Исследование поверхностных слоев, полученных методами напыления с последующей электромеханической обработкой

Размещено на Allbest.ru

Исследование поверхностных слоев, полученных методами напыления с последующей электромеханической обработкой

поверхностный слой метод напыление

Аннотация - В работе представлены результаты исследования технологии комбинированной обработки поверхностных слоев деталей, полученных методами напыления с последующей электромеханической обработкой. Анализируется влияние технологических режимов электромеханической обработки на прочность сцепления покрытия, полученного напылением порошковых проволок, со стальной основой. Показаны оптимальные режимы обработки цилиндрических деталей с напыленным покрытием толщиной до 3 мм: сила тока 700-900А, давление рабочего инструмента в пределах 50-70 МПа.

Ключевые слова - напыление, электромеханическая обработка, прочностные и триботехнические характеристики.

Одним из путей повышения ресурса техники и снижения расходов на запасные части является внедрение в производство технологий восстановления и упрочнения деталей с использованием, например, методов газотермического напыления (газопламенное, плазменное, детонационное напыление, электродуговая металлизация и др.) [1-3]. Напыление получило достаточно широкое применение для упрочнения и восстановления деталей машин и имеет ряд преимуществ в сравнении с другими способами поверхностной обработки.

Однако, наряду с преимуществами (простота метода, компактность, относительно низкая стоимость оборудования, достаточная степень экологичности) газопламенное и другие виды напыления обладают рядом недостатков, которые ограничивают его область применения: низкие физико-механические свойства покрытия (прочность сцепления с основой, износостойкость, плотность), высокая пористость, а также уровень остаточных напряжений в покрытии [1-3].

Прочность сцепления покрытия с подложкой является одним из основных параметров, позволяющих определить возможность применения напыления при восстановлении деталей. В зависимости от метода подготовки поверхности детали к напылению, способа напыления и состава напыляемого материала прочность сцепления покрытия с подложкой на отрыв составляет 15-50 МПа. Проведенными ранее исследованиями установлено, что прочность сцепления покрытия на отрыв находится в пределах 9, 5-12 МПа при электродуговом и газопламенном напылении стальными проволоками 65Г, Св-08Г2С, У7 [1, 2]. Использование подслоя из молибдена, никельалюминиевых сплавов повышает прочность сцепления до 24-28 МПа. Однако, стоимость таких покрытий резко возрастает из-за дороговизны применяемых для напыления материалов, а также ввиду усложнения технологии осуществления процесса. Нанесение покрытия из стали 45 на стальной образец позволяет получить поверхность с прочностью сцепления на отрыв при газопламенном напылении 15-16 МПа, при электродуговом до 30 МПа. При плазменном напылении покрытия из порошкового сплава ПГ-С1 на образец из стали 45 с последующей дробеструйной обработкой, еще выше и составляет 40-45 МПа [1-4].

Различные виды напыления позволяют получить поверхностные слои с высокими эксплуатационными свойствами, однако данный вид обработки не всегда позволяет обеспечить требуемый уровень работоспособности деталей в условиях высоких удельных нагрузок, особенно при их знакопеременном характере [3]. Это объясняется сложностью получения напылением покрытий высокой плотности со значительными прочностными показателями, вследствие образования в них микротрещин, пустот, пор и окислых включений. Вышесказанное объясняет необходимость последующей обработки поверхностных слоев, полученных напылением, другими видами высокоэнергетического воздействия с целью их упрочнения. Перспективным методом упрочнения покрытий, получаемых методами газотермического напыления (газопламенное, плазменное, детонационное напыление, электродуговая металлизация и др.) является их последующая электромеханическая обработка [3-5]. Электромеханическая обработка (ЭМО) покрытий позволяет существенно увеличить их прочностные и триботехнические характеристики, в том числе и при наличии высоких эксплуатационных нагрузок (динамических, знакопеременных), подверженных абразивному, коррозионному, высокотемпературному или иному воздействию [3, 4].

Электромеханическая обработка реализуется при пропускании электрического тока большой плотности (108-109 А/м2) и низкого (2-6 В) напряжения через зону контакта детали и деформирующего электрода-инструмента (ролика или пластины) [5]. Технологические характеристики, посредством которых регулируется интенсивность температурно-силового воздействия на материал детали при ЭМО, обеспечивают заданные параметры упрочненного поверхностного слоя. Их можно разделить на механические и электрические (энергетические) режимы обработки (параметры упрочнения). Наиболее важными механическими характеристиками режима упрочнения являются скоростные и силовые факторы: относительное перемещение инструмента и обрабатываемой поверхности (скорость обработки (V), подача инструмента (S)), усилие прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности - деформирующее усилие (Р). К электрическим параметрам режимов ЭМО относят: напряжение (U) и сила ток (I) во вторичной цепи силового трансформатора. От величины этих характеристик зависит количество джоулева тепла (удельная мощность теплового потока), выделяющегося при обработке в зоне контакта электрода-инструмента с поверхностью детали, и, как следствие, все основные (геометрические, физико-механические) характеристики упрочненного ЭМО поверхностного слоя. При этом для электромеханической обработки характерна локальность области высокотемпературного воздействия, так как площадь зоны контакта составляет лишь несколько квадратных миллиметров [5, 6].

Исследование поверхностных слоев, полученных напылением, осуществлялось оценкой качества сцепления нанесенного слоя с основным металлом до и после электромеханической обработки, при этом применялся метод отрыва штифтов.

На поверхности образцов из сталей 45, 38ХС, 40Х наносились порошковые проволоки различного химического состава. Анализ экспериментальных зависимостей средних значений прочности сцепления покрытия с основой от величины силы тока при значениях удельной нагрузки инструмента на обрабатываемый поверхностный слой в пределах 80 МПа (рис. 1), показывает характерное для всех исследуемых сталей увеличение прочности сцепления обработанного напыленного слоя с подложкой с увеличением силы тока, однако увеличение силы тока свыше 1100 А приводит к существенному снижению качества поверхностного слоя, прочности сцепления и даже к его разрушению в результате перегрева и наличия значительных деформирующих усилий в зоне обработки.

а)

б)

Рис. 1. Зависимость средних значений прочности сцепления покрытия с основой поверхностных слоев, полученных методами газотермического напыления, от величины силы тока при последующей ЭМО для сталей 38ХС, 40Х и 45 при различных удельных давлениях: а) Р=80 Мпа, б) Р=30 Мпа

Обработка напыленных поверхностных слоев с незначительными деформирующими усилиями в зоне обработки рабочим инструментом, в пределах 30 МПа, приводит к плавному увеличению прочности сцепления с увеличением силы тока примерно до 900А, это связано с возможным увеличением площади контакта напыленного поверхностного слоя и подложки. Дальнейшее увеличение силы тока до 1100А приводит к незначительному увеличению прочности сцепления по причине выдавливания или хрупкого разрушения окислов, что зависит от температуры плавления окислов в сравнении с температурой плавления металла. Последующее увеличение силы тока приводит к плавному снижению прочности сцепления.

Анализ технологических режимов обработки поверхностных слоев, полученных напылением, показывает неэффективность электромеханической обработки с давлением рабочего инструмента на обрабатываемую поверхность менее 10 МПа. В процессе такой обработки происходит значительное искрение между обрабатываемым поверхностным слоем и рабочим инструментом, что, в свою очередь, приводит к электроэррозионному разрушению поверхности детали и обрабатывающего инструмента, снижению качества поверхности.

Приведенный в работах [3, 4, 7, 8] макроструктурный анализ напыленных поверхностных слоев после электромеханической обработки подтверждает выдвинутые выше предположения о характере происходящих под влиянием ЭМО процессов в поверхностном слое детали, прочность сцепления существенным образом зависит от величины удельного давления инструмента при оптимальных значениях тока и напряжения.

По результатам проведенных исследований получены зависимости прочности сцепления покрытия с основой от технологических режимов ЭМО, позволяющие оценить получаемую прочность сцепления покрытия с основным металлом для выбираемых режимов электромеханической обработки, назначать или корректировать степень термо-деформационного воздействия на обрабатываемую поверхность с целью обеспечить требуемые параметры качества поверхностного слоя деталей машин, полученных напылением. Оптимальный режим электромеханической обработки цилиндрических деталей с толщиной напыленного слоя до 3 мм: сила тока 700-900А, давление рабочего инструмента 50-70 МПа.

Испытания на прочность сцепления покрытий толщиной до 3 мм, нанесенных порошковыми проволоками на исследуемые стали с последующей электромеханической обработкой, показали увеличение прочности сцепления в несколько раз, в зависимости от технологических режимов ЭМО.

Библиографический список

1. Балдаев Л. Х. Проблема качества газотермических покрытий // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа. 2001. №3. С. 18-20.

2. Марченко Г. В. Оценка прочности сцепления металлизационных покрытий с основным металлом // Сб. трудов Белорусской СХА. 1984. Вып. 123. С. 83-85.

3. Кадырметов А. М., Никонов В. О., Бухтояров В. Н. [и др. ]. Перспективы упрочнения покрытий методом плазменного напыления с одновременной электромеханической обработкой // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: В 2 ч. : материалы 14-й междунар. науч. -практ. конф., Ч. 1 / СПб: Изд-во политехн. ун-та, 2012. С. 75-79.

4. Слинко Д. Б., Мурзаев В. П. Повышение качества покрытий с использованием последующей электромеханической обработки // Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. 2014. №2. С. 28-31.

5. Эдигаров В. Р. Технологии и оборудование комбинированных способов электромеханической обработки: моногр. Омск: ОАБИИ, 2014. 280 с.

6. Edigarov V. R., Litau E. V., Morgunov A. P. The influence of process parameters of the electromechanical handling on its features // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2014. DOI: 10. 1109/Dynamics. 2014. 7005647 Publication Year: 2014. P. 1-4.

7. Никонов В. О. Разработка автоматизированного процесса упрочнения и восстановления деталей машин плазменным напылением с одновременной электромеханической обработкой // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Vol. 2 issue: 4 part: 3.

Размещено на Allbest.ru