CC BY
13
0
УДК 620.3
Л. С. Белозеров, А. А. Казин Исследование эрозионной стойкости графита МПГ-7
Рассмотрена эрозионная стойкость графитовых образцов с электроискровым покрытием. Для сравнения экспериментальных результатов в качестве упрочняющего покрытия выбраны титан, тантал, вольфрам, стеллит. Для эрозионного воздействия использована установка для получения высокоэнтальпийных потоков газа, представляющая собой комбинацию плазмотрона и аэродинамического устройства, с помощью которого формируется газовый поток.
Ключевые слова: эрозионная стойкость, электроискровое покрытие, упрочнение.
о см
см
О!
<
I
(0 та
0 ^
СО та
1
о.
<и
3
и <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
Введение
Графит обладает большим количеством уникальных качеств, обусловливающих область его применения. Устойчивость к большим температурам позволяет использовать его в высокотемпературных средах. Графит также применяют в атомной энергетике, металлургии, машиностроении, ракетостроении, химической промышленности и т. д.
Электроискровая обработка - это эффективный метод для восстановления и упрочнения поверхности материалов. Данный процесс исследуется достаточно давно. Изучаются новые материалы, ранее не применявшиеся для упрочнения, экспериментально выявляются их прочностные, механические и физические свойства [1].
При электроискровом легировании (ЭИЛ) используется обратная полярность, т. е. изделие является катодом, а обрабатывающий электрод - анодом. Такой процесс включает в себя следующие этапы:
1) возбуждение электрического контакта между анодом и катодом;
2) эрозия электродов;
3) перенос и формирование упрочнитель-ного покрытия на поверхность изделия;
4) разрыв контакта;
5) образование шероховатости получаемой поверхности.
В процессе электроискровой обработки поверхностный слой обрабатываемого изделия проходит ряд структурных и базовых изменений, которые подробно рассмотрены в работах Б. Р. Лазаренко [1] и Л. С. Палатника [2]. По результатам металлографических исследований установлено, что упрочненная зона состоит из
- © Белозеров Л. С., Казин А. А., 2018
трех слоев. В процессе электроискровой обработки на поверхности катода возникает белый слой, который обычно не поддается травлению химическими реактивами. Под белым слоем располагается переходный слой, представляющий собой зону термического влияния электрических импульсов и диффузионного проникновения элементов анода и катода.
Главный недостаток электроискрового упрочнения заключается в том, что при увеличении толщины нанесенного покрытия увеличивается его шероховатость, что негативно отражается на его эксплуатационных свойствах. Для уменьшения шероховатости применяется гибридная электроискровая лазерная обработка. После упрочнения поверхности изделия методом электроискровой обработки выполняется лазерная обработка, в ходе которой сглаживается поверхность [3].
В рамках исследования графитовые образцы подвергались электроискровой обработке. Была определена эрозионная стойкость этих образцов при температуре 1800 °С. Цель данной работы - определение влияния эрозионной стойкости графита МПГ-7 с упрочненной поверхностью электроискровым способом. Методика исследований В качестве экспериментальных образцов в работе применялись пластины размерами 2x20x20 мм, изготовленные из графита МПГ-7, его свойства приведены ниже.
Плотность, г/см3......................................>1,7
Предел прочности при сжатии, МПа ....79,4
Предел прочности при изгибе, МПа.....>34,3
Удельное электросопротивление,
мкОм • м...................................................<18,0
Пористость, %.........................................12-15
Размер зерна, мм.....................................0,045-0,09
| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 2, 2018
KJ«;
На указанные графитовые образцы наносилось покрытие электроискровым способом на установке Элитрон-52А. Режимы электроискровой обработки приведены в таблице.
Режимы нанесения электроискрового покрытия
Режим электроискровой обработки Емкость, мкФ Рабочий ток, А
ЯС-1 480 10-15
После электроискрового легирования была выполнена лазерная обработка для получения более гладкой и ровной поверхности, а также снижения шероховатости. Режимы лазерной обработки приведены ниже.
Напряжения на дуге, В...............................320
Шаг по оси у, мм.........................................0,20
Шаг по оси х, мм.........................................0,35
Частота, Гц...................................................6,00
Фокусировка, мм.........................................8,00
Длительность импульса, мс.......................7,00
Форма импульса..........................................Колокол
Полученные указанным выше способом образцы подвергались плазменному воздействию на установке, представляющей собой комбинацию плазмотрона и аэродинамического устройства (показана на рисунке) для формирования газового потока заданных параметров. В плазмотроне для разогрева используется высокочастотный дуговой газовый разряд, устойчивый в широком диапазоне давлений и скоростей газового потока, а также высоковольтная слаботочная форма высокочастотного дугового разряда с малыми эрозией электродов и степенью загрязнения газового потока. Данный плазмотрон питается от лампового высокочастотного генератора с рабочей частотой 13,57 МГц и мощностью на выходе до 50 кВт.
Аэродинамическая часть построена на основе сменных геометрических сопел типа Лаваля, устанавливаемых в зависимости от требуемых параметров потока. Установка применяется для получения сравнительных характеристик огнеупорных материалов и теплозащитных покрытий, а также в технологических циклах проведения плазмохимических реакций [3]. Режимы плазмотрона приведены ниже.
Температурное торможение, °С.......................1800
Давление торможения, атм...............................0,5
Диаметр струи, мм............................................8,0
Газ
р = (1 - 20) атм
Рисунок. Схема плазмотрона [3]: 1 - высокочастотный дуговой разряд; 2 - геометрическое сопло; 3 - разогретая газовая струя; 4 - испытуемый образец; 5 - оптический пирометр
В ходе эксперимента фиксировались следующие характеристики:
• увеличение температуры образца во времени;
• скорость увеличения температуры;
• время постоянной скорости подъема температуры УТ, град/с;
• момент времени наибольшей скорости подъема температуры ¥Т тах, град/с;
• время перелома кривой ^ = _ДТ), где - ЛТ) функция зависимости времени от температуры;
• средняя эрозия образца за время эксперимента;
• максимальная температура испытуемого образца Ттах, °С. Экспериментальные результаты Наименьшую постоянную скорость роста температуры имел графитовый образец с титановым покрытием УТ = 10 град/с. Максимальная температура Ттах = 980 °С зафиксирована на 13-й с опыта, следовательно ¥т тах = 42 град/с.
Для контрольного графитового образца без покрытия наименьшая скорость роста температуры зафиксирована на 11-й с при максимальной температуре Ттах = 1400 °С, при максимальной скорости подъема температуры ¥Т тах = = 90 град/с. Данные образцы были взвешены после обработки для выявления величины эрозии. У образца с титановым покрытием результаты вдвое лучше, чем у контрольного образца. У образцов с покрытием из тантала, вольфрама и стеллита результаты ниже, чем у титана. Заключение
Показана перспективность электроискрового покрытия для повышения эрозионной стойкости графита. Установлено, что высокоэнерго-
ф о о.
I-
Ü о
Ig
та
.
та m о ч
V ^
и о
о
<и
У S
s о о
0
насыщенная обработка графита с титановым покрытием значительно повышает эрозионную стойкость графита. Электроискровая обработка увеличивает отражательную способность поверхности за счет снижения скорости подъема температуры. Благодаря нанесенному электроискровому покрытию, увеличивающему температуру плавления, также уменьшается эрозия изделия. Электроискровая обработка не вызывает изменения механических и тепло-физических свойств графита, так как толщина покрытия составляет всего 50 мк. Список литературы
1. Лазаренко Н. И. Технологический процесс изменения исходных свойств металлических
поверхностей электрическими импульсами. М.: Электроискровая обработка металлов, 1957. 70 с.
2. Палатник Л. С. Фазовые превращения при электроискровой обработке металлов и опыт установления критерия наблюдаемых взаимодействий. М.: Электроискровая обработка металлов, 1935. 433 с.
3. Кокорин А. Ф. Стенд на основе высокочастотного дугового плазмотрона для исследования свойств теплозащитных материалов // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Вып. 57. С. 138-141.
Поступила 21.03.18
Белозеров Лев Сергеевич - начальник планово-распределительного бюро цеха №2 20 АО «ОКБ «Новатор», аспирант Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург. Область научных интересов: металлургия.
Казин Александр Александрович - аспирант Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург. Область научных интересов: металлургия.
° Study of erosion resistance of graphite MPG-7
™ The study focuses on the erosion resistance of graphite samples with an electrospark coating. To compare the experimental results, we chose titanium, tantalum, tungsten, stellite as a hardening coating. For erosion, we used an installation to obtain high-enthalpy gas flows, the installation combining a plasma gun and an aerodynamic S device, by means of the latter a gas flow is formed.
Keywords: erosion resistance, electrospark coating, hardening.
<
I
« та
ç Belozerov Lev Sergeevich - Head of the Planning and Distribution Bureau of shop no. 20, Novator Design Bureau, Joint
» stock company; post-graduate student of Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Ural
§ Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin", Ekaterinburg.
n Science research interests: metallurgy.
I
Kazin Aleksandr Aleksandrovich - post-graduate student of Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Ural Federal University nai Science research interests: metallurgy.
Education "Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin", Ekaterinburg.
