автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Электроплазменное импульсное упрочнение металлических поверхностей

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи

Фалеев Валентин Александрович

ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОЕ ИМПУЛЬСНОЕ УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

05.09.10 - электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н. профессор Аньшаков A.C.

Новосибирск -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ........................................................................................................4

1. Современное состояние упрочняющих технологий..................................12

1.1 Электрофизические способы упрочнения.........................................12

1.2 Другие способы повышения износостойкости

металлических поверхностей..................................................................19

1.3 Выводы и задачи исследований........................................................22

2. Экспериментальные установки и методы исследования ........................24

2.1 Установка с естественным формированием проводящей цепочки ферромагнитного порошка между электродами

в магнитном поле....................................................................................24

2.2 Установка с принудительным формированием проводящей цепочки порошка между электродами ...................................................31

2.3 Установка для упрочнения деталей в воде.......................................36

2.4 Стенд для исследования процесса зажигания дуги

в замкнутых сильноточных контактах ..................................................39

2.5 Стенд для оптического наблюдения за частицей

в межэлектродном промежутке..............................................................47

2.6 Стенд для импульсной рентгеновской визуализации

частиц порошка, закрытых плазменным шнуром.................................47

3. Исследование процесса зажигания дуги

в замкнутых контактах................................................................................53

3.1 Физико-математические модели контактной поверхности ............53

3.2 Обработка и анализ экспериментальных данных ...........................60

3.3 Выводы ..............................................................................................86

4. Взаимодействие частиц порошка с импульсным разрядом (магнитоэлектрический способ нанесения покрытий) ................................87

4.1 Скоростная фоторегистрация процесса..........................................87

4.2 Визуализация частицы рентгеновским теневым способом ............95

4.3 Выбор материала покрытия ............................................................96

4.4 Выбор режимов обработки..............................................................98

4.5 Тепловое воздействие на деталь ......................................................99

4.6 Износостойкость покрытия.............................................................105

5. Импульсное плазменное упрочнение твердых сплавов в воде................110

5.1 Особенности электрической схемы

при обработке деталей в воде ...............................................................110

5.2 Обработка магнитоэлектрическим способом

стальных поверхностей в воде...............................................................111

5.3 Упрочнение твердого сплава ВК-8

электрическими импульсами в воде......................................................116

5.4 Испытание упрочненных сверл с напайкой ВК-8

на абразивную износостойкость...........................................................119

Заключение ..................................................................................................121

Литература...................................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Потребность различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, строительства, машиностроения в увеличении долговечности особо нагруженных деталей и рабочих органов, работающих в условиях интенсивного износа, постоянно возрастает в связи с непрерывным повышением скоростных и силовых параметров работы машин. Поэтому повышаются требования как к основному материалу детали, так и к материалу поверхностного слоя, причем во многих случаях требования к материалу поверхностного слоя сильно отличаются от требований к основному материалу. В этом случае поверхность детали подвергается дополнительной обработке, которая частично или полностью может изменять механические свойства основного материала и механические свойства поверхности.

Проблема получения заданных физико-химических и механических свойств рабочих поверхностей особо нагруженных деталей и рабочих органов машин очень сложна, поскольку требования к свойствам поверхности возрастают, а существующие способы дополнительной обработки поверхности исчерпывают свои возможности. Как следствие этого появляются новые либо совершенствуются известные способы обработки поверхности, расширяющие их технологические возможности.

Среди существующих методов обработки материалов наибольший эффект достигается при использовании таких, которые позволяют наносить слой более стойкого материала на рабочую поверхность особо нагруженных деталей. Они позволяют не только упрочнять поверхности при изготовлении деталей, но и восстанавливать их в процессе ремонта, исключая материальные затраты на замену изношенных деталей новыми. Поэтому расширение технологических возможностей существующих способов нанесения покрытий и разработка новых является актуальной задачей для исследователей.

Особенно актуальным является решение вопроса об упрочнении рабочих органов машин и механизмов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа. Такому износу подвергаются рабочие органы сельскохозяйственных, дорожно-строительных, горных, транспортных машин, трубы и насосы земснарядов, бурильное оборудование нефтяной и газовой промышленности, лопатки турбин, лопасти дымососов и т.п. Абразивное изнашивание вызывает почва, грунт, руда, уголь, зола и пыль, попавшие на поверхность трения. Вопросам абразивного изнашивания материалов посвящено достаточно много работ [1-20]. Основной вывод из них заключается в том, что способность абразивного зерна вдавливаться и царапать поверхность зависит от соотношения твердостей поверхности и абразива. Если твердость абразива меньше, чем у детали, то износостойкость последней будет тем больше, чем больше разница между твердостями детали и абразива. Следовательно, для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих и других машин, работающих в условиях интенсивного абразивного износа, целесообразно применять материалы с твердостью большей, чем твердость абразивных зерен и чем больше их разница, тем больше должна быть износостойкость рабочего органа.

Следовательно первым условием при выборе технологии , обеспечивающей эффективную обработку поверхности деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа, является максимально высокая твердость материала покрытия.

Вторым условием для упрочненного слоя является хорошее сцепление его с материалом основы.

Третьим условием применимости любой технологии для обработки рабочих органов машин должна быть не очень высокая требовательность к предварительной подготовке поверхности перед упрочнением.

Всем этим трем условиям удовлетворяет способ, описанный Коноваловым Е.Г., Шулевым Г.С., Чемисовым Б.П. в работах [21, 22]. Этот способ известен как электроферромагнитная обработка [23], магнитоэлектриче-

скос упрочнение [24] и элсктроферромагнитное борирование [36]. Наиболее эффективно этот способ реализовывается при нанесении покрытий из фер-робора. Он может быть использован как для упрочнения поверхности, так и для восстановления изношенных деталей с одновременным упрочнением их поверхности, не требует предварительной подготовки поверхности детали, обеспечивает хорошее сцепление материала покрытия с материалом детали и формирует боридное покрытие высокой твердости (сравнимой или превышающей твердость абразива).

Суть способа заключается в следующем: на цилиндрическую деталь (катод) и электрод (анод) подается постоянное напряжение (50-200) В от накопительной емкости (200-2000) мкФ; воздушный зазор между электродом и деталью составляет (0,5-2) мм; деталь и электрод изготовлены из ферромагнитного материала и являются полюсами магнита; в межэлектродный зазор подается ферромагнитный порошок, например, ферробор; под действием магнитного поля ферромагнитный порошок формирует проводящий канал между электродами; при замыкании электродов проводящим каналом ферромагнитного порошка электрическая цепь замыкается и происходит разряд накопительной емкости через цепочку порошка; в местах касания частиц порошка между собой и в местах касания частиц электродов загораются импульсные газовые электрические разряды, под действием которых происходит частичное или полное расплавление порошка и оплавление поверхностного слоя детали; расплавленный порошок взаимодействует с расплавленной поверхностью детали и формирует слой покрытия с хорошей прочностью сцепления (адгезией).

Реализация магнитоэлектрического способа в промышленности сдерживается существующим несовершенством этой электротехнологии, поскольку основным недостатком способа является несплошность нанесенного слоя, т.е. покрытие располагается на поверхности детали отдельными пятнами, в промежутках между которыми находится основной материал

детали. Поэтому дальнейшее совершенствование этого способа в значительной мере связано с решением таких вопросов, как:

а) выявление причин появления несплошности покрытий;

б) создание устройств и разработка режимов, позволяющих получить сплошной слой покрытия и сохраняющих преимущества импульсных разрядов (незначительный нагрев обрабатываемой детали и отсутствие специальной предварительной подготовки поверхности детали перед обработкой);

в) исследование рабочих режимов, включающих процессы зажигания импульсного разряда;

г) исследование процессов взаимодействия частиц порошка с импульсным разрядом;

д) оптимизация процессов взаимодействия частиц порошка с поверхностью деталей (подложки);

е) расширение области применения магнитоэлектрического способа для упрочнения твердосплавных материалов с использованием твердосплавных порошков.

НАУЧНАЯ АКТУАЛЬНОСТЬ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ перечисленных проблем определили задачи диссертации и потребовали проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования покрытий, включающих этапы возникновения проводящих каналов, зажигания дуги в сильноточных замкнутых контактах, взаимодействия частиц порошка с каналом импульсного разряда, взаимодействие наплавленного слоя с материалом детали, физико-химически? превращений в покрытии и поверхности деталей при воздействии импульсного электрического разряда.

Работа выполнялась в научно-исследовательской лаборатории электротехнологий Института теплофизики СО РАН в рамках программы "Си бирь" (раздел "Новые материалы и технологии"), плана НИР ИТ СО РАЕ по теме "Исследование динамики низкотемпературной плазмы" (Гос. per 01.9.50 001682).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в разработке и исследовании новых элек-тротсхнологических устройств и методов на основе плазменного импульсного упрочнения поверхностей, обеспечивающих существенное повышение износостойкости рабочих органов машин, работающих в условиях интенсивного абразивного износа.

НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И НОВИЗНА результатов работы состоит в том, что выполнен комплекс научных и прикладных работ, обеспечивающих нанесение сплошных покрытий магнитоэлектрическим методом и упрочнение твердых сплавов импульсными плазменными разрядами.

Впервые показано, что известные конструктивно-технологические схемы реализации магнитоэлектрического метода нанесения покрытий принципиально не могут обеспечить нанесение сплошного покрытия. За счет совершенствования метода созданы условия, обеспечивающие принудительное управление положением контактного технологического пятна. Это обеспечивает возможность нанесения сплошного слоя покрытия, снижает его полосчатость и бугристость, а также за счет управления режимами оплавления позволяет влиять на толщину переходного слоя и, следовательно, снизить возможность отслоения нанесенных покрытий.

Расчетно-экспериментальным путем установлены оптимальные соотношения интегральной силы прижатия контактов и протекающего тока, обеспечивающих условия зажигания дугового разряда в межконтактном промежутке. Установлено ранее неизвестное явление, обеспечивающее качество наносимого покрытия и заключающееся в том, что энергетический вклад в частицу при формировании покрытия может изменяться скачком при возникновении микроплазменных разрядов. Впервые показана возможность упрочнения поверхности твердого сплава ВК-8 импульсным плазменным потоком до значений микротвердости в 30 ГПа.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что полученные научные результаты позволили разработать новую электротехнологию и оборудование для ее осуществления, позволяющие наносить

сплошные боридные покрытия на детали, работающие в условиях интенсивного абразивного износа, например, на режущую кромку почвообрабатывающих машин. Предложен новый технический способ и устройство для упрочнения инструмента, имеющего напайку из твердого сплава ВК-8. Новизна указанных технологий подтверждается патентами РФ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Установленные зависимости условий зажигания дуги в сильноточных замкнутых контактах (электродах) от силы тока и нагрузки на контакт для меди и стали.

2. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия частиц порошка с импульсным электрическим разрядом.

3. Закономерности формирования сплошного слоя боридного покрытия импульсными электрическими разрядами в магнитном поле.

4. Закономерности физических явлений для создания упрочненного слоя на поверхности твердого сплава ВК-8 импульсным плазменным методом.

Методологически работа построена на использовании и развитии теоретических положений в области плазменной техники и теплофизики, разработанных научной школой академика М.Ф. Жукова, а также на использовании и развитии теоретических положений в области электроискрового легирования, разработанных Б.Р. Лазаренко и его последователями. В экспериментах использовались специально разработанные устройства и стенды.

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов исследований, основных положений и выводов гарантирована необходимым набором статистики, использованием современных методов расчета и надежной измерительной техникой и приборами, сопоставлением полученных результатов с экспериментальными данными других авторов.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Работа состоит из: введения с описанием актуальности выбранной темы, научной и практической ценности; обзорной части (глава 1), содержащей сведения о существующих способах и технологиях нанесения износостойких покрытий,

применяемых в машиностроении, сельском хозяйстве, строительстве, горном деле и т.п. На основе анализа сделаны выводы и поставлены цели и задачи.

Во второй главе представлены описания экспериментальных установок и стендов для исследования: процессов формирования проводящих цепочек ферромагнитного порошка между электродами в магнитном поле; условий зажигания дугового разряда в замкнутых сильноточных контактах; взаимодействия частиц порошка с импульсным электрическим разрядом; возможности увеличения сплошности боридного покрытия; возможности упрочнения твердого сплава ВК-8.

Третья глава посвящена исследованию процесса зажигания дугового разряда в замкнутых сильноточных контактах. Рассмотрены физические факторы, влияющие на контактное сопротивление в процессе прохождения электрического импульса через контактную поверхность. Экспериментально определено напряжение на контактах перед зажиганием дугового разряда. На основе экспериментов построена зависимость дугообразования на контактах от силы тока и механической нагрузки для меди и стали. Рассмотрены физико-математические модели контактной поверхности и проведено сравнение с полученными экспериментальными данными.

Четвертая глава посвящена исследованию процесса взаимодействия частиц ферромагнитного порошка с импульсным электрическим разрядом и твердой поверхностью. Приведены результаты скоростного фотографирования процесса, приведены результаты теневой импульсной рентгеновской фотосъемки частицы, полностью закрытой плазменным каналом.

Показано, что в процессе прохождения импульса тока через частицу энергетический вклад может изменяться скачком. Представлены результаты металлографического анализа боридного покрытия, результаты по измерению микротвердости и результаты полевых испытаний дисков лущильников, обработанных магнитоэлектрическим способом на экспериментальной установке.

Пятая глава посвящена импульсному плазменному упрочнению твердого сплава ВК-8 в воде. Описаны особенности обработки деталей ферромагнитным порошком в воде с наложением магнитного поля. Приведены результаты металлографических исследований и рентгеноструктурного анализа. Приводятся данные натурных испытаний сверл, имеющих напайку ВК-8, при сверл�