Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат технических наук Майрыгина, Екатерина Александровна

• Майрыгина, Екатерина Александровна
• кандидат технических наук
• 2012

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки»

Актуальность работы. Плазменное напыление является одним из наиболее эффективных способов нанесения защитных и упрочняющих покрытий на поверхности деталей. Технологии плазменного напыления успешно применяются для создания защитных покрытий различного класса на вновь изготавливаемых деталях и для восстановления изношенных изделий. Воздушно-плазменное напыление, осуществляемое при атмосферном давлении, позволяет наносить покрытия даже из достаточно легкоокисляемых металлов.

Исследованию процесса напыления и изучению свойств газотермических покрытий, в частности, плазменных, посвящены работы многих ученых, как отечественных, так и зарубежных: М.Ф. Жукова, В.В. Кудинова, О.П. Солоненко, В.Я Фролова, П. Фоше, Э. Пфендера и др.

Для упрочнения и восстановления деталей требуются покрытия с определенными эксплуатационными свойствами: высокие показатели твердости, адгезионной прочности и плотности покрытия

Покрытия из самофлюсующихся сплавов на никелевой основе (ПГ-СР, СНГН, ПГ-12Н-01, ВСНГН) характеризуются износостойкостью в 5,5 раз выше, чем у закаленной стали 45. В зависимости от марки самофлюсующегося порошка твердость изменяется в пределах 35-62 БОКС.

Однако покрытие, полученное в результате напыления, по своей структуре является в значительной степени пористым. В некоторых случаях это свойство можно использовать. Тем не менее, в большинстве случаев, в том числе для упрочнения детали и повышения

Другим важным недостатком плазменных покрытий является их относительно невысокая адгезионная прочность, в тех случаях, где повышаются требования к эксплуатационным условиям, при которых работает покрытие.

Существует несколько способов последующей обработки детали и повышения качества покрытия: пропитка покрытий специальными составами, окрашивание, поверхностное оплавление, ультразвуковое упрочнение, лазерная обработка.

На данный момент ни один из перечисленных методов не позволяет решить проблему в комплексе.

В данной работе представлена электротехнология повышающая эксплуатационные свойства самофлюсующихся покрытий путем высокочастотной индукционной обработки.

Индукционный нагрев металлов, т.е. нагрев проводящих тел вихревыми токами, является одним из самых эффективных применений электрической энергии в технологических процессах, так как обеспечивает нагрев заданной толщины заготовки путем дозирования выделения энергии.

Индукционный нагрев металлов в металлургической промышленности получил распространение только в последней трети XX века. Исследованию индукционного нагрева и разработке технологий термической обработки посвящены работы В.П.Вологдина, Е.Нортрупа, Г.И.Бабата, М.Г.Лозинского, Н.М.Родигина, А.Е. Слухоцкого, А.В.Донского, В.Н. Иванова, В.И. Червинского, А.А.Фогеля, Г.А.Разорёнова, К.З.Шепеляковского.

В данной работе рассматривается применение скоростного индукционного нагрева для оплавления зоны на границе покрытия и подложки, что позволит существенно повысить сцепление покрытия с деталью, увеличить износостойкость покрытия путем сокращения пористости и остаточных напряжений.

Существенными преимуществами индукционного нагрева являются возможность оплавления узкой зоны сцепления покрытия и подложки, ввиду существенного расхождения их удельных сопротивлений, без значительного разогрева самой детали, и повышение КПД и производительности процесса по сравнению с другими методами обработки покрытий.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки путем выбора режимов работы технологического оборудования, обеспечивающих оплавление металла на границе раздела сред покрытие - деталь.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1. Разработка методики расчета индукционной термообработки деталей с плазменными покрытиями на основе двухимпедансной модели.

2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований на основе физического моделирования параметров установки индукционного нагрева и детали.

3. Установление взаимосвязей между параметрами установки индукционного нагрева и характеристикам гетерогенной структуры покрытий на примере самофлюсующихся материалов.

Методы исследований. Исследования режимов индукционного нагрева изделия с покрытием проводились методами вычислительной математики (математического моделирования), физического моделирования и экспериментального исследования на основе физической модели. Разработанный метод математического моделирования базировался на основе метода контрольного объема, представляющего собой частный случай метода конечных элементов, а также при помощи лицензионного программного обеспечения Comsol Multiphysics, расчет в котором также осуществлялся на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились на стандартных промышленных установках для индукционной закалки. Анализ структуры покрытий производился путем исследования шлифов методом металлографии.

Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов расчета с экспериментальными данными, комплексным исследованием характеристик покрытий и реализацией предложенной технологии.

Для расчета процесса нагрева детали с покрытием гетерогенной структуры использовалась лицензированное программное обеспечение Comsol Multiphysics 3.5.

Для анализа полученных результатов использовалось лицензионное оборудование: микроскоп Zeiss Optio с программой компьютерного анализа TIXOMET Pro, сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA с приставкой для рентгеновского микроанализа, электронный микроскоп NEOPHOT 32 с оптикой Carl Zeiss, система анализа «Виотест структура 5.2», Прибор определения микротвердости ПНТ-3 (Ломо), цифровые и аналоговые электроизмерительные приборы.

Разработана электротехнология повышения эксплуатационных свойств плазменных самофлюсующихся покрытий с использованием метода индукционной термообработки.

Установлены режимы работы электротехнологического оборудования, позволяющие повысить адгезионные свойства покрытий и снизить их пористость.

Установлена теоретически и подтверждена экспериментально взаимосвязь параметров индукционной установки и свойств обрабатываемых деталей с плазменным покрытием.

Практическая значимость работы. Практическая ценность работы заключается:

- в применении метода ускоренного индукционного нагрева для повышения эксплуатационных свойств напыляемых покрытий из самофлюсующихся материалов для упрочнения и восстановления деталей.

- в разработке методики расчета индукционного нагрева системы -плазменное покрытие - деталь и установлении требуемых режимов работы электротехнологического оборудования.

- в реализации метода физического моделирования при проведении экспериментальных исследований, что позволило сократить затраты на проведение экспериментов и увеличить количество опытов.

Данные, полученные в результате расчетов и экспериментальных исследований, позволяют рекомендовать применение в промышленном серийном и мелко-серийном производстве технологии

Результаты работы были использованы в ВНИИ ТВЧ им. В.П. Вологдина при разработке технологий термообработки металлов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Россия, Санкт-Петербург - XXXV неделя науки СПбГПУ, 2007; Россия, Санкт-Петербург - XXXVI неделя науки СПбГПУ, 2008, Россия, Санкт-Петербург - «Наука и инновации в технических университетах», 2008); девятой международной конференции «Пленки и покрытия - 2009» (Россия, Санкт-Петербург, 2009), одиннадцатой международной конференции «Пленки и покрытия - 2011» (Россия, Санкт-Петербург, 2011).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 51 наименований. Полный объем диссертации - 145 страниц, в том числе рисунков - 47, таблиц - 16.

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Майрыгина, Екатерина Александровна

3.3 Выводы

1. Разработана методика экспериментального исследования индукционного нагрева на основе физического моделирования, позволяющая при помощи масштабной модели оценить необходимые режимы и результаты обработки крупногабаритных деталей;

2. Последующий анализ образцов, подвергавшихся индукционной обработке, позволил выявить качественные изменения в структуре и свойствах покрытий из самофлюсующихся материалов. В результате модельного эксперимента получены характеристики покрытий из самофлюсующихся материалов после индукционной термообработки, свидетельствующие об эффективности применения технологии;

3. Визуальное исследование шлифов позволяет сделать вывод об уменьшении пористости покрытий с увеличением мощности нагрева. После индукционной обработки количество пор уменьшилось с 12-14% до 6-9%

4. Таким образом, использование токов высокой частоты для обработки газотермических покрытий значительно увеличивает износостойкость покрытия, препятствует образованию сколов, отслоению и разрушению покрытия в процессе эксплуатации детали.

Заключение

Проведены исследования процесса индукционного нагрева деталей с покрытиями и получены следующие результаты:

На основе проведенного критического анализа литературных источников выявлено современное состояние проблем обработки покрытий нанесенных методом плазменного напыления, определены пути решения актуальных задач обработки покрытий, сформулированы задачи диссертации.

Предложен метод ускоренной индукционной термообработки самофлюсующихся покрытий.

Разработана методика расчета процесса индукционной термообработки.

В результате математического моделирования получены распределения электрического и магнитного полей, плотности электрического тока, температурного поля в нагреваемой заготовке с покрытием.

Разработана методика экспериментальных исследований с использованием физического моделирования.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование физических характеристик плазменных покрытий. Получены характеристики для напыленных покрытий из материала ПГСР2.

Проведено экспериментальное исследование нагрева заготовке в индукционной установке частотой ббкГц.

Получены снимки шлифов деталей после обработки, произведен металлографический анализ свойств покрытий на основе исследования пористости и микротвердости покрытий.

В результате металлографического анализа деталей после индукционной термообработки выявлено существенное повышение прочностных характеристик.

Полученные результаты могут быть использованы для расчета, разработки и оптимизации электротехнологического оборудования индукционного нагрева деталей с покрытиями, с целью повышения его эффективности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Майрыгина, Екатерина Александровна, 2012 год

1. В.Б. Захарова, Т.В. Соловьева, Б.М. Захаров/ Термическая обработка жаростойкого газотермического покрытия// «Металловедение и термическая обработка металлов». №4. 2001. с. 14-17

2. Кудинов В .В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977, 184 с.

3. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий распылением. Теория, технология и оборудование. М.: Металлургия, 1992. 430с.

4. Определение свойств газотермических покрытий. Методическое руководство. МР1-595-27-001-93/ под ред. Б.М.Захарова и В.Н.Новикова. М.:ВИАМ, 1993. 89с.

5. Дехтярь Л.И. Остаточные напряжения в покрытиях цилиндрических деталей при неидеальном контакте// Прогрессивные способы восстановления изношенных деталей машин: Сборник. Киев: Наукова думка, 1987. С. 49-53

6. Шмаков A.M., Анциферов В.Н., Буланов В.Я., Ханов A.M./ Проблемы порошкового материаловедения. Часть 4. Плазменно-лазерые покрытия. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. ISBN 5-76911596-3

7. Chandler P.E., Jones W.K., Quigley H.B. Protection of GEHB boiler tubes by plasma spraying present// Conf. surface Eng. Brighton, 1985. V.l. 63-77.

8. Клинская-Руденская H.A., Копысов В.А., Вилисов В.А., Бобов А.П./ Взаимодействие Ni-Cr-B-Si- покрытий со сталью в процессе оплавления// Сварочное производство. 1991. №4. с. 32-34.

9. Ю.Сбрижер А.Г./ Диффузионные процессы при оплавлении покрытий из самофлюсующихся сплавов// Сварочн. Пр-во. 1986. №12. с. 34-35.

10. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин / Н. В. Спиридонов, О. С. Кобяков, И. JI. Куприянов ; Под ред. В. Н. Чачина.— Минск : Вышэйш. шк., 1988 .— 154,1. с. : ил.

11. Фролов, Н. Н. Газотермические износостойкие покрытия в машиностроении .— М.: Машиностроение, 1992 .— 255с

12. М.А. Глебова, А.Б. Корнев, В.В. Глебов, Е.К. Березин/ Повышение качества газотермических покрытий при термической обработке токами высокой частоты и лазерным лучем// Сварочное производство. 2004. №6. с.43-46.

13. В.П. Безбородов, Е.А. Ковалевский/ Влияние ультразвуковой обработки на напряженное состояние газотермических покрытий из никелевых сплавов// Физика и химия обработки материалов. 2001. №1. с.67-69.

14. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990, 384 с.

15. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.И. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. Киев: Наукова думка, 1983, 264 с.

16. Кулик А.Я., Борисов Ю.С., Мнухин A.C. Газотермическоенапыление композиционных порошков. JI.: Машиностроение, 1985, 199 с.

17. Э.Х. Исакаев, В.М. Гусев, В.Б. Мордвинский/ Повышение ресурса деталей с газотермическими покрытиями нефтепромыслового оборудования// Технология машиностроения. 2008. №12. с. 18-22.

18. Кобяков О.С., Гинзбург Е.Г. Исследование процессов оплавления износостойких покрытий, полученных газотермическим напылением// Машиностроение. Мн.: Выш. шк., 1987. - Вып. 12. -с. 46-49

19. Клубникин B.C., Карасев М.В., Петров Г.К. Плазменное напыление покрытий в активных средах. // Изд-во ЛДНТП, Л., 1990 19 с.

20. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. М.: «Металлургия», 1992 432 с.

21. Кудинов В.В., Китаев Ф.И., Цидулко A.A. Прочностные характеристики плазменного покрытия из смесей никель-алюминиевого порошка. Порошковая металлургия, 1973, №8, с.38-44.

22. Веерлинг С., Нап С. Исследование свойств покрытий, нанесенных плазмой. Получение покрытий высокотемпературным распылением. М.: Атомиздат, 1973, с.255-268.

23. Бабушкин Г.А., Буланов В.Я., Соловьев Л.В. Диффузионно-кинетический механизм сцепления порошкового покрытия с подложкой. ЖТФ, 1983, т. 53, вып.З, с. 554-556.

24. С.А. Ревун, В.Ф. Балакирев/ Особенности образования адгезионной связи при газотермическом напылении покрытий// Физика и химия обработки материалов. 2002. №2. с.55-62

25. Панин В.Е., Ковалевский Е.А., Клименков В.А. и др. Нанесение покрытий с упрочняющей обработкой на цилиндрические поверхности// Новые процессы и оборудование для газотермических и вакуумных покрытий. Киев, 1990. с.32-39.

26. Хасуй А., Мориаки О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.

27. Газотермическое напыление/ под ред. JI.X. Балдаева. М.: Маркет ДС, 2007, 344 с.

28. Cepp M.I., Rigsbee S.M. Laser processing of plasma sprayed coatings. Mater.Sci.Eng., 1984, v.62, №1, p.49-56

29. Борисов Ю.Д., Борисова A.JI. Плазменные порошковые покрытия. Киев: Техника, 1986. 222с.

30. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М.: Машиностроение, 1987. 304 с.

31. Сулима A.M., Шулон В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

32. Хасуй А. Техника напыления. М.: Машиностроение, 1975. 288 с.

33. Бабат Г.И./ Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Энергия, 1965 .— 552 е.: ил.

34. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974, 264 с. С ил.

35. Немков B.C., Слухоцкий А.Е. Расчет параметров коротких индукторов с помощью схем замещения. «Труды ВНИИТВЧ», вып. 11, JL: Машиностроение, 1970, стр. 26-36, с ил.

36. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок- JL: Машиностороение. Ленингр. отд-ние, 1963.-220 с.

37. Патанкар C.B. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В.143

38. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова.- M.: Издательство МЭИ, 2003.-312 е., ил.

39. Дресвин C.B., Иванов Д.В. Основы математического моделирования плазмотронов Ч. 1 : Уравнение баланса энергии. Метод контрольного объема. Расчет температуры плазмы: учеб. Пособие. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2004. 227с.

40. Дресвин C.B., Иванов Д.В. Основы математического моделирования плазмотронов 4.2: Электромагнитные задачи в плазмотронной технике: учеб. Пособие. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2006. 296с.

41. В.Я. Фролов. Исследование энергетических характеристик и тепловых процессов установки контактнодуговой резки и обработки металлов: методическое пособие. СПб.: Нестор, 2002.

42. А.А Лисенков, В.Я. Фролов. Вакуумно-дуговые устройства. С.Петербург, Изд-во: Политехи, ун-та. 2008. - С. 247

43. Электротехнологические промышленные установки. С.-Петербург, Изд-во: Политехи, ун-та. Под ред. В.Я. Фролова. - 2010. - С. 571

44. Электротехнологические промышленные установки : учеб. пособие / В. Я. Фролов [и др.] ; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет; под ред. В. Я. Фролова .— СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2010 .— 571 с. : ил.

45. Лебедев А.Н. Основы теории подобия и моделирования. Л.: ЛЭТИ. 1971

46. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. -М.: Наука, 1981.448с.

47. Веников В.А. Теория подобия и моделирование: (применительно к задачам электроэнергетики): Учеб. для вузов / В.А. Веников, Г.В. Веников .— 3-е изд., перераб. и доп. —Москва : Высш. шк., 1984 .— 439 е.: ил.