Физическая модель капельного переноса материала при электроискровом формировании шероховатой поверхности

УДК 534-8 УДК 621.9.048.4

Е.Н. Минаев, А.И. Шумилин, И.В. Злобина

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАПЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА МАТЕРИАЛА ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ФОРМИРОВАНИИ ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Показана возможность развития кавитационных процессов при наложении ультразвуковых колебаний в тонком быстро кристаллизующемся слое расплава металла, образованном капельным переносом материала анода на инструмент-катод и локальным расплавлением материала катода в процессе электроискрового переноса и формирования микропористой шероховатой поверхности

Ультразвук, кавитация в расплаве, нанесение покрытий, капельный перенос, микропоры, морфология поверхности

E.N. Minaev, A.I. Shumilin, I.V. Zlobina

A PHYSICAL MODEL TO THE DRIP MATERIAL TRANSFER AT ELECTROSPARK DEPOSITION OF ROUGH SURFACE

The paper deals with the possibility of cavitation processes in the application of ultrasonic vibrations over a thin layer of rapidly crystallizing molten metal formed globular material of the anode-cathode tool and local melting of the cathode material in the process of electro-spark migration and formation of a microporous surface roughness.

Ultrasound, cavitation in the melt coating, metal coating, drip transfer, micropore, surface morphology

В последнее время явление кавитации в расплаве металлов широко применяется в металлургических процессах для дегазации расплавов и очистки от твердых неметаллических включений. Тем самым добиваются получения металла высокой плотности и чистоты, что повышает прочностные характеристики сплава или литой заготовки. Однако закономерности образования кавитационных полостей в таких быстро кристаллизующихся слоях расплава как покрытия мало изучены [1].

Установлены закономерности получения микропористого покрытия, разработаны технологии и оборудование электроискрового нанесения покрытия с ультразвуковыми колебаниями электрода [3].

Покрытия, полученные электроискровыми методами, могут быть использованы в различных отраслях техники: от пористых титановых покрытий на дентальных имплантатах до тугоплавких износостойких покрытий на доводочных инструментах при получении прецизионных отверстий [4,5].

Типовыми представителями изделий, в технологический маршрут изготовления которых включаются операции доводки и хонингования отверстий, являются детали механических приборов, топливной и пневмоаппаратуры, а также агрегатов управления. Характерными для указанных изделий являются малый диаметр (менее 5 мм) и относительно большая длина отверстий, имеющих высокие требования к точности (Н6-Н5) и шероховатости (Ra = 0,08-0,16 мкм). Большая часть указанных изделий изготавливается из высоколегированных сталей и сплавов, обладающих высокими прочностными свойствами, где важным параметром является адгезия покрытия к основе [6].

Покажем, что при определенных условиях в перенесенной на катод капле возможно развитие кавитационных процессов, приводящих в ходе кристаллизации к образованию микропор, выходящих на поверхность неровности в виде каверн, края которых будут выполнять роль режущих кромок, обычно образуемых гранями абразивных или алмазных зерен.

Очевидно, что в микрокапле расплава при электроискровом нанесении покрытия радиус кави-тационного пузырька будет ограничиваться высотой слоя расплава, который, в свою очередь, зависит от диаметра упавшей капли и глубины слоя, проплавленного ею, а также длительности импульса при электроискровой обработке. Зная параметры процесса: IKз. - ток короткого замыкания, U^ - напряжение холостого хода, Ip - рабочий ток, R - сопротивление токоограничивающего резистора, С - ем-

кость конденсатора, несложно наити время следования импульса, а затем произвести расчет зоны плавления металла на аноде и, таким образом, вычислить размер капли в связи с длительностью импульса по известным из теории теплофизики электроразрядных процессов зависимостям. Однако эти зависимости предполагают, что электрод является однородным полубесконечным телом, и распределение температуры зависит только от глубины (координаты г) и времени. Изменение теплофизиче-ских коэффициентов от температуры не учитывается. Предположим, что поверхность участка электрода нагревается до температуры Тп, и металл в капельном состоянии по мере плавления непрерывно удаляется однократно в виде капли, при этом отсутствует испарение и взрывной перенос металла. Вследствие малого времени длительности импульса (ти < 10-3с) предположим, что весь металл, перенесенный с анода на катод, некоторое время находится в жидком состоянии, успевая при определенных условиях проплавить слой основы определенной толщины I. Такие начальные условия предполагают возможность развития кавитационных пузырьков в тонком слое расплава, если основа совершает колебания ультразвуковой частоты с достаточной интенсивностью.

На рис. 1 схематически изображен перенос жидкого металла при единичном разряде с анода на катод, совершающий ультразвуковые колебания.

; г /

Rп

Н ' к i

1

\\\\\\ЧЧК\\\ хч !

Рис. 1 Формирование агломерата из капли расплава на катоде при единичном разряде и каверн кавитационных пузырьков на агломерате при кристаллизации: перенос капли с анода на катод

Вычислим объем капли расплава, сформировавшейся на катоде после единичного импульса:

Vк = 24

где Vк - объем капли; Гч - радиус зоны металла достигшего температуры плавления; множитель 2 учитывает плавление катода и анода (среднее значение проплавления катода каплей в пределах Гч=30 - 80 мкм).

В идеализированном случае от единичного разряда на катоде образуется растекшаяся капля, которую можно представить в виде цилиндра, имеющего объем

V, = П%И,

где Я ц- радиус сечения цилиндра; И - высота цилиндра (капли на катоде, или микронеровности).

Очевидно, что Vц = Vк. С учетом этого можно определить высоту микронеровности И и толщину слоя расплава на катоде Н:

И = 2,67-Чт; Я

Н = 2,67^- +1,

Я2

ц ц

где Гч - радиус капли расплава, переносимой с анода на катод, I - толщина слоя расплава на катоде до переноса капли, Яц - радиус агломерата микронеровности.

Из допущения о целостности капли расплава на катод, очевидно, что при интенсивной кавитации в расплаве размеры пор, образованных отвердевшими кавитационными пузырьками, не должны превышать Яп < Н/2.

После ряда преобразований и введения граничных условий получено выражение для толщины слоя расплава на инструменте-катоде:

Н = 2,67

2

Я

- +1,

3

3

3

где Т - температура плавления металла + 700 С для обеспечения его жидкотекучести, То - начальная температура, ц - коэффициент использования энергии, W и =1ит - энергия единичного импульса, ач -температуропроводность, сч - теплоемкость, рч - плотность, ти - длительность импульса, ит - напряжение, I - ток.

Время, в течение которого частица затвердевает и в контакте сохраняется постоянная температура Тк - температура контакта:

t0 ={Е.

0 ^ 2а ) ач

где а - корень некоторого уравнения, решение которого номографировано и может быть найдено в справочниках по теплофизическим свойствам металлов и сплавов.

Расчеты по данной зависимости для различных материалов (сталь, твердый сплав) дают время кристаллизации агломерата tо = (1,3 - 1,5)х10-4 с. При ультразвуковых колебаниях с частотой 22 кГц время tо больше, чем три периода звуковой волны. Из решения известного уравнения Непайреса -Нолтинга [2] следует, что для достижения пузырьком-зародышем максимального размера требуется лишь два периода колебаний. Таким образом, теоретически подтверждается предположение, что микрокапля расплава некоторое время пребывает в жидком состоянии, и в ней возможна кавитация. Из формулы (5) следует, что чем больше толщина слоя расплава, тем больше время кристаллизации частицы и более вероятно возникновение кавитации, а значит образование пористой структуры и каверн на поверхности агломерата.

Формула (4) отражает зависимость толщины слоя расплава от электрических параметров процесса - силы тока, напряжения, длительности импульса и позволяет ориентировочно определить диапазон режимов нанесения микронеровностей, которые требуют экспериментальной проверки (рис. 2).

Н, мкм 20

115-20 10-15 15-10

10-5

ит, B

Рис. 2. Зависимость толщины слоя I, A расплава на катоде-инструменте от величины тока и напряжения

Из графика, представленного на рис. 2, видно, что наибольшее влияние на толщину слоя расплава оказывает напряжение, а влияние силы тока менее заметно. Однако необходимо учитывать и процесс переноса металла с анода на катод. Так, при режиме 1= 5А, и = 120-130 В происходит взрывной перенос металла, т.к. температура в зоне плавления превышает температуру кипения материала анода, что нежелательно для формирования равномерного по высоте микронеровностей покрытия с определенным размером каверн.

Для практических целей определения размеров каверны в агломерате, нанесенном на поверхность катода-инструмента, через радиус кавитационного пузырька нами получена после ряда преобразований из формулы, предложенной Ф. А. Брониным, зависимость, учитывающая условия кристаллизации тонкого слоя металла:

* = 04(1 -Р

тах f ^ р

(р ^

0,5

Рч,'

где f - частота ультразвука, Ро - статическое давление в слое расплава, Р - акустическое давление, Рч - плотность материала анода, перенесенного на катод.

Необходимо учитывать, амплитуда колебаний катода-инструмента не должна быть меньше так называемой критической Акр:

2а

Р +:

А№ >

Я

2прч/

где Яо - радиус пузырька-зародыша, а - поверхностное натяжение слоя расплава.

Построенная модель образования слоя расплава металла при электроискровом переносе позволяет провести теоретический расчет размеров и возможности роста кавитационных пузырьков в расплаве металла.

Основным уравнением, описывающим поведение кавитационного пузырька в ультразвуковом поле без учета сжимаемости жидкости, является уравнение Нолтинга - Непайреса [3] :

2РЯ; ^+П1Я

+ 4а = 2Я

PSin(2жf)- Р0 +

(

Ро +

2а

Я

Я

о

Я3

где Я0 - начальный радиус пузырька в момент времени ^ = 0, Р - амплитуда давления звуковой волны, f - частота колебаний, Ро - гидростатическое давление, р - плотность жидкости, а - поверхностное натяжение, Я - текущий радиус пузырька.

Это уравнение хорошо описывает изменение радиуса кавитационного пузырька, пульсирующего в поле ультразвуковой волны, и дает результаты, хорошо сопоставимые с результатами, полученными в ходе экспериментов. Однако в конечной стадии захлопывания кавитационного пузырька, когда скорости движения его границы становятся соизмеримыми со скоростью звука в жидкости, предположение о несжимаемости жидкости становится некорректным. Так как предполагается исследование пор в отвердевшем металле полученных кавитацией в расплаве, подробное рассмотрение стадии захлопывания пузырька можно не производить. При этом условии уравнение Нолтинга - Непайреса, не усложненное учетом сжимаемости жидкости, является для нас приемлемым. Хотя теоретический расчет скоростей сжатия пузырька при захлопывании и ударных давлений, возникающих при этом, может вызывать определенный интерес, т.к. не исключено, что ударные волны от пузырьков, успевших захлопнуться, могут влиять на параметры пористости и шероховатости в получаемом покрытии.

На диаграммах (рис. 3, 4) представлены численные решения уравнения Нолтинга - Непайреса методом Рунге - Кутта применительно к поведению кавитационной полости в тонком слое расплава титана, которые позволяют определить максимально достижимый размер кавитационного пузырька и время его роста. Ось ординат отражает изменение радиуса кавитационного пузырька в расплаве титана. По оси абсцисс время от 0 до 2,5 Т, где Т - период колебания основы (период колебаний, сообщаемых расплаву). Четыре диаграммы (рис. 3) соответствуют разным начальным размерам зародыша пузырька Я0 - 1, 20, 100 мкм соответственно. Величина Р х 10-11 показывает периодическое изменение звукового давления (для наглядности колебаний размеров пузырька в зависимости от переменного звукового давления).

Рис. 3. Диаграмма численных решений уравнения Нолтинга - Непайреса для различных радиусов пузырька-зародыша кавитации Ио, частота колебаний f = 22,5 кГц, А = 6 мкм

2

3

"0.0011---------------_

0 1.25-10 5 2.5-10 5 3.75-10 5 5-Ю5 6.25-10 5 7.5-10 5 8.75-10 5 1 10 4

время 1, с

Рис. 4. Диаграмма численных решений уравнения Нолтинга - Непайреса для различных амплитуд колебания А при Ro = 1 мкм, частота колебаний f = 22,5 кГц

На рис. 4 представлены диаграммы изменения радиуса кавитационного пузырька в расплаве титана во времени в зависимости от амплитуды сообщаемых колебаний. Приведены радиусы пузырька при амплитудах инструмента 6, 1, 10, 15 мкм соответственно. Заметно, что при увеличении амплитуды колебаний максимально достижимый радиус пузырька увеличивается и наоборот.

Полученные зависимости для амплитуды ультразвуковых колебаний (7) и радиуса пузырька (6) позволяют прогнозировать целесообразные акустические параметры режима нанесения микронеровностей. Результаты расчетов, проведенных по формулам (6) и (7), приведены в табл. 1.

Таблица 1

Критическая амплитуда в зависимости от размера пузырька-зародыша

Акр, мкм 0,5 1 1,9 3,1 4,7 9,3

Ro, мкм 2 1 0,5 0,3 0,2 0,1

В подтверждение теоретических выводов проведены эксперименты и получены микрофотографии элементов покрытия с микропорами, образовавшимися в результате кавитационных явлений в расплаве металла.

Внешний вид поверхности полученного покрытия представлен на рис. 5 и 6.

1—1 50 мкм I—I 50 мкм

Рис. 5. Поверхность покрытия, нанесенного с наложением на катод ультразвуковых колебаний: а - покрытие, б - капля, полученная единичным импульсом

50 мкм

50 мкм

Рис. 6. Поверхность покрытия, нанесенного без наложения на катод ультразвуковых колебаний.

Поле зрения 430 мкм, а - покрытие, б - единичная капля в виде сферы

При сравнении рис. 5 и 6 хорошо заметно влияние ультразвука на внешний вид покрытия и на каплю расплава, перенесенную на подложку единичным импульсом. Под влиянием ультразвука капля растеклась под действием знакопеременного давления звука, и хорошо заметно присутствие кавитации в расплаве. Покрытие при этом имеет характерную измельченную рельефность. При отсутствии ультразвука капля, полученная в результате единичного импульса, закристаллизовалась в сферической форме. Покрытие состоит из отвердевших наплывов расплава со сравнительно гладкой поверхностью, т.е. присутствует макрорельеф, характеризующий, по-видимому, скважность следования разрядов. При введении ультразвуковых колебаний на наплывах расплава в покрытии под действием кавитации появляются открытые поры [3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Clerio M. Bearbeitung mit Ultraschall / M. Clerio // Werkstatt+Betrieb. № 12, 2013. S. 34-35.

2. Агранат Б.А. Ультразвуковая технология / Б.А. Агранат. М.: Металлургия, 2002. 503 с.

3. Шумилин А.И. Формирование пористой структуры титанового покрытия в процессе его электроискрового нанесения с воздействием ультразвука / А.И. Шумилин // Вестник СГТУ. 2006. № 3 (15). Вып. 2. С.61-66.

4. Фомин А.А. Плазменно-индукционное получение титан-гидроксиапатитовых покрытий на дентальных имплантатах / А.А. Фомин // Вестник СГТУ. 2008. № 2 (32). Вып. 1. С. 49-58.

5. Нанокристаллическая структура поверхностного слоя технически чистого титана, подвергнутого индукционно-термическому оксидированию / А.А. Фомин, А.Б. Штейнгауэр, И.В. Родионов, М.А. Фомина, А.М. Захаревич // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. Вып. 21. С. 70-75.

6. Заверюхина Н.Н. Влияние ультразвука на адгезию металлических покрытий к цветным металлам / Н.Н. Заверюхина // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 16. С. 82-88.

Минаев Евгений Николаевич -

доктор технических наук, профессор, кафедры «Физика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Шумилин Александр Иванович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Физика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Злобина Ирина Владимировна -

ассистент кафедры «Техническая механика и детали машин» Саратовского Государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Evgeny N. Minaev -

Dr. Sc., Professor Department of Physics

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Aleksandr I. Shumilin -

Ph. D., Associate Professor Department of Physics

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Irina V. Zlobina -

Assistant Lecturer

Department of Engineering Mechanics and Machine Components,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 11.12.15, принята к опубликованию 10.02.15

а