CC BY
78
мени выполнения типового заказа). В нашем случае сравнение с эталоном дает право сделать выводы о недостатках и преимуществах данной технологии, поскольку интегральный индекс при объеме производства 2 500 м2 в год равен 1,62 и 1,705 для сплавов АМгб и Д16Т соответственно. Таким образом, величина относительного показателя конкурентоспособности равна 2,381 и 2,87. Это свидетельствует о преимуществе поэтапного внедрения технологии МДО в производство, поскольку в случае резкого перевода он снизится до критической величины, равной 1,45, что свидетельствует о нарушениях в ходе технологического процесса или неисполнения требований по срокам обработки изделия по заказам и завышенным затратам.
В процессе применения технологии МДО были проведены следующие мероприятия: оценка технологического процесса, конечных характеристик покрытия и ана-
лиз экономического эффекта. Были подведены результаты и даны практические рекомендации, что позволит внедрить ее в серийное производство.
Библиографический список
1. Михеев, А. Е. Технологические возможности мик-родугового оксидирования алюминиевых сплавов / А. Е. Михеев, Н. А. Терехин, В. В. Стацура и др. // Вестник машиностроения. 2003. № 2. С. 56-63.
2. Томашов, Н. Д. Толстослойное анодирование алюминия и алюминиевых сплавов / Н. Д. Томашов, М. Н. Тю-кина, Ф. П. Заливалов. М. : Машиностроение, 1968. 157 с.
3. Экономика предприятия : учеб. пособие / В. М. Семенов, И. А. Баев, С. А. Терехов, и др. ; под ред. В. М. Семенова. 2-е изд., испр. М. : Центр экономики и маркетинга, 2000.
A. A. Golenkova, S. S. Ivasev, A. E. Mikheev, M. A. Ovsyannikov
ANALYSIS OF EFFECTIVENESS OF TECHNOLOGY FOR MAKING DETERIORATION PROOVES ALLOYS BY THE MICROARCH OXIDATION PROCESS
Optimum technological modes are offered for formation of wear-resistant coatings on aluminum alloys with method of microarch oxidation, specifications for technological equipment, and also results of analysis of competitiveness and estimation of product cost are presented.
Принята к печати в ноябре 2006 г.
УДК 621.793.74
Н. А. Амельченко, Н. Е. Анистратенко, Л. С. Добрынина, С. В. Михайлов, О. Е. Балашов ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН1
Повышению износостойкости деталей машин и механизмов способствует инженерия их рабочих поверхностей с применением различных методов. Плазменная технология, являясь одним из методов инженерии поверхности, нуждается в совершенствовании процесса. Рассмотрены тепловые условия и механизм формирования покрытия при напылении. Показана возможность повышения эксплуатационных показателей покрытий из порошковых материалов нанометровых размеров.
Основными показателями качества машин являются надежность и ресурс, которые определяются свойствами поверхностных слоев деталей и соединений: пределом выносливости, коррозиестойкостью, износостойкостью, коэффициентом трения, контактной жесткостью, прочностью и герметичностью соединения. Снижение технических характеристик машин в процессе эксплуатации ниже допустимого уровня, как правило, влечет за собой значительные материальные расходы, связанные с восстановлением изношенных механизмов или их заменой. Достижение высокого качества и эксплуатационной надежности машин, а также их более низкой стоимости, являющихся условием обеспечения высокого и устойчивого уровня рыночной конкурентоспособности, возможно лишь на основе применения новых перспективных разработок и наукоемких технологий.
Как известно, причина низкого ресурса деталей и элементов конструкций связана преимущественно с износом и коррозионным повреждением их рабочих поверхностей [1]. В процессе эксплуатации рабочие механизмы подвергаются воздействию окружающей среды и технологических сред, применяемых в производственном процессе в качестве исходных или конечных при изготовлении сложных соединений и изделий, а также сред, используемых для осуществления рабочего цикла, например, в узлах трения - смазочные материалы. Актуальной проблемой в машиностроении является повышение износостойкости режущего инструмента, используемого в различных процессах при металлообработке.
Трибологические явления проявляются практически во всех сферах индустрии и в быту. Потери средств в машиностроении развитых государств, вследствие трения и износа, достигают ~4...5 % национального дохода. Сопро-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РНП.2.1.959).
тивление трению поглощает во всем мире 30...40 % вырабатываемой энергии, которая при трении не просто теряется, а превращается в теплоту, вызывая нагрев механизмов и узлов машин. Во многих случаях последствия нагрева связаны с отказами и авариями. Примерно 80...90 % отказов машин происходит из-за износа узлов и деталей, а также рабочего инструмента. С целью снижения трения в мире за год расходуется более 108 т смазочных материалов. Отработавшие смазочные материалы, как правило, подлежат переработке или утилизации, иначе они представляют серьезную опасность для окружающей среды. За полный цикл использования машин эксплуатационные расходы, трудоемкость ремонта и затраты материалов на ремонт в несколько раз превышают затраты на изготовление новых машин [2].
Существует чрезвычайно высокая потребность в методах инженерии поверхности для защиты от коррозии и повышения износостойкости, улучшения качества машин, длительной эксплуатации различных объектов в космосе при высоких температурах и других условиях.
Инженерия поверхности охватывает комплекс научных дисциплин, среди которых особое место занимают технологии поверхностной обработки, нанесения покрытий и модифицирование поверхностных слоев.
Совершенствование вакуумных и плазменных технологий является одним из методов инженерии поверхности. В настоящее время доля износостойких газотермических покрытий, применяемых в промышленности, в общем объеме достигает 40 %. Считается, что конструкция сохраняет работоспособность в случае, если износ ее рабочей поверхности не превышает нескольких десятых миллиметра, и в этом случае восстановление конструкции напылением покрытия является экономически обоснованным [3].
Основная часть исследований, выполненных ранее [4], проводилась с использованием материалов для формирования газотермических покрытий с размерами частиц 20-60 мкм. На основе анализа результатов было выявлено, что формируемые покрытия обладают повышенной пористостью, низкими значениями адгезионной и когезионной прочности, значительно уступают по названным параметрам своим компактным аналогам. Это ограничивает их более широкое применение в промышленности.
С целью расширения технических возможностей и областей применения в настоящее время проводимые исследования в большей степени связаны с разработками технологии нанесения покрытий из нанопорошков. Достаточно эффективно совершенствуются методы высокоскоростного газоплазменного напыления (HVOF) и плазменного напыления на воздухе (APS) или в контролируемой атмосфере (VPS). Каждый из них имеет свои преимущества и ограничения.
Для напыления покрытий с наноструктурой используются материалы в следующем виде:
- суспензия с наночастицами или растворы;
- агломерированный композиционный сферический порошок диаметром 10-50 мкм, полученный распылительной сушкой суспензии, содержащей наночастицы (рис. 1);
- спеченные наночастицы с последующим дроблением до размера фракции 10-50 мкм;
- механически легированные порошки, содержащие наночастицы.
Рис. 1. Микрофотография агломерированных порошков
WC + 15 % Со (средний размер WC фазы - 40 нм [3])
При формировании прочного покрытия из материалов любой дисперсности значительную роль играет стадия деформации напыляемой частицы на подложке. Прочное соединение частиц покрытия с подложкой возможно при наличии физико-химического взаимодействия на всей площади их контакта. Вторичным признаком такого взаимодействия является процесс смачивания между подложкой и напыляемой частицей, а также частиц между собой. При этом большое значение имеет распределение температурных полей в объеме формируемого покрытия, постоянно изменяющихся во времени.
В настоящей работе приведены результаты исследования по оценке влияния температурного фактора на процесс формирования напыляемых покрытий.
Для расчета нестационарных температур в объеме покрытия (рис. 2) с учетом преобразований использовано уравнение теплопроводности (1), выведенное нами ранее для эквивалентного цилиндра [4], высота которого изменяется за счет осаждаемых частиц при напылении (рис. 2, а):
_д_ д x
1
д T д t
'д T Л д x
1
Р
+ 2,5а-Vk (T - Ty).
(1)
где q - удельный, эффективный тепловой поток; а - коэффициент теплоотдачи на границе «частица-покрытие»; X - коэффициент теплопроводности напыляемого материала; р - плотность материала покрытия; С - удельная теплоемкость; k - коэффициент сосредоточенности частиц; Тг - температура газа, омывающего фигуру напыления; Т0 - начальная температура.
Задача решена в подвижной системе координат с началом отсчета (х = 0) в центральной части пятна (рис. 2, б) при граничных условиях:
а) в объеме покрытия на оси цилиндра
при x ^ ж, Т(ж, t) = T0
дT(ж, t) дх
- 0;
б) на поверхности центральной части
, дT(0, t)
пятна при x = 0 -1 —--------- q ,
дх
с начальными условиями t = 0, Т(х, 0) = Т0 = 300 К.
(2)
В результате решения тепловой задачи получены зависимости, которые позволяют имитировать температурное распределение в объеме покрытия (рис. 2, в). На основании результатов исследований установлено, что если х = х^), то температура в точке с координатой х для момента времени ? характеризуется зависимостью:
Т (х, г) = 4
2,5а
2,5а 'Vk
' erfc
1 /2,5 aVk
2^Fo
-T
1
Cp ' P
2,5a^Vk
• t
(4)
+ T0 • e
CpV
V У
Если х = 0, то уравнение (4) преобразуется в следующее выражение и характеризует температуру на поверхности слоя покрытия:
T (0, t) =
q
2yl X2,5aVk
x
f Г
erfc І
_ 1 *
/2,5 ajk
T
Cp p
^ 2,5a'Vk
" Cp• p
\ f
- erfc ■
)
1
/2,5 • aVk
Cp • p
2,5a' Vk
+ T0 'e
Cp' p
(5)
ченности k. Основным регулирующим параметром для g является коэффициент k, поскольку G и в взаимосвязаны и увеличение G компенсируется снижением р.
На основании анализа результатов экспериментов выявлено, что коэффициент сосредоточенности k, характеризующий закон распределения осаждаемого материала в пятне напыления, зависит от конструктивных особенностей распылителя. Для оценки величины k предложена методика расчета по расходным характеристикам процесса и массогабаритным характеристикам покрытия: массе напыленной фигуры m, ее высоте 5т и плотности напыленного материала рп:
k = п • р • 5 /т =п • р •v /G • в, (7)
' п max ' п max ~7 v у
где v = 5 /т и т = G • в • т; т - время напыления
max max ~ 7 Г
фигуры, с.
Исследования микроструктуры напыленных покрытий (рис. 3) показали, что, осуществляя процесс напыления при обычных расходах вводимого в распылитель материала (производительность G = 0,5-1 кг/ч), за счет ком-пактирования струи в объеме покрытия можно обеспечить существование весьма высоких температур, способствующих возникновению на поверхности жидкофазного состояния. В этом случае возможно изменение механизма процесса кристаллизации частиц и, как следствие, уменьшение пористости, изменение структуры, фазового состава, повышения плотности и других эксплуатационных характеристик. Повышение износостойкости напыленного слоя следует ожидать за счет большей плотности и создания в нем аморфной структуры.
V У
Для подвижной границы эквивалентного цилиндра с
учетом происходящего тепло- и массообмена удельный
тепловой поток q определяется из граничного условия
(3) по выражению
q=g [с;(тпл - т0)+Д# + qэкз]+ qa+qe■ (6)
В зависимости от теплофизических характеристик распыляемого материала и технологических условий напыления проведено моделирование теплового состояния покрытия. Результаты расчетов показывают, что характер взаимодействия осаждаемых частиц и распределение температуры в покрытии существенно зависит от удельной производительности напыления g = G ■ в • ^ определяемой расходом порошка G, коэффициентом использования материала (КИМ) в, и коэффициентом сосредото-
'¿¿У
а б
Рис. 3. Изменение микроструктуры напыленных слоев керамики: а - на границе контакта с основой; б - верхние слои покрытия
Выявлено, что создание таких условий напыления лежит за пределами технологических возможностей существующего оборудования.
Недостаточная адгезионная и когезионная прочность покрытий во многих практических случаях связана с распределением контактных, межфазных и остаточных напряжений. Задача о полезном использовании или управ-
Схема расчета
б в Рис. 2. Распределение нестационарных температур в объеме покрытия при напылении а-А1203: 1 - УПУ-8М = 0,32 г/с-см2, к = 2 см2); 2 - плазмотрон ПКП = 0,87 г/с-см2, к = 5 см2)
лении остаточными напряжениями в покрытиях с целью повышения качественных характеристик поверхностного слоя пока еще не решена.
Анализ микроструктуры напыленной керамики показывает, что в нижних слоях характерно образование пористой структуры (рис. 3, а). В данной зоне покрытия возможно появление аморфной фазы. Это связано с большим градиентом температуры на границе покрытие-подложка в результате резкого отвода тепла. По мере аккумуляции температуры с увеличением толщины покрытия механизм кристаллизации частиц изменяется, что приводит к образованию более плотной структуры в слое с меньшей пористостью (рис. 3, б).
Как показали исследования, одним из механизмов преобразования кристаллического строения в аморфную структуру на деталях из сплавов эвтектического состава является кратковременное воздействие на поверхность высококонцентрированных источников и последующее резкое охлаждение зоны нагрева. При этом скорость отвода теплоты в металл должна составлять не мене 105-108 К/с. Для деталей из других материалов перед обработкой следует нанести тонкий слой порошка этого металла с нужными для амор-физации присадками в количественном соотношении, близким к эвтектическому. Данное направление является предметом дальнейших исследований.
В результате можно сделать выводы.
Для повышения эксплуатационных параметров деталей машин и механизмов на этапе их проектирования и изготовления следует проводить инженерию поверхности с применением различных методов и технологий.
Упрочнение поверхности с применением высокоэнергетических источников является одним из наиболее эффективных направлений. При этом повышение эксплуатационных характеристик материала существенно зависит от температурного фактора на поверхности.
В процессе восстановления геометрии изношенных поверхностей целесообразно использовать плазменную технологию, при этом более высоких показателей по износостойкости и прочности можно получить при формировании покрытий компактированной струей из материалов с дисперсией частиц на уровне наноразмеров.
Применение покрытий на основе нанопорошков открывает возможности создания композиционных материалов и покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками или полностью новыми свойствами разного функционального назначения.
Библиографический список
1. Харламов, Ю.А. Физика, химия и механика поверхности твердого тела / Ю. А. Харламов, Н. А. Будагьянц. Луганск : Изд-во Восточно-Укр. гос. ун-та, 2000. 624 с.
2. Sndarshan, T. S. Tools for engineered surfaces / T S. Sndarshan// Surface Engineering. 1998. V. 14. №6. P. 449-450.
3. Калита, В. И. Физика, химия и механика формирования покрытий, упрочненных наноразмерными фазами / В. И. Калита // ФизХОМ. 2005. № 4. С. 46-57.
4. Рогожин, В. М. Расчет нестационарных температур в пятне напыления / В. М. Рогожин, В. И. Ванько, Н. А. Амельченко // Известия вузов. Машиностроение. 1987. N° 9. С. 107-111.
N. A. AMelchenko, N. E. Anistratenko, L. S. Dobrynina, S. V. Mikhailov, О. E. Balashov
ENGINEERING OF THE SURFACE OF MACHINE DETAILS
Increase of wear resistance of details machines and mechanisms is promoted by engineering of their working surfaces with application of various methods. The plasma technology, being one of methods of engineering of a surface, requires perfection ofprocess. Thermal conditions and the mechanism offormation of a covering with spraying are considered. The opportunity of increase of operational parameters of coverings from powder nanosized materials is shown. Принята к печати в декабре 2006 г.
УДК 621.791:681.3
С. Н. Козловский
МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЯДРА И СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ
Рассматриваются методики расчетного определения размеров ядра и средних значений температуры в зоне формирования точечного сварного соединения в любой момент процесса по аналитической зависимости экспериментально-расчетного метода математического моделирования температурного поля в зоне сварки. Приводятся результаты расчетов и их сравнение с результатами расчетов по другим методикам, а также с результатами экспериментальных измерений температуры.
При решении многих технологических задач контакт- мость в расчетном определении размеров ядра (как пра-ной точечной сварки (КТС), в частности определения си- вило, его диаметра и высоты), его объема, а также сред-ловых параметров режимов сварки, возникает необходи- них значений температуры в определенных участках зоны
