, хотя он может существенно изменяться, как и диаметр Б0. Шаг между каплями (Н) имеет меньшую величину, чем Б0, т.к. происходит перекрытие соседних капель (5 на рис. 2).

Электрод-инструмент (3 на рис. 2) может перемещаться в любом направлении (4 на рис. 2), но это должно происходить синхронно с движением луча плазмы (рис. 3).

Рис. 3. Выравнивание поверхности детали при воздействии луча плазмы. 1 - деталь; 2 - капля; 3 -электрод-инструмент; 4 - перемещение электрода; 5-луч плазмы; 6 - плазмообразующий газ; ^ - толщина покрытия; Rz1 - высота неровностей; D1 - диаметр основания отдельной капли; Г1 - радиус капли

Можно принять, что подводимая лучевая энергия (рис. 3) хотя и вводится последовательно с расплавом капли, но в расчетах и при построении механизма покрытия может приниматься как сконцентрированный параметр теплоты, воздействующий на каплю после ее законченного формообразования при электроэрозионном покрытии. При этом можно не учитывать отвод тепла в деталь и окружающую среду, т.к. интервал времени между нанесением капли и началом воздействия на нее луча практически отсутствует.

За счет тепловой энергии плазмы происходит (рис. 3) повышение нагрева капли 2, что вызывает повышение ее жидкотекучести и растекание от диаметра Б0 до диаметра Б1 с возрастанием радиуса с г0 до г1. При этом толщина покрытия уменьшается

относительно но увеличивается перекрытие между соседними каплями (2 на рис. 2) и достигается меньшая шероховатость поверхности (К^<Ят).

Следует также учитывать, что дополнительный подогрев капли лучом плазмы снижает градиент температур при ее остывании, вызывает образование внутренних напряжений растяжения. Последнее может приводить к образованию микротрещин в покрытии (а иногда и в материале детали), что снижает не только износостойкость, но и механические характеристики изделия. Перепад температур особенно сильно влияет на хрупкие материалы и в этом случае расчеты

перемещений луча (5 на рис. 3) нужно выполнять с учетом минимизации градиентов температур.

На рассматриваемом этапе большое влияние на качество покрытия оказывает выбор плазмообразующего (6 на рис. 3), а иногда горючего и защитного газа, который защищает деталь и покрытие от окисления в горячем состоянии. Электроэрозионная обработка материалов, устойчивых к окислению, может создавать условия для повышения усталостной прочности [7; 8; 9], что подтверждает полезное воздействие инертных газов в комбинированном процессе обработки для повышения эксплуатационных характеристик изделий. Следовательно, при комбинированном нанесении покрытий одним из режимных параметров может являться состав и расход плазмообразующего газа (6 на рис. 3), что ранее [8; 9], в расчетах не учитывалось.

На третьем этапе проявляется необходимость синхронного перемещения луча и электрода со средней скоростью 4 (рис. 3), что следует учитывать при назначении частоты сканирования луча в пределах зоны Нл подогрева детали и принимать ее как режимный параметр комбинированного процесса.

IV этап включает получение на покрытии после электроэрозионного процесса (рис. 3) износостойкого твердого покрытия (рис. 4), получаемого лучом плазмы.

Рис. 4. Формирование износостойкого покрытия лучом плазмы. 1 - покрытие; 2 - плазмообразующий газ; 3-луч плазмы; h2 - общая толщина покрытия; Я^ -высота неровностей; г2 - радиус капли

Здесь (рис. 4) формируется покрытие 1, толщина которого соизмерима с

шероховатостью Я^, что практически не изменяет параметры поверхностного слоя после нанесения покрытия электроэрозионным методом и получения износостойкого слоя. Это позволяет принять в расчетах h2 = г2 =

г1; Яй = Я^ , что упрощает моделирование комбинированного процесса без нарушения его физической сущности.

Экспериментально установлено [5-7], что шероховатость покрытия с износостойким слоем снижается по сравнению с предшествующим профилем. Это не противоречит полученному механизму, т.к. износостойкое покрытие утолщается в углублениях между каплями, что снижает высоту микронеровностей. Таким образом, формируется принципиально новый износостойкий слой, где даже после износа выступающих частей покрытия и раскрытия его неупрочненных частей эксплуатационные характеристики не ухудшаются, а скорее улучшаются, т.к. сохраняется практически начальная толщина упрочняющего покрытия на рис. 4). Выступившие после износа детали участки покрытия, обладающие меньшей твердостью, приобретают роль смазки, что снижает возможность «схватывания» контактных поверхностей, например шиберных запорных устройств, работающих при высоких контактных давлениях (перепад давлений перекачиваемых нефтепродуктов может достигать 15-20 МПа) и в условиях агрессивных химических воздействий сред.

Применение результатов для повышения эксплуатационных показателей

изделий

5

Рис. 5. Запорное устройство (задвижка) для перекрытия течения нефтегазовых сред: 1- корпус; 2 -шибер; 3 - седло; 4 - шток; 5 - маховик; 6 - подшипник

На рис. 5 показано запорное устройство для трубопроводов по перекачке нефти, в том числе сернистой, где основные элементы (шибер и седло) выполнены из нержавеющих сплавов, но без покрытий даже они не обеспечивают работоспособность при заданном ресурсе изделия. Применение износостойкого комбинированного покрытия позволяет получить герметичные соединения с ресурсом безотказной работы в несколько раз превышающим установленное заказчиком значение (не менее 15 лет эксплуатации).

Проведены экспериментальные

исследования (рис. 6, 7), показавшие широкие возможности снижения контактного трения (рис. 6) и возрастания износостойкости пар трения в узлах запорного устройства типа приведенного на рис. 5. Были проведены испытания образцов из стали 1Х18Н10Т. В качестве покрытия использовался чугун СЧ24. Зона контактного трения аналогична имеющейся в устройстве (0,33 см2). Давление между контактными поверхностями - 160 Н. Скорость перемещения между контактными поверхностями 0,1 м/сек. Количество испытанных образцов - 6. Шероховатость исходной контактной поверхности Rz=5 мкм. Испытания проводились в углеводородной среде.

от

ОМ

ом 0,0035 ом 0.005

1 2 —'-1 1 2 \ 3 |

Рис. 6. Изменение коэффициента контактного трения в процессе эксплуатации запорного устройства (рис. 5) А - в начале процесса эксплуатации устройства; Б - после 7000 циклов включения-выключения. 1 - без покрытия контактирующих поверхностей; 2 - с электроэрозионным покрытием чугуном СЧ24 толщиной 0,2 мм; 3 - после плазменного упрочнения покрытия

На рис. 7 приведена информация о динамике износа шибера, контактирующего с седлом (рис. 5). По горизонтали отложены циклы двойных перемещений сопрягаемых

поверхностей при выполнении операций открытия-закрытия магистралей.

Рис. 7. Износ сопрягаемых поверхностей покрытий 1 - без покрытия контактирующих поверхностей; 2 - с электроэрозионным покрытием чугуном СЧ24 толщиной 0,2 мм; 3 - после плазменного упрочнения покрытия

Анализ рис. 6 и 7 показывает, что нанесение комбинированных покрытий дает значительное повышение эксплуатационных характеристик узлов трения. Так, при отсутствии плазменного слоя трение (по сравнению с испытанием покрытия без упрочнения) изменяется незначительно, но износостойкость (рис. 7) изделий после покрытия и плазменного упрочнения возрастает относительно исходного состояния (1 на рис. 7) до 2,5 раз, что оправдывает необходимость в дополнительных затратах на нанесение и плазменное упрочнение покрытия для повышения его износостойкости.

Заключение

Рассмотрен комбинированный процесс нанесения износостойких покрытий при одновременном воздействии тепловых потоков от электроэрозионного разряда и лучевой энергии от действия плазмы. Показано, что ввиду кратковременности процесса

формирования капли и упрочняющего покрытия механизм достижения на нем требуемых эксплуатационных свойств может рассматриваться как совмещение явлений последовательного теплового воздействия, где плазменный нагрев способствует лучшему растеканию капли и повышению качества поверхностного слоя. Это снижает контактное трение, способствует росту износостойкости пар трения в изделиях и служит научной базой для разработки новых способов [8; 9] нанесения покрытий с особыми

эксплуатационными свойствами [10].

Литература

1. А.с. 1484518 СССР, B 23 H 9/00. Способ электроэрозионного легирования / Ю. И. Манохин, Б. С. Никешин, В. Н. Терехин и др., Кузбасский политехнический институт.- 4265624/31-08 ; заявл. 22.06.1987 ; опубл. 07.06.1989, Открытия. Изобретения, Бюл. №21.

2. А.с. 1509205 СССР, B 23 H 9/00. Устройство для электроэрозионного легирования / В. С. Тарасов. -4206597/25-08; заявл. 06.03.1987; опубл. 23.09.1989, Открытия. Изобретения, Бюл. №35.

3. Meyer U. Mechanical Plating. Die Entwicklung des Ferfarens / U. Meyer // Galvanotechnik. - 1982. -V.73. - P. 994-996.

4. Brooks A. Mechanical Plating / А. Brooks // Metal Finishing. - 1985. - V.81. - № 8 - P.53-57.

5. Кадырметов А. М. Управление технологическим обеспечением процессов плазменного нанесения покрытий в режиме модуляции электрических параметров: монография / А.М. Кадырметов. - Воронеж: Научная книга, 2013. -260 с.

6. Бутенко В.И. Структура и свойства поверхностного слоя деталей трибосистем / В.И. Бутенко. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. - 367 с.

7. Бутовский М.Э. Нанесение покрытий и упрочнение материалов концентрированными потоками энергии. Ч. 1: Электроэрозионное упрочнение. Техника и технология: учеб. пособие / М.Э. Бутовский. - М.: ИКФ «Каталог», 1998. - 340 с.

8. Пат. 2318637 Российская Федерация, В23Н 5/00. Способ электроэрозионного восстановления чугунных деталей / В. П. Смоленцев и др., ГОУВПО "ВГТУ". -2006113860 ; заявл. 24.04.2006 ; опубл. 10.03.2008, Бюл. №7.

9. Пат. 2396153 Российская Федерация, В23Н 9/00 (2006.01). Способ электроэрозионного восстановления детали из стали или чугуна / В. П. Смоленцев, А. В.Бондарь, А. Н. Некрасов, Воронежский механический завод - филиал ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева". -2008120420; заявл. 22.05.2008; опубл. 10.08.10, Бюл. №22.

10. Сафонов С.В. Модификация поверхностного слоя металлических изделий / С.В. Сафонов, С.Н. Григорьев, В.П. Смоленцев // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2015. -Т.10. - №2. - С.19-26.

Воронежский государственный технический университет

MECHANISM AND PROCESSES OF COMBINED COATING M.V. Kondrat'ev1, E.V. Smolentsev2, V.P. Smolentsev3

1Assistant Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: 540520@mail.ru 2Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: smolentsev.rabota@gmail.com 3Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: Vsmolen@inbox.ru

The effectiveness of intensification of the process of electroerosive treatment by heating the place of discharge is shown. In a combined process, a plasma beam turned out to be an effective source of thermal energy, so it is suggested to irradiate the surface of a part before coating, giving the beam oscillating motion in the direction of supply of the tool electrode. The requirements for coatings are given: structure, etc. The main factors, influencing the course of the coating mechanism, are taken into account: the electroerosion and plasma process conditions, the fluidity of the electrode material.

The principal difference between the combined process and the previously used process of successive, separated by time coating is given. This allows to save the total thermal energy of the coating with minimal losses and to reduce the temperature gradients that cause internal stresses and cracking in the coating. Therefore, in order to obtain a high-quality coating when considering the mechanism and processes of combined treatment, the displacement of the plasma beam at the stage of application of the reinforcing layer relative to the tool electrode should be minimal, but in all cases the last layer should be applied to the coating obtained by the electro-erosion method before its cooling due to heat transfer

Key words: heating, coating, electroerosion hardening, plasma

References

1. Mansokhin Ju.I., Nikeshin B.S., V.V. Terekhin "Method of electroerosive alloying" ("Sposob elektroerozionnogo legirovaniya"), author's certificate no. 1434513, USSR, 1989.

2. Tarasov V.S. "Device for electroerosive alloying" ("Ustroistvo dlya elektroerozionnogo legirovaniya"), author's certificate no. 1509205, USSR, 1989

3. Meyer U. "Mechanical Plating", Die Entwicklung des Ferfarens, Galvanotechnik, 1982, vol.73, pp. 994-996.

4. Brooks A. "Mechanical Plating", MetalFinishing,1985, vol.81, no. 8, pp. 53-57.

5. Kadyrmetov A.M. "Control of technological support of plasma coating processes in the mode of electric parameters modulation" ("Upravlenie tekhnologicheskim obespecheniem protsessov plazmennogo naneseniya pokrytiy v rezhime modulyatsii elektricheskikh parametrov"), Voronezh, Nauchnaya kniga, 2013, 260 p.

6. Butenko V.I. "Structure and properties of the surface layer of tribosystem components" ("Struktura i svoystva poverkhnostnogo sloya detalei tribosistem"), Taganrog, Publ. TTI SFU, 2012, 367 p.

7. Butovskiy M.E. "Tutorial: Coating and hardening of materials with concentrated energy flows. Part 1: Electroerosion hardening. Technic and Technology" ("Nanesenie pokrytiy i uprochnenie materialov kontsentrirovannymi potokami energii. Chast' 1: Elektroerozionnoe uprochnenie. Tekhnika i tekhnologiya"), Moscow, IKF «Katalog», 1998, 340 p.

8. Smolentsev V. P. "Method for electroerosion recovery of cast iron parts" ("Sposob elektroerozionnogo vosstanovleniya chugunnykh detaley"), Patent RF no 2318637, 2008.

9. Smolentsev V.P., Bondar' A.V., Nekrasov A.N. "Method for electroerosion recovery of a steel or cast iron part" ("Sposob elektroerozionnogo vosstanovleniya detail iz stali ili chuguna"), Patent RF 2396153, 2010.

10. Safonov S.V., Grigor'ev S.N., Smolentsev V.P. "Modification of the surface layer of metal elements", The Bulletin of Voronezh State Technical University, Voronezh, vol. 10, no. 2, 2015, pp. 19-26.