автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки

005009849

На правах рукописи

’С""

Майрыгина Екатерина Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ИНДУКЦИОННОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 с оез ті

Санкт-Петербург - 2012 г.

005009849

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Фролов Владимир Яковлевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Демидович Виктор Болеславович кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Скорняков Владимир Анатольевич Ведущая организация: ФГУП «ВНИИГВЧ им. В.П. Вологдина»

Защита состоится «01» марта 2012 г., в И? часов на заседании диссертационного совета Д.212.229.20 при ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» 195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая 29, Гл. здание, аудитория 150.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СПбГПУ». Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая 29, СПбГПУ, отдел аспирантуры и докторантуры.

Автореферат разослан «____» _____________2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.229.20 к.т.н., доцент ^

Курмашев А. Д.

Общая характеристика работы

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: B.C. Клубникина, М.Ф. Жукова, В.В. Кудинова, В.Я Фролова, О.П. Солоненко, П. Фоше, Э. Пфендера и др.

Для упрочнения и восстановления деталей требуются чаще всего износостойкие покрытия: необходимы 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 HRC.

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 износостойкости, требуются плотные покрытия с низким содержанием пор.

Другим важным недостатком плазменных покрытий является их относительно невысокая адгезионная прочность.

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

Па данный момент ни один из перечисленных методов не позволяет решить проблему повышения эксплуатационных характеристик покрытия.

В данной работе предложен метод повышения эксплуатационных свойств самофлюсующихся покрытий путем высокочастотной индукционной обработки.

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, В.Н. Иванова, А.А.Фогеля, Г.А.Разорёнова, К.З.Шепеляковского, А.В.Донского.

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 износостойкости плазменных покрытий методом индукционной

термообработки путем выбора режимов работы технологического

оборудования, обеспечивающих оплавление металла в зоне 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) 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.

Научная новизна. Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:

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

2. Установлены режимы работы электротехнологического оборудования, позволяющие повысить адгезионные свойства покрытий в 2-5 раз и снизить их пористость с 22-24% до 6-9%.

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

Практическая значимость работы. Практическая ценность работы заключается:

- в разработки технологии метода ускоренного индукционного нагрева для повышения износостойкости 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 ускоренной индукционной термообработки самофлюсующихся покрытий с целью повышения износостойкости деталей из различных материалов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика расчета системы: индуктор - плазменное покрытие -основа, отличающейся неоднородностью нагреваемого материала.

2. Результаты сравнительного анализа параметров и режимов индукционного нагрева деталей с плазменным покрытием.

3. Закономерности взаимовлняющих параметров установки индукционного нагрева и свойств термически формируемого покрытия.

Публикации по теме работы. По результатам проведенных исследований опубликовано 7 работ, в том числе 3 - в издании, включенном в перечень ВАК.

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).

Личный вклад автора:

- Разработана математическая модель для расчета индукционной термообработки деталей с плазменными покрытиями.

- Разработана и изготовлена физическая масштабная модель, проведены экспериментальные исследования на основе физического моделирования параметров установки индукционного нагрева и детали.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 51 наименование. Полный объем диссертации - 135 страниц, в том числе рисунков - 45, таблиц

- 17.

Во Введении показана актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, отражается научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе описано состояние исследований в области упрочнения покрытий, произведен анализ существующих методов обработки покрытий, особенностей их применения и получаемых свойствах покрытий. Описаны опыты применения индукционной термообработки.

Выявлены специфические особенности нагрева деталей с покрытием с использованием токов высокой частоты (ТВЧ), позволяющие высказать предположение о возможных преимуществах его использования для обработки покрытий.

Во второй главе приведен расчет индукционной системы, представлены обоснования выбора конструкции индуктора для частного случая обработки цилиндрической поверхности. Проводится теоретический анализ процессов, происходящих при индукционном нагреве заготовки с покрытием.

В третьей главе излагаются методики проведения экспериментальных исследований повышения эксплуатационных свойств покрытий с помощью индукционной термообработки. Приведены результаты металлографического исследования образцов.

Заключение отражает обобщенные выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

Основные защищаемые положения

1. Методика расчета системы: иидуктор - плазменное покрытие оспина, отличающейся неоднородностью нагреваемого материала.

Теоретический анализ производится при помощи математического моделирования индукционной системы индуктор-покрытие-деталь с использованием метода контрольного объема и метода конечных элементов (Согп5о1 МиШрЬуБгсв 3.5).

Рассматривается случай напыления и последующей обработки цилиндрических деталей, в частности, случай нанесения износостойкого покрытия на посадочные поверхности валов под подшипники. В этом случае требуется напылить и провести термообработку участка цилиндрической поверхности вала. Используется метод единовременного нагрева системы покрытие - основа, выбор индуктора осуществляется под заданную ширину обрабатываемого участка.

Для расчета геометрии индуктора используется схема замещения подобная схеме замещения трансформатора. Используя полученные в

результате расчета геометрические и электрические параметры индукционной системы, было произведено математическое моделирование процесса нагрева.

Для исследования процесса индукционного нагрева двухслойной среды с помощью математического моделирования были использованы численные методы решения электромагнитной и тепловой задач, основанные в частности на методе контрольного объема. Совокупность уравнений электромагнитного поля и двумерного уравнения баланса энергии с начальными и граничными условиями позволяет получить распределения параметров, характеризующих индукционную установку и процессы, происходящие внутри нагреваемой детали.

Уравнение электромагнитной задачи решается для расчетной области, включающей заготовку с покрытием и пространство внутри индуктора, а также пространство вокруг индукционной системы:

лг &

АЕ = иа-----

1 81 (1)

Двумерное уравнении баланса энергии (УБЭ) является основным уравнением описания теплообменных процессов при нагреве заготовки с покрытием, объединяя все основополагающие составляющие теплообмена (2):

р~— + сЛ\{р\’Т) = 5’г - сИ\>(—— • gradT)

8< с„ (2)

где Бт— источниковый член:

<3>

сг а

Уравнение баланса энергии решается для объема заготовки с покрытием.

Модель имеет следующие допущения: индуктор рассматривается как несколько круговых витков, плоскость которых перпендикулярна оси индуктора; по виткам индуктора протекает синусоидальный ток; в проводящем цилиндре и в индукторе ток переноса равен нулю; токи во всех витках индуктора одинаковые, имеют нулевую фазу.

Система нелинейных дифференциальных уравнений решается методом контрольного объема. Результатами расчета являются распределения различных величин в расчетной области в процессе нагрева: температуры, электрического и магнитного полей, плотности электрического тока.

Покрытие

Заготовка

Рис. 1. Расчетное распределение плотности тока в заготовке

Ш ’5 14.9

148 Н7

и.ё

Рис. 2. Расчетное распределение температуры в заготовке На рис. 1 и 2 приведены распределения плотности тока и температуры в заготовке с покрытием, полученные для следующих исходных данных: начальная температура заготовки - 20°С, материал - нержавеющая сталь 08Х18Н10Т Х6Сг№Ті18-10; материал покрытия - ПГСР2 (№-Сг-В-8і), толщина - 100 мкм, частота - 66 кГц.

Помимо математического моделирования методом контрольного объема был произведен расчет с помощью лицензированного программного обеспечения Сопшої МиИірЬузісз 3.5. В отличие от моделирования методом контрольного объема, при решении задачи в программе Соїшої МиШрЬувюБ 3.5, моделирование электроманитных и тепловых процессов производится

О О О О О О

а) б)

Рис. 3. Распределение а) плотности тока в заготовке б) температуры в

заготовке

; V

для полной расчетной области, включая область внутри заготовки, область внутри индуктора, области внутри витков индуктора, пространство вокруг индукционной системы, что позволяет получить более полную картину термообработки.

На рис. 3-4 приведены полученные распределения плотности тока и температуры, иллюстрирующие оптимальный режим нагрева заготовки из нержавеющей стали 08Х18Н10Т с покрытием ПГСР2 толщиной 100мкм с частотой ббкГц, время нагрева - 0,1 сек.

а) б)

Рис. 4. Радиальное распределение внутри заготовки а) плотности тока б)

температуры

В результате математического моделирования была определена полоса частот 50кГц - 1,76МГц, применимых для индукционной обработки заготовок с покрытиями. При использовании частоты ниже 50кГц происходит сильный нагрев заготовки в связи с большой глубиной проникновения. При увеличении частоты выше 1,76МГц нагрев становится нецелесообразным из-за сильного разогрева поверхности детали и большого рассеяния тепла в связи с малой глубиной проникновения тока. Установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами индуктора и получаемыми режимами нагрева.

2. Результаты сравнительного анализа параметров и режимов индукционного нагрева деталей с плазменным покрытием.

Закономерности________взаимовлияющих_________параметров_______установки

индукционного нагрева и свойств термически Формируемого покрытия.

На основании результатов математического моделирования были выбраны режимы нагрева, реализованные при проведении экспериментальных исследований.

Нагрев заготовки с покрытием является достаточно сложным объектом для экспериментальных исследований. Сложность проведения измерений основных параметров процесса связана с проблематичностью измерения температуры нагрева и плотности электрического тока внутри нагреваемых слоев детали. Практически можно оценить только температуру на поверхности детали и с торца заготовки, а также интегральные параметры электрической цепи индуктора.

Таким образом, основными задачами проведения экспериментальных исследований становятся: '

- определение основных параметров нагрева детали, таких как температуры нагрева и времени нагрева, мощности передаваемой в индуктор от генератора, частоты генератора, тока индуктора

- исследование шлифов деталей после нагрева, оценка изменений структуры покрытий

- установление качественной и количественной связи между внешними и геометрическими параметрами используемого оборудования,

12

определяющими технологический процесс, и качеством получаемых покрытий.

Для экспериментального подтверждения теоретического анализа свойств покрытий в результате индукционной термообработки был произведен нагрев модели заготовки диаметром 020 мм (материал - сталь 08Х18Н10Т) с покрытиями толщиной от 50 до бООмкм, материалы покрытий - ПГСР2, ПГСР4, ПТЮ10). Нагрев был произведён во ВНИИТВЧ им. Вологдина с помощью высокочастотного генератора ВЧГ-60. Мощность использованной установки 60кВт, частота ббкГц. Параметры индукционной установки: Внутренний диаметр индуктора по меди 24мм, длина индуктора 10мм, число витков индуктора -1, размер витка индуктора в радиальном направлении -10мм.

Нагрев изделий производился на разных режимах в зависимости от мощности колебательного контура генератора - 5 кВт, 11.5 кВт и 36.8 кВт.

Для анализа полученных результатов методом металлографии использовалось следующие 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». Система «Виотест структура 5.2» позволяет определить количество, объем и характеристики пор и рассчитать параметры пористости покрытия. Определение адгезии производилось методом технологической пробы (ударным нагружением). Для определения микротвердости использовался прибор ПНТ-3 (Ломо).

В разделе анализ экспериментальных данных приведены снимки шлифов обработанных заготовок.

Шлифы сделаны на кафедрах «Пластических деформаций» и «Обработки металлов» СПбГПУ. Анализ свойств покрытий приводился на основе исследования пористости и микротвердости покрытий.

На Рис. 5-7 показаны наиболее характерные поперечные шлифы образцов до термообработки и после индукционной обработки при мощности колебательного контура 36.8 кВт.

а) б)

Рис.5. Поперечный шлиф образца до термообработки. Масштаб а) 1:100 6) 1:1000

а) б)

Рис.6. Поперечный шлиф образца после индукционной термообработки при мощности колебательного контура в 11,5 кВт. Масштаб а) 1:100 б) 1:1000

а) б)

Рис.7. Поперечный шлиф образца после индукционной термообработки при мощности колебательного контура в 36,8 кВт. Масштаб а) 1:100 б) 1:1000

Металлографическое исследование шлифов позволяет сделать вывод об уменьшении пористости покрытий с увеличением мощности нагрева. После индукционной обработки количество пор уменьшилось с 22-24% (до термообработки) до 6-9% (при максимальной мощности нагрева). Твердость покрытий данных образцов увеличилась с 42 до 60-65 (НЯС).

Испытания на адгезию показали увеличение прочности сцепления покрытия с подложкой в несколько раз относительно необработанных образцов: прочность сцепления покрытий до термообработки составляла от 1,0 до 1,7 кг/мм2, после термообработки деталей при максимальной мощности нагрева - от 2,5 до 11,0 кг/мм2.

Заключение

Основные научные и практические выводы заключаются в следующем:

1. 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.

2. Предложен метод индукционной термообработки самофлюсующихся покрытий.

3. Разработана методика расчета процесса индукционной термообработки.

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

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

6. Проведено экспериментальное исследование нагрева заготовке в индукционной установке частотой 66кГц.

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

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях рекомендованных перечнем ВАК России

1. Методика проведения экспериментальных исследований индукционного нагрева деталей с покрытиями Е.А. Смирнова, Б.А. Юшин // Научно-технические ведомости СПбГПУ №4 (135)- 2011 - с. 248-252.

2. Методы обработки самофлюсующихся покрытий. Индукционное оплавление Е.А. Смирнова // Научно-технические ведомости СПбГПУ №4 (135)- 2011.-с. 258-262.

3. Применение ускоренного индукционного нагрева для повышения эксплуатационных свойств плазменных покрытий Фролов В.Я., Смирнова Е.А., Юшин Б. А. // Научно-технические ведомости СПбГПУ №4 (110)- 2010с. 187-192.

Публикации в других изданиях:

4. Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки Фролов В .Я., Смирнова Е.А., Юшин Б.А. // Металлообработка, 2009.-№2 (50)-с.28-34.

5. Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки Фролов В.Я., Смирнова Е.А., Юшин Б.А. // Сборник трудов всероссийской научной конференции «Пленки и Покрытия»/СПбГТУ - СПб, 2009.

6. Улучшение качества покрытий методом индукционного нагрева/ Фролов В.Я., Смирнова Е.А// Сборник трудов всероссийского форума «Наука и инновации в технических университетах»/ СПбГТУ - СПб, 2009.

7. Улучшение качества покрытий методом индукционного нагрева/ Смирнова Е.А.// Сборник трудов конференции «XXXVI неделя науки СПбГПУ», 2008.

Подписано в печать 24.01.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Уел. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8661Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

61 12-5/1831

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи *

/

Майрыгина Екатерина Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ИНДУКЦИОННОЙ

ТЕРМООБРАБОТКИ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. В.Я. Фролов

Санкт-Петербург - 2012 г.

1. Состояние исследований в области технологий обработки покрытий, наносимых плазменным способом..................................................................10

1.1 Свойства покрытий, нанесенных методом плазменного напыления......10

1.2 Технологии обработки газо-термических покрытий................................15

1.2.1 Поверхностное оплавление..................................................................15

1.2.2 Вакуумный отжиг.................................................................................18

1.2.3 Электродуговая обработка...................................................................19

1.2.4 Пропитка покрытий..............................................................................20

1.2.5 Ультразвуковая обработка...................................................................20

1.2.6 Микроплазменный и электронно-лучевой способы обработки.......22

1.2.7 Лазерная обработка покрытий.............................................................24

1.3 Индукционный метод термообработки покрытий....................................28

2. Теоретический анализ индукционной термообработки системы покрытие - основа.............................................................................................41

2.1 Общая постановка задачи.............................................................................41

2.2 Расчет геометрических и электрических параметров индуктора для поверхностного нагрева заготовки....................................................................43

2.2 Математическое моделирование процесса индукционного нагрева заготовки с покрытием.......................................................................................57

2.2.1 Уравнение электромагнитной задачи.................................................57

2.2.2 Граничные условия...............................................................................62

2.3 Уравнение баланса энергии.........................................................................69

2.3.1 Нестационарное уравнение баланса энергии.....................................69

2.3.2 Граничные условия...............................................................................72

2.5 Результаты математического моделирования............................................94

2.6 Математическое моделирование при помощи Comsol Multiphysics 3.5. 97

2.7 Выводы.........................................................................................................115

3. Экспериментальные исследования нагрева заготовок с покрытием.....117

3.1 Методика экспериментальных исследований..........................................117

3.1.1 Постановка задач проведения экспериментальных исследований! 17

3.1.2 Физическое моделирование...............................................................118

3.1.3 Экспериментальная установка для проведения исследований......126

3.1.4 Описание методик проведения исследований.................................129

3.2 Анализ результатов экспериментальных исследований.........................131

3.3 Выводы.........................................................................................................136

Заключение.......................................................................................................137

Список литературы..........................................................................................139

Введение

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.

1. Состояние исследований в области технологий обработки покрытий, наносимых плазменным способом

1.1 Свойства покрытий, нанесенных методом плазменного напыления

Покрытия из самофлюсующихся сплавов на никелевой основе (ПГ-СР, СНГН, ПГ-12Н-01, ВСНГН), используемые в промышленности для восстановления и упрочнения деталей, имеют матрицу твердого раствора микротвердостью 3800-4500 МПа и кристаллы карбидов (карбоборидов) переменного состава микротвердостью 7000-11000 МПа. В зависимости от марки самофлюсующегося порошка твердость изменяется в пределах 35-62 ЬЖС. Износостойкость таких покрытий в оплавленном состоянии в 5,5 раз выше, чем закаленной стали 45 твердостью 52-55 НЯС.

Однако, как описывает Кудинов В.В. в [2, 3], покрытие, полученное в результате напыления, по своей структуре является в значительной степени пористым: при соприкосновении с подложной капли порошка снизу затвердевает, а сверху растекается по затвердевшей поверхности, образуя фигуру, похожую на диск с утолщением в средней части, что приводит к образованию слоистой структуры напыленных покрытий и их пористости [1, 2, 3]. В некоторых случаях это свойство можно использовать, но, как правило, в том числе для упрочнения детали и повышения износостойкости, требуются плотные покрытия с низким содержанием пор.

зона

сцепления

подложка

Рис. 1.1 Вид покрытия, нанесенного методом напыления

При затвердевании капель обычно происходит кристаллизация материала с усадкой и покрытие находится под действием остаточных напряжений растяжения. Эти напряжения возрастают с увеличением толщины покрытия и могут вызвать его отслоение. Остаточные напряжения внутри покрытия по величине могут быть соизмеримы с прочностными характеристиками покрытия. В этой связи вопрос о величине остаточных напряжений и методах снижения их уровня имеет принципиальное значение.

Кроме того, недостатком самофлюсующихся материалов является высокое значение температурного коэффициента линейного расширения, что также приводит к возникновению существенных напряжений на границе покрытия и подложки.

Другим важным недостатком плазменных покрытий является их относительно невысокая адгезионная прочность.

На сегодняшний день не достаточно изучен вопрос условий образования прочного соединения плазменно-напыленных покрытий с подложкой. На данный момент нет единой теории, объясняющей образование адгезионной связи.

Связь покрытия с подложкой осуществляется за счет нескольких механизмов: механического зацепления напыляемых частиц, химической связи, диффузионных процессов.

В работах [28,36] считается, что связь покрытия с подложкой осуществляется преимущественно за счет механического зацепления напыляемых частиц с выступами и впадинами на поверхности подложки. Величина механического зацепления зависит от морфологии поверхности. Однако в работах [22,26] приводятся результаты исследований, в соответствии с которыми величина сил механического зацепления невелика и составляет не более 3-5МПа.

По мнению Кудинова, Ревуна [22,26] определяющую роль в прочности сцепления покрытия с подложкой играют силы межатомной связи (силы Ван-дер-Ваальса) и силы химической связи. Как свидетельствуют результаты исследований [25], степень образования химической связи зависит, прежде всего, от контактной температуры, времени воздействия, давления в контакте, химического состава материалов, дефектности и чистоты поверхности подложки.

Вклад диффузионных процессов в образование адгезионной связи на сегодняшний день еще недостаточно изучен. Его исследованием занимались Кудинов А.П., Ревун С.А., Бабушкин Г.А. [22, 24 25, 26]. Авторы сходятся в том, что определяющим фактором при образовании диффузионной связи является температура в зоне контакта.

Таким образом, с учетом известных механизмов величина адгезионной прочности покрытий а может быть представлена в виде:

^ = Тмех + °хим + ^диф ~ (1Л>

топохимической реакции при растекании напыляемой частицы, адиф -

вклад диффузионных процессов, а ^^ - деформационное воздействие остаточных напряжений в контактной зоне, возникающих вследствие разнородности свойств контактирующих материалов и градиента температуры.

На рис. 1.2 показано соотношение влияния различных механизмов на адгезионную прочность покрытия. Результаты исследований, приведенных в [25], свидетельствуют, что вклад механического зацепления в общую прочность сцепления покрытия с подложкой невелик и не превышает 2-10% (при традиционной струйно-абразивной обработке поверхности подложки - кроме случаев специальной конфигурации поверхности типа «ласточкин хвост», «рваная резьба» и др.). Вклад топохимической реакции составляет 70-75%, а остальные 20-25% обеспечивает диффузионный механизм.

1 - механическое 3 - диффузионные^зацепление

процессы

2 - топохимическая реакция

Рис. 1.2. Количественный вклад различных механизмов в адгезионную

прочность покрытий.

Анализ условий формирования адгезионной связи между покрытием и подложкой при плазменном напылении, проведенный в [25], позволяет считать, что основной вклад в адгезионную прочность покрытий вносит

Часть образующихся связей затем разрывается в результате возникновения и развития напряжений в контактной зоне между покрытием и подложкой. За счет диффузионных процессов возможна частичная релаксация напряжений. Степень релаксации напряжений тем выше, чем интенсивнее идут диффузионные процессы.

Исследования [20, 21, 22] свидетельствуют о зависимости интенсивности диффузионных и топохимических процессо�