Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

УДК 621.793.74:621.365.5

Повышение эксплуатационных свойств

плазменных покрытий

методом индукционной термообработки

В. Я. Фролов, д-р техн. наук, профессор, Е. А. Смирнова, аспирант, Б. А. Юшин, ст. науч. сотр. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Ключевые слова: индукционный нагрев, высокочастотная обработка, обработка покрытий, повышение эксплуатационных свойств, плазменные покрытия, самофлюсующиеся покрытия, нагрев слоистых сред, математическое моделирование нагрева.

Предложен метод повышения эксплуатационных свойств самофлюсующихся покрытий путем высокочастотной индукционной обработки. Представлены аналитическое исследование эффектов, возникающих при индукционном нагреве слоистых сред; результаты математического моделирования процесса индукционной термообработки; результаты лабораторных исследований покрытий, обработанных индукционным способом.

Технологии плазменного напыления, разработанные в научно-учебном технологическом центре «Электротехнология» СПбГПУ, успешно применяются для создания защитных покрытий различного класса на новых деталях и в технологии восстановления изношенных изделий. Воздушно-плазменное напыление позволяет наносить покрытия из металлов, которые обычно подвергаются значительному окислению. Тем не менее самофлюсующиеся покрытия требуют дополнительного нагрева.

Последние исследования позволили с помощью индукционного нагрева улучшить качество наносимого покрытия из самофлюсующихся и некоторых других материалов.

Исследование свойств и характеристик воздушно-плазменных покрытий, определение адгезии, твердости, исследование структуры покрытий явились отправной точкой для разработки аппаратуры и технологических процессов, обеспечивающих повышение прочности сцепления покрытий и основы.

Покрытие, полученное в результате напыления, по своей структуре является в значительной степени пористым. Это качество в некоторых случаях можно эффективно использовать. Однако наиболее широкое применение находят плотные покрытия. Другой проблемой является повышение прочности сцепления покрытия и подложки. Существуют различные методы повышения качества покры-

тий: пропитка их специальными составами; окрашивание; поверхностное оплавление; механическая обработка; ультразвуковое упрочнение и др. Способ последующего индукционного оплавления покрытия отличается от других нагревом покрытия и основы одновременно, под действием вихревых токов. Это приводит к улучшению качества самого покрытия и увеличению адгезии между покрытием и подложкой. Данный способ имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет производить оплавление материалов в узкой зоне сцепления подложки с покрытием без нагрева самой заготовки.

Метод индукционной обработки заключается в следующем: обрабатываемая деталь подвергается поверхностному высокочастотному нагреву, при котором, вследствие наличия границы раздела сред с разной электропроводностью, основная мощность выделяется не на поверхности заготовки, а на границе подложки. На поверхности раздела двух сред происходит частичное отражение электромагнитной волны. При этом ни напряженность электрического поля Е (В/м), ни напряженность магнитного поля Н (А/м) не должны претерпевать разрыва на границе двух сред:

Е = ур;

Н = В/ р,

2

где j — плотность электрического тока, А/м2; р — удельное электрическое сопротивление, Ом • м; т — магнитная проницаемость, Гн/м.

Напротив, плотность тока j и магнитная индукция B [Тл] могут меняться скачком. Но, как это видно из закона электромагнитной индукции, на поверхности раздела

дE

дг

= i 2 л/ • H,

где Е и Н — напряженность электрического, В/м, и магнитного, А/м, полей соответственно; / — частота тока, Гц; I — мнимая единица, г — координата, направленная по нормали к поверхности раздела, м.

Таким образом, условие непрерывности электрического и магнитного поля на границе двух сред может быть записано в виде:

Р1 к = Ргк';

Р^ •ЗЛ = Р^ д 2

11 дг 12 дг

где р1, р2 — удельные сопротивления покрытия и подложки соответственно, Ом • м; ^1, ^2 — относительные магнитные проницаемости покрытия и подложки; д, j2 — плотности тока внутри покрытия и подложки, А/м2; г — координата, направленная по нормали к поверхности раздела, м.

На рис. 1 приведено распределение плотности тока по радиусу нагреваемой заготовки.

Как видно из рис. 1, при Р1>Р2 на границе раздела сред покрытие — подложка плотность тока резко увеличивается, что и приводит к нагреву узкой зоны. Для покрытий, нанесенных плазменным методом, удельные

Покрытие Подложка

Р1>Р2

Рис. 1. Распределение плотности тока в двухслойной структуре при индукционном нагреве

сопротивления покрытия и подложки могут различаться на 2-3 порядка. В этом случае данный эффект будет выражен достаточно ярко, и максимальное выделение тепла будет на стыке двух сред.

Для определения удельного электрического сопротивления покрытия, нанесенного методом плазменного напыления, использовалась статистическая формула расчета сопротивления гетерогенной матричной структуры, учитывающая наличие разнородных включений и их концентрацию [1]:

1

Р1,2

1 + Н*

4 V 16 2Р1.2

где

Р1,2 =

(3С1 - 1)р2 + (3С2 - 1)Р1, Р1Р2 '

рм — удельное сопротивление многокомпонентного покрытия, Ом • м; р1, р2 — удельные сопротивления компонентов покрытия, Ом • м; С1, С2 — их концентрации (в относительных единицах).

Для исследования процесса индукционного нагрева были использованы численные методы решения электромагнитной и тепловой задач, основанные, в частности, на методе контрольного объема [2].

Математическая модель процессов, протекающих в нагреваемой заготовке, строится на основе закона сохранения энергии и уравнений электромагнитного поля. В основе расчета лежит система уравнений Максвелла:

Н = J;

ГС1 Ё = -^;

д£

В = 0;

и = рЭл,

где В — магнитная индукция, Тл; Б — электрическое смещение, Кл/м ; £ — время, с.

Записывая закон электромагнитной индукции для случая индукционного нагрева через напряженность электрического поля, получим уравнение электромагнитной задачи:

д2Ё

д_

АЁ - = ) + §гаа

д£

где в — электрическая проницаемость; Jпр — плотность тока, определяемая электропроводностью, А/м2.

В качестве граничного условия при решении электромагнитной задачи используется значение напряженности электрического поля Еп, определенное по принципу суперпозиции как сумма напряженностей, полученных от тока в витках индуктора и от тока заготовки [2]:

К ÏF

2п Jr„ m=1

Un 1 M-1N-1 . I-

\lrn 1=° j=° v

где Еп — напряженность электрического поля в некоторой точке п, В/м; гп — радиальная координата точки п, м; Яс — радиус витков индуктора, м; с — удельная проводимость, 1/Ом-м; тс — число витков индуктора; 1с — ток в витках индуктора, А; Дй- = Д^Дг- ;

г, г — осевая и радиальная координаты условного контура с током, м; Е(к) — функция,

мощность, поступающая в нагреваемую заготовку, Вт/м3; prad — удельная мощность, теряемая за счет излучения (radiation); pcond — удельная мощность, передаваемая теплопроводностью (heat conduction); Т — температура нагреваемой заготовки, K.

В уравнении баланса энергии объединены все основополагающие процессы, происходящие в проводящей заготовке (нагрев металла, преобразование электрической энергии в тепловую, все механизмы потерь энергии и ее использования). Решение уравнения баланса энергии позволяет проследить, как внешние параметры индуктора влияют на технологический процесс нагрева и физические параметры нагреваемой заготовки (скорость нагрева, распределение температуры в нагреваемой заготовке, а также ее плотность, теплоемкость, электропроводность и т. д.). Поскольку большинство индукторов имеют цилиндрическую конструкцию, то уравнение баланса энергии удобно решать в цилиндрической системе координат. Уравнение баланса энергии позволяет определить изменение температуры заготовки Т по времени и по двум направлениям координат z и r:

F(k) = K(k) - 2E(k),

k k

K (k) и E (k) — интегралы Лежандра;

K(k) = \-

da;

- k2sin2

К

E(k) = 2V1 - k2sin2(a)da;

k=

У

4Rcr

z2 +

(R + rf

к = 4гпг _

Для расчета тепловой задачи решается уравнение баланса энергии, основанное на законе сохранения энергии:

дТ =

~ Р2 - РгаА - Реопа>

где cp — теплоемкость материала заготовки, Дж/К; у — плотность, кг/м3; p2 — удельная

дТ j2

Pcp^7 =--Prad +

dt с

dz

кдТ

dz

+

1 д

r дг

лдТ rk— дг

где X — теплопроводность нагреваемой заготовки, Вт/м • К; с — электропроводность нагреваемой заготовки, 1/Ом • м.

Совокупность этих уравнений с начальными и граничными условиями и с их дальнейшим численным решением позволяет получить как распределения параметров, характеризующих сам индуктор, так и параметры, характеризующие процессы внутри нагреваемого проводящего цилиндра.

Модель имеет следующие допущения:

• индуктор рассматривается как несколько круговых витков, плоскость которых перпендикулярна к оси индуктора;

• по виткам индуктора протекает синусоидальный ток;

• в проводящем цилиндре и в индукторе ток переноса равен нулю;

• токи во всех витках индуктора одинаковые, имеют нулевую фазу.

Для решения тепловой задачи используются граничные условия двух типов: граничные условия 1-го рода (условия Дирихле — на границе задаются значения искомой величины) на входе в индуктор и граничные условия 2-го рода (условия Неймана — задается производная от искомой величины по на-

п

°

правлению, перпендикулярному к границе, равной нулю) на остальных границах расчетной области. (Сделаем допущение, что ввиду отсутствия вынужденной конвекции все энергетические процессы активно происходят только внутри металлической заготовки.) Так как индуктор и заготовка имеют цилиндрическую форму, то для записи уравнений удобно использовать цилиндрическую систему координат. Предполагается, что изменение величин при изменении угла ф мало и им можно пренебречь. Поэтому рассматривается двухмерный случай, в котором предполагается двухмерная (г, г) зависимость искомых величин.

Система нелинейных дифференциальных уравнений решается методом контрольного объема [2]. Исходными данными для расчета являются геометрические параметры индуктора и заготовки, ток индуктора, частота тока индуктора, свойства материала заготовки, скорость движения заготовки через нагреватель.

Расчет был произведен для конкретных исходных данных, определяемых параметрами образцов и установок, на которых производились впоследствии экспериментальные исследования: начальная температура заготовки — 20 °С, материал — коррозионно-стойкая сталь 08Х18Н10Т, диаметр заготовки — 30 мм. Покрытие: материал — ПГСР2 (№-Сг-Б-81), толщина — 100 мкм, удельное сопротивление — 1,078 • 10-5 Ом • м. Параметры установки: мощность — 60 кВт, частота — 5,28 МГц, напряжение на индукторе — не более 6000 В, максимальная сила тока генератора — 150 А.

Результатами расчета являются распределения различных величин в расчетной области в процессе нагрева: температуры, электрического и магнитного полей, плотности электрического тока. На рис. 2, а, б представлены радиальные распределения напряженностей электрического и магнитного полей в нагреваемой заготовке. Из графиков видно, что ни Е, ни Н не претерпевают разрыва на границе покрытия и подложки. В связи с резким изменением

глубины проникновения тока А = 503— , м,

при переходе от покрытия к подложке скачком изменяется скорость спадания напряженности магнитного поля внутри материала.

На рис. 3 представлено радиальное распределение плотности наведенного тока и температуры в нагреваемой заготовке. Из графика распределения плотности электрического тока (кривая 1 на рис. 3, а) видно, что ее максимальное значение j = 4200 А/см2 достигается

а)

Е , В/м 60

40

20

0

/

2 1 /

\ \ /

у

14 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7 14,8 14

Подложка

9 15

г, мм

Покрытие

б)

Н,А/м 8000

6000

4000

2000

0

1 / --;

2 \ / / / / /

\ V' / * /

1- г

14 14 1 14 2 14 3 14 4 14 5 14 6 14 7 14 8 14

Подложка

9 15

г, мм

Покрытие

Рис. 2. Радиальное распределение напряженности электрического

на границе подложки и покрытия, а не на поверхности заготовки, как в случае нагрева однородной заготовки без покрытия (кривая 2 на рис. 3, а). Внутри покрытия ток практически отсутствует. Соответственно, максималь-

I2 3

, Вт/м3, будет

О

ная удельная мощность р

выделяться в зоне на границе материалов. Вследствие этого максимальная температура Т = 1350 °С также будет в области на поверхности подложки (рис. 3, 4).

На рис. 4 показано распределение температуры в заготовке. Как видно из температурного поля, в зоне сцепления покрытия и подложки температура достигает 1350 °С, спадает до 500 °С на расстоянии 0,05 мм от границы слоя внутри покрытия и 0,3 мм внутри подложки и не превышает 200 °С на поверхности покрытия и на глубине 0,5 мм от поверхности подложки. Таким образом, нагреву свыше 500 °С подвергается зона в области сцепления покрытия и под-

а)

j, А/см' 5000

4000

3000

2000

1000 0

2

D О.  С

1 \ / 1 / /

2 г \ / J 7

> и у

14 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7 14,8 14,9 15

r, мм

Подложка Покрытие

б) Т,°С 1400

1200 1000 800 600 400 200 0

t !

5 6, 7 Ц

4 щ /

ч 3 X

\ у ш

/ I

J

13 13 2 13 4 13 6 13 8 14 14 2 14 4 14 6 14 8

15

Подложка Покрытие

Рис. 3. Радиальное распределение плотности тока

ложки шириной не более 0,35 мм в радиальном направлении.

Выбор режима (скорости перемещения заготовки, силы тока и напряжения на индукторе) индукционного нагрева покрытий из различных материалов определяется размерами заготовки (диаметром, толщиной покрытия), свойствами материала, мощностью и частотой тока источника питания. Выбор частоты осуществляется с учетом свойств материала заготовки (глубины проникновения тока). Для расчета режима нагрева воспользуемся классической методикой расчета поверхностного индукционного нагрева, поскольку основные энергетические параметры процесса определяются свойствами подложки (масса покрытия составляет менее 1 % массы заго-

Рис. 4. Температурное поле внутри нагреваемой заготовки.

товки и практически не влияет на сопротивление и, соответственно, на выделяемую в заготовке мощность).

Таким образом, для заготовки 0 30 мм, материал — сталь 08Х18Н10Т, с покрытием толщиной 100 мкм, оптимальным будет следующий режим обработки: частота — 5,28 МГц, скорость перемещения заготовки — 0,15 м/с, внутренний диаметр индуктора по меди — 42 мм, электрический КПД индуктора — 74 %, тепловой КПД — 98 %, потребляемая мощность — 180 кВт, температура нагрева зоны сцепления покрытие — подложка — 1410 °С (температура плавления стали 08Х18Н10Т — 1400 °С), при этом температура в центре заготовки — 35 °С, ширина зоны, нагретой более 700 °С, — 1,7 мм.

В результате использования индукционного нагрева получены покрытия, отличающиеся улучшенными свойствами. На рис. 5 приведены структуры покрытий заготовок после индукционной обработки.

Для покрытий толщиной 100-200 мкм на стальной основе получено: для структур покрытий из материалов Ni, FeCr, C^B, CrB, СГ7С3, СГ2О3 твердость — 60-65 HRC, объемная плотность — 6,5-7,0 г/см3, открытая пористость — 6-7 % (рис. 5, а), микротвердость — 8100-8290 МПа, содержание кислорода — 0,1-0,2 %, частично распадаются бориды и карбиды; для структуры CU3AI4 плотность — 6,4 г/см3, пористость — 5-6 %, микротвердость — 1100-2500 МПа, содержание кислорода — 0,02-0,1 %; для WC, Co твердость — 60-64 HRC, плотность — 13,5-15,5 г/см3, пористость — 2,5-3,0 %, микротвердость — 7697-12146 МПа, содержание кислорода — 0,08-0,15%, частичное разложение WC на W и W2C, Со — растворяется в WC с образованием ^3W3C; для Ni3Al — твердость — 30-35 HRC, плотность — 6,45-6,85 г/см3, пористость — 8-10 % (рис. 5, б), микротвердость — 3430-6810 МПа, содержание кислорода — 0,20 — 0,25 %, появляются фазы NLAI32O49 и NiAl36O46.

'. С ' Л Ъ

б;

" шм

. РР

1 А1*-* С - ° * ь•

Рис. 5. Структуры покрытий заготовок после индукционной обработки: а — №-Сг-В-81 (ПГСР2), пористость — 6,3%; б — №-А1 (ПТЮ-10Н), пористость — 9,2 %

На основании проведенных исследований технологии плазменного напыления, общих и специальных характеристик напыленных покрытий в настоящее время разработаны и внедрены технологии создания защитных покрытий различного класса на новых изготавливаемых деталях и технологии восстановления изношенных изделий.

Выводы

Использование индукционного нагрева позволяет производить оплавление зоны сцепления между покрытием и подложкой без нагрева заготовки в целом (при достижении температуры плавления материала на границе покрытия и подложки ширина зоны, нагретой более 700 °С, составляет 1,7 мм, остальная часть заготовки термическому воздействию не подвергается), а также производить обработку с высокой скоростью и высоким качеством нагрева.

Разработана программа для моделирования и расчета методом контрольного объема температурного поля заготовки и электрофизических параметров процесса индукционного нагрева слоистых сред на основе численных методов.

Разработан метод индукционного оплавления самофлюсующихся покрытий, нанесенных плазменным напылением, значительно повышающий ресурс работы детали: возрастает твердость нанесенного покрытия за счет снижения пористости покрытия, увеличивается адгезия между покрытием и подложкой. Пористость покрытий после индукционной обработки сокращается с 12-14 % до 6-9 %, твердость удается повысить с 42 до 60-65 ИИС для покрытия ПГСР2 и с 25 до 30-35 ИИС для покрытия ПТЮ-10Н, что значительно увеличивает их износостойкость, препятствует образованию сколов, отслоению и разрушению покрытия в процессе эксплуатации детали.

Литература

1. Фролов В. Я. Анализ процессов на стадии контакта в условиях обработки металлов электроконтактно-дуговым методом// Металлообработка. 2002. № 5. С. 16-23.

2. Дресвин С. В., Иванов Д. В. Основы математического моделирования плазмотронов. Ч. 2: Электромагнитные задачи в плазмотронной технике: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та. 2006. 296 с.