Особенности процесса нагрева композиционного порошка при газотермическом напылении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.793.18

А.В. Поликарпов, ассистент

ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА НАГРЕВА КОМПОЗИЦИОННОГО ПОРОШКА ПРИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАПЫЛЕНИИ

Газотермическое напыление позволяет получать покрытия из большого числа природных и искусственных материалов для повышения износостойкости и работоспособности деталей сельхозтехники в различных неблагоприятных условиях эксплуатации. Одно из существенных преимуществ метода — возможность управления составом, структурой и свойствами покрытий за счет применения различных композиционных порошков с широким интервалом соотношения компонентов. В качестве последних используют металлы, сплавы, оксиды, карбиды, бориды, нитриды, сульфиды, твердые смазки и др. Они формируют покрытия с разными физико-механическими характеристиками.

Композиционный порошок — это порошок сложного состава, у которого каждая гранулометрически самостоятельная частица состоит из макрообъемов нескольких компонентов, отличающихся по химическому составу, и идентична по качественному составу всем остальным частицам.

Многообразие способов получения и конструкций частиц композиционных порошков, изготавливаемых методами плакирования и конгломери-рования, обусловливает возможность получения материалов и покрытий различного назначения и с разными физико-механическими характеристиками:

• износостойкие покрытия;

• жаростойкие покрытия;

• коррозионностойкие покрытия;

• электропроводные покрытия и т. д.

Для получения покрытий с заданными физикомеханическими характеристиками необходимо изучение процесса газотермического напыления композиционных порошков, условий нагрева частиц с учетом сложных физико-химических процессов межфазного взаимодействия.

Эффективность газотермического напыления в значительной мере обусловлена характером нагрева частиц композиционного порошка в газовой струе [1].

Состояние частиц при газотермическом напылении находится в сложной зависимости от большего числа параметров:

• параметры газовой струи: температура, скорость, теплопроводность;

• параметры частиц композиционного порошка: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота плавления, размеры частиц и их форма.

Рассмотрим влияние компонентов композиционного порошка на процесс их нагрева в газовой струе с целью дальнейшего прогнозирования свойств полученного покрытия.

Математическую модель движения и нагрева частицы в объеме газовой струи представляют следующей системой дифференциальных уравнений [2]:

йуч _ 18ЦГ І1 + / (К-е))

где Тч, Тг—температура, К; уч, V, - скорость, м/с; — диаметр, м; сч — теплоемкость, Дж/К; р — плотность, кг/м2; цг — динамическая вязкость, Па-с; X, - теплопроводность, Вт/(м-К); № — критерий Нуссельта; Яе — критерий Рейнольдса; индекс «ч» означает частицу, «г» — газ.

Анализируя вышеизложенную модель, можно прийти к следующему условию перевода частицы в расплавленное состояние:

\2

(1 + / (К-е Ж ц,

. > йч2Тп2с32рчК

4 Ш1П “ 4М2,

где 1ч ш1п — наименьший путь движения частицы в зоне нагрева, за который она расплавляется, м; сэ — условная эквивалентная теплоемкость, Дж/К; Ап — поправочный коэффициент, учитывающий погрешность от вве-

Условную эквивалентную теплоемкость частицы можно представить в виде [2]:

\cpdT + ХАЯф

С =-

т - т

(1)

где То, Тп — начальная температура и температура плавления частицы, К; ^АП<и — сумма теплот фазовых переходов при нагреве от То до Тп.

Совокупность параметров в правой части выражения (1), характеризующих свойства напыляе-

дения с .

мого материала и определяющих его с точки зрения трудности плавления в условиях газовой струи, обозначим как параметр трудности плавления материала при напылении D.

С учетом влияния внутреннего теплового сопротивления частицы и влияния экзотермических эффектов взаимодействия в частице параметр D имеет вид [2]:

D = (еэТпК0/ - п^э)2 рч (1 + 0,2В1)2,

где Qэ — экзотермический эффект взаимодействия; п<-> — степень использования экзотермического эффекта на участке нагрева частицы до расплавления; Б1 — критерий Био.

Физическая сущность параметра трудности плавления D заключается в отношении количества теплоты, необходимой для расплавления единицы объема частицы, к времени пребывания ее в зоне нагрева.

В связи с вышеизложенным параметр D может принимать ряд значений, соответствующих последовательному ряду температур плавления компонентов.

Для двухкомпонентной композиции имеем [2]:

D/ =

D" =

Р1Р2 (<:2+Р1 С2 ))

Р1 +Р1 (Р2 -Р1)

Р1Р2 c2))2

Р1 +Р1 (Р2-Р1)

п1’

п 2’

(2)

(3)

где D', D" — параметр трудности плавления материала ядра и плакирующей оболочки; е\, е" — эквивалентные теплоемкости ядра и плакирующей оболочки, Дж/К; е2 е'2 — теплоемкость ядра и плакирующей оболочки, Дж/К; р., р2 — плотность ядра и плакирующей оболочки, кг/м3; Т.., Т22 — температура плавления ядра и плакирующей оболочки, К; р. - массовое содержание плакирующей оболочки, %.

Теплоемкости вычисляются по следующим формулам:

Тп1 Тп1 Т 2

I е1^Т + ЬП1 | е1^Т + ЬП1 +| еЖ1^Т

ТП1 - Т0

Тп 2 - То

-•п1

| c2 йТ

'п1

-•п1

| ^йТ

'п2

c^=■

ТП1 - То

Тп 2 - То

где сж1 — средняя теплоемкость планирующей оболочки в расплавленном состоянии, Дж/К; Ь{1, Ь{2 — теплоты плавления ядра и плакирующей оболочки, К; То — начальная температура частицы, К.

В зависимости от характеристик газовой струи могут иметь место три варианта степени нагрева частиц композиционного порошка:

• частица в твердом состоянии;

• частица состоит из расплава оболочки и твердого ядра;

• полное плавление всех компонентов частицы. Характер зависимости D' и D" от состава композиции может быть определен по знаку производной от функции (2) и (3) [2]:

^ Т 2 е2 +Р1 (е1 ~ е2 ) у

тп Р1г2Тп / ч2

^ (р1 +Р1 (р2 -Р2 ))

Х(2е1р1 _ е2 (Р1 +Р2) + (С1 _ е2)(Р2 _Р1 )?1).

Знак производной зависит от знака последнего многочлена. Из его анализа следует что:

• при е'1 > е' 2(р1 + р2) / (2р1) увеличение доли второго компонента приводит к уменьшению D', т. е. переход первого компонента в расплавленное состояние облегчается;

• при е'1 < е' 22р2 / (р1 + р2) имеет место обратная зависимость;

• при е'2(р1 + р2) / (2р1) > е'2(2р1) / (р1 + р2) происходит переход значений через ноль, т. е. изменение D носит экстремальный характер. Влияние доли плакирующей оболочки в на параметр трудности плавления D представлен на рис. 2. Анализу параметра трудности плавления D подвергались следующие композиционные порошки:

• композиционный порошок металла с материалом, не плавящимся в условиях газовой струи (рисунок — график 1);

• композиционные порошки, содержащие материалы с различным комплексом теплофизических свойств (рисунок — графики 2, 3, 4).

D ■ 10~10, кДж2/(кг-м3)

Влияние доли плакирующей оболочки р на параметр трудности плавления D:

1 — С-№ (оболочка); 2 — А1203-№ (ядро);

3 — А1203-№ (оболочка); 4 — А1-№ (оболочка)

п 1

В процессе нагрева частиц композиционного порошка возможно протекание следующих процессов:

• взаимное смачивание, растекание или сворачивание компонентов;

• образование сплавов;

• синтез соединений;

• образование новых фаз;

• взаимодействие материала частиц с окружающей средой.

Таким образом, процесс нагрева частиц композиционного порошка определяет межфазное взаимодействие частиц, а это, в свою очередь, оказывает влияние на структуру формируемого покрытия.

Проведенный анализ позволяет прогнозировать взаимное влияние компонентов частицы композиционного порошка на процесс их нагрева в газовой струе.

Список литературы

1. Балдаев, Л.Х. Газотермическое напыление: учебное пособие / Л.Х. Балдаев, В.Н. Борисов, В.А. Вахалин; под общ. ред. Л.Х. Балдаева. — М.: Маркет ДС, 2007. — 344 с.

2. Газотермическое напыление композиционных порошков / А.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, А.С. Мнухин [и др.]; под общ. ред. А.Я. Кулик. — Л.: Машиностроение, 1985. — 200 с.

УДК 621.9.015:62.187

В.Я. Коршунов, доктор техн. наук, профессор А.М. Случевский, соискатель

ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОПУСТИМОГО ИЗНОСА РЕЗЦОВ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ

Точность машин и механизмов, а также многих других изделий машиностроения является важнейшей характеристикой их качества. Современные мощные и высокоскоростные машины не могут функционировать при недостаточной точности их изготовления в связи с возникновением дополнительных динамических нагрузок и вибраций, нарушающих нормальную работу машин и вызывающих их разрушение.

Повышение точности изготовления деталей и сборки узлов увеличивает долговечность и надежность эксплуатации механизмов и машин. Этим объясняется непрерывное повышение требований к точности изготовления деталей машин в целом.

Повышение точности механической обработки устраняет пригоночные работы на сборке. Позволяет осуществить принцип взаимозаменяемости деталей и узлов и ввести поточную сборку, что не только сокращает трудоемкость сборки, но также облегчает и удешевляет проведение ремонта машин в условиях их эксплуатации.

Фактическая погрешность Лф формы детали, обработанной на каком-либо станке, может быть представлена в общем виде как сумма двух групп погрешностей [1]: кинетической Лк, определяемой точностью изготовления и настройки станка, а также динамической Лд, которая зависит от упругих деформаций технологической системы под действием сил резания:

д, = Л + Л

(1)

Кинетическая погрешность зависит от большого количества разнообразных факторов и, как правило, определяется экспериментально при осуществлении рабочих движений в условиях обработки без снятия стружки. Динамическая погрешность, которая составляет примерно 60.. .90 % Лф зависит от усилий (режимов) резания, износа инструмента и температуры его нагрева в процессе механической обработки, поэтому ее можно и нужно определять расчетным путем.

Для определения фактической погрешности диаметра изделия Лф.д при обработке на токарном станке используют формулу [2]:

ЛФ.Д = 2Py

1

1

J, J„

(2)

где Ру — радиальная (нормальная) сила резания, Н; J , J , J — жесткость детали, инструмента и станка

д’ ин ст *

(технологической системы), Н/мм.

Жесткость станка Уст в формуле (2) является величиной постоянной и приводится во многих литературных источниках [2, 3]. Использование основных положений дисциплины «Сопротивление материалов» позволяет достаточно точно устанавливать степень влияния жесткости детали /д и инструмента Уин на фактическую погрешность обработки.

Для прогнозирования погрешности обработки заготовки в зависимости от времени работы резца, с учетом роста ширины площадки износа по зад------------------------------------------135