Особенности процесса плазменного напыления с электромеханической обработкой покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности процесса плазменного напыления с электромеханической обработкой покрытий

Введение

Плазменное напыление (ПН) относится к прогрессивным технологиям формирования покрытий различного функционального назначения, в том числе, износо- и коррозионностойких покрытий. Широкое использование плазменного напыления сдерживается недостаточным качеством получаемых покрытий для ряда деталей, испытывающих во время работы значительные ударные нагрузки (зубья шестерен, седла клапанных гнезд в головках и блоках цилиндров, кулачки распределительного вала и т. д.).

Устранение указанного недостатка реализуется как за счет самой операции напыления, так и последующей обработки покрытия или ее совмещения с напылением. Совмещение операций нанесения и упрочнения покрытий имеет преимущества перед другими методами и позволяет уменьшить время на обработку детали, подготовительно-заключительное время, сэкономить энергию, способствует увеличению производительности и эффективности получения качественных покрытий. При этом основные достоинства отдельно взятых составляющих процессов при этом остаются. Одним из наиболее перспективных является метод, совмещающий операции напыления и электромеханической обработки (ЭМО) покрытий [1]. Работа посвящена изучению данного комбинированного процесса путем компьютерного моделирования и получения данных по влиянию факторов на критерии процесса и по оптимизации процесса.

1.Состояние исследований и актуальность работы

Упрочнение покрытий с помощью термо- и электромеханической обработки позволяет уменьшить припуск на финишные операции шлифования и полирования, залечить микротрещины, сэкономить дорогостоящие материалы покрытия и абразивного инструмента. За счет высоких скоростей нагрева и охлаждения покрытий при электромеханической обработке возможно формирование высокопрочной структуры сорбита. Известно, что упрочнение плазменных покрытий путем ЭМО наноструктурирует их и обеспечивает высокую износостойкость со свойствами на уровне монолитных материалов, уплотняет покрытия на 10_20 %, повышает микротвердость на 60-70 %, увеличивает адгезионную прочность до 3 раз [2, 3]. Однако использование данного метода ограничено диапазоном толщин покрытий порядка 0,2-0,5 мм, при превышении которых покрытие вследствие ламелеобразной структуры, наличия в нем высоких остаточных напряжений и хрупкости может растрескиваться и отслаиваться. Для покрытий толщиной свыше 0,2-0,5 мм данный метод является трудоемким, нуждающимся в дополнительных затрат энергии, так как требует нескольких кратных повторений операций напыления и упрочнения.

Устранение указанного ограничения по критической толщине покрытия возможно за счет совмещения в одной технологической операции процессов плазменного напыления покрытия и одновременной электромеханической обработки. Данный способ реализуется плазменным напылением покрытия 1 на деталь 2 с помощью плазменной струи 3 плазмотрона 4 с одновременной электромеханической обработкой напыляемого покрытия 1 с помощью ролика 5, обкатывающего покрытие с прижимным усилием F (рис. 1).

Рис. 1. Схема комбинированного нанесения покрытия: 1 - покрытие; 2 - деталь; 3 - плазменная струя; 4 - плазмотрон; 5 - ролик; 6, 8 - охлаждающая струя; 7, 9 - форсунки; F - сила прижима ролика

Поскольку процесс включает в себя использование двух мощных источников тепла, то для исключения перегрева основы с покрытием требуется система охлаждения, которая включает в себя охлаждающие струи 6 и 8 от форсунок 7 и 9.

Данный способ является ресурсосберегающим, универсальным по толщине покрытий и обеспечивающим его высокую плотность, адгезионную и когезионную прочность. Способ может применяться для различной номенклатуры деталей, в том числе и автомобильных деталей и деталей, имеющих сложную конструктивную конфигурацию, для которых подбирается соответствующая технологическая оснастка.

Научной и технологической проблемой в данном сложном для изучения комбинированном процессе является определение влияния основных факторов на его критерии и оптимизация процесса. Это позволит решить практическую проблему достижения необходимого качества плазменных покрытий, обеспечивающих их использование при динамических, в том числе ударных, и знакопеременных нагрузках и лишенных указанных недостатков (перегрева подложки, отсутствия ее коробления и высоких остаточных напряжений).

Объектом исследования является комбинированный процесс плазменного нанесения с ЭМО покрытий, предметом исследования - зависимости критериев процесса и показателей качества покрытий от его факторов. Целью работы является определение методов управления качеством покрытий и оптимизация процесса. Задачи исследования включают определение основных факторов процесса и проведение компьютерного моделирования для определения влияния этих факторов на критерии процесса.

Решение проблемы повышения качества плазменных покрытий в рассматриваемом комбинированном процесс зависит от выбора из общей массы наиболее существенных, лимитирующих факторов, которые могут быть приняты в качестве основных управляющих технологических параметров процесса, и оптимизируемых критериев процесса.

1.Анализ основных факторов комбинированного процесса

Поэтапная технологическая схема влияния факторов плазменного напыления на критерии процесса представлена в работах [4, 5]. В комбинированном процессе добавляются факторы ЭМО: мощность электрического тока, проходящего через систему «покрытие - основа», кинематические параметры взаимного перемещения ролика и основы, сила прижима ролика к основе, конструктивные параметры ролика.

Для предварительной оперативной оценки температур покрытия в процессе плазменного напыления с ЭМО разработана математическая модель на основе использования математического аппарата процессов при контактной (шовной) сварке [6], модифицированная для системы «плазменное покрытие-основа». Модель включает в себя интегральные соотношения подвода и отвода тепла, изменения теплосодержания металла обрабатываемой переходной зоны «покрытие-основа», зависимости для определения составляющих электрических сопротивлений контактных зон, закон Джоуля-Ленца, известные зависимости распределения тепла от пятна плазменного напыления и зон охлаждения. Данная модель имеет множество допущений и упрощений, её применимость ограничена описанием только установившихся процессов для полуограниченного тела. Учет геометрических особенностей детали с покрытием и наличие импульсных процессов значительно усложняет модель. В этой связи целесообразен численный метод описания объекта путем его дискретизации на множество элементов и использования базовых фундаментальных физических и термодинамических уравнений.

Для этого была разработана модель на основе метода дискретных элементов для механического состояния системы «покрытие - основа», близкого к SPH-методу (Smoothed Particles Hydrodynamics), и на основе метода конечных разностей для тепловой задачи [7]. Дискретные элементы моделируемой среды взаимодействуют между собой с силами, учитывающими упругие силы и силы вязкого трения, и движутся по законам классической механики, описываемыми ньютоновскими уравнениями движения. Тепловая задача основывается на базовых уравнениях классической термодинамики и использовании уравнений теплопроводности.

2.Результаты моделирования процессов

Для удобства исследования математической модели и для проведения с её использованием компьютерных экспериментов была разработана компьютерная программа для ЭВМ на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7 [8]. Параметры компьютерной модели были близки к следующим реальным параметрам процесса нанесения покрытия: подложка - сталь; порошок ПН55Т45; диаметр частицы порошка (элемента модели) 10 мкм; эффективный радиус ролика 10 мм; характерная толщина одного слоя покрытия 50 мкм; скорость перемещения плазмотрона и ролика относительно поверхности 1 см/с; расход порошка 10 мг/с; характерное давление ролика 100 МПа.

Механическое воздействие обкатывающего ролика приводит к перестройке структуры покрытия (рис. 2, а). В частности, поверхность покрытия после прохода ролика становится более ровной: пустоты поверхности заполняются за счет смещения выпуклостей. Кроме того, действие ролика приводит к тому, что взаимное расположение элементов покрытия становится более упорядоченным. Однако при недостаточно прогретом покрытии проявляются и отрицательные стороны механического воздействия: покрытие после прохода ролика имеет зёренную структуру со значительным количеством небольших трещин. Распределение электрического потенциала в рабочей зоне ролика при условии, что поверхность детали имеет потенциал 0 В, а ролик - потенциал 6 В представлено на рисунке 2, б. Из рисунка 2 видно, что наибольший разогрев покрытия при электромеханической обработке производится как раз в том месте, где он и необходим - в месте основного ввода механических напряжений.

С помощью разработанной модели проведена серия компьютерных экспериментов, в которой изменяли расход порошка в диапазоне от 0,001 до 5 г/с. Расход порошка, при одинаковой скорости движения плазмотрона относительно неподвижной восстанавливаемой поверхности, определяет толщину слоя покрытия.

Рис. 2. Изменение структуры покрытия при проходе обкатывающим роликом второго слоя покрытия (а) и распределение электрического потенциала в покрытии вблизи зоны контакта ролика с покрытием (б)

Результаты расчетов показали, что при любой толщине слоя механическое действие ролика приводит к существенному снижению шероховатости поверхности. Плотность покрытия увеличивается с увеличением расхода порошка, так как при малом расходе покрытие имеет островковую структуру и с увеличением расхода сплошность покрытия увеличивается. Обкатка роликом покрытия позволяет увеличить его плотность ориентировочно на 5 % по сравнению с обычным плазменным напылением. Шероховатость поверхности покрытия снижается при обкатке на 40-70 %. Однако она незначительно, на 0,5 мкм, растет с увеличением QП, так как с увеличением толщины покрытия увеличивается амплитуда неровностей поверхности.

В результате обкатки роликом когезионнная прочность покрытия c ростом расхода порошка снижается на ~ 20 МПа. Обкатка покрытия роликом без пропускания тока в сравнении со случаем без обкатки роликом приводит к падению когезионной прочности на 3-8 МПа. Данный отрицательный эффект выражен тем сильнее, чем больше толщина покрытия. Снижение когезионной прочности может служить косвенным подтверждением увеличения остаточных растягивающих напряжения в покрытии в направлении, перпендикулярном его поверхности. Аналогичный отрицательный эффект механического воздействия получен в отношении остаточных напряжений. Это имеет место во всем интервале расхода порошка QП несмотря на некоторое повышение силы когезии при QП ? 3 мг/с. Данные результаты показывают, что механическая обработка без пропускания тока через зону «покрытие - основа» позволяет улучшить плотность покрытия и снизить шероховатость, однако приводит к снижению когезии и росту внутренних напряжений. Электромеханическая обработка непосредственно после плазменного нанесения покрытия позволяет устранить отрицательный эффект механической обработки, заключающийся в создании дополнительных внутренних повреждений покрытия. При этом сохраняется положительный эффект механической обработки, заключающийся в увеличении плотности и снижении шероховатости.

Для исследования влияния силы прижатия обкатывающего ролика к поверхности детали проведена серия компьютерных экспериментов, в которой варьировали давление обкатки PР на уровнях 0,1; 0,3; 1,0; 3,0; 10; 30; 100; 300; 1000 МПа (рис. 3). Анализируя графики, можно заметить, что плотность покрытия и когезионная прочность практически не зависят от давления обкатки (рис. 3, а, в). При увеличении давления обкатки РР шероховатость поверхности сначала уменьшается (РР менее 3 МПа), что связано с увеличивающейся способностью ролика распределять выступающие части покрытия между впадинами (рис. 3, б). При давлении же обкатки более 100 МПа происходит механическое разрушение покрытия, поэтому в данном диапазоне РР наблюдается рост шероховатости. Наименьшая шероховатость поверхности наблюдается в довольно широком диапазоне РР от 2 до 100 МПа. Остаточные напряжения уост растут с увеличением РР (рис. 3, г).

Рис. 3. Влияние давления обкатки ролика Р_Р на плотность образующегося покрытия (а); шероховатость поверхности (б); когезионную прочность покрытия (в) и величину остаточных напряжений (г): 1 - обкатка роликом без пропускания электрического тока; 2 - электромеханическая обработка роликом

Сравнивая линии 1 и 2 на рисунке 3, можно отметить, что использование электромеханической обработки, по сравнению с чисто механической обработкой, приводит к улучшению показателя R_q ориентировочно на 20 %, показателя у_ког - примерно в 2 раза, показателя у_ост - примерно в 3 раза.

Результаты компьютерного моделирования тепловой задачи комбинированного процесса представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Распределение температуры по поверхности вала T(ц) (а) и в поперечном сечении вала (в области "пятна нагрева плазмой") T(y) (б): 1, 2, 3 - режимы, соответствующие ПН с ЭМО без охлаждения, с охлаждением одной струей воды после плазмотрона и с двумя охлаждающими струями

Анализируя профили на рисунке 4 можно прийти к выводу, что каждая струя водяного охлаждения приводит к снижению средней температуры вдоль линии движения плазмотрона приблизительно на 150_200 ^ОС. Использование двух струй водяного охлаждения (как после прохода плазмотрона, так и после прохода обкатывающего ролика), позволяет поддерживать среднюю температуру детали на приемлемом уровне (около 150 ^ОС). Это не приводит к образованию существенных внутренних напряжений в окончательно сформированном покрытии. Поэтому в данном случае вероятность отслоения и растрескивания покрытия гораздо ниже, чем в случае отсутствия одного или двух этапов охлаждения.

Выводы

плазменный напыление электромеханический

Таким образом, проведенные оценки на основе компьютерного моделирования позволяют заключить, что механическая (либо электромеханическая) обработка плазменного покрытия приводит к повышению его плотности ориентировочно на 10 % и снижению шероховатости ориентировочно вдвое. Электромеханическая обработка по сравнению с чисто механической, приводит к повышению когезионной прочности покрытия примерно вдвое и снижению остаточных напряжений в 2-5 раз.

Моделирование распространения тепла в деталях для способа комбинированного нанесения покрытия показало, что водяное охлаждение существенно понижает температуру поверхности детали, чем способствует образованию более прочного покрытия благодаря уменьшению внутренних напряжений в покрытии. В случае использования дополнительной электромеханической обработки поверхности целесообразно использовать две водяные струи охлаждения: после прохода плазмотрона и после прохода обкатывающего ролика.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Министерства образования и науки РФ (№ 7.4045.2011).

Список литературы

1. Кадырметов, А. М. Перспективы упрочнения покрытий методом плазменного напыления с одновременной электромеханической обработкой [Текст] / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, В. Н. Бухтояров, Е. В. Снятков, А. Ф. Мальцев // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: В 2 частях : материалы 14-й международной научно-практической конференции. Часть 1 - СПб: Изд-во политехн. ун-та, 2012. - С. 75-79.

2. Багмутов, В. П. Исследование структуры и свойств наноматериалов, полученных комбинированной обработкой [Текст] / В. П. Багмутов, В. И. Калита, И. Н. Захаров, Иванников Е. Б., Захарова // Известия ВолГТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - С. 102-106.

3. Пат. 2338005 МПК C23C4/18 Способ комбинированного упрочнения деталей [Текст] / В. П. Багмутов, В. И. Калита, С. Н. Паршев, И. Н. Захаров ; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - № 2006145603/02; заявл. 20.12.2006 ; опубл. 10.11.2008.

4. Кадырметов А. М. Исследование процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий и пути управления их качеством / А. М. Кадырметов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №07(81). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/07/pdf/25.pdf, 1,125 у.п.л.

5. Станчев, Д. И. Математическая модель расчета температурного поля при плазменном напылении с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой цилиндрических деталей [Текст] / Д. И. Станчев, А. М. Кадырметов, В. Н. Бухтояров // Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств наземного обеспечения авиации: международный сборник научно-методических трудов (часть 1) - Воронеж, ВВАИИ, 2003. - С. 83-88.

6. Кочергин, К. К. Контактная сварка [Текст] / К. К. Кочергин. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние. 1987. - 240 с.

7. Кадырметов, А. М. Оценка качества плазменных покрытий, нанесенных комбинированным методом с обкаткой роликом, полученная на основе компьютерного моделирования / А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - №87(03).- Режим доступа.

8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2013612101 от 14.02.13 г. Программа для моделирования способа комбинированного упрочнения поверхностей деталей [Текст] / В. О. Никонов, А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. - №2012661430; заявл. 21.12.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.02.2013.

Размещено на Allbest.ru