автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств покрытий при электродуговой металлизации

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

1Л Методы нанесения газотермических покрытий.

1.2 Газодинамические особенности процесса электродуговой металлизации.

1.3 Диагностика свойств покрытий при электродуговой металлизации.

1.4 Краткие выводы и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАСПЫЛЯЮЩИХ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ МЕТАЛЛИЗАТОРОВ.

2.1 Конструкция экспериментального стенда.

2.2 Выбор конструктивных форм распыляющих сопел.

2.3 Газодинамические исследования сопловых каналов.

2.4 Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

3.1 Особенности метода акустической эмиссии как инструмента для экспериментального исследования процессов деформации и разрушения материалов.

3.2 Экспериментальная установка, система регистрации и обработки акустико-эмиссионной информации.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.2 Влияние распылительной системы электродугового металлизатора на кинетику разрушения покрытия.

4.3 Влияние состава покрытий на кинетику накопления в них повреждений и разрушение под действием нагрузки.

4.4 Выводы.

ГЛАВА 5. КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАПЫЛЕНИЯ И ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ.

5.1. Критерии оценки эффективности электродуговых металлизаторов.ЛОЗ

5.2 Критерии оценки эксплуатационных свойств покрытий.

5.3 Выводы.

Актуальность работы. Защита деталей машин и металлоконструкций от коррозии и износа, повышение долговечности машин и механизмов относятся к числу важнейших интернациональных проблем. Около 30% ежегодной выплавки металла либо теряются безвозвратно в виде продуктов коррозии и износа, либо обращаются в металлолом. Потери рабочего времени из-за поломок оборудования составляют около 80 % общего времени простоя. Эксплутационные расходы приближаются к стоимости самого оборудования.

В связи с вышесказанным технически и экономически целесообразно реализовать новый подход к выбору материалов. Механическая прочность детали гарантируется за счет применения одного материала, а сопротивление воздействию внешних факторов (коррозии, износу и др.) обеспечивается локальным формированием на ее поверхности тонких слоев со специальными функциональными свойствами.

В результате обеспечивается повышенная долговечность детали. При этом возможно создание изделий с уникальным сочетанием свойств, недостижимым при использовании традиционных конструкционных материалов, например, жаропрочность и жаростойкость, аморфное состояние поверхности деталей различной конфигурации и размеров и др.

Задачей разработки методов управления свойствами поверхности занимается инженерия поверхности. Эти методы могут быть разделены на две основные группы: модифицирование поверхности и нанесение покрытий. В первом случае изменение свойств поверхности осуществляется за счет изменения структурного состояния поверхностных слоев материала детали (аморфизация, создание метастабильных структур и др.) или его легирования. Во втором - на поверхности формируется слой с иным, отличным от основного материала, составом.

Среди разнообразных технологий нанесения защитных покрытий за последнее время интенсивное развитие получила группа газотермических методов, к которой относят: плазменное, газопламенное и детонационное напыление, электродуговую металлизацию, также в определенной мере и лазерное напыление. В их основе лежит единый принцип формирования защитного слоя из дискретных частиц материала, нагретых и ускоренных струей высокотемпературного газа.

Практика применения электродуговой металлизации (ЭДМ) для повышения надежности и долговечности деталей машин, механизмов и различных металлических конструкций за счет создания на их поверхности покрытий со специальными свойствами показывает, что нанесение одного и того же материала, но различными по конструкции металлизаторами дает значительно отличающиеся результаты прочностных и других свойств покрытий.

На сегодняшний день отсутствуют убедительные критерии и методики, с помощью которых можно было бы заранее оценивать результат применения той или иной конструкции металлизатора.

С другой стороны, разработчикам материалов для покрытий различного назначения крайне важно знать характер поведения покрытия в работе, механизм накопления повреждений и его разрушения при различных условиях эксплуатации.

Имеющиеся на сегодняшний день методики предусматривают, в основном, оценки свойств покрытий по статическим показателям - твердости, прочности при отрыве (адгезия) и разрыве (когезия). Но реальные детали с покрытием редко работают в статических условиях, они, как правило, испытывают и динамические нагрузки.

Интенсивно внедряющийся метод акустической эмиссии (АЭ) для исследования поведения материалов в различных условиях нагружения позволяет «изнутри» наблюдать механизм накопления повреждений в материале и его разрушение. Известные методики использования АЭ при исследовании напыленных покрытий не позволяют получать достаточный объем информации для предсказания поведения того или иного материала покрытия в конкретных условиях использования.

Цель работы: Повышение эксплуатационных свойств покрытий при электродуговой металлизации за счет оптимизации параметров распыляющей струи и диагностики прочности покрытий методом акустической эмиссии.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке критериев оценки эффективности электродуговых металли-заторов по степени преобразования энергии сжатого газа перед распыляющим отверстием (насадком) в энергию распыляющей струи по ее плотности в сечении распыления и на разгонном участке;

- установлении причин низких служебных свойств покрытий с крупнокапельным распылением на основе сигналов акустической эмиссии;

- изучении механизма разрушения покрытий из порошковых проволок с экзотермическим эффектом на основе легирования алюминием;

- разработке критериев оценки эксплуатационных свойств покрытий по сигналам акустической эмиссии.

Практическую ценность представляют:

Распыляющая головка электродугового металлизатора" (Патент РФ №2191637);

- "Электродуговой металлизатор" (Патент РФ № 2191075);

- стенд для оценки эффективности распыляющих узлов электродуговых металлизаторов.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались на 6-й Международной конференции «Пленки и покрытия 2001», г. Санкт-Петербург, 2001.; 2-й Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий», г. Ялта, 2002г.; 1-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», г. Москва, МИСиС, 2002 г.

Реализация результатов работы: результаты работы внедрены в конструкциях электродуговых металлизаторов, составах порошковых проволок, технологических процессах, использующихся в ООО «Веха-1», Лу-чегорском топливно-энергетическом комплексе (ЛУТЭК), г. Лучегорск, Картонной фабрики г. Уссурийска, Харбинской железной дороге, КНР.

Публикации: по материалам диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы, получено 4 свидетельства на полезную модель, 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 4 таблицы, список использованных источников из 27 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Существующие конструкции электродуговых металлизаторов принципиально отличаются характером взаимодействия распыляющей струи с проволоками-электродами. Металлизаторы с распылительными системами открытого типа по сравнению с системами закрытого типа распыления имеют: а) меньшую энергию распыляющей струи из-за потерь при обтекании проволок-электродов и эти потери в тем больше, чем больше диаметр проволок; б) меньшую плотность кинетической энергии струи как в точке распыления, так и на разгонном участке напыляющей струи с максимальной неравномерностью ее распределения по сечению.

2. Предложен критерий оценки эффективности электродуговых металлизаторов по их КПД, т.е. степени преобразования энергии сжатого воздуха, вырабатываемого компрессором в энергию распыляющей струи.

3. Разработана методика оценки свойств и прогнозирования поведения покрытий на основе энергетических показателей АЭ в процессе на-гружения покрытий до их разрушения.

Установлено, что: а) при крупнокапельном распылении одного и того же материала по сравнению с мелкокапельным уровень высвобождаемой из покрытия энергии, характеризующий уровень остаточных напряжений в покрытии, как правило, выше и разрушение покрытия происходит при меньшей нагрузке; б) уровень высвобождаемой энергии характеризует способность покрытий, полученных из разных материалов, накапливать ее в процессе напыления, как правило, энергию растягивающих напряже

113 ний, а величина выбросов энергии характеризует пластичность покрытия, его способность выдерживать нагрузки без хрупкого разрушения; в) акустический образ покрытия при его нагружении дает документальную картину процесса разрушения;

4. Предложены критерии оценки служебных свойств покрытий на основе метода АЭ при их испытании на изгиб на плоских образцах: а) скорость высвобождения накопленной в покрытии энергии; б) скорость накопления дефектов (микро- и макротрещин).

1. Теория и практика нанесения защитных покрытий / П.А. Витязь, B.C.

2. Ивашко, А.Ф. Ильюшенко и др. Мн.: Беларуская навука, 1998.

3. Борисов Ю.С. Современные тенденции в развитии газотермического напыления покрытий. Труды 5-й Международной конференции "Пленки и покрытия 98", С. 14-19.

4. Абрамов Т.Н. Теория турбулентных струй. М: Физматгиз, 1960.

5. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Машиностроение, Л., 1976

6. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977.

7. Ерохин A.A. Основы сварки наплавлением. М: Машиностроение, 1973.

8. Фролов В.В. и др. Теоретические основы сварки. М: Высшая школа,1970.

9. Вахалин В.А., Масленков С.Б., Кудинов В.В., Белащенко В.Е., Скидан

10. Е.И. Процесс плавления и распыления материала электродов при электродуговой металлизации.//Физика и химия обработки материалов. 1981. №3. С. 58-63.

11. Дейч М.Е., Филиппов М.Е. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия, 1968.

12. Агеев В.А., Белащенко В.Е., Фельдман И.Э., Черноиванов A.B. Анализ методов управления параметрами напыляемых частиц при электродуговой металлизации. //Сварочное производство. 1989 № 12, С 30-32.

13. Роянов В.А. Плавление электродов при дуговой металлизации. //Сварочное производство. 1990 № 2, С. 35-38.

14. Роянов В.А., Мошенко Г.А. Влияние электродов на свойства распыляющей струи при дуговой металлизации. //Сварочное производство. 1990, №3, С. 6-8.

15. Альбом течений жидкости и газа: Пер. с анг. JI.B. Соколовской; под ред. Г.И. Баренблайта, В.П. Шидловского. М.: Мир. 1986.

16. Борисов Ю.С. Харламов Ю.А., Сидоренко C.JL, Ардатовская E.H. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. Киев, 1987.

17. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М., 1985.

18. Баринов С.М., Шевченко В.Я Методы испытания для прогнозирования долговечности керамических материалов (обзор) // Заводская лаборатория.-1987.-№9 С. 32-38.

19. Бартнеев O.A., Хамитов В.А. Применение метода акустической эмиссии для исследования фазовых превращений в сплавах // Заводская лаборатория.- 1987. № 6 С. 37-39.

20. Вайнберг В.Е., Клейман А.Ш. и др. Акустике эмиссионный контроль газотермических покрытий // Дефектоскопия. - 1990. № 7 С. 15-19.

21. Донин А.Р. Применение метода АЭ для оценки долговечности изделий с трещинами //. Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1990. №4 С. 46-48.116

22. Махутов H.А., Бледнова Ж.М. Методики оценки прочности и циклической долговечности поверхностно-модифицированных материалов (обзор) //Заводская лаборатория. 1993. №8. с. 43-53.

23. Моисеев В.Ф., Фукс-Робинович Г.С., Досбаева Г.К. Вязкость и пластичность ионно-плазменных покрытий из нитрида титана //Заводская лаборатория. 1987. №1. с. 57 - 59.

24. Нефедьев Е.Ю., Волков В.А., Кудряшов C.B. Связь размеров микро-трегцин с параметрами акустической эмиссии и структурой деформированной роторной стали //Дефектоскопия. 1986. №3. с. 41 44.

25. Пятыхин Л.И., Кунченко В.В. и др. Обнаружение микротрещин в покрытиях методом акустической эмиссии //Дефектоскопия. 1988. №11. с. 93 94.

26. Фукс-Робинович Г.Е., Моисеев В.Ф. Использование метода склерометрии для определения адгезионных свойств ионно-плазменных покрытий //Заводская лаборатория. 1990. №2. с. 95 98.р о ссш!скл>1о---ь1 Ш / ¿Зтил ИЗОБРЕТЕНИЕ2191637

27. Российским агентством по патентам и товарным знакам на. основании Патентного закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 года, выдан настоящий патент на изобретение

28. РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ЭЛЕКТРОДУГОВОГО МЕТАЛЛИЗАТОРА1. Патентообладатель(ли):

29. Общество с ог{>ани1енно4 ответственностью "Здвха"по заявке № 2000131456, дата поступления: 14.12.2000 Приоритет от 14.12.2000 Автор(ы) изобретения:

30. Окладников Сергей Мвановн1, Салохин ¿/¡магнолий (Васильева

31. Патент действует на всей территории Российской Федерации в течение 20 лет с 14 декабря 2000 г. при условии своевременной уплаты пошлины за поддержание патента в силе

32. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации1. Щ Ш