автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование и разработка процесса воздушно-плазменного напыления износостойкости покрытий из порошков на основе железа

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОНИЧЕСКИЙ УНИВВ>СШТ

Г* Г 3 ОД И® пр®®" И«ошю*

- 5 ДПР >393 • вгзышг

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ВОЗДУШНО-ШЗШШОГО НАПЫЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРИТИЙ ИЗ ГОРОШКОВ НА ОСНОВЕ ХЕЛБЗА

УДК 621.798.7

05.03.06 - Технология и мааянв сварочвого производства

Автореферат диссертации на ооисканив ученей степени кашшдата техипасхих ваук

г.Санкт-Петербург - 1993 г.

Работа выполнена в Санкт-Летербургскоы государственной тех-шческом университете ва кафедре "Оборудование и технология оварочного проязводсгва".

Научный руководитель: доктор технических вауя, профессор В.С.К2УБЕИКИН

Офящалыте оппоненте! доктор технических наук, ^

профессор Б.В.СМИРНОВ

' кандидат технических наук, доцент М.И.АНИСШВ

Ведущее предприятие: ЦНИИМ

Зашита диссертации состоится " " апреля 1993 г. ва васе-дании спепдадивированного Совета Д.063.38.17 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251, г.Санкт-П?терб ург, Политехническая уд. ,29, хиыкорпуо, ауд.52.

С диосертацвеЯ мокво овнакоииться а фундаментальной библиотеке уииверевгвта.

Отшви ва автореферат, ааверенвве печатью, прооим присылать х двух вквашдярах по ишеукаванноку адресу на кия ученого сек» ретаря спевдад*«врованазго Совета. '

Автореферат разослан " 22 « нарта 1993. г.

УчеваЯ секретарь 11

опециалиекрованвого Совета доктор техничесхнх наук, профессор *

В.А.Кархин

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА В03ЯУШ0-ДЛАЗМВШШШ НАПЫЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПСРОИСОВ НА ОСНОВЕ ЖШЕЗА

Общая характеристика работа

^дальность. Известно, что адгезионные свойства покрытий являются важным эксплуатационным показателем. Существуют отдельные публикации, где большинство исследователей утверждает, что при увеличении скорости и температуры частиц, прочность соединения покрытая с подложкой возрастает, СЦяако, экспериментальное обоснование такой закономерности отсутствует и особенно слабо представлено влияние рааяичных технологических параметров на адгезионные свойства покрытий при воздушно-плазмаином напылении. Разработанные модели соударения частиц о подложкой и Еместе с ними расчетные методики не связаны с режимными параметрами процесса напыления, Кроме того перспективным является применение порошков на основе железа для нанесения износостойких покрытия, поскольку это значительно уменьшает использование остродефицитного и дорогого никеля. Также отсутствует обоснование применимости таких порошков для воадшно-плазменного напыления-» Поэтому обоснование закономерностей, характеризующих влияние технологических г конструктивных параметров яа создание прочных, износостойких покрытий на основе железа при в о аду шно-плазменном напылении, является актуальным.

далью работы является разработка процесса воадуяно-олавмвн-" ного напыления износостойких и адгезионвопрочных' покрнтий из порошков на основе желеэа, используя экспериментальные я расчетные исследования.

Основные задача исследования:

- экспериментальное исследование скорости движения частиц металлических порошков в различных плазменных огруях, формируемых плазмотронами разных конструкций , с использованием разных газов;

- исследование закономерности влияния режимных и конструктивных параметров процесса плазменного напыления на прочностные пока-

затели покрытий;

- осуществление теоретического анализа и обобщение результатов расчета адгезии покрытия;

- обоснование возможности до-зтивечяя высокого качества износостойких покрытий из ворошков на основе железа;

- разработка технологии восстановления деталей типа "вал" воздушно-плазменным напылением порошков на основа железа.

Научная новизна работы:

- впервые экспериментально был мена и обоснована закономерность, характеризующая влияние технологических и конструктивных параметров процесса воздушно-плазменного напыления на адгезионные свойства покрытий. Такая закономерность заключается в следующем: при .увеличении мощности плазменной струи и скорости частиц прочность соединения между покрытием я подложкой увеличивается, достигая максимального значения, и далее уменьшается, причем увеличение мощности смещает максимум в область больших расходов плаэмо обра дующего газа;

- проведенный теоретический анализ моделей соударения частиц о подложкой В.В.КудинсЕа и Ю.А.Харламова показывает, что модели не полностью описывают реалышз закономерности формирования покрытий, особенно в диапазона скоростей частиц до 200 и/с;

- предложена новые эмпирические формула расчета адгезионной прочности, свяаанные с технологическими параметрами процесса воздушно-плазменного напыления;

- впервые обоснована применимость порошков на основе келе за для создания прочных и износостойких покрытий при всгщушно-плазыеняом напылаши; ~

- предложены оптимальные режимы напыления и дешевый материал на основа железа для восстановления деталей типа "вал".

Практическая ценность ,

- На основе обоснованной закономерности и эмпирических формул - предложены оптимальные режимы напыления износостойких покрытий из

порошков на основе желеба, обеспечивайте высокую адгезионную прочность и износостойкость.

- Результата исследования могут применяться при конструировании плазмотронов и создании процессов воздушно-плазменного напыления покрытий.

- Применение порошков на основе железа для воздушно-плазменного

напыления-износостойких покрытий расширяет технологические возможности процессов плазманного налылэйия.

Апробация работа. Огиавтв результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" СИЛУ. Отдельные результаты диссертации били долокеш на Международном семинаре" по газотермичесКому напылению и изложены в статье "Влияние скорости частиц порошка -ПН85Г015 на величину адгезии покрытия при воздушно-плазменном напылении" / Ву Зыонг, В.С.Клубникин, Г.К.Петров,- Т)доы международного семинара " -■¡&егта1 зргаусп^ ¿п. тагш^ис+ме " п-угаЯ. , оп Д-? А 29+А пгсг^. 1991, 540.

Структура и о&ьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, общих выводов, списка использованной литературы из 101 наименований, приложения. Она содержит 185 страницы машинописного текста, в том числа 31 рисунок, 20 фотоснимков а 32 таблица.

На защиту еыюсятся:

- обоснование закономерности, характеризующей влияние технологических и конструктивных параметров процесса воздушно-плазменного напыления на адгезионные свойства покрытий;

инженерная методика расчета адгезионной прочности покрытия, учитывающая технологические параметры процесса напыления .включал -шая закономерности и вмпирическва формула для расчета адгезии;

- обоснование применимости порошков на основе железа для создания адгезионнопрочных и износостойких покрытий при воадушно-плаз-мэяиом напылении.

Содержание работа

Во введении обоснованы актуальность решаемой проблемы и цели работы. -

В главе I на основе литературных данных рассмотрены основные оборудования для плазменного напыления, представлены наиболее распространенные материалы для создания износостойких покрытий, В «том плане оказывается перспективным материал на основе железа, так как он сникает содержание остродефицитного никеля. До енх пор отсутствует обоснование его применимости для воздувно-ллааменного напыления.

Адгезионная прочность гаэотермичэоких покрвтий зависит от многих

)

факторов, причем главные из них - скорость л температура частиц горошка.

Наиболее заметное влияние на прочность сцепления как отдельной часташ с подложкой, так и Есего покрытия оказывает скорость частиц поропка. Кроме того увеличение кон"актьой температуры при Езаимодей-ствии частицы с подложкой способствует повышению адгезии. Это обычно достигается ¡за счет увеличения энтальпии плаалы.

Процесс воздушно-плазменного напыления отличается высокими значениями энтальпии и ковффициента теплоотдачи от плазменной струи к напалябкоку материалу.

Однако, элективное применение воздушно-плазменного напыления сдервиаается отсутствием обоснования И анализа закономерности влияния рсглшнцх и конструктивных параметров процесса напыления на прочностные показатели покрытий.

На основания к ел озонного были с формулированы основные задачи исследования.

В глава 2 приведены описание экспериментальной установки и методики исследования.

I

Адгезионная прочность покрытия определялась с помощью штифтовой методики. Изложены рекомендации по повышению точности измерения.

Измерения скорости частиц проведены на приборе ИССО-1. Вычисление энтальпии плазменного потока осуществлялось на основании данных измерений (расход газа, расход и степень нагрева охлаадающей воды, мощность дуги).

Предусмотрены варианты стандартного и ускоренного испытания износостойкости покрытий.

Исследовалась: фракционный состав порошков, содержание кислорода.в покрытии, структура и фазовый состав покрытий.

Проводилась статистическая обработка.

Глава 3 посгящена исследованию влияния режимных и конструктивных параметров процесса Еоэдушно-плазмэиного напыления на прочностные характеристики покрытий.

Лля обоснования применимости порошков на основе ® ела за при воздушно-плазменном напылении, было проведено комплексное исследование их свойств. Фракционный анализ этих порошков показал, что основное содержание соответствует размеру 40 4 70 мкм, что находится в пределе стандартных фракций. Преобладающая форма частиц сферическая, что благоприятно сказывается на сыпучесть порошка. 4

В работа было проведено исследование по влиянию параметров воздушно-плазменного налило кия на степень угара логпругаих компонентов в материале покрытия. Одновременно определялась и твердость нанесенных слоев. Твердость напыленных слоев на нижа, чем наплавленных, за исключением порошка марки Х-5. Данные по твердости напыленных покрытий из порошков Н-4, Н-10, В-5 и термообработанных приведены в табл.1.

Таблица I

Твердость напыленных покрытий и термообработанных покрытий

Марка порошка Режим напыления Твердость Н RC Теплосбрабог-ка Твердость поело термообработка, HRC

Н-4 Iх 42-43 - -

П 33-35 4 часа при -300°С 53-56

В-5 I 28-20 4 часа при 540°С 37-45

п 29-31 — 37-48

Н-Ю I 39-41 4 часа'при 800°С 40-45

п 40-43 ¡ 46-49

к Напыление покрытия проводилось со сдувом плазменной . струи у подложки..

Напыление по режиму Г осуществлялось пра следуюикх параметрах:, ток дуги I - 120- Л; напряжение на луге - 200 В; расход плазмообраау-шего воздуха 1,19 г/с; дистанция напыления - 120 мм. Напыление по режиму ¡I - при тока дуги 180 А; напряжение на дуге - 190 В; расход воздуха - 1,25 г/с.

В работе было проведено исследованно зависимости содержания кислорода в воздушно-плазменных покрытиях от режима напыления. Данные по содержанию кислорода приведены в табл.2. Режимы'напыления следующие ¡

s

< ^

Режим I: I = 120 A; G =2,34 т/о; U= 200 B; L = 150 мм. Реким П; I = 150*160 A; S =2,34 т/с; 0 г 1804190 В; L =150 мм.

Таблица 2

Содержание кислорода в исходном порошка и в воадушно-плазмэкш.с покоытиях

в пп Марка порошка Режим напыления Содержание кислорода, %

В порошке | В покрытии

I \ 1,70

I Н-4 0,19

П 1,14

I 1,24

2 Н-10 0,18

п 0,90

I 1,33

Э В-5 0,30

п 1,07

I 2,15

4 Х-5 0,14

п 1,60

Олесь проявилась закономерность уменьшения содержания кислоро-' да в покрытии при увеличении мощности, струи (реывд П). Вероятно .что . в данном случае время пребывания частиц е активной 8оне струи уменьшается ва счет увеличения скорости напыляемых частиц, а это в свою очередь приводит к уменьшению процесса взаимодействия металлических частиц порошка и кислорода плазмы. <

Структура воздушно-плазменных покрытий из порошкоЕ В-5, Н-4, Н-10 и Х-5 оценивалась и исследовалась методами рентгено-фазового -анализа на дифракгомэтре Дрон-2. Установлено, что фазовый состав исходных порошков и напыленных покрытий практически не отличаются. В случае напыления порошка 2-5 отмечается наличие фаз 04 и Сг[03 . Это полоаение согласуется о данными по содержанию кислорода в покрзтии (тайл,2).

Представления о структуре плазменных покрытия из материалов В-5, НЛО, Н-4 и 1-5 напаленннм вовдуинам плашотроноы, дают фото-

х^афии минрошшфов. Покрытия, напыленные из данннх порошков, имеют типичную структуру» характерную для плазменных покрытий. Структура покрытия из порошка Х-5 отличается довол*>ш хорошей плотностью и плотным прилеганием напыленного слоя к подяокко.

Г '.1 ' ' , '

* о."-

сг

^ х

"К;.

х 1000

Рис.3. Микрошлиф покрытия из порошка Х-5

Установлено, что износостойкость материала-Х-5 но всех случаях выше чем Н-10. При увеличения мощности плазмеялой стр.уа (до 40 кВт) износостойкость покрытия увеличивается, однако при дальнейшем повышении мощности износостойкость начинает падать. .

Проведенные выше исследования свойств и характеристик покрытий напыленных из порошков на железной основе Х-5, В-5, Н-4, Н-10 поко-зали^то покрытия обладают достаточно высокой плотностью, малой пористостью, имеют высокую твердость (близкую к трсрдостл наплавленных слоев), фазоЕый состав исходного порошка и напыленного покрытия практически на отличается.

Б качестве основной характеристики покрытия, которая определяет многие служебные.свойства была выбрана адгезия. Далее рассмотрены вопросы- влияния скорости и температуры напыляемых частиц на величину адгезии в основном на материале Х-5.

Установлено, что с увеличением расхода плазмо.образуюиаго возду-' ха и тока дуги, скорость частиц возрастает. В диапазоне тока 120 + 220 А, скорость частиц Х-5 определяется по эмпирической фэрму-

1У

С, МП й I

Рис.4. Зависимость адгезии от скорости частиц диаметром 40*100 мкм при разных мощностях (м териал Х5), диаметр сопла 09

1-Х- 1 = 120 А 3-е- 1=180 А 5 ->- 1 = 240 "А

2 - • - I = 150 А 4 -В - I = 220 А

Л9 *

V= HI^.G0'4 , (I)

При уменьшении диаметра сопла с Ф9 на Ф7, скорость частиц на одинаковых режимах напыления повышена примерно е 1,5 раза.

Результаты эксперимента на плазмотроне с 12 МЗВ показ,зла, что увеличение мощности дуги не приводит к существенному увеличению скорости частиц.

Результаты исследования влияния режншшх параметров процесса напыления на адгезию представлены па рис.4.

Впервые экспериментальным путем установлена г обоснована закономерность влияния режимных параметров процесса напыления на адгезионную прочность. С .увеличением скорости частиц сначала адгезия между покрытием и подложкой увеличиваются до максимума, а при даль- . гойшем ее увеличении, она падает. Сладет отметить, что при малнх скоростях напыления (до 40 м/с) разница в величине адгезии для всех режимов напыления незначительная, а с увеличением скоростей частиц, резкое падение величины адгезии наблюдается для малых значений тока, и менее резкое для большого значения тока. Вторая особенность заключается в том, что по мере увеличения мощности дуги, наблюдается тенденция смещения максимумов значений адгезии в сторону больших скоростей.

Математически были предложены зависимости вида

VÜh' (2)

б= i"4. Gv\exf>ÍX3/G).X4 , О)

Установлено, что для повышения адгезии между покрытием и подложкой, на диапазоне тока 120 220 А,, следует поддержать расход водпуха в пределе 0,8 1,3 г/с.

Был осуществлен теоретический аяаллэ существующих моделей соударения частицы с подложкой. Формула для расчета едгзяии Куликова В.В. сложна для практического применения. Предложенная Ю.А.Харламовым $ор-вдла требует существенного усовершенствования, так как она дает большие расхождения в диапазоне малых скоростей частиц (до 200 ц/с).

В главе ЦТ проведено исследование износостойкости покрытий иэ порошка Х-5, тдо указана сложная зависимость износостойкости от ско-

S

рости частиц и мощности струи.

Далее осуществлены выбор и корректировка состава материала на основе железа для создания износостойких покрытий по коэффициенту трения.

Установлено, что добавки (10-15/5) мягкого сплаЕа или графитового порошка к поровкам Х-5 или МЧХ-15 приводят к снижению коэффициента трогая до значений, соответстЕукцихдля покрытий на никелевой 0СИ0Е9.

Завершяхиим э таток исследования является разработка технологии восстановления цеок колец гала методом воздушно-плазменного напыления с учетом выявленной закономерности и предложенного состава материала на основе железа для сознания высокопрочного и износостойкого покрытия.

ЗАШЯШЙЗ

1. Проведено комплексное исследованае процесса плазменного на-пылоная пороплсов на оснсео железа и обоснована их применимость для создания износостойких и прочных покрытий при воадушно-шгазменяоы напылении. При оптимальном рсккке напыления обеспечивается адгезионная срочность на уровне 30 что не уступает методам сверхзвукового напыления " Те-1 КолЗ". Износостойкость покрытий из пороиков на железкой основе но уступает покрытиям из порошков на никелевой основе.

2. Экспериментальное исследование движения частиц металлических порошков в различных плазменных струях, формируемых плазмотронами разных конструкций и разными газами (аргон, азот, воздух) показано, что достижение высокой скорости частиц поропков определяется расходом плааюсбраауяяшго газа и диаметром сопла к в меньшой степени , мощностью плазмотрона.

3. Экспериментально и теоретически впервые обоснована закономерность, характера густая рлгозиоинзо прочность в зависимости от ре-стжх и конструктивных параметров процесса плазменного напыления. При увеличении скорости пллзмошю;-! струи, прочность соединения между покрытием и подло№>;! ув^ллчагаотся, достигая максимального знпче-шг.я, и'далее уменьшается, а с ув^лзчомощности струя каксвууи С!С0в»9Т в область болью« расходов гзз&. Прячем следует отметить,что гтри малых скоростях чззтпи (30 + 60 м/с) раэницз г величине адгезионной прочности для гс»:х родзюс тпшшпш незначительная, а с увеличением сгороста ч-т:тя*д улзг.оз пглг:п;;г< р«лячй1Ш едгозиа ниблгоается для М>

малых значений тока дуги и менее резкое для большего значения тока. Минимальное значение адгезии для всех расходов плазмообрааувдего газа и для всех мощностей струи лежит в пределах 0,8 + 1,3 г/с.

4. Модели соударения частиц с подложкой, разработанные В.В.Ку-диноеым и Ю.А.Харламовым требуют корректировки для описания реальных явлений при малых скоростях частиц (до 250 м/с), вевд существенного расхождения с экспериментом.

5. Для диапазона скоростей частиц порошка до 250 м/с, что характерно для большинства дуговых плазмотронов, экспериментальным путем обоснованы и впервые предложены эмпирические формулы расчета адгезии покрытия с подложкой

( см. формулы (11 , (I))

Среднеквадратическая ошибка которых равна. 13,75?. Эти формулы позволяют прогнозировать адгезионные свойства покрытий по режимным параметрам процесса'напыления.

6. Разработаны технологические рекомендации по восстановлению изношенных деталей типа "вал" с учетом подученных и обоснованных закономерностей, а также предложенного состава материала порошка

на основа железа. Испытания деталей с покрытием показали, что воз- -дупшо-плаэленное напыление порошков на основе железа обеспечивает лодученя(Гизносостойких и прочных покрытий, причем экономичнее чем по традиционным технологиям.

Подписано к печати {9.02>- 93 Тираж ГОО экз.

Заказ Бесплатно

Отпечатано на ротапринте СГОГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул.,29