Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Электродуговая металлизация — процесс, оборудование, особенности 9
1.1 Сущность и особенности процесса электродуговой металлизации 9
1.1.1 Использование энергии электрической дуги 11
1.1.2 Температура, состав газовой атмосферы 12
1.1.3 Особенности формирования капель жидкого металла 16
1.2 Исследования газодинамики и металлургического взаимодейст вия двухфазного потока с газами атмосферы при напылении 30
1.2Л Определение скоростей движения газа и частиц 30
1.2.2 Определение температур газа и частиц 34
1.2.3 Состав газовой струи 40
1.2.4 Учет неаддитивности свойств газовой смеси 42
1.2.5 Взаимодействие металла капель с кислородом 45
1.3 Изучение свойств покрытий 48
1.4 Оборудование и технологии нанесения металлизационных покрытий 54
1.4.1 Оборудование для электродуговой металлизации 54
1.4.2 Изготовление типовых деталей с применением ЭДМ 65
1.4.3 Изготовление алюминиевых деталей с износостойким покрытием 66
1.4.4 Эффективность ЭДМ в сравнении с другими способами получения покрытий 68
Выводы к главе 1 72
Глава 2 Математическая модель процессов в двухфазной струе при электродуговой металлизации 74
2.1 Основные положения модели и принятые допущения 74
2.2 Описание геометрии и скоростей двухфазного потока 76
2.3 Расчет температур в двухфазном потоке 83
2.4 Расчет состава газовой струи при ЭДМ 85
2.5 Экспериментальное определение кинетических параметров двухфазного потока 90
2.5.1 Измерение начальной скорости газового потока 90
2.5.2 Определение расходов газов 92
2.5.3 Определение скорости движения частиц 94
2.5.4 Определение эффективного расхода распыляемого металла .... 95
2.5.5 Определение гранулометрического состава частиц распыляемой струи 97
2.6. Анализ результатов расчетов скоростей, температур и содержа
ния компонентов в двухфазном потоке 100
2.7. Кинетика взаимодействия напыляемого металла с кислородом .. 111
Выводы к главе 2 131
Глава 3 Изучение структуры и свойств напыленных покрытий 133
3.1 Оценка сравнительной износостойкости 133
3.1.1 Методика оценки сравнительной износостойкости 133
3.1.2 Оценка сравнительной износостойкости 136
3.2 Изучение структуры покрытий 143
3.2.1 Стальное покрытие 144
3.2.2 Переходная зона "стальное покрытие - нихромовый подслой алюминиевая основа 172
3.3 Влияние технологических режимов на адгезионную прочность соединения " стальное износостойкое покрытие - алюминиевая основа" 185
3.4 Влияние технологических режимов на качество антикоррозионных покрытий 193
3.4.1 Влияние подготовки поверхности перед нанесением покрытия 194
3.4.2 Влияние дистанции напыления и расхода сжатого воздуха 201
3.4.3 Влияние толщины покрытия 203 3.4.4. Изменение химического состава материала покрытия 205
Выводы к главе 3 206
Глава 4 Разработка и совершенствование технологических процессов нанесения покрытий
4.1 Направления совершенствования технологических процессов 208
4.2 Конструктивные изменения сопловых узлов 211
4.2.1 Направления разработок 211
4.2.2 Улучшение условий формирования распыляющей струи 211
4.2.3 Меры по регулированию состава струи транспортирующего газа 221
4.2.4 Влияние на параметры процесса путем увеличения вылета электродов 228
4.3 Совершенствование технологических приемов нанесения покрытий 234
4.3.1 Разработка способа нанесения износостойких стальных покрытий на детали из алюминиевых сплавов 234
4.3.2 Разработка способа восстановления поршней 245
4.3.3 Изготовление элементов теплообменников 246
4.4 Меры по повышению надежности оборудования 250
4.4.1 Повышение надежности подающего механизма 250
4.4.2 Снижение тепловой нагрузки на силовые токоведущие кабеля . 252
4.4.3 Повышение долговечности токоведущих наконечников 252
4.5 Применение разработанных технологий 255
4.5.1 Алюминиевые детали со стальным покрытием 255
4.5.2 Износостойкие покрытия на стальных типовых деталях 257
4.5.3 Технологии нанесения антикоррозионных покрытий 262
Выводы к главе 4 266
Заключение 268
Литература 272
Приложения 286
- Сущность и особенности процесса электродуговой металлизации
- Основные положения модели и принятые допущения
- Оценка сравнительной износостойкости
Введение к работе
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]
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.
Изучить влияние технологических параметров процесса металлизации и воздействия внешних нагрузок на свойства получаемых ЭДМ-покрытий.
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 изнашивания 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 RO-116 и EAN-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 транспортирующего 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 — У ПИ".
Сущность и особенности процесса электродуговой металлизации
Решение задачи получения качественных покрытий является основной при изучении процессов ГТН. На основе анализа пространственно - временных условий формирования покрытий В. В, Кудиновым сделано заключение [3], что свойства покрытий определяются процессами деформации и теплообмена при контакте капель распыляемой струи с подложкой, а также физико - химическим взаимодействием капель с газом и окружающей средой при движении к подложке. Таким образом, знание закономерностей, по которым изменяются основные параметры процесса ГТН — скорости, температуры в двухфазном потоке, интенсивность поступления газов в металл капель — дает возможность прогнозировать свойства покрытий. В свою очередь, эти параметры меняются под влиянием начальных условий и внешних факторов, зависящих от конструктивных особенностей оборудования и применяемых технологических приемов. Такой подход дает основание предложить следующую последовательность выполнения работ по совершенствованию технологии ГТН:
- разработка математической модели процесса;
- конструктивные изменения аппаратуры для нанесения покрытий;
- сравнительное изучение свойств покрытий;
- анализ результатов практического применения новых технических решений в технологических процессах.
Из способов нанесения газотермических покрытий перспективно изучение процесса электродуговой металлизации (ЭДМ), который выглядит предпочтительнее перед другими способами по тепловой эффективности, стоимости напыляемых материалов, простоте обслуживания. Технике - экономическая оценка показывает, что по относительной стоимости ЭДМ-по крытая в 3 — 10 раз дешевле получаемых другими способами ГТН при обеспечении их высокой прочности (рис.1.1.1). Однако процесс ЭДМ отличается широким факелом распыла и высоким содержанием кислорода в распыляемом металле. Это снижает коэффициент использования материала и качество получаемых покрытий. Улучшение характеристик ЭДМ-покрытий может расширить применение этого процесса. Рассмотрим сущность ЭДМ и его отличия от родственных процессов.
При ЭДМ покрытие формируется из капель жидкого металла, движущихся в струе транспортирующего газа. Нагрев и плавление распыляемого металла происходит за счет тепла электрической дуги, горящей между расходуемыми проволоками — электродами, из которых образуется распыляемый материал (рис. 1.1.2). Жидкий металл сдувается с торцов электродов, дробится под воздействием газодинамических и электромагнитных сил, и в виде капель движется в направлении действия этих сил.
Из этого описания видно, что для ЭДМ присущи черты как газотермического напыления (ГТН), так и дуговой сварки. Общим с ГТН является использование высокоскоростной газовой струи с большим массовым расходом, предназначенной для формирования и транспортировки потока распыляемых капель.
С процессом дуговой сварки общим является характер применения электрической дуги в качестве источника энергии.
В качестве транспортирующего газа при ЭДМ применяется сжатый воздух, получение которого отличается низкой стоимостью в сравнении с другими газами. Используются также смеси воздуха с нейтральными и восстановительными газами. Газ может подаваться в зону формирования капель металла в холодном или подогретом виде. В последнем случае для подогрева может использоваться тепло, выделяющееся при горении различных топлив.
ЭДМ отличается от процессов газотермического напыления и от дуговой сварки по начальным условиям формирования двухфазного потока. Эти отличия можно сгруппировать по нескольким блокам.
Основные положения модели и принятые допущения
Анализ литературных данных и проведенные исследования [44, 126 — 139] позволили принять ряд основных положений и допущений при разработке модели процессов при ЭДМ.
Газодинамика и теплообмен
- истечение газов происходит в соответствии с теорией турбулентных струй для осесимметричного источника при неподвижной окружающей среде;
- движение и теплообмен газа и капель металла осуществляется согласно теории двухфазных потоков, то есть в каждом микрообъеме обмен импульсом и теплом происходит достаточно быстро, размер частиц значительно меньше пути смешения;
- поскольку скорости частиц и газа в направлении, перпендикулярном к оси струи, много меньше, чем в осевом направлении, то движение частиц под углом к оси струи можно рассматривать как одномерную задачу;
- нагрев и окисление частиц рассматриваем как квазистационарную задачу, то есть теплообмен и диффузию газов можно описать уравнениями стационарного тепло- и массообмена;
- частицы в потоке газа не взаимодействуют между собой и имеют сферическую форму;
- полидисперсная смесь распыляемых частиц заменена условно монодисперсной эквивалентного диаметра;
- состав газа в каждом микрообъеме отвечает равновесному для данной температуры;
- на частицы по дистанции напыления действует только сила аэродинамического сопротивления.
Кинетика металлургических процессов
- химический состав металла и шлака на каждой стадии в пределах фазы одинаков (идеальное смешение);
- 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.
Подробнее принятые допущения рассмотрены в соответствующих блоках модели.
Для повышения точности расчетов в модели были учтены:
- неаддитивность теплофизических свойств газовой смеси;
- объемный характер газовой струи;
- подмешивание в струю воздуха из окружающей среды, изменение состава транспортирующего газа за счет протекающих химических реакций.
На основе анализа имеющихся конструкций металлизационных аппаратов, п. 1.4, для рассмотрения процессов принята закрытая схема распыления (рис. 1.4.1а) с использованием в качестве транспортирующего газа продуктов сгорания пропано — воздушной смеси. С учетом принятых допущений другие схемы взаимодействия газа и частиц можно свести к рассматриваемой.
В работе принято, что частица представляет собой жидкий металл, а капля - это частица, окруженная образовавшимся шлаком.
Оценка сравнительной износостойкости
Имеющиеся схемы испытаний [92, 93] не обеспечивают воспроизведение ударных нагрузок, характерных для условий работы многих деталей. Для приближения условий лабораторных исследований к реальным условиям эксплуатации разработаны оригинальный способ испытаний на ударно — абразивное изнашивание и устройство для его осуществления [160, 161].
Способ представляет модифицированную схему Бринеля. Плоский образец из испытуемого материала вводят в контакт с контробразцом, нагружают их, подают абразив в зону трения и задают контробразцу скорость вращения. Энергию единичных ударов и путь трения циклически изменяют по заданной программе, причем длительность цикла выбирается не кратной времени одного оборота контробразца.
Принятая последовательность циклического изменения параметров позволяет оценивать величину износостойкости материалов при последовательном воздействии на рабочую поверхность образца ударных нагрузок с различным уровнем энергии. Это дает возможность сочетать приложение к образцу как упрочняющих (наклеп), так и разрушающих (трещины, сколы, выкрашивание) нагрузок. Различие между длительностью цикла и временем оборота контробразца позволяет изменять путь трения за цикл программы в широких пределах, что приближает условия испытаний к эксплуатационным.
Устройство представлено на рис. 3.1.1. Устройство содержит станину 1, держатели 2 и 3 соответственно контробразца 4 и образца 5, двуплечий рычаг 6 для их нагружения, привод вращения контробразца (на рисунке не показан).
Устройство снабжено установленным соосно с держателем диском — копиром 7 с отверстиями 8, в которых закреплены пальцы; втулками 9, установленными на пальцах с возможностью вращения; закрепленным на узле 6 упором 10. Длина упора регулируется перемещением в платформе 11. На одном конце двуплечего рычага 6 установлена подвеска с грузами 12, другое его плечо исполняет роль держателя 3. Абразив 13 подают в зону трения контробразца 4 и образца 5 из бункера 14.
Рабочую длину упора L выбирают из соотношения: где: rmax, rm;n — минимальный и максимальный радиусы окружностей, на которых установлены пальцы со свободно вращающимися втулками; А — расстояние между осью держателя 2 и центром поворота рычага 6; Н - размер по вертикали между осью держателя 2 и центром поворота рычага 6; h -размер по вертикали между центром поворота рычага 6 и упором 10.
Правая часть данного неравенства определяет минимальную рабочую длину упора 10, при которой обеспечивается его контакт со свободно вращающимися втулками 9, расположенными на радиусе гт;п.
Левая часть неравенства определяется необходимостью выхода упора 10 из контакта с втулкой 9 при таком положении диска - копира, которое обеспечивает максимальное отклонение упора 10 от исходного положения. Невыполнение этого условия приведет к тому, что угол отклонения упора 10 сначала будет увеличиваться до максимального значения, затем уменьшаться на некоторую величину и только после этого наступит разрыв контакта между упором 10 и втулкой 9. Это приведет к уменьшению заданной энергии единичного удара и нарушению программы испытаний.
Центральный угол у между двумя последовательно расположенными на диске — копире пальцами 8 определяется в соответствии с требуемой величиной пути трения между каждыми двумя ударами с установленной энергией единичного удара. Минимальное значение этого угла должно удовлетворять условию:
где a - центральный угол поворота пальца в период контактирования с упором; (3 - угол отклонения правого плеча рычага 6 от горизонтали в период контакта упора 10 с пальцем через втулку 9; п - частота вращения диска - копира 7; L0 —грузовое плечо рычага подвески с грузами 12; а — ускорение при возврате рычага в исходное положение.
Первое слагаемое выражения (3.1.2) представляет собой угол, на который повернется диск - копир 7 за время возврата упора 10 в исходное положение после отклонения от горизонтали предыдущим пальцем на угол р. Под исходным положением подразумевается контакт контробразца 4 и образца 5. Второе слагаемое является углом, на который повернется диск - копир за время контактирования предыдущего пальца с упором. Тогда их сумма представляет собой угол, на который повернется диск - копир за время отвода и возврата рычага после его контактирования с предыдущим пальцем. Таким образом, если нарушить условие (3.1.2), то при последовательном, по направлению вращения, закреплении на диске — копире двух пальцев невозможно обеспечить возврат рычага в исходное положение с приложением ударной нагрузки к образцу. В этом случае предварительно произойдет встреча упора со следующей втулкой.
Использование в устройстве независимых приводов вращения для контробразца 4 и образца 5 позволяет расширить возможности регулирования пути трения между единичными ударами. В этом случае на один оборот диска - копира, то есть на один цикл изменения ударных нагрузок, можно обеспечить требуемое число оборотов контробразца. Принятое нами условие некратности обеспечивает постоянное перемещение по поверхности контробразца зоны воздействия как минимальных, так и максимальных ударных нагрузок, что приводит к более равномерному износу контробразца.
