автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Совершенствование технологии электродуговой металлизации на основе моделирования взаимодействия металла с газами и исследования свойств покрытий

На правах рукописи

Коробов Юрий Станиславович

Совершенствование технологии электродуговой

металлизации на основе моделирования взаимодействия металла с газами и исследования свойств покрытий

Специальность 05.03.06 - Технологии и машины сварочного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 2004

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ"

Научные консультанты: д-р техн. наук, проф. (Бороненков В. Н.

д-р техн. наук, проф. Шалимов М. П.

Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, проф. Короткое В. А. ■

д-р техн. наук, гл. науч. сотр. Коршунов Л. Г.

д-р техн. наук, проф. Язовских В. М.

Ведущая организация ОАО "Уралмашзавод", г. Екатеринбург

Защита состоится 2004 г. на заседании диссертационного

совета Д 212.285.10 в ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет-УПИ" по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, тел. (343) 3754574, факс (343) 3743884

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет-УПИ"

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Чечулин Ю. Б.

— ¿62*« г

2005-4

12401 Общая характеристика работы

Актуальность. Потери металла от износа и коррозии металлоконструкций составляют около 30 % от их массы. Среди технологий ресурсосбережения интенсивно развивается группа методов газотермического напыления (ГШ) покрытий. Анализ показал, что годовой объем мирового рынка технологий ГШ к 2010 году вырастет на 25 % и достигнет 2 млрд. евро. В этой группе по относительной стоимости покрытия, получаемые электродуговой металлизацией (ЭДМ), в 3... 10 раз дешевле получаемых другими способами ГТН.

Однако в настоящее время отсутствуют системные решения по предотвращению при ЭДМ интенсивного выгорания из металла легирующих элементов и насыщения наносимого слоя газами атмосферы. Указанные процессы приводят к изменению химического состава, снижению концентрации легирующих элементов, избыточному содержанию оксидов в покрытии. Кроме того, у серийно выпускаемых отечественных аппаратов для металлизации - широкий факел распыла струи, вследствие чего коэффициент использования материала не превышает 0,5 - 0,6, а плотность покрытия на периферии пятна распыла уменьшается. Все это приводит к снижению качества покрытия, что препятствует широкому использованию простого и дешевого способа нанесения покрытий.

Усилия многих исследователей направлены на изучение особенностей процесса ЭДМ. В этом направлении заметный вклад внесли Е. В. Антошин, В. Э.Барановский, В. Е. Белащенко, М. А. Белоцерковский, Ю. С. Борисов, Н. В. Катц, В. С. Клубникин, В. В. Кудинов, Н. Н. Литовченко, С. В. Петров, В. А. Роянов. Изучению свойств ЭДМ-покрытий посвящены работы А. Л. Борисовой, Д. Г. Вадивасова, Э. Кречмара, В. М. Изоитко, В. И. Похмурского, А. С. Прядко. Анализ этих исследований показал, что дальнейшее развитие процесса ЭДМ возможно только на основе исследования и обоснования взаимосвязи между параметрами технологии и качеством покрытий.

Цель и задачи исследований. Целью работы является научное обоснование концепции повышения качества покрытий при ЭДМ на основе совместного анализа результатов моделирования процессов при ЭДМ и изучения свойств получаемых покрытий.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Развить представление о процессах, происходящих при ЭДМ, в том числе:

• изучить влияние электродинамического воздействия дуги на процесс дробления капель;

• разработать модель высокотемпературных процессов в многокомпонентной газовой струе с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивности свойств газовой смеси;

• разработать модель, описывающую изменение скоростей и температур в двухфазной струе по дистанции напыления с учетом изменения параметров в радиальном направлении;

• для системы "газ - капли распыляемого металла" разработать модель взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз с учетом особенностей поведения кислорода в этих фазах. о . ■ л ц <. о нал ьна*{

БИБЛИОТЕКА I

с 08

2. Экспериментально изучить и проанализировать влияние выходных технологических параметров процесса металлизации и воздействия внешних нагрузок на свойства получаемых покрытий.

3. Проанализировать возможные направления повышения свойств покрытий и выработать предложения по их реализации на основе выбора рациональных выходных параметров ЭДМ-процесса, повышения стабильности этих параметров и разработки новых технологических приемов нанесения покрытий.

Методы исследований. В теоретических и экспериментальных исследованиях использованы методики, включающие аналитические и численные расчеты по математическим моделям и экспериментальные исследования.

Расчеты по математическим моделям выполнены по разработанной автором программе на языке Турбо Паскаль 7.0, в системе компьютерной алгебры Maple 7 и в пакете Microsoft Excel, для представления результатов использованы системы компьютерной графики Компас 5.11 и SolidWorks 2000.

Опытным путем измерены параметры двухфазного потока: начальную скорость газа, расход газа, скорость движения частиц, рассеивание частиц за пределы эффективного пятна напыления. Содержание кислорода в покрытии определено методом восстановительного плавления в токе инертного газа и в вакууме (приборы RO-116 и EAN-220). Для изучения структуры покрытий использованы химический, металлографический и фазовый анализы, замеры микротвердости. Проведены лабораторные исследования по определению влияния технологических параметров (подготовка поверхности, режимы нанесения, предварительный подогрев, состав атмосферы) на адгезионную прочность и газопроницаемость покрытий. Для определения износостойкости в условиях ударно-абразивного изнашивания разработана оригинальная методика, позволяющая варьировать величину и периодичность приложения ударной нагрузки. Для предварительных испытаний массивных узлов использован стенд на базе гидропульсаторной машины EMS-60, позволяющий задавать нагрузки до 100 МПа и измерять линейную интенсивность износа и напряжения в детали. Проведены натурные испытания ряда деталей с покрытиями.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Применительно к ЭДМ впервые выполнено теоретическое описание:

• дробления капель в зоне горения дуги под воздействием совместных процессов вскипания жидкого металла и ударного расширения газов у перетяжек при прохождении электрического тока через жидкий металл срываемых капель;

• сил, действующих на жидкий металл в зоне горения дуги, возникающих за счет прохождения электрического тока и газодинамического напора;

• высокотемпературных процессов в многокомпонентной газовой струе с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивности свойств газовой смеси;

• распределения скоростей и температур двухфазного потока "газ - капли металла" по дистанции напыления с учетом изменения параметров в радиальном направлении, изменения состава газовой смеси в каждом микрообъеме, влияния энтальпии плавления капель на их охлаждение по дистанции;

• кинетики взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз в системе "газ - капли распыляемого металла" с учетом особенностей поступления кислорода в каплю на торце электрода, в зоне горения дуги и по дистанции напыления.

2. Разработаны способ испытания материалов на ударно-абразивное изнашивание при нециклических нагрузках и устройство для его осуществления

(а. с. СССР№ 1415149).

3. Системно проанализированы количественные зависимости структуры и ряда эксплуатационных характеристик (износостойкости, адгезионной прочности, газопроницаемости) от технологических параметров процесса и воздействия внешних нагрузок, установленные в результате экспериментальных исследований.

Научная и практическая значимость результатов работы

Разработанное в диссертационной работе научное обоснование концепции повышения качества покрытий при ЭДМ на основе совместного анализа результатов моделирования процессов и изучения свойств получаемых покрытий позволяет усовершенствовать технологии ЭДМ. Впервые предложены и реализованы технические решения, направленные на совершенствование конструкции распылительного сопла (патенты России № 2047395, 2072699, 2097144, 2119389, 2162749, 2174158, 2186632), разработку технологических приемов нанесения покрытий (патенты России № 2133663, 2158888) и повышение надежности узлов металлизационного аппарата (патенты России № 2080970, 2134730, положительное решение по заявке № 2001112048/12(012530) от 03.05.01). На основе разработанного способа нанесения покрытий на алюминиевую основу (патент России № 2081203) предложены конструктивные узлы (патенты России № 2069630, 2087366, 2127683), в результате испытаний которых впервые установлено, что алюминиевые детали со стальным износостойким покрытием выдерживают ударные нагрузки до 100 МПа в абразивной среде.

Результаты разработок, в том числе 11 изобретений, внедрены на предприятиях различных отраслей промышленности - машиностроения, металлургии, строительства, газопереработки - для нанесения износостойких и антикоррозионных покрытий. Годовая эффективность применения составила 0,5...4 млн. руб.

На основе способа и устройства для испытания материалов на износ (а. с. СССР № 1415149) разработана методика испытаний на ударно-абразивное изнашивание, позволяющая воспроизводить нециклические контактные нагрузки до 233 МПа при энергии единичного удара до 133 Дж.

По итогам работы в 1990 - 1995 г. автору присвоено звание "Лучший изобретатель Министерства оборонной промышленности России". За разработку оборудования, технологий активированной дуговой металлизации и продвижение их на рынок Уральского региона автором в составе коллектива разработчиков получен диплом международной выставки "Сварка", Екатеринбург, 2001 г. Алюминиевый каток гусеничного тягача со стальным покрытием, который был напылен по разработанной с участием автора технологии, в 2004 г. принят в ка-

честве экспоната единственным в России Музеем сварки Н. Г. Славянова (г. Пермь), как показатель современного уровня развития электрометаллизации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель процессов, происходящих при ЭДМ, в которой описывается:

• влияние электродинамического воздействия дуги на процесс дробления капель;

• высокотемпературное взаимодействие в многокомпонентной газовой струе с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивности свойств газовой смеси;

• изменение скоростей и температур в двухфазной струе по дистанции напыления с учетом изменения параметров в радиальном направлении;

• взаимодействие металлической, оксидной и газовой фаз для системы "газ - капли распыляемого металла" с учетом межфазных переходов кислорода.

2. Результаты изучения и анализа изменений свойств покрытий в зависимости от технологических режимов процесса ЭДМ и внешних нагрузок.

3. Меры по совершенствованию технологии нанесения покрытий электродуговой металлизацией, направленные на улучшение конструкции распылительного сопла, разработку технологических приемов нанесения покрытий и на повышение надежности узлов металлизационного аппарата.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях разного уровня. Среди них:

- международные: "Пленки и покрытия '98", С-Петербург, 1998; "Mathematical modeling and simulation of metal technologies", Israel, 2000, 2002; "Современные проблемы электрометаллургии стали", Челябинск, 2001; Workshop 2003 "The optimization of composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano- and amorphous materials", Israel, 2003; "Сварка, Контроль, Ренова-ция-2003", Уфа, 2003; "Современные проблемы сварки и ресурса конструкций", Киев, 2003;

- Всесоюзные и Российские: "Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности", Свердловск, 1988; "Современные проблемы триботехнологии", Николаев, 1988; "Программно-информационное обеспечение сварочных технологических процессов и автоматизация сварочного производства", Ленинград, 1990; "Математические методы и САПР в сварочном производстве", Свердловск, 1990; "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-95", Пермь, 1995; "Сварка Урала - в XXI век", Екатеринбург, 1999; "Сварка и смежные технологии", Москва, 2000; "Сварка Урала-2001", Н-Тагил, 2001; "Сварка, наплавка и специализированное оборудование в ремонте и восстановлении деталей машин", Екатеринбург, 2001; "Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций", С-Петербург, 2001; "Сварка Урала-2002", Курган, 2002; "Сварка-XXI век ", Тольятти, 2002; "Наплавка и напыление как эффективные способы повышения срока службы деталей машин и оборудования", Екатеринбург, 2002; памяти Г. А. Николаева, Москва, 2003; "Компьютерные технологии в соединении материалов", Тула, 2003; "Сварка и контроль-2004", Пермь, 2004.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" и на конференции "Сварка и контроль - 2004", г. Пермь.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 68 работ, в том числе 13 статей в различных журналах, 17 авторских свидетельств и патентов.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, кратко описаны проведенные исследования и применявшиеся методики. Для разработанных технических решений предложено применять название "активированная дуговая металлизация" (АДМ). К отличительным особенностям АДМ относится совместное использование восстановительных смесей в качестве транспортирующего газа, определенного взаимного расположения сопел и электродов, целенаправленного воздействия на зону горения дуги.

Глава 1. Электродуговая металлизация - процесс, оборудование, особенности

Проанализированы имеющиеся результаты моделирования процесса, выполнен обзор существующих направлений улучшения конструкций аппаратов, рассмотрены полученные ранее результаты исследований свойств покрытий, приведены разработанные на этой базе технологии и отмечены существующие при этом сложности.

Согласно анализу литературных данных, принято, что температуры металла в зоне горения дуги при ЭДМ и при дуговой сварке аналогичны. Выполненный расчет тепловых потерь на испарение и излучение распыляемого металла при ЭДМ показывает, что их доля в тепловом балансе не превышает 4 %, поэтому этими потерями можно пренебречь.

Анализ процессов ЭДМ проведен для вариантов, когда в качестве транспортирующего газа использованы сжатый воздух и продукты сгорания пропановоздушной смеси. Согласно выполненному расчету, для продуктов сгорания пропановоздушной смеси температура в области горения дуги не поднимается выше 2500 К, с учетом нагрева от дуги и теплоотдачи стенкам камеры сгорания. Для основных компонентов газовой среды выполнен термодинамический расчет, который показал, что их термическая диссоциация на атомы и радикалы при температурах, характерных для ЭДМ, маловероятна, и ею можно пренебречь.

При исследовании дробления капель установлено противоречие между оценками размера капель при срыве с торца электродов (по данным осцилло-графирования) и на рабочей дистанции напыления (по ситовому анализу проб, напыляемых в воду). При распылении стальной проволоки на торце срываются капли, по массе соответствующие диаметру (500...800) мкм, а на рабочей дистанции капли диаметром меньше 140 мкм составляют (60...80) мае. %. Принятая сейчас исследователями схема вторичного разрушения капель под воздействием газодинамических сил не подтверждается расчетами критического диаметра капель по числу Вебера, при котором разрывающие газодинамические

силы превышают силу поверхностного натяжения. Совместно с В. Н. Боронен-ковым принято следующее положение: в дуге происходят одновременный отрыв с торца электрода капли большого диаметра за счет газодинамического напора газа и ее разрыв на более мелкие под воздействием электромагнитных сил. Примерный механизм процесса может быть описан следующим образом. Жидкий металл с торца электрода стягивается потоком газа в виде "языка" и отрывается по перетяжкам, образующимся под действием перепада давления газа в местах местных возмущений. Ток, проходящий через "язык" и электрическую дугу, приводит к выделению джоулева тепла. В перетяжках выделение идет интенсивнее, чем на других участках проводника, за счет повышенного омического сопротивления. Поэтому металл и газ вблизи перемычек разогреваются до более высоких температур. Дальнейшее разрушение струи развивается за счет совместных процессов вскипания жидкого металла и ударного расширения газа у перетяжек.

С учетом влияния электродинамического воздействия дуги выполнена оценка величины и направления сил, действующих на отдельную каплю в "языке" при срыве с торца электрода (см. таблицу).

Расчетная оценка сил, действующих в зоне горения дуги на жидкий металл

Силы Величина, Н, х 10*

аэродинамического сопротивления 16,9

от давления ударной волны 2,7

Ампера (магнитное поле вылета электрода - ток в перетяжке) 5.2

Ампера Р2 (пинч - эффект) 9,4

Ампера Бз (магнитное поле столба дуги - ток в перемычке) 0,03

Анализ расчетов показал, что силы, имеющие электромагнитную природу, по величине - одного порядка с аэродинамической, однако по направлению отличаются от желательного для движения капель. Предложенная схема и описание сил позволили обосновать возможность образования капель малого диаметра, показать причины получения развитой поверхности металла на стадии формирования капли, объяснить сложности в формировании узкого факела распыла.

Из анализа литературных данных видно, что в имеющихся моделях процесса ЭДМ не рассматривается изменение параметров по сечению двухфазной струи, не учитываются протекающие в многокомпонентной струе химические реакции, влияние подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивность свойств газовой смеси. Для системы "газ - капли распыляемого металла" количественное описание взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз отсутствует.

Обзор существующих направлений улучшения конструкций аппаратов показал, что имеются сложности в формировании узкого однородного факела распыляемого металла, который при этом склонен к повышенному окислению. Это обусловило разнообразие конструкций ЭДМ - аппаратов.

При анализе ранее проведенных исследований структуры и свойств установлено, что информации для обоснования выбора технологических параметров при нанесении покрытий недостаточно.

Изучение литературных данных показало перспективность применения в условиях высоких ударно-абразивных нагрузок алюминиевых деталей с износостойким покрытием. Однако сложности по обеспечению адгезионной прочности покрытий сдерживают эти разработки.

Имеются примеры успешного применения ЭДМ в типовых областях нанесения защитных покрытий: восстановление изношенных стальных и бронзовых деталей и получение антикоррозионных покрытий. Совершенствование технологии ЭДМ позволит расширить сферу их использования.

Таким образом, широкому использованию процесса ЭДМ препятствует недостаточный уровень современного состояния научных исследований и технологических разработок.

Глава 2. Математическая модель процессов в двухфазной струе при электродуговой металлизации

В главе представлены результаты разработки математической модели, которая описывает процессы движения, нагрева капель металла и поступления в них кислорода при электродуговой металлизации.

На основе анализа имеющихся конструкций металлизационных аппаратов для рассмотрения газодинамических процессов принята схема распыления (рис.1) с использованием в качестве транспортирующего газа продуктов сгорания пропановоздушной смеси.

Рис. 1. Схема струи для проведения расчетов:

1 — электрод;

2 — сопло;

3 - кожух защитный;

хИ - длина начального участка струи

В соответствии с этой схемой для описания полей скоростей, температур и изменений в составе газа использованы закономерности затопленной осесим-метричной турбулентной струи. Кроме этого, принят ряд допущений:

• нагрев и окисление капель рассматриваем как квазистационарную задачу, то есть теплообмен и диффузию газов можно описать уравнениями стационарного тепло- и массообмена;

• полидисперсная смесь распыляемых капель заменена условно монодисперсной эквивалентного диаметра;

• состав газа в каждом микрообъеме отвечает равновесному для данной температуры;

• на капли по дистанции напыления действует только сила аэродинамического сопротивления.

С учетом принятых допущений другие конструктивные варианты ЭДМ можно свести к рассматриваемому.

Для определения скоростей в двухфазном потоке численно решалась система дифференциальных уравнений количества движения для смеси и движения капли:

/^х + (вр /Оя) • (<Шр /с1х) = 0, (1)

т • сГОГр/Л = 0.5 ■ С„ • р, • К - |\Ур - • в, (2)

где № - скорость, м/с; х - координата, м; в - массовый расход, кг/с; т - масса, кг; I - время, с; Са - коэффициент аэродинамического сопротивления; р - плотность, кг/м3 ; 8 - площадь миделева сечения капли, м2 ; индексы ц, р относятся соответственно к газу и капле.

Для определения массового расхода капель металла по каждому интервалу углов А а} в каждом сечении X; выведено уравнение

С^Ор^е-^-е-^1]. (3)

При определении коэффициента аэродинамического сопротивления С,) использованы зависимости вида С«| = А-Яе1" + В-11еп,

где 11е - число Рейнольдса; А, В, ш, п - коэффициенты, зависящие от интервала значений Яе.

Для капель, вылетающих под углом к оси струи, скорость в направлении х рассчитывается по уравнению (2), но при параметрах, относящихся к точке с координатой у;, определяемой, согласно рис. 1, из уравнения

у, = XI • , (4)

где с^ - угол, под которым капля вылетела из точки распыла. Такая схема предполагает, что динамическое воздействие газа на каплю по оси у отсутствует, а первоначальный импульс, определивший ее перемещение под углом к оси х, приобретен каплей в точке (х = 0, у = 0) за счет электродинамического воздействия дуги и расширения сжатого газа на выходе из обжимающего сопла.

На основании проведенного расчета и сделанного анализа литературных данных потерями тепла на излучение и испарение пренебрегли и представили уравнение теплового баланса капли в виде

с1Тр/ах = 6• ат • (т, - Тр)/(рр • с£ ■ <1р • Wp). (5)

При расчете баланса теплообмена "газ - капли металла" принято, что после понижения температуры капель до точки плавления она остается постоянной вплоть до полного затвердевания металла. Для этого на каждом шаге расчета сравнивается температура капель с температурой их плавления. По достижении последней температура капли в последующих точках сохраняется постоянной, и на всех последующих точках суммируется теплота, потерянная каплей:

£д'=£с'р-тр-(тм-Г), (6)

¡«1 ¡-1

где Ср- средняя теплоемкость металла капель, Дж/(кг-К).

Эта теплота на каждом шаге сравнивается с теплотой плавления капли:

дпл=АЬпя-тр, (7)

где АЬпл - удельная энтальпия плавления, Дж/кг; ш - масса, кг.

При выполнении условия > на дальнейших шагах расчета учитывает-

¡-1

ся понижение температуры твердой частицы. Для оценки состояния капли при подлете к напыляемой поверхности введено понятие степени отвердевания представляющей отношение суммарной теплоты, потерянной каплей, к теплоте плавления капли.

Для описания изменений в составе газа разработана модель высокотемпературных процессов в многокомпонентной газовой струе, содержащей продукты сгорания пропановоздушной смеси, с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивности свойств газовой смеси. Горение пропана идет согласно суммарной реакции

СзН8 + 502 = ЗС02 + 4Н20. (8)

Полнота сгорания характеризуется коэффициентом избытка окислителя

а««^/(ув-Ьв), (9)

где Уо, - объем в смеси окислителя и горючего газа, м3.

Если подается восстановительная смесь, то на выходе из сопла появятся продукты разложения пропана по реакции

С3Н8 = ЗС + 4Н2. (10)

В присутствии свободного углерода содержание кислорода в газовой фазе будет определяться равновесием реакции

2С + Ог = 2СО, 1Екро= 11672/Т +9,16. (11)

В отсутствие углерода достаточно рассмотреть лишь равновесие двух реакций: С02 = СО + 0.502 , ^ кР1 = -14765/Т + 4,54; (12)

Н20 = Н2 + 0.502 , ^ ки = -13160ЛГ + 305. (13)

Для последней задачи определено число молей элементов в газе (п) из уравнений их материального баланса:

п" В п„ -В _ 2-В2 • А

кр, +В 2 ■ (кР2 +В)+ Р-В2 где В2 =Р-п0,/(£п,) ; А = +0.5• п^; индекс и относится к исходно-

му состоянию на шаге; Р - давление в струе, МПа.

Уравнение (15) решается при наложении на величину В ограничений, вытекающих из физического смысла значения В: В < Р^5.

В расчетах за пределами начального участка струи учтено подмешивание в струю кислорода и азота воздуха из окружающей среды:

У* = (сх ~ с, )/(С0 - С,) = 0,86 • /;

у, =(С>-С^-С^К^Г*, (16)

где Рг0 - диффузионное число Прандтля.

С учетом подмешивания в струю воздуха из окружающей атмосферы выведены уравнения для расчета состава газа:

п^=п£Чо,79-ХпГ'-(1-у)/у; (17)

< =п£+0,21-ХпГ'-(1-у)/у; у = уч • у,; (18)

=п£'; п{,=п£'. (19)

При появлении свободного углерода ввиду больших значений констант равновесия реакций его взаимодействия с 02, Н20, С02 (кр = 105...108) в состоянии равновесия газ будет содержать практически только Н2, СО и Ы2. Поэтому расчет ведется, исходя из следующего:

псо=По; =п^2; пНз =4-п"-,Н1|. (20)

Определение кинетических характеристик смеси газов - теплопроводности, вязкости, коэффициента диффузии - выполнялось с учетом взаимного влияния компонентов, по неаддитивным зависимостям. Для компонентов газовой смеси температурные зависимости свойств нами были выведены путем регрессионного анализа справочных данных.

Различие расчетных и опытных данных по скоростям капель составляет менее 10 % для капель интервала диаметров 20... 125 мкм, доля которых составляет порядка 75 мае. %.

При анализе результатов расчетов установлено, в частности, следующее

• для большинства фракций температура не падает ниже точки плавления вследствие высокой скорости и энтальпии плавления;

• на рабочей дистанции, на оси струи, успевают отвердеть только капли диаметром менее 10 мкм, на границе струи капли фракции 10 мкм отвердевают на дистанции ~35мм. Остальные фракции на дистанции 125 мм достигают степени отвердевания 5...75 %;

• при различном исходном составе газа, восстановительном или окислительном, резкие отличия состава газовой струи от окружающей атмосферы имеются только на начальном участке струи.

При описании взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз принято, что химический состав металла и шлака на каждой стадии в пределах фазы одинаков; поступление кислорода в металл капель определяется диффузионными процессами; поверхность контакта металла со шлаком на каждой стадии в кинетическом отношении однородна, то есть может быть охарактеризована некоторыми средними во времени площадью контакта и константой массопереноса; влиянием реакций с газовой фазой в первом приближении можно пренебречь. Процесс разделен на три последовательные стадии, отличающиеся особенностями взаимодействия расплавленного металла с кислородом.

Количество поступающего кислорода рассчитывалось по уравнению реакции 1-го порядка:

dm0/dt = gnjl •[O]0/100-gora • [0]/l00 + РМе • р ■ f ■ ([0]'-[0])/100, (21) где m0 =p-V-[0], то - количество кислорода в расплавленном металле, кг; gim &га> - массовые скорости плавления и отвода металла, кг/с; [О]0, [О], [О]' -исходная, текущая и на поверхности раздела фаз концентрации кислорода, мае. %; р, f, V - плотность, кг/м3, площадь, м2, объем расплавленного металла, м3.

На стадии торца электрода металл, согласно данным исследований по родственным дуговым процессам, принят перегретым относительно точки плавления до 2500 К. В зоне горения дуги, где из языка формируются отдельные капли, принято, что происходит дальнейший рост температуры до 2900 К из-за тепловыделения в перетяжках. Для расчета величины поверхности жидкого металла представление порции металла в виде "языка" заменено отдельными каплями (рис. 2). По этой схеме диаметр капель с1уСЛ равен минимальному размеру капель

Рис. 2. Схема движения капель при срыве с торца электрода, принятая в расчетах: а - модель формирования "языка"; б - схема для расчета параметров в области "языка".

по опытным данным ситового анализа. По окончании этого участка распределение размеров капель соответствует данным ситового анализа. По дистанции распределение скоростей, температур и состав газа приняты согласно проведенным ранее расчетам. На первой и второй стадиях коэффициент массопереноса кислорода в расплаве принят как для капли при сварке, по дистанции - как для расплава при плазменнодуговом переплаве.

На различных стадиях процесса, в соответствии с принятыми допущениями, отдельные члены уравнения (21) в расчетах не учитываются.

Неизвестное по уравнению (21) содержание кислорода на границе раздела фаз, [О]', определено из условия равенства здесь диффузионных потоков в газе и в металле:

Зг =Рг-(С^ -Со2) = Рг-(Р02 -Ро2)/(2-Я-Т); (22)

^ме =Рме-(С;о]-С[о]) = -Рме-Р-([0]'-[0])/М0 .

(23)

Поступающий кислород может растворяться в жидком металле или находиться на поверхности капли в шлаке (рис. 3). Количество растворенного кислорода определяется пределом его насыщения:

ОДО]* = -6320/Т + 2,734. (24)

При достижении предела насыщения начинается процесс формирования шлака. В этом случае уравнение (21) используется при [0]'=[0]^. Шлаковая пленка оттесняется в носовую часть вследствие меньшей скорости капли относительно газа. Диффузионный поток из газа в металл 1г рассчитывается по уравнению:

1г =Рг -(р02 Фг/к^-К-Т). (25)

- предел насыщения, % содержание кислорода, %

1809] ^ . —-

Дистанция напыления

Рис. 3. Физическая модель поступления кислорода на различных стадиях процесса ЭДМ

Деталь

Дополнительно кислород выделяется из пересыщенного раствора при снижении температуры капель по окончании участка зоны горения дуги. Дополнительный диффузионный поток ^:

1доп = Рмс -р-аои -[О]п)/(ЮО-М0). (26)

В носовой части капли на шаге расчета формируется следующее количество шлака Лтш:

Дтш = (1г • Ь + 1доп)- Р • Ат ■ -МРе0 ■ (Ре0)/100, (27)

где Ь - доля площади поверхности кормовой части, свободной от шлака.

В сравнении с предыдущим шагом масса жидкого металла уменьшится за счет перехода Ре в шлак:

Ш^=тпме-Атш-Мэ/М1. (28)

Шлак по уравнению (27) добавится к уже образовавшемуся. Содержание оксида железа в шлаке на шаге после событий в кормовой части составит:

(РеОГ1 феО)п •тш/100 +Дтш)/(тш + Дтш), (29)

других компонентов вида (ЭкОм):

(ЭкОм) = (ЭкОм)тш/((тш + Дтш).100). (30)

Наряду с формированием шлака происходит межфазное взаимодействие. Кинетика взаимодействия в системе "металл - шлак" описана на основании работ (авторы В. Н. Бороненков с сотрудниками), которые выполнялись применительно к процессам сварки. Приняты следующие допущения:

• реакции на границе "металл - шлак" идут в диффузионном режиме;

• соотношение концентраций на границе "металл - шлак" для каждой реакции близко к равновесному;

• скорость переноса каждого реагента в металле и шлаке к границе их раздела или от нее пропорциональна разности концентраций в объеме фазы и на границе раздела "металл - шлак".

При этих допущениях взаимодействие металла и шлака на границе раздела можно описать комплексом реакций окисления примесей с общим реагентом РеО.

Условие баланса диффузионных потоков РеО и легирующих элементов рассмотрено на конкретном примере распыления проволоки Св08Г2С. Для имеющихся основных легирующих компонентов уравнение баланса примет вид

I" 1 с

РеО

1--

(РеО).

'с

1--

1 ^ '

К,[С]х

-1"

К2х Л К3[Мп]х-[МпО]

ЦО] ) К з [Мп]х/1 м„ + [МпО]/11

МпО

_2 х^^НБЮ,) _0

х2К^]/15п, +(8Ю2)/13"10г

Константы К, включают активности соответствующих компонентов реакций окисления примесей с общим реагентом РеО на границе раздела фаз. Предельные диффузионные потоки компонентов на границе раздела фаз рассчитывались по константе конвекции р, которая характеризует интенсивность массообмена под влиянием гидродинамических условий. Ее величина, одинаковая для всех компонентов, принята по опытным данным В. Н. Бороненкова: р = (0,5...2,0) с"0,3. После решения этого уравнения можно определить содержание оксидов и элементов в капле.

Общее количество кислорода то, поступившего в каплю ¡-й фракции, будет равно сумме кислорода, растворенного в жидком металле и находящегося в шлаке. Степень окисления частиц данной фракции г, рассчитывается по уравнению:

г(=(то-100)/(тМе + шш). (32)

Общая степень окисления Я суммируется согласно распределению капель по массовой доле:

Л = (£(ггсЧ)).100. (33)

Здесь для капель ¡-й фракции: тМе - масса жидкого металла, кг; тш - масса шлака, кг; <1т{ - массовая доля.

Сопоставление расчетов с опытными данными (рис. 4) показывает, что при малом количестве кислорода в зоне горения дуги (а,» = 0,8... 1,2, что соответствует парциальному давлению кислорода Р0г = 0,0035...0,009 МПа) расчетные

данные попадают в интервал опытных значений при величине доли поверхности, свободной от шлака Ь = 0,4...0,5. Когда для распыления используется только сжатый воздух (Р0а = 0,021 МПа), то расчетные значения соответствуют

опытным в случае Ь = (0,3...0,35), при этом скорость поступления кислорода в каплю замедляется. Очевидно, уменьшение доли поверхности, свободной от шлака, происходит из-за снижения поверхностного натяжения жидкого металла в присутствии кислорода.

Рис. 4. Соответствие опытных и расчетных данных по степени окисления и парциальному давлению кислорода для разной доли поверхности капли, свободной от шлака

Расчеты показывают, в частности:

• вклад капель фракций 27...75 мкм в поступление кислорода в 1,5...2,5 раза ниже, чем капель других размеров. Очевидно, это связано с соотношением удельной поверхности и скорости капель по дистанции напыления;

• кислород в основном, 85...95 %, поступает в зоне горения дуги. Это обусловлено чрезвычайно высоким значением коэффициента массопередачи в газе и большой удельной поверхностью частиц. Величина степени окисления сильно зависит от содержания кислорода в газе на этой стадии (рис. 5);

• на первой и второй стадиях весь поступающий кислород растворяется в металле капли. На стадии полета вследствие резкого падения предела насыщения идет только образование шлака за счет кислорода, выделяющегося из пересыщенного раствора и поступающего в кормовую часть из атмосферы;

• для наиболее вероятного значения Ь = 0,45 на рабочей дистанции массовая доля шлака составляет 5... 12 % и увеличивается с ростом парциального давления кислорода и уменьшением диаметра капель.

Рис. 5. Распределение поступления кислорода по стадиям

К,%

6 4

2 0

Эр=0,035 ■ р=0,009 □ р=0,021

при различном исходном парциальном давлении кислорода (Р, МПа)

/ Г \

Торец Зона дуги Дистанция

Глава 3. Изучение структуры и свойств напыленных покрытий

Для выработки мер по повышению качества покрытий информацию о параметрах распыляемой струи необходимо связать с данными о свойствах получаемых покрытий. Для изучения свойств выполнены следующие исследования:

• лабораторные и стендовые испытания на износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания. На основе анализа результатов сравнительных испытаний на износостойкость проведен выбор материала покрытия;

• химический, металлографический, послойный фазовый анализы структуры покрытий до и после эксплуатации. В ряде случаев дополнительно выполнено изучение переходной зоны "покрытие - подслой - основа";

• изучение влияния технологических режимов на изменение адгезионной прочности, газопроницаемости и некоторых других характеристик покрытий.

В качестве базы для сравнения использовались покрытия, полученные на типовом аппарате ЭМ-17. Для нанесения АДМ-покрыгий использовались два аппарата:

• модернизированный ЭМ-17 с центральным дополнительным соплом при использовании в качестве транспортирующего газа пропано-воздушной смеси;

• оригинальный аппарат, где для распыления используются продукты сгорания пропано-воздушной смеси.

В результате испытаний на ударно-абразивное изнашивание установлено, что при энергии единичного удара до 133 Дж и контактных нагрузках до 233 МПа износостойкость покрытия из стали 20X13 выше, чем у литой стали 20Х в 4...И раз и в 2...4 раза выше, чем у покрытий из сталей ЗОХГСА, 51ХФА, 65Г. При этом износостойкость покрытий повышается при использовании восстановительных транспортирующих газов.

При исследовании структуры покрытий из сталей 20X13 и 40X13 установлено:

• микротвердость покрытий находится в интервале 4.5 - 6.8 ГПа. Она увеличивается с повышением содержания углерода в исходном материале. При этом микротвердость оксидов несколько выше, чем участков чистого металла. Протяженный интервал микротвердости обусловлен наличием в структуре участков чистого металла, смешанной структуры и оксидов;

• в покрытии присутствуют а- фаза (мартенсит), оксиды железа типа Ре304 и остаточный аустенит в количестве около 2 %. Карбиды в структуре практически отсутствуют, вероятно, из-за высоких скоростей охлаждения;

• использование восстановительного транспортирующего газа уменьшает количество и размер оксидов. В случае варианта использования в качестве газа продуктов сгорания углеводородов в структуре меньшее число оксидов, чем при использовании пропановоздушной смеси, однако в последнем случае оксидные пленки более тонкие (рис. 6);

• частицы, уже образовавшие слой, при контакте с попадающими на них расплавленными каплями подвергаются повторному нагреву до 200 °С.

а 6 в

Рис. 6. Структура покрытия из стали 40X13, х 250: а - ЭДМ; 6 - АДМ, камера сгоранш; в - АДМ, без камеры сгорания.

По разработанному оригинальному способу нанесения покрытий на алюминий, согласно которому перед нанесением основного слоя основа подогревается до 60... 170 °С, наносятся микрослой на основе фтористых соединений и подслой из нихрома, были подготовлены образцы. Фазовый анализ переходной зоны образцов показал (рис. 7), что высокая адгезионная прочность покрытий обусловлена диффузионными процессами на границе «алюминий - нихром». С ростом тока протяженность переходной зоны, в которой отмечается искажение параметра кристаллической решетки, увеличивается, что приводит к повышению прочности сцепления. Нижний предел нагрева соответствует началу заметного роста адгезионной прочности, а верхний - выбран по температуре начала структурных превращений деформируемых алюминиевых сплавов. Как было установлено, при этом алюминиевая основа нагревается ниже температуры начала структурных превращений. Эти результаты дают возможность использовать алюминиевые детали с износостойкими покрытиями при высоких ударных нагрузках в абразивной среде.

Рис. 7. Изменение параметра кристаллической решетки (<1, А) твердого раствора на основе алюминия вблизи нихромового подслоя:

А - глубина замера.

При изучении структуры покрытий после воздействия внешних нагрузок установлено:

• повышенная, в сравнении с литой поверхностью, износостойкость покрытий вызвана наличием в структуре оксидов, обусловливающих износ по механизму внешнего трения;

• разрушение покрытий происходит по трещинам, которые зарождаются у пор чечевицеобразной формы и развиваются вдоль оксидных пленок;

• в условиях нагрузок до 100 МПа при наличии ударов покрытия из стали 40X13 обеспечивают эксплуатационную надежность при содержании кислорода менее 3,1 %, а при содержании кислорода 4,7 % они разрушаются.

Разработаны приспособления для определения адгезионной прочности покрытий по методике "на срез", которые обеспечивают простоту выполнения опытов и стабильность результатов. На основании экспериментов установлены количественные зависимости адгезионной прочности от технологических параметров процесса: температуры предварительного подогрева, вида подготовки поверхности, напряжения и тока на дуге, скорости перемещения металлизатора относительно напыляемой поверхности.

Применительно к антикоррозионным покрытиям проведено дополнительное изучение свойств, имеющих существенное значение вследствие специфики условий работы и малой толщины покрытий, которая обычно одного порядка с высотой неровностей поверхности. Показано, что когда толщина покрытий соизмерима с высотой неровностей, на свойства покрытий сильное влияние оказывает характер подготовки поверхности. Для антикоррозионных покрытий из проволоки Св04Х19Н9 экспериментально установлены количественные зависимости:

• газопроницаемости и адгезионной прочности, коэффициента использования распыляемого материала от шероховатости поверхности;

• пористости и адгезии от расхода воздуха и дистанции напыления.

Опыты показали также, что газопроницаемость антикоррозионных покрытий

из нержавеющей стали снижается более чем на порядок при использовании АДМ-аппаратов в сравнении с типовыми электрометаллизаторами (рис. 8).

Рис. 8. Влияние способа металлизации и толщины покрытий на газопроницаемость (дистанция напыления 100 мм)

Глава 4. Разработка и совершенствование технологических процессов нанесения покрытий

Наосновании литературных и собственных опытных данных основные причины снижения качества покрытия предложено выразить коэффициентом п^:

Пк = Пг П2- Пз- П4- П5 ,

где коэффициенты п, характеризуют показатели, которые могут снизить качество покрытия: П| - несовершенство распылительного сопла; п2 - неверная технология восстановления; Пз - недостаточная надежность узлов металли-зационного аппарата; л^ - нестабильность входных параметров (ток, напряжение, давление воздуха в сети); П5 - несоблюдение режимов процесса.

Причины снижения качества, выраженные через коэффициенты гц, п5, характерны для условий производства и всегда имеют место. Они обусловлены сложностью деталей, отсутствием документации на них, износом оборудования, недостаточной квалификацией персонала. Для повышения качества покрытий разработаны технологические меры, направленные на совершенствование конструкции распылительного сопла, разработку технологических приемов нанесения покрытий (коэффициенты П1, п2). Эти меры выработаны на основании совместного анализа результатов расчетов по математической модели и изучения свойства покрытий. Меры по повышению надежности узлов аппарата (коэффициент п3) обеспечивают стабильность выбранных параметров.

4.1. Совершенствование конструкции распылительного сопла

металлизационных аппаратов

Меры направлены на увеличение тепловложения, усиление газодинамического и химического воздействия на распыляемый металл в зоне горения дуги. Эти меры взаимосвязаны, однако условно их можно разделить следующим образом:

а) увеличение тепловложения за счет увеличения вылета электродов

Предложено увеличить вылет обоих электродов при сохранении неизменным положения точки схождения электродов путем установки промежуточной

ЦЕ-09

30

60

90

120

150

неэлектропроводной вставки. Испытания показали, что потери на разбрызгивание снижены на 40 %, а удельная мощность, затрачиваемая на плавление электродов, - в 1,5 раза.

б) усиление газодинамического воздействия:

• изменение расположения зоны плавления проволок относительно среза сопла;

• введение центрального дополнительного сопла малого диаметра, предназначенного для воздействия потоком газа только на зону горения дуги;

• изменение направления осей периферийных сопел для усиления воздействия на капли металла, удаленные от центральной оси;

• введение охватывающего дополнительного сопла для усиления газодинамического воздействия на периферийные области струи металла;

в) усиление химического воздействия:

• создание восстановительной атмосферы в зоне горения дуги путем использования для распыления смеси "сжатый воздух - углеводороды" или продуктов их сгорания. Помимо защиты металла от поступления кислорода, происходит дополнительное тепловыделение в реакционной зоне. Это улучшает энергетические характеристики процесса - увеличивается энтальпия капель металла и их скорость;

• создание окислительной атмосферы в зоне горения дуги. В определенных условиях (например, при нанесении покрытий из материалов, содержащих сильные раскислители, пористых покрытий на теплообменные аппараты, для молибдена, у которого низкая температурой испарения оксидов) это мало влияет на требуемые свойства покрытий при значительном повышении производительности процесса.

Указанные меры, новизна которых подтверждена 7 патентами на изобретения, реализованы в модернизированных серийных аппаратах, а также в гамме аппаратов оригинальной конструкции (рис. 9). Их реализация позволила умень-

б

Рис. 9. Вид распыляющей струи разработанных аппаратов для электрометаллизации (распыление стали). В качестве газа использованы: а - смесь "сжатый воздух-пропан"; б - продукты сгорания пропано-воздушной смеси

шить угол распыла в 2...3 раза, увеличить коэффициент использования металла с 0,6 до 0,85, повысить скорость полета капель в 2...3 раза, уменьшить степень окисления покрытий на 40 % в сравнении с типовыми металлизационными аппаратами и увеличить производительность процесса.

4.2. Разработанные технологические приемы

Новые технологические приемы направлены на получение износостойких покрытий на алюминиевых деталях, восстановление деталей с плоскими поверхностями и поршней, изготовление теплообменников.

Износостойкие покрытия на алюминиевых деталях

Для решения задачи обеспечения износостойкости алюминиевых деталей был разработан способ нанесения покрытий, по которому перед нанесением основного стального слоя на поверхность алюминия наносится микрослой эпила-ма 6СФК-180-05, представляющий раствор перфторполиэфирной кислоты, затем выполняется предварительный подогрев основы и наносится подслой из нихрома.

На основании разработанного способа нанесения износостойких покрытий на алюминиевую основу предложено несколько принципиально новых конструкций деталей, свойства которых определяются сочетанием износостойкой стали и легкого алюминия.

Была разработана новая конструкция опорного катка гусеничного тягача (рис. 10). В ней на контактирующей с гребнем трака поверхности и на части цилиндрической поверхности диска наносится АДМ-покрытие, состоящее из нескольких слоев. Наружный слой толщиной 3...4 мм выполняется из износостойкой стали, а внутренний слой толщиной 0,1 ...0,3 мм обеспечивает прочное сцепление покрытия с основой.

1 4 3 2

Рис. 10. Опорный каток с покрытием, напыленным по сопрягаемой с гребнем трака поверхности:

1 - диск опорного катка;

2 - напыленное покрытие;

3 - гребень трака;

4 - шина резиновая

Сопоставление вариантов показывает, что конструкция с напыленным АДМ-погфытием позволяет снизить расход материалов и трудоемкость изготовления опорного катка на стадиях изготовления и установки реборды в 2... 10 раз в сравнении с базовыми вариантами.

Опорный каток новой конструкции выдержал ходовые испытания в объеме 140 % гарантийного пробега. Износ напыленного покрытия составил 0,5... 1,5 мм, что в среднем на порядок меньше, чем у серийной реборды. Эти результаты соответствуют данным лабораторных испытаний по сравнительному износу материалов покрытия и серийной реборды, что свидетельствует о

достоверности предложенной методики испытаний на ударно - абразивное изнашивание применительно к реальным нагрузкам.

Для повышения надежности надрессорной балки тележки железнодорожного грузового вагона нами было предложено по местам износа в подпятнике и на наклонной плоскости устанавливать алюминиевую прокладку со стальным износостойким покрытием толщиной порядка 2 мм. Относительно мягкой стороной она устанавливается на надрессорную балку, вминаясь по неровностям, а износостойким стальным покрытием обращена к сопрягаемой детали. Напыленное покрытие обеспечивает высокую износостойкость, а алюминиевая основа предотвращает износ сопрягаемых поверхностей надрессорной балки.

Надрессорная балка из стали 20ФТЛ подвержена динамическим ударным нагрузкам до 500 кН при наличии абразивного воздействия. Эти нагрузки воспринимаются подпятником диаметром 300 мм и наклонной плоскостью размером 120 х 134 мм. На эти поверхности приходится основная часть дефектов балок, поступающих в ремонт.

Для предварительных испытаний опытных балок были использованы стенды на базе гидропульсаторных машин EMS - 60, ЦДМ-100/200, которые позволяют достоверно воспроизвести реальные условия нагружения. Результаты испытаний узлов показали значительное, более чем в три раза, снижение износа как суммарного, так и в отдельных деталях сопряжения. При этом сколы в покрытии отсутствуют. Исследование напряженного состояния наклонной плоскости с помощью тензометрического моста ЦТМ-4 показало, что при установке на наклонной плоскости прокладок нормальные напряжения в 1,4 раза меньше, чем в базовом варианте, а прогиб наклонной плоскости снизился в 4 раза.

После натурных испытаний (пробег 110 тыс. км, соответствующий поступлению вагонов в первый междеповской ремонт) осмотр биметаллических прокладок подтвердил возможность их дальнейшей эксплуатации.

Восстановление поршней

Цилиндрические поверхности поршней гидроцилиндров в процессе эксплуатации подвержены износу. Нанесение покрытия не обеспечивает стабильного качества, так как кромки торцов и канавок, предназначенных для установки компрессионных колец, перегреваются из-за неравномерного тегогоотвода. Для исключения этого дефекта был разработан способ, по которому перед нанесением основного покрытия в канавки наносят технологическое покрытие, которое выравнивает теплоотвод с поверхности поршня, что исключает краевые напряжения по кромкам канавок и торцов поршня.

Изготовление теплообменников

Для повышения эффективности и снижения стоимости теплообменников было предложено на поверхность теплообмена напылять покрытие, по крайней мере, из двух слоев, причем нижний, контактирующий с основным металлом, выполняется более плотным, чем верхний, а шероховатость поверхности верхнего слоя в 2...20 раз выше, чем нижнего. Плотные нижние слои покрытия обеспечивают защиту поверхности теплообмена от высокотемпературной коррозии. Верхний слой покрытия, менее плотный и неоднородный по шерохова-

тости, турбулизирует обтекающий стенку поток газа, за счет чего уменьшается толщина гидродинамического вязкого ламинарного подслоя потока газа и связанного с ним теплового пограничного слоя. Это улучшает теплоотдачу от стенки к потоку газа.

Выполнение такой структуры покрытия возможно методом электродуговой металлизации (ЭДМ), в котором размер напыляемых частиц, а значит, и шероховатость поверхности регулируется технологически параметрами процесса: напряжением дуги, вылетом электродов, давлением воздуха. Это решение позволяет применять для теплообменников дешевые низкоуглеродистые стали с жаростойким покрытием.

Новизна предложенных технологических мер подтверждена 6 патентами на изобретения. Их реализация дала возможность расширить спектр напыляемых деталей при повышении надежности покрытий.

4.3. Повышенне надежности металлизацнонных аппаратов

Предложены конструктивные решения применительно к узлу подачи проволоки, токоведущим кабелям, токоведущим наконечникам.

Усовершенствование узла подачи проволоки

Разработана конструкция подачи проволоки, в которой оси подающих роликов разгружены от усилий прижимных роликов путем установки дополнительных опорных роликов. Применение предлагаемого устройства позволяет обеспечить стабильную подачу проволоки, при снижении мощности привода примерно на 30 %, или повысить надежность привода при неизменной мощности двигателя.

Снижение тепловой нагрузки на токоведущие кабели

Для металлизации характерен длительный режим работы при повышенных токах. Поэтому применяются силовые токоведущие кабели большого сечения, что увеличивает их массу. Это создает неудобства в работе оператора, и вызывает его повышенную утомляемость. С целью уменьшения массы силового кабеля разработан единый шланговый провод, совмещающий функции прохождения тока, подачи проволок и газа. Использование этой конструкции обеспечивает устойчивую подачу газа. При этом масса шлангового провода длиной 3 м уменьшается на 2.. .2,5 кг.

Повышение долговечности токоведущих наконечников Самыми быстроизнашиваемыми деталями ЭДМ-аппаратов являются токоведущие наконечники вследствие высокой тепловой нагрузки. Для получения мелкого распыла металла и, следовательно, плотного покрытия требуется обеспечить минимальный вылет электродов. В конструкции с минимальным вылетом вступают в противоречие два требования. С одной стороны, диаметр каждого токоведущего наконечника должен быть минимален. С другой - для хорошего теплоотвода требуется увеличить площадь поверхности теплоотвода, для чего нужно увеличить диаметр наконечника. Нами предложено располагать каждый наконечник таким образом, чтобы его главная ось была перпендикулярна оси канала для проволоки, а зона токоподвода обдувалась всем потоком газа, идущим на формирование струи распыляемого металла. Такое расположение позволит улучшить условия теплоотвода при сохранении неизменным вылета

электродов, поскольку помимо охлаждения газом наконечника в области канала отвод тепла производится также в направлении главной оси в массив наконечника. Снижение тепловой нагрузки в наконечнике приводит к увеличению его срока службы на 20.. .25 %.

Новизна предложенных решений подтверждена 3 патентами на изобретения.

4.4. Практическое применение

Разработанные технологические усовершенствования были реализованы в практической деятельности. В последние годы организовано порядка десяти участков по нанесению АДМ-покрытий на предприятиях машиностроения, металлургии, строительства, газопереработки.

Результаты эксплуатации в течение нескольких лет партий деталей до 400 штук показали, что АДМ-покрытия обеспечивают надежность восстанавливаемых поверхностей. К типовым напыляемым поверхностям можно отнести посадочные гнезда в деталях и шейки различных валов под подшипники качения и скольжения, рабочие поверхности биметаллических "сталь-бронза" поршней и втулок, плоские направляющие.

Наши опытные статистические данные по восстановлению шеек валов- и гнезд крышек электродвигателей на партиях напыленных деталей в 300...600 штук показали, что АДМ обеспечивает повышенную надежность, сопоставляя с ЭДМ. В сравнении со стоимостью новых деталей затраты на восстановление с использованием АДМ-технологии составляют 10.. .30 %.

На основании натурных испытаний в объеме гарантийного пробега впервые установлено, что алюминиевые детали с износостойким покрытием выдерживают контактные нагрузки до 100 МПа при наличии ударов в абразивной среде.

Антикоррозионные покрытия применены при изготовлении наливных емкостей, представляющих собой элементы очистных станций подготовки питьевой воды.

Опыт внедрения разработанных технологий показал, что эффективность от АДМ - нанесения покрытий составляет 0,5.. .4 млн. рублей в год на каждый аппарат в зависимости от сферы применения и загрузки оборудования.

Общие выводы и результаты работы

1. Разработана научно обоснованная концепция повышения качества покрытий при ЭДМ на основе совместного анализа результатов моделирования процессов при ЭДМ и изучения свойств получаемых покрытий.

2. При моделировании процессов применительно к ЭДМ впервые выполнено теоретическое описание:

• дробления капель в зоне горения дуги под воздействием совместных процессов вскипания жидкого металла и ударного расширения газов у перетяжек при прохождении электрического тока через жидкий металл срываемых капель;

• сил, действующих на жидкий металл в зоне горения дуги, возникающих за счет прохождения электрического тока и газодинамического напора;

• высокотемпературных процессов в многокомпонентной газовой струе с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неад дитивности свойств газовой смеси;

• распределения скоростей и температур двухфазного потока "газ - капли металла" по дистанции напыления с учетом изменения параметров в радиальном направлении, изменения состава газовой смеси в каждом микрообъеме, влияния энтальпии плавления капель на их охлаждение по дистанции;

• кинетики взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз в системе "газ - капли распыляемого металла" с учетом процессов внешней и внутренней диффузии, особенностей поступления кислорода в каплю на торце электрода, в зоне горения дуги и по дистанции напыления.

Расхождение опытных и расчетных данных составило 10... 15 %.

3. В результате экспериментальных исследований свойств покрытий установлены и системно проанализированы количественные зависимости структуры и ряда эксплуатационных характеристик (износостойкости, адгезионной прочности, газопроницаемости) от технологических параметров процесса и воздействия внешних нагрузок.

4. Предложенная схема дробления капель в зоне горения дуги под совместным воздействием электромагнитных и газодинамических сил позволила теоретически обосновать возможность появления капель фракций диаметром менее критического (по условию дробления газодинамическим напором).

5. Выполненная расчетная оценка показала, что значения электромагнитных сил в зоне горения дуги - одного порядка по величине, но отличаются по направлению от значения газодинамической силы. На основании этого сделано заключение о необходимости разработки специальных мер, которые могут предотвратить разлет капель под большим углом к оси струи.

6. В результате расчета выявлено, что при полете на рабочей дистанции напыления, порядка 125 мм, капли металла большинства фракций, за исключением самых мелких, менее 10 мкм, не отвердевают, что объясняется высокой энтальпией плавления и кратковременностью полета.

7. Расчет показал, что при различном исходном составе газа, восстановительном или окислительном, резкие отличия состава газовой струи от окружающей атмосферы имеются только на начальном участке струи. Полученный результат объясняется интенсивным подмешиванием воздуха в струю из атмосферы.

8. На основании расчета кинетики взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз установлен ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологий ЭДМ. К ним, в частности, относятся следующие:

• доля поверхности капель, свободная от шлака, уменьшается с повышением парциального давления кислорода в газе из-за снижения поверхностного натяжения жидкого металла. Это приводит к снижению скорости поступления кислорода в капли металла, хотя его общее количество возрастает;

• основное поступление кислорода в распыляемый металл происходит в зоне горения дуги, что обусловлено чрезвычайно высоким значением коэффициента массопереноса в газе и большой удельной поверхностью капель;

• существует интервал фракций, вклад которого в суммарное поступление кислорода в 1,5...2,5 раза ниже, чем у капель других размеров. Это, вероятно, связано с соотношением удельной поверхности и скорости капель в полете;

• на стадиях торца и зоны горения дуга поступающий кислород растворяется в металле капли, а на стадии полета - идет на образование шлака. Содержание последнего на рабочей дистанции увеличивается с ростом парциального давления кислорода и уменьшением диаметра капель.

9. На основании испытаний на ударно - абразивное изнашивание по оригинальной методике, а также изучения структуры поверхностного слоя покрытий, после приложения эксплуатационных нагрузок, установлено: при контактных нагрузках до 100 МПа стальные покрытия работают лучше цельностальных поверхностей за счет того, что выработка покрытий идет по механизму внешнего трения по прослойкам оксидов. При этом износостойкость покрытий из стадей 30ХГСА, 51ХФА, 65Г в 2. ..4 раза ниже, чем из стали 20X13. В указанных условиях износостойкость покрытий повышается при использовании восстановительных транспортирующих газов. Результаты испытаний послужили основанием для более подробного изучения свойств покрытий из сталей типа Х13, уже на структурном уровне.

10. Исследования с применением химического, металлографического и фазового анализа выявили следующие особенности структуры покрытий из хромистых сталей типа Х13, используемых в качестве износостойких материалов:

• структура представляет собой отпущенный мартенсит, остаточный аусте-нит и включает оксиды типа БезО* Наличие карбидов зависит от параметров процесса. На некоторых технологических режимах выделения карбидов из раствора вследствие быстрого охлаждения не происходит;

• микротвердость покрытий находится в интервале 4,5...6,8 ГПа. Она увеличивается с повышением содержания углерода в исходном материале. При этом микротвердость оксидов несколько выше, чем участков чистого металла;

• использование восстановительных транспортирующих газов улучшает структуру стального покрытия. Она становится более плотной, повышается ее дисперсность и уменьшается количество и размер оксидов. Кроме того, отмечено повышение количества остаточного аустенита вследствие снижения мар-тенситной точки стали при повышении содержания в ней углерода. В этом случае сочетание плотности и пластичности покрытия увеличивает его работоспособность;

• оксиды в покрытии играют двоякую роль. С одной стороны, они в значительной мере обеспечивают износостойкость покрытия как его наиболее твердая составляющая. С другой стороны, имеется некоторое критическое количество оксидов, превышение которого скачкообразно снижает работоспособность покрытия под воздействием внешних нагрузок;

• стальные частицы, уже образовавшие слой, при контакте с попадающими на них расплавленными каплями повторно нагреваются, примерно до 200° С.

11. Экспериментально установлены количественные зависимости адгезионной прочности покрытий от тока, напряжения на дуге, дистанции напыления, состава атмосферы транспортирующего газа, режимов предварительной обработки поверхности, что дает возможность разрабатывать рациональные режимы нанесения покрытий.

12. Установлено путем фазового анализа, что высокая адгезионная прочность при нанесении покрытий на алюминиевую основу по разработанному оригинальному способу обусловлена наличием диффузионной связи в переходной зоне "покрытие - алюминиевая основа". Результаты натурных испытаний впервые показали возможность использования алюминиевых деталей с износостойкими покрытиями, нанесенными по указанному способу, в условиях ударно-абразивного изнашивания при высоких контактных нагрузках.

13. Экспериментально установлено, что для антикоррозионных покрытий газопроницаемость, прочность сцепления, коэффициент использования распыляемого материала сильно зависят от подготовки поверхности. Это объясняется тем, что размер шероховатостей соизмерим по высоте с толщиной покрытий.

14. Экспериментально установлено, что газопроницаемость антикоррозионных металлизационных покрытий из нержавеющей стали снижается более чем на порядок при использовании продуктов сгорания пропано-воздушной смеси в качестве транспортирующего газа в сравнении с применением сжатого воздуха.

15. Разработаны технологические меры, направленные на улучшение характеристик покрытий на основании совместного анализа результатов расчетов по математической модели и изучения свойства покрытий. Указанные меры направлены на совершенствование конструкции распылительного сопла, разработку технологических приемов нанесения покрытий и на повышение надежности узлов металлизационного аппарата.

16. Разработанные меры по совершенствованию конструкции распылительного сопла металлизационных аппаратов направлены на усиление газодинамического и химического воздействия на распыляемый металл в зоне горения дуги. Реализация этих мер позволила снизить разбрызгивание металла на 40 %, уменьшить угол распыла в 3...3,5 раза, повысить коэффициент использования металла на 25...40 % и уменьшить степень окисления покрытий на 40 % в сравнении с типовыми металлизационными аппаратами.

17. Разработанные меры по совершенствованию технологических приемов направлены на получение износостойких покрытий на алюминиевых деталях, восстановление плоских поверхностей и поршней, изготовление теплообменников. Их реализация дала возможность расширить спектр напыляемых деталей при повышении надежности покрытий.

18. Разработанные, применительно к узлам металлизационных аппаратов, испытывающим тепловые и механические перегрузки, меры повышения надежности обеспечили повышенную стабильность технологических режимов нанесения покрытий. Это имеет большое значение из-за тяжелых условий работы ЭДМ-оборудования.

19. Разработанные технологии нанесения покрытий успешно внедрены на ряде предприятий машиностроения, металлургии, строительства, газопереработки. Они использовались для восстановления типовых деталей машин (цилиндрические и плоские поверхности); изготовления принципиально новых узлов путем нанесения стальных износостойких покрытий на алюминиевые детали; нанесения антикоррозионных покрытий. Новизна предложенных технических решений подтверждена 17 патентами на изобретения, 11 из которых вье-

дрены в производство. Эффективность использования предложенных технологий составляет 0,5...4 млн. рублей в год в зависимости от сферы применения и

загрузки оборудования.

Перечень публикаций, отражающих основные результаты работы

1. Коробов, Ю. С. Исследование структуры и свойств переходной зоны в алюминиевых деталях с напыленным стальным покрытием / Ю. С. Коробов,

А. М. Полякова, И. Л. Яковлева, В. М. Счастливцев // Сварочное производство. -1996. - № 12. - С. 20-22.

2. Коробов, Ю. С. Структура и свойства стальных покрытий, нанесенных методом активированной дуговой металлизации / Ю. С. Коробов, А. М. Полякова, И. Л. Яковлева, В. М. Счастливцев, А. С. Прядко // Сварочное производство. - 1997. - № 1. - С. 4-6.

3. Попов, С. И. Алюминиевые прокладки с напыленным стальным покрытием для ремонта надрессорных балок вагонов / С. И. Попов, Ю. С. Коробов,

^ В.Э. Барановский // Сварочное производство. -1997. - № 1. - С. 24-26.

4. Коробов, Ю. С. Расчет параметров движения, нагрева и окисления частиц при электродуговой металлизации / Ю. С. Коробов, В. Н. Бороненков // Сварочное производство. - 1998. - № 3. - С. 9-13.

5. Korobov, Ju. Calculating the parameters of movement, heating and oxidation of particles in electric arc metallising / Ju. Korobov, V. Boronenkov // Welding international. - 1998. - №12 (9). - P. 726-730.

6. Коробов, Ю. С. Восстановление деталей методом активированной дуговой металлизации / Ю. С. Коробов, В. М. Изоитко, А. С. Прядко, В. Л. Луканин // Автомобильная промышленность. - 2000. - № 1. - С. 23-24.

7. Коробов, Ю. С. Кинетика взаимодействия напыляемого металла с кислородом при электродуговой металлизации / Ю. С. Коробов, В. Н. Бороненков // Сварочное производство. - 2003. - № 7. - С. 30-36.

8. Korobov, Ju. Kinetics of interaction of sprayed metal with oxygen in electric arc г metallising / Ju. Korobov, V. Boronenkov // Welding international. - 2004. - Vol.

18. - №12 (9). - P. 42-48.

9. Гимельфарб, В. H. Износостойкость газотермических покрытий в условиях ударно-абразивного изнашивания / В. Н. Гимельфарб, А. С. Прядко, В.Э. Барановский, Ю. С. Коробов // Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности: тез. докл. Российской НТК. - Свердловск, 1988.-С. 39-41.

10. Коробов, Ю. С. Математическая модель движения капель металла при электродуговой металлизации / Ю. С. Коробов, В. Н. Бороненков, В.Э. Барановский, А. С. Прядко // Математические методы и САПР в сварочном производстве: тез. докл. Всесоюзн. НТК. - Свердловск, 1990. - С. 4.

11. Коробов, Ю- С. Нанесение защитных покрытий на детали из алюминиевых сплавов / Ю. С. Коробов, В. Н. Бороненков, В.Э. Барановский, А. С. Прядко // Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-95": материалы Российской НТК. - Пермь, 1995. - 4.1. - С. 96-98.

12. Прядко, А. С. Активированная дуговая металлизация - характеристики оборудования и его применение / А. С. Прядко, Ю. С. Коробов, В. JI. Луканин // Пленки и покрытия '98: труды 5-й Международной НТК. - СПб., 1998. -

С. 249-251.

13. Прядко, А. С. Особенности оборудования для активированной дуговой металлизации и его применение / А. С. Прядко, Ю. С. Коробов, В. Л. Луканин, А. Е. Черепко // Сварка Урала - в XXI век: материалы Российской НТК. -Екатеринбург, 1999. - С. 140-143.

14. Korobov, Ju. Modeling of liquid metal oxidation at arc metallization / Ju. Korobov, V. Boronenkov // Mathematical modeling and simulation of metal technologies: Int. Conf. MMT-2000, proceedings. - Israel, 2000. - P. 683-692.

15. Коробов, Ю. С. Механизм окисления металла при электродуговой металлизации / Ю. С. Коробов, В. Н. Бороненков // Сварка и смежные технологии: материалы Всероссийской НТК. - М., 2000. - С. 42-47.

16. Коробов, Ю.С. Нанесение коррозионно- и износостойких покрытий электродуговыми методами / Ю.С. Коробов, А. С. Прядко, В. Л. Луканин, В.М. Изоитко, К. В. Буйкус // Сварка Урала - 2001: материалы Всероссийской НТК. - Н. Тагил, 2001. - С. 125-127.

17. Коробов, Ю.С. Нанесение износо- и коррозионностойких покрытий активированной дуговой металлизацией / Ю.С. Коробов, А. С. Прядко, В.М. Изоитко, В. Л. Луканин // Технологии ремонта, восстановления упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций: материалы 3-й Всероссийской практической конференции-выставки. - СПб.,

2001.-С. 96-98.

18. Коробов, Ю. С. Электродуговая металлизация - моделирование взаимодействия капель металла с кислородом / Ю. С. Коробов, В. Н. Бороненков // Современные проблемы электрометаллургии стали: материалы XI Международной конференции. - Челябинск, 2001. - С. 219-221.

19. Korobov, Yu. Electro arc metallization - liquid metal behavior at electrode end faces / Yu. Korobov, O. Ogorodnikova, D. Maltsev // Mathematical modeling and simulation of metal technologies: Int. Conf. MMT-2002, proceedings. - Israel,

2002.-P. 88-95.

20. Коробов, Ю. С. Нанесение активированной дуговой металлизацией стальных износостойких покрытий на детали из алюминиевых сплавов / Ю. С. Коробов, А. С. Прядко // Сварка - ХХЗ век: сб. трудов Всероссийской НТК. -Тольятти, 2002. - С. 115-117.

21. Коробов, Ю. С. Электродуговая металлизация - моделирование поведения жидкого металла на торце электрода / Ю. С. Коробов, О. М. Огородникова, Д. Н. Мальцев // Сварка на рубеже веков: тез. докл. Российской НТК памяти Г. А. Николаева.- Москва, 2002. - С. 61.

22. Boronenkov, V. Metal - gas interaction at arc metallization / V. Boronenkov,

M. Shalimov, Yu, Korobov // Optimization of composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano- and amorphous materials: proceedings of the 2d Israeli - Russian bi-national workshop 2003. - Israel, 2003. - P. 30-46.

23. Korobov, Yu. Application of wear - resistant steel coatings on aluminum parts / Yu. Korobov, A. Pryadko, V. Schastlivtsev // Optimization of composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano- and amorphous materials: proceedings of the 2d Israeli - Russian bi-national workshop 2003. - Israel, 2003. -P. 109-121.

24. Коробов, Ю. С. Особенности поведения жидкого металла на торце электрода при электродуговой металлизации / Ю. С. Коробов, А. Ф. Кокорин, Д. Н. Мальцев // Современные проблемы сварки и ресурса конструкций: тез. докл. Международной конференции. - Киев, 2003. - С. 33-34.

25. Коробов, Ю. С. Анализ кинетики взаимодействия капель металла с кислородом при электрометаллизации / Ю. С. Коробов, М. П. Шалимов // Сварка, Контроль, Реновация - 2003: докл. III Международной НТК. - Уфа, 2003. -С. 74-75.

26. Коробов, Ю. С. Моделирование поступления кислорода в распыляемый металл при электродуговой металлизации / Ю. С. Коробов, М. П. Шалимов // Компьютерные технологии в соединении материалов: тез. докл. 4-й Всероссийской НТК (с межд. участием). - Тула, 2003. - С. 64-65.

27. Васючков, А. В. Ремонт металлургического оборудования с использованием активированной дуговой металлизации / А. В. Васючков, Ю. С. Коробов // Сварка и контроль-2004: сб. докл. Всероссийской НТК (с межд. участием). -Пермь, 2004. - С. 129-130.

28. А. с. 1415149 СССР, МКИ4 G 01N 3/56. Способ испытания материала на износ и устройство для его осуществления / H. Н. Дорожкин, В. Н. Гимель-фарб, С. П. Рагунович, Ю. С. Коробов, Г. Д. Скляров.- № 4177995/25-28; за-явл. 07.01.87; опубл. 07.08.88, Бюл. № 29.

29. Пат. 2047395 Российская Федерация, МПК6 В05В 7/22, 7/18. Распылительная головка электродугового металлизатора / Ю.С. Коробов, В. Н. Боронен-ков, В. Э. Барановский.- № 5057137/05; заявл. 29.07.92; опубл. 10.11.95, Бюл. № 31.

30. Пат. 2069630 Российская Федерация, МПК6 B61F 55/14, B16D 69/02. Опора скольжения фрикционного гасителя колебаний / Ю.С. Коробов, С. И. Попов, В. Б. Харитонов.- № 5056663/11; заявл. 28.07.92; опубл. 27.11.96, Бюл. № 33.

31. Пат. 2072699 Российская Федерация, МПК6 С 23 С 4/00. Способ электродуговой металлизации / Ю.С. Коробов, В. Н. Бороненков,- № 94005517/02; заявл. 16.02.94; опубл. 27.01.97, Бюл. № 3.

32. Пат. 2081203 Российская Федерация, МПК6 С23С 4/02, 10/02. Способ нанесения покрытий / Ю.С. Коробов, В.Н. Бороненков, В.Э. Барановский.-

№ 95101262/02; заявл. 30.01.95; опубл. 10.06.97, Бюл. № 16.

33. Пат. 2080970 Российская Федерация, МПК6 В 23 К 9/16. Шланговый провод / Ю.С. Коробов, В. Л. Луканин.- № 95100466/02; заявл. 30.06.94; опубл. 10.06.97, Бюл. № 16.

34. Пат. 2087366 Российская Федерация, МПК6 В 62 D 55/14. Опорный каток гусеничной машины / Ю.С. Коробов, В. И. Зыков.- № 95111144/11; заявл. 28.06.95; опубл. 20.08.97, Бюл. № 23.

35. Пат. 2097144 Российская Федерация, МПК6 В 05 В 7/22, В 05 D 1/08. Способ металлизации / Ю.С. Коробов, В. Л. Луканин.- № 94043028/25; заявл. 05.12.94; опубл. 27.11.97, Бюл. № 33.

36. Пат. 2119389 Российская Федерация, МПК6 В 05 В 7/22. Устройство для электродуговой металлизации / Ю.С. Коробов, В. Л. Луканин, В. Н. Боро-ненков, Н. Н. Литовченко,- №97101017/25; заявл. 22.01.97; опубл. 27.09.98, Бюл. № 27.

37. Пат. 2127683 Российская Федерация, МПК6 В 61 D 5/22. Подпятниковый узел тележки грузового вагона / Ю.С. Коробов, С. И. Попов, В. Л. Луканин.-№ 96120824/28; заявл. 16.10.96; опубл. 20.03.99, Бюл. № 8.

38. Пат. 2133663 Российская Федерация, МПК6 В 23 Р 6/02, В 22 D 19/00. Способ восстановления поршней / В. Л. Луканин, Ю.С. Коробов.-

№ 97118983/02; заявл. 19.11.97; опубл. 27.07.99, Бюл. № 21.

39. Пат. 2134730 Российская Федерация, МПК6 С 23 С 4/12, В 05 В 7/22. Элек-трометаллизатор / Ю.С. Коробов, А. С. Прядко.- № 98104736/02; заявл. 13.03.98; опубл. 20.08.99, Бюл. № 23.

40. Пат. 2158888 Российская Федерация, МПК7 F 28 F 13/18. Теплообменник / Ю. А. Галкин, Ю. С. Коробов, Ю. В. Кузнецов.- № 98121613/06; заявл. 01.12.98; опубл. 10.11.00, Бюл. №31.

41. Пат. 2162749 Российская Федерация, МПК7 В05В 7/22. Устройство для электродуговой металлизации / В. Н. Бороненков, Ю.С. Коробов.-№9910432/02; заявл. 05.01.99; опубл. 19.02.01, Бюл. № 4.

42. Пат. 2174158 Российская Федерация, МПК7 В 05В 7/22. Способ электродуговой металлизации / Ю.С. Коробов, В.Н. Бороненков, В. Л. Луканин,

А. С. Прядко.- №99100196/02; заявл. 05.01.99; опубл. 27.09.01, Бюл. № 27.

43. Пат. 2186632 Российская Федерация, МПК7 В05В7/22. Устройство для дуговой металлизации / Ю. С. Коробов, В. Л. Луканин, Ю. Н. Новиков,

А. С. Прядко.- № 99119932/02; заявл. 14.09.99; опубл. 10.08.02, Бюл. № 22.

44. Пол. реш. по заявке 2001112048/12(012530), Российская Федерация, МПК7 В 05В7/22. Распылительная головка электродугового метализатора /

Ю. С. Коробов, Ю. Н. Новиков,- заявл. 03.05.01; опубл. 25.09.02, ФИПС.

Подписано в печать 12.07.2004 Бумага типографская

Уч.-изд. л. 2,3

Тираж 100

ИД №06263 от i:

Плоская печа!

За

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Введение.

Глава 1 Электродуговая металлизация — процесс, оборудование, особенности.

1.1 Сущность и особенности процесса электродуговой металлизации

1.1.1 Использование энергии электрической дуги.

1.1.2 Температура, состав газовой атмосферы.

1.1.3 Особенности формирования капель жидкого металла.

1.2 Исследования газодинамики и металлургического взаимодействия двухфазного потока с газами атмосферы при напылении.

1.2.1 Определение скоростей движения газа и частиц.

1.2.2 Определение температур газа и частиц

1.2.3 Состав газовой струи.

1.2.4 Учет неаддитивности свойств газовой смеси.

1.2.5 Взаимодействие металла капель с кислородом.

1.3 Изучение свойств покрытий.

1.4 Оборудование и технологии нанесения металлизационных покрытий.

1.4.1 Оборудование для электродуговой металлизации

1.4.2 Изготовление типовых деталей с применением ЭДМ.

1.4.3 Изготовление алюминиевых деталей с износостойким покрытием

1.4.4 Эффективность ЭДМ в сравнении с другими способами получения покрытий.

Выводы к главе

Глава 2 Математическая модель процессов в двухфазной струе при электродуговой металлизации.

2.1 Основные положения модели и принятые допущения.

2.2 Описание геометрии и скоростей двухфазного потока.

2.3 Расчет температур в двухфазном потоке.

2.4 Расчет состава газовой струи при ЭДМ.

2.5 Экспериментальное определение кинетических параметров двухфазного потока.

2.5.1 Измерение начальной скорости газового потока.

2.5.2 Определение расходов газов.

2.5.3 Определение скорости движения частиц.

2.5.4 Определение эффективного расхода распыляемого металла

2.5.5 Определение гранулометрического состава частиц распыляемой струи.

2.6. Анализ результатов расчетов скоростей, температур и содержания компонентов в двухфазном потоке.

2.7. Кинетика взаимодействия напыляемого металла с кислородом . 111 Выводы к главе 2.

Глава 3 Изучение структуры и свойств напыленных покрытий

3.1 Оценка сравнительной износостойкости.

3.1.1 Методика оценки сравнительной износостойкости.

3.1.2 Оценка сравнительной износостойкости.

3.2 Изучение структуры покрытий.

3.2.1 Стальное покрытие.

3.2.2 Переходная зона "стальное покрытие - нихромовый подслой -алюминиевая основа".

3.3 Влияние технологических режимов на адгезионную прочность соединения " стальное износостойкое покрытие - алюминиевая основа"

3.4 Влияние технологических режимов на качество антикоррозионных покрытий.

3.4.1 Влияние подготовки поверхности перед нанесением покрытия

3.4.2 Влияние дистанции напыления и расхода сжатого воздуха

3.4.3 Влияние толщины покрытия 203 3.4.4. Изменение химического состава материала покрытия

Выводы к главе 3.

Глава 4 Разработка и совершенствование технологических процессов нанесения покрытий.

4.1 Направления совершенствования технологических процессов.

4.2 Конструктивные изменения сопловых узлов.

4.2.1 Направления разработок.

4.2.2 Улучшение условий формирования распыляющей струи.

4.2.3 Меры по регулированию состава струи транспортирующего газа

4.2.4 Влияние на параметры процесса путем увеличения вылета электродов

4.3 Совершенствование технологических приемов нанесения покрытий

4.3.1 Разработка способа нанесения износостойких стальных покрытий на детали из алюминиевых сплавов.

4.3.2 Разработка способа восстановления поршней.

4.3.3 Изготовление элементов теплообменников.

4.4 Меры по повышению надежности оборудования.

4.4.1 Повышение надежности подающего механизма.

4.4.2 Снижение тепловой нагрузки на силовые токоведущие кабеля

4.4.3 Повышение долговечности токоведущих наконечников.

4.5 Применение разработанных технологий.

4.5.1 Алюминиевые детали со стальным покрытием.

4.5.2 Износостойкие покрытия на стальных типовых деталях

4.5.3 Технологии нанесения антикоррозионных покрытий.

Выводы к главе 4.

Потери металла от износа и коррозии деталей машин и металлоконструкций составляют около 30 % их массы. Перспективным направлением снижения потерь является улучшение свойств поверхности, контактирующей с внешней средой. Результаты научных исследований и практических разработок показывают, что это может увеличить срок службы изделий в 2 - 3 раза.

В этом направлении интенсивно развивается группа методов газотермического напыления (ГТН) покрытий. К ним относят газопламенное, плазменное, детонационное напыление, электродуговую металлизацию (ЭДМ). При ГТН поверхность детали, на которую наносится покрытие, остается в твердом состоянии. Вследствие этой особенности для процессов ГТН характерны малые тепловые деформации и, во многих случаях, отсутствие структурных изменений в детали. Кроме того, здесь незначительны ограничения по составу наносимых материалов. Все это обусловливает привлекательность ГТН-методов для улучшения эксплуатационных характеристик изделий.

Результаты анализа показывают, что мировой объем рынка технологий ГТН в 2000 г. составил 1600 млн. евро, рост в последующее десятилетие составит 25%, таблица 1.

Таблица 1. Объем рынка технологий газотермических покрытий, млн. евро [1]

Регион Годы

1990 2000 2010

Европа 300 400 500

Северная Америка 600 800 1000.

Азия, Австралия, Ближний Восток 300 400 500

Всего 1200 1600 2000

ЭДМ-покрытия в 3 - 10 раз дешевле по относительной стоимости получаемых другими способами ГТН при обеспечении их высокой прочности [2].

Однако, в настоящее время отсутствуют системные решения по предотвращению при ЭДМ интенсивного выгорания из металла легирующих элементов и насыщения наносимого слоя газами атмосферы. Указанные процессы приводят к изменению химического состава, снижению концентрации легирующих элементов, избыточному содержанию оксидов в покрытии. Кроме того, у серийно выпускаемых отечественных аппаратов для металлизации широкий факел распыла струи, вследствие чего коэффициент использования материала не превышает 0,5 — 0,6, а плотность покрытия на периферии пятна распыла уменьшается. Все это приводит к снижению качества покрытия, что препятствует широкому использованию простого в эксплуатации и дешевого способа нанесения покрытий.

Анализ имеющихся исследований показал, что дальнейшее развитие процесса ЭДМ возможно на основе исследования и обоснования взаимосвязи между параметрами технологии и качеством покрытий.

Исходя из этого, целью диссертационной работы было выбрано научное обоснование концепции повышения качества покрытий при ЭДМ на основе совместного анализа результатов моделирования процессов при ЭДМ и изучения свойств получаемых покрытий.

Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:

1. Развить представление о процессах, происходящих при ЭДМ, в нескольких направлениях: изучить влияние электродинамического воздействия дуги на процесс дробления капель;

- разработать модель высокотемпературных процессов в многокомпонентной газовой струе с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивности свойств газовой смеси;

- разработать модель, описывающую изменение скоростей и температур в двухфазной струе по дистанции напыления с учетом изменения параметров в радиальном направлении;

- для системы "газ — капли распыляемого металла" разработать модель взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз с учетом особенностей поведения кислорода в этих фазах.

2. Изучить влияние технологических параметров процесса металлизации и воздействия внешних нагрузок на свойства получаемых ЭДМ-покрытий.

3. Проанализировать возможные направления повышения свойств ЭДМ-покрытий и выработать предложения по их реализации на основе выбора рациональных выходных параметров ЭДМ-процесса, повышения их стабильности и разработки новых технологических приемов нанесения покрытий.

В теоретических и экспериментальных исследованиях использованы методики, включающие аналитические и численные расчеты по математической модели и экспериментальные исследования.

Расчеты по математической модели выполнены по разработанной автором программе на языке Турбо Паскаль 7.0, ряд расчетов выполнен в системе компьютерной алгебры Maple 7 и в пакете Microsoft Excel 2000, для представления результатов использованы системы компьютерной графики Компас 5.11 и SolidWorks 2000.

Опытным путем измерены параметры двухфазного потока: начальная скорость газа, расход газа, скорость движения частиц, рассеивание частиц за пределы эффективного пятна напыления.

Для определения износостойкости в условиях ударно-абразивного йзна-шивания разработана и использована оригинальная методика, позволяющая варьировать величину и периодичность приложения ударной нагрузки.

Для предварительных испытаний массивных узлов использован стенд на базе гидропульсаторной машины EMS-60, позволяющий задавать нагрузки до 100 МПа, при величине усилий до 200 кН, измерять линейную интенсивность износа и напряжения в детали.

Содержание кислорода в покрытии определяли методом восстановительного плавления в токе инертного газа и в вакууме (приборы ЯО-Пб и ЕАЫ-220). Для изучения структуры покрытий использовали химический, металлографический и фазовый анализы, замеры микротвердости.

Проводили лабораторные исследования по определению влияния технологических параметров (подготовка поверхности, режимы нанесения, предварительный подогрев, состав атмосферы) на адгезионную прочность и газопроницаемость покрытий.

Проводили натурные испытания ряда деталей с покрытиями.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ литературных данных, касающихся сущности процесса ЭДМ и его отличий от родственных процессов дуговой сварки и газотермического напыления. Выполнена оценка начальных температур двухфазного потока, состава атмосферы газа для процесса ЭДМ. Предложен механизм дробления капель в зоне горения дуги, а также аналитически описаны возникающие здесь электромагнитные силы. Это позволило обосновать возможность образования капель, диаметр которых, по условию дробления газовой струей, меньше критического; показать причины получения развитой поверхности металла на стадии формирования капли; объяснить сложности в формировании узкого факела распыла.

Проанализированы имеющиеся результаты моделирования процесса, выполнен обзор существующих направлений улучшения конструкций аппаратов, рассмотрены имеющиеся результаты исследований свойств покрытий, приведены разработанные на этой базе технологии и показаны сложности в их разработке.

Вторая глава посвящена разработке модели процессов, происходящих при ЭДМ. В ней впервые выполнено теоретическое описание:

- высокотемпературных процессов в многокомпонентной газовой смеси с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивности ее свойств;

- распределения скоростей и температур двухфазного потока "газ — капли металла" по дистанции напыления с учетом изменения параметров в радиальном направлении, изменения состава газовой смеси в каждом микрообъеме, влияния энтальпии плавления капель на их охлаждение по дистанции;

- кинетики взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз в системе "газ — капли распыляемого металла" с учетом особенностей поступления кислорода в каплю на торце электрода, в зоне горения дуги и по дистанции напыления.

На основе моделирования проанализировано изменение параметров двухфазной струи по дистанции напыления, а также показана возможность улучшения выходных параметров процесса за счет активного газодинамического и химического воздействия на жидкий металл в зоне горения дуги.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований изменений структуры и ряда эксплуатационных характеристик от технологических параметров процесса металлизации и воздействия внешних нагрузок.

На основании испытаний на ударно — абразивное изнашивание по оригинальной методике, изучения структурных изменений с применением химического, металлографического и фазового анализа, определения изменений адгезионной прочности, газопроницаемости покрытий и коэффициента использования распыляемого материала установлены количественные зависимости свойств покрытий от технологических параметров.

В четвертой главе на основании совместного анализа результатов расчетов по математической модели и изучения свойства покрытий разработаны технологические меры, направленные на улучшение характеристик покрытий. Указанные меры связаны с совершенствованием конструкции распылительного сопла, разработкой технологических приемов нанесения покрытий и повышением надежности узлов металлизационного аппарата.

За счет реализации этих мер снижено разбрызгивание металла на 40 %, уменьшен угол распыла в 3 - 3,5 раза, повышен коэффициент использования металла на 25 - 40 %, уменьшена степень окисления покрытий на 40 %, расширен спектр напыляемых деталей при повышении надежности покрытий, повышена стабильность технологических режимов нанесения покрытий.

Для того чтобы подчеркнуть отличие совокупности разработанных технических решений от имеющихся, принято название "активированная дуговая металлизация" (АДМ). К отличительным особенностям АДМ относится совместное использование восстановительных смесей в качестве транспортируюидего газ, определенного взаимного расположения сопел и электродов, целенаправленного воздействия на зону горения дуги.

Разработанные технологии внедрены на ряде предприятий машиностроения, металлургии, строительства. Они успешно использовались для восстановления типовых деталей машин (шейки валов, плоские поверхности, биметаллические детали); изготовления принципиально новых узлов путем нанесения стальных износостойких покрытий на алюминиевые детали; нанесения антикоррозионных покрытий. Новизна предложенных технических решений подтверждена 17 патентами на изобретения, 11 из которых внедрены в производство. Эффективность использования предложенных технологий составляет 0,5 — 4 млн. рублей в год в зависимости от сферы применения и загрузки оборудования.

По итогам работы в 1990 — 1995 г.г. автору присвоено звание "Лучший изобретатель Министерства оборонной промышленности России". За разработку оборудования, технологий активированной дуговой металлизации и продвижение их на рынок Уральского региона автором в составе коллектива разработчиков получен диплом международной выставки "Сварка", Екатеринбург, 2001 г. Алюминиевый каток гусеничного тягача со стальным покрытием, который был напылен по разработанной с участием автора технологии, в 2004 г. принят в качестве экспоната единственным в России Музеем сварки Н. Г. Славянова, г. Пермь, как показатель современного уровня развития электрометаллизации.

В работе использованы результаты исследований, выполненных совместно с В. Э. Барановским, В. Н. Бороненковым, А. С. Прядко, В. М. Счастливцевым, М. П. Шалимовым в ГОУ ВПО "Уральский государственный технический уни-* верситет — УПИ".

Выводы к главе 4

1. На основе совместного анализа результатов математического моделирования ЭДМ и изучения свойств получаемых покрытий усовершенствована технология нанесения износостойких и антикоррозионных покрытий за счет улучшения конструкции ЭДМ-аппаратов, разработки технологических приемов выполнения операций и повышения надежности узлов металлизационного аппарата. Усовершенствования нашли практическое применение в различных отраслях промышленности.

2. Разработки по совершенствованию конструкции распылительного сопла металлизационных аппаратов представляют взаимосвязанную систему мер, направленных на увеличение тепловложения, усиление газодинамического и химического воздействия на распыляемый металл в зоне горения дуги.

Увеличение тепловложения обеспечено за счет увеличения вылета электродов при сохранении неизменного положения точки распыла. Потери на разбрызгивание снижены на 40 %, а удельная мощность, затрачиваемая на плавление электродов, в 1.5 раза.

Усиление газодинамического воздействия обеспечено за счет: изменения расположения зоны плавления проволок относительно среза сопла; введения центрального дополнительного сопла малого диаметра; изменения направления осей периферийных сопел; введения охватывающего дополнительного сопла. Это позволило уменьшить угол распыла в 3 — 3,5 раза, повысить коэффициент использования металла на 25 — 40 %.

Усиление химического воздействия обеспечено за счет создания активной атмосферы в зоне горения дуги.

Для создания восстановительной атмосферы использованы смеси "сжатый воздух - углеводороды" или продукты их сгорания. При этом уменьшается степень окисления покрытий на 40 % и повышается качество покрытий в сравнении с типовыми металлизационными аппаратами. Помимо защиты металла от поступления кислорода, происходит дополнительное тепловыделение в реакционной зоне, что улучшает энергетические характеристики процесса.

В определенных условиях, например, при нанесении покрытий из материалов, содержащих сильные раскислители, пористых покрытий на теплообмен-ные аппараты, для материалов с низкой температурой испарения оксидов (молибден), эффективно создание окислительной атмосферы в зоне горения дуги. Добавление кислорода в центральное сопло давлением 0, 4 МПа приводит к повышению производительности процесса на 18% в сравнении с использованием только сжатого воздуха, при неизменных токе и напряжении, тогда как содержание кислорода в покрытии увеличивается с 3,169 до 3,230 мае. %. Такое незначительное увеличение содержание кислорода объясняется снижением темпа его поступления в капли металла вследствие снижения поверхностного натяжения жидкого металла в присутствии кислорода и, соответственно, уменьшения доли поверхности металла капли, свободной от шлака (Ь). Расчет показывает, что результаты определения содержания кислорода соответствуют Ь = 0,2 — 0,25.

Указанные меры реализованы в модернизированных серийных аппаратах, а также в гамме аппаратов оригинальной конструкции.

3. Разработанные меры по совершенствованию технологических приемов включают разработку способов: a) Получения износостойких покрытий на алюминиевых деталях. Результаты натурных испытаний впервые показали возможность использования алюминиевых деталей плоской и цилиндрической формы с износостойкими покрытиями в условиях ударно-абразивного изнашивания при контактных нагрузках до 100 МПа; b) Восстановления поршней, при котором исключается перегрев кромок торцов и канавок за счет покрытия. Это обеспечивает стабильное качество операции нанесения покрытия; c) Изготовления теплообменников с нанесенным покрытием переменной шероховатости. Это решение позволяет применять для теплообменников дешевые низкоуглеродистые стали с жаростойким покрытием.

Реализация предложенных технологических мер дала возможность расширить спектр напыляемых деталей при повышении надежности покрытий.

4. Разработанные, применительно к узлам металлизационных аппаратов, испытывающим тепловые и механические перегрузки, меры повышения надежности включают: a) Усовершенствование узла подачи проволоки путем уменьшения нагрузки на оси прижимных роликов. Это позволяет обеспечить стабильную подачу проволоки при снижении мощности привода примерно на 30 %, или повысить надежность привода при неизменной мощности двигателя. b) Снижение тепловой нагрузки на токоведущие кабеля путем совмещения в шланговом проводе функций прохождения тока, подачи проволок и газа. Это обеспечивает устойчивую подачу газа при уменьшении масса шлангового провода длиной 3 м на 2 — 2,5 кг. c) Повышение долговечности токоведущих наконечников за счет улучшения условий теплоотвода при сохранении неизменным вылета электродов. Это-приводит к увеличению срока службы наконечников на 20 — 25 %.

5. Разработанные технологии нанесения покрытий успешно внедрены на ряде предприятий машиностроения, металлургии, строительства, газопереработки. Они использовались для восстановления типовых деталей машин (цилиндрические и плоские поверхности); изготовления принципиально новых узлов путем нанесения стальных износостойких покрытий на алюминиевые детали; нанесения антикоррозионных покрытий. Новизна предложенных технических решений подтверждена 17 патентами на изобретения, 11 из которых внедрены в производство. Эффективность использования предложенных технологий составляет 0,5 - 4 млн. рублей в год в зависимости от сферы применения и загрузки оборудования.

Заключение

1. Разработана научно обоснованная концепция повышения качества покрытий при ЭДМ на основе совместного анализа результатов моделирования процессов при ЭДМ и изучения свойств получаемых покрытий

2. При моделировании процессов применительно к ЭДМ впервые выполнено теоретическое описание:

- дробления капель в зоне горения дуги под воздействием совместных процессов вскипания жидкого металла и ударного расширения газов у перетяжек при прохождении электрического тока через жидкий металл срываемых капель;

- сил, действующие на жидкий металл в зоне горения дуги, возникающих за счет прохождения электрического тока и газодинамического напора;

- высокотемпературных процессов в многокомпонентной газовой струе с учетом протекающих химических реакций, влияния подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивности свойств газовой смеси;

- распределения скоростей и температур двухфазного потока "газ — капли металла" по дистанции напыления с учетом изменения параметров в радиальном направлении, изменения состава газовой смеси в каждом микрообъеме, влияния энтальпии плавления капель на их охлаждение по дистанции;

- кинетики взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз с учетом межфазных переходов кислорода в системе "газ — капли распыляемого металла", процессов как внешней, так и внутренней диффузии и особенностей поступления кислорода в каплю на торце электрода, в зоне горения дуги и по дистанции напыления.

Расхождение опытных и расчетных данных составило 10 — 15 %.

3. В результате экспериментальных исследований свойств покрытий установлены количественные зависимости структуры и ряда эксплуатационных характеристик (износостойкости, адгезионной прочности, газопроницаемости) от технологических параметров процесса и воздействия внешних нагрузок:

4. Предложенная схема дробления капель в зоне горения дуги под совместным воздействием электромагнитных и газодинамических сил позволила теоретически обосновать возможность появления капель фракций диаметром менее критического (по условию дробления газодинамическим напором).

5. Выполненная расчетная оценка показала, что электромагнитные силы в зоне горения дуги одного порядка по величине, но отличаются по направлению от газодинамической. На основании этого сделано заключение о необходимости разработки специальных мер, которые могут предотвратить разлет капель под большим углом к оси струи.

6. Расчет показал, что при полете на рабочей дистанции напыления, порядка 125 мм, капли металла большинства фракций, за исключением самых мелких, менее 10 мкм, не отвердевают, что объясняется высокой энтальпией плавления и кратковременностью полета.

7. Расчет показал, что при различном исходном составе газа, восстановительном или окислительном, резкие отличия состава газовой струи от окружающей атмосферы имеются только на начальном участке струи. Полученный результат объясняется интенсивным подмешиванием воздуха в струю из атмосферы.

8. Расчет кинетики взаимодействия металлической, оксидной и газовой фаз показал наличие ряда особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологий ЭДМ. К ним, в частности, относятся следующие:

- доля поверхности капель, свободная от шлака, уменьшается с повышением парциального давления кислорода в газе из-за снижения поверхностного натяжения жидкого металла. Это приводит к снижению скорости поступления кислорода в капли металла, хотя его общее количество возрастает;

- основное поступление кислорода в распыляемый металл происходит в зоне горения дуги, что обусловлено чрезвычайно высоким значением коэффициента массопереноса в газе и большой удельной поверхностью капель;

- существует интервал фракций, вклад которого в суммарное поступление кислорода в 1,5 - 2,5 раза ниже, чем у капель других размеров. Это, вероятно, связано с соотношением удельной поверхности и скорости капель в полете;

- на стадиях торца и зоны горения дуги поступающий кислород растворяется в металле капли, а на стадии полета - идет на образование шлака. Содержание последнего на рабочей дистанции увеличивается с ростом парциального давления кислорода и уменьшением диаметра капель.

9. На основании испытаний на ударно - абразивное изнашивание по оригинальной методике, а также изучения структуры поверхностного слоя покрытий, после приложения эксплуатационных нагрузок, установлено, что при контактных нагрузках до 100 МПа стальные покрытия работают лучше цельностальных поверхностей за счет того, что выработка покрытий идет по механизму внешнего трения по прослойкам оксидов. При этом износостойкость покрытий из сталей ЗОХГСА, 51ХФА, 65Г в 2 - 4 раза ниже, чем из сталей 20X13. В указанных условиях износостойкость покрытий повышается при использовании восстановительных транспортирующих газов. Эти испытания послужили основанием для более подробного изучения свойств покрытий из сталей типа XI3, уже на структурном уровне.

10. Исследования с применением химического, металлографического и фазового анализа выявили следующие особенности структуры покрытий из хромистых сталей типа XI3, используемых в качестве износостойких материалов:

- структура представляет собой отпущенный мартенсит, остаточный аусте-нит и включает оксиды типа РезС>4. Наличие карбидов зависит от параметров процесса. На некоторых технологических режимах выделения карбидов из раствора вследствие быстрого охлаждения не происходит;

- микротвердость покрытий находится в интервале 4,5 — 6,8 ГПа. Она увеличивается с повышением содержания углерода в исходном материале. При этом микротвердость оксидов несколько выше, чем участков чистого металла;

- использование восстановительных транспортирующих газов улучшает структуру стального покрытия. Она становится более плотной, повышается ее дисперсность и уменьшается количество и размер оксидов. Кроме того, отмечено повышение количества остаточного аустенита вследствие снижения мар-тенситной точки стали при повышении содержания в ней углерода. В этом случае сочетание плотности и пластичности покрытия увеличивает его работоспособность;

- оксиды в покрытии играют двоякую роль. С одной стороны, они в значительной мере обеспечивают износостойкость покрытия, как его наиболее твердая составляющая. С другой стороны имеется некоторое критическое количество оксидов, превышение которого скачкообразно снижает работоспособность покрытия под воздействием внешних нагрузок;

- стальные частицы, уже образовавшие слой, при контакте с попадающими на них расплавленными каплями, повторно нагреваются, примерно до 200° С.

11. Экспериментально установлены количественные зависимости адгезионной прочности покрытий от тока, напряжения на дуге, дистанции напыления, состава атмосферы транспортирующего газа, режимов предварительной обработки поверхности, что дает возможность разрабатывать рациональные режимы нанесения покрытий.

12. Установлено путем фазового анализа, что высокая адгезионная прочность при нанесении покрытий на алюминиевую основу по разработанному оригинальному способу обусловлена наличием диффузионной связи в переходной зоне "покрытие - алюминиевая основа". Результаты натурных испытаний впервые показали возможность использования алюминиевых деталей с износостойкими покрытиями, нанесенными по указанному способу, в условиях ударно-абразивного изнашивания при высоких контактных нагрузках.

13. Экспериментально установлено, что для антикоррозионных покрытий газопроницаемость, прочность сцепления, коэффициент использования распыляемого материала сильно зависят от подготовки поверхности. Это объясняется тем, что размер шероховатостей соизмерим по высоте с толщиной покрытий.

14. Экспериментально установлено, что газопроницаемость антикоррозионных металлизационных покрытий из нержавеющей стали снижается более чем на порядок при использовании продуктов сгорания пропано-воздушной смеси в качестве транспортирующего газа в сравнении с применением сжатого воздуха.

15. Разработаны технологические меры, направленные на улучшение характеристик покрытий на основании совместного анализа результатов расчетов по математической модели и изучения свойства покрытий. Указанные меры направлены на совершенствование конструкции распылительного сопла, разработку технологических приемов нанесения покрытий и на повышение надежности узлов металлизационного аппарата.

16. Разработанные меры по совершенствованию конструкции распылительного сопла металлизационных аппаратов направлены на усиление газодинамического и химического воздействия на распыляемый металл в зоне горения дуги. Реализация этих мер позволила снизить разбрызгивание металла на 40 %, уменьшить угол распыла в 3 - 3,5 раза, повысить коэффициент использования металла на 25 - 40 % и уменьшить степень окисления покрытий на 40 % в сравнении с типовыми металлизационными аппаратами.

17. Разработанные меры по совершенствованию технологических приемов направлены на получение износостойких покрытий на алюминиевых деталях, восстановление плоских поверхностей и поршней, изготовление теплообменников. Их реализация дала возможность расширить спектр напыляемых деталей при повышении надежности покрытий.

18. Разработанные, применительно к узлам металлизационных аппаратов, испытывающим тепловые и механические перегрузки, меры повышения надежности обеспечили стабильность технологических режимов нанесения покрытий. Это имеет большое значение из-за тяжелых условий работы ЭДМ-оборудования.

19. Разработанные технологии нанесения покрытий успешно внедрены на ряде предприятий машиностроения, металлургии, строительства, газопереработки. Они использовались для восстановления типовых деталей машин (цилиндрические и плоские поверхности); изготовления принципиально новых узлов путем нанесения стальных износостойких покрытий на алюминиевые детали; нанесения антикоррозионных покрытий. Новизна предложенных технических решений подтверждена 17 патентами на изобретения, 11 из которых внедрены в производство. Эффективность использования предложенных технологий составляет 0,5 - 4 млн. рублей в год в зависимости от сферы применения и загрузки оборудования.