CC BY
89
УДК 621.793.74:621.791.927.55
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С МОДУЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
А.М. Кадырметов
Рассмотрены возможности технологического совершенствования плазменного нанесения и упрочнения покрытий, включающие модуляцию электрических параметров косвенной и выносной дуг плазмотрона, а также их реализацию в виде новых эффективных ресурсосберегающих технологий для нанесения упрочняющих покрытий
Ключевые слова: плазменное напыление, плазменное упрочнение, дуга прямая, дуга косвенная, модуляция параметров
Возрастание современных требований к технике и рост удельных нагрузок на детали машин являются причинами применения современных технологий, позволяющих повысить качество новых и восстанавливаемых изделий. Для деталей, подверженных эксплуатационным изнашивающим воздействиям и коррозии, это может быть обеспечено путем создания газотермических покрытий, стойких к таким воздействиям.
Остается востребованным и экономически обоснованным восстановление изношенных деталей, так как при одинаковом ресурсе стоимость деталей, восстановленных газотермическими технологиями, в 4-5 раз ниже стоимости новых.
В группе газотермических технологий нанесения функциональных и, в том числе, износостойких покрытий, повышающих ресурс деталей машин, в силу своих преимуществ широкое применение имеет непрерывно развивающееся плазменное напыление. Оно характеризуются малым термическим воздействием на напыляемую основу (до 80... 150 °С), высокой производительностью (до 8 кг/ч и более), экономичностью, наиболее широкой номенклатурой напыляемых материалов и универсальностью по отношению к материалам напыляемых деталей.
Использование плазменного напыления имеет ограничения, в число которых входят: недостаточная прочность самого покрытия и его соединения с подложкой (например, при ударных и знакопеременных нагрузках), остаточные растягивающие напряжения для большинства покрытий, отрицательно влияющие на сопротивление усталости и ограничивающие толщину покрытий величиной около одного миллиметра, пористость и др. Возможные пути устранения данных недостатков и повышения эффективности технологии плазменного напыления пред-
Кадырметов Анвар Минирович - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 231-90-96
ставлены на рис. Из рисунка видно, что указанные задачи целесообразно осуществлять путем совершенствования, развития и универсализации как самой технологической операции напыления покрытий, так и последующих технологических операций их упрочнения или совмещением с ними. На рисунке не указано, что на качество наносимого покрытия существенное влияние оказывает способ и качество предварительной подготовки поверхности детали.
Совершенствование самой технологической операции напыления может быть обеспечено путем модуляции параметров плазмотрона, путем добавления присадок в плазмообразующий газ, газодинамическими способами, а также путем сочетания этих методов [1, 2]. В качестве присадок в плазмообразующий воздух могут добавляться углеводородсодержащие газы, что позволяет повысить энергетические характеристики процесса и его эффективность. Для нанесения алмазоподобных покрытий в качестве добавок могут использоваться химические соединения, которые в результате плазмохимических реакций обеспечивают нанесение оксидов и карбидов кремния [3].
Модуляция электрических параметров плазмотрона заключается в наложении импульсов тока прямой и обратной полярности на средний ток дуги, что приводит соответственно к импульсному увеличению или снижению мощности дуги. Как показали исследования, она является эффективным методом, позволяющим просто управлять технологическими параметрами плазменного напыления, его энергетическими характеристиками и, как следствие, качеством покрытий [1, 2].
Технологический метод добавления углеводородсодержащих газов к плазмообразующему воздуху позволяет увеличить энтальпию и теплопроводность плазменной струи до 2 раз, создать нейтральную и восстановительную атмосферу; повысить тепловой КПД плазмотрона; увеличить температуру плазменной струи (с 5300 °К до 6200 °К для пропа-
Технологические пути совершенствования плазменного нанесения и упрочнения покрытий, поверхностей
на) и скорость плазменной струи и напыляемых частиц на 10...30 % [1, 2, 4].
Экспериментальное исследование электрических параметров плазменного напыления в режиме модуляции показало, что:
- разработанная схема модулятора в совокупности с использованным источником питания позволяет получать импульсы прямой полярности с максимальными амплитудами, равными 1,2 кА по силе тока и 0,5 кВ по напряжению на дуге; для получения более мощных импульсов требуется усовершенствование источника питания и модулятора;
- динамические характеристики контура "модулятор - дуга - дроссель" существенно зависят от индуктивности дросселя, который на 1...1,5 порядка уменьшает амплитуды импульсов;
- с помощью расхода плазмообразующего воздуха и параметров модулятора можно регулировать амплитуды импульсов в 2...16 раз;
- изменение частоты модуляции позволяет регулировать мощность дуги в 1...2 раза;
- использование двухполярной импульсной модуляции позволяет в 3 и более раз увеличить энерговложение в импульсе по сравнению с однополярной импульсной модуляцией;
- увеличение расхода плазмообразующего воздуха приводит к уменьшению длительности импульсов прямой полярности и увеличению амплитуд импульсов обратной полярности по току и напряжению;
- добавление пропана в плазмообразующий воздух в стехиометрическом соотношении без модуляции приводит к формированию пульсаций тока и напряжения с частотой 1... 1,2 кГц и размахом пульсаций тока 20...40 А; при этом общий размах пульсаций напряжения дуги возрастает в 1,3... 1,8 раз.
Экспериментальное исследование газодинамических параметров процесса плазменного напыления с помощью разработанной установки позволило обнаружить:
- ударные волны слабой интенсивности (с амплитудой давления 5 кПа и скоростью М = 1,02) на расстоянии 50 мм от среза сопла плазмотрона; они соответствовали импульсам тока и напряжения на дуге с амплитудами 900 А, 287 В и длительностью импульса тока 200 мкс; при средней мощности дуги 11,5 кВт амплитуда импульса мощности составляла 250 кВт;
- интенсивное гашение ударных волн вниз по потоку вследствие его высокой турбулентности; амплитуда импульса давления в канале плазмотрона, оцененная с помощью расчета в 14 кПа, падает в 3
раза по сравнению с аналогичной для сечения, расположенного на расстоянии 50 мм от среза сопла;
- ударная волна сама интенсивно турбулизует поток - возникают высокочастотные пульсации;
- повышение за счет импульсной модуляции скорости и температуры струи и частиц на 30...50 %;
- повышение температуры и скорости струи и скорости частиц на величину до 30 % и более при добавлении пропана в плазмообразующий воздух.
В итоге указанное газодинамическое влияние технологических методов добавления присадок в плазмообразующий газ и модуляции параметров приводит к повышению энергетического состояния напыляемых частиц перед их соударением с подложкой.
Экспериментальные исследования физикомеханических свойств покрытий показали, что импульсная модуляция тока дуги плазмотрона и добавление пропана позволяют повысить физикомеханические и триботехнические характеристики покрытий [2]: повышается прочность соединения покрытия с основой в 1,5...2 раза; увеличивается твердость покрытия в 1,2... 1,7 раз; понижается газопроницаемость покрытия в 4...10 раз; повышается износостойкость покрытия (в условиях изнашивания в абразивно-масляной прослойке она возрастает в 1,14.1,9 раз).
Таким образом, использование импульсной модуляции тока дуги плазмотрона и добавление присадок в плазмообразующий газ в процессах обработки материалов электродуговыми плазменными установками на основании вышеизложенного дает положительный технико-экономический эффект. Однако для успешного использования данной технологии необходимо: исследовать физику и химию процессов обработки материалов в режиме модуляции; повысить надежность оборудования; разработать систему регулирования плазменной обработки материалов в зависимости от их свойств по параметрам модулятора, плазмотрона и присадок к плазмообразующему газу; разработать теоретические основы выбора параметров модуляции и оптимизировать значения параметров модуляции.
Для покрытий, требующих повышенного качества, проводится их упрочнение, которое осуществляется технологическими операциями термомеханической обработки [5] и электромеханической обработки, позволяющими уменьшить припуск на финишные операции шлифования и полирования, залечить микротрещины, сэкономить дорогостоящие материалы покрытия и абразивного инструмента. При термомеханической обработке покрытие приобретает более плотную и равновесную структуру, а также остаточные напряжения сжатия вместо на-
пряжений растяжения. Это приводит к повышению прочности соединения покрытия с основным металлом на 5...10 %, уменьшению его газопроницаемости в 5. 6 раз, заполнению пор и повышению предела выносливости восстановленных деталей на 14.18 %, повышению износостойкости в 1,3... 1,4 раза, уменьшению припуска на шлифование до
0,03...0,05 мм.
К современным известным прогрессивным технологическим методам упрочнения поверхностей и покрытий, позволяющим получить повышенное качество поверхности, относятся плазменная закалка, модификация, финишное плазменное упрочнение [3] и для поверхностей сложного профиля -комбинированная отделочно-упрочняющая обработка гранулированной токопроводящей средой [5]. В этом случае комбинированная обработка образцов до и после нанесения покрытия проводится на струйнодинамических установках эжекторного типа с наложением тока низкого напряжения. Для упрочнения покрытий из самофлюсующихся материалов традиционно используется их оплавление.
С целью повышения производительности и эффективности нанесения покрытий во многих случаях целесообразно совмещение операции напыления и упрочнения покрытий. Это совмещение может быть осуществлено как с помощью косвенной дуги, горящей внутри плазмотрона между катодом и анодом, так с помощью двух дуг - косвенной и прямой (выносной), горящей между одним из электродов плазмотрона и изделием. Процесс, использующий обработку двумя дугами, является известным гибридным процессом плазменной наплавки-напыления (ПНН) [3]. Качество получаемых этими процессами покрытий превышает качество традиционно напыленных покрытий за счет регулирования мощности дуг и охлаждения. Это обеспечивает гарантированное оплавление покрытия и меньшее тепловое воздействие на подложку в сравнении с традиционными оплавлением или наплавкой.
В настоящее время в основном используется плазменная наплавка с прямой полярностью выносной дуги (деталь подключена к аноду, а катод к отрицательному полюсу источника питания). Модуляция выносной дуги прямой полярности позволяет получить покрытия с высокими физикомеханическими и триботехническими свойствами [2]: прочность соединения покрытия с основой увеличивается в 1,15.1,25 раза, микротвердость - в 1,1.1,2 раза, сопротивление усталости образцов -до 1,2 раз, износостойкость покрытий - в 1,25.1,35 раза. Пористость покрытий понижается в 1,2.1,3 раза. Повышение основных физико-механических свойств покрытий позволяет использовать разраба-
тываемую технологию для деталей, работающих при знакопеременных и циклических ударных нагрузках.
Однако использование прямой полярности выносной дуги имеет основной недостаток, заключающийся в перегреве металла детали. Применение обратной полярности в плазменной наплавке (деталь подключается к отрицательному полюсу источника питания) позволяет устранить выявленный недостаток и обеспечить отсутствие непроваров, трещин, пор, несплавления или отслоения перемешивания основного металла с покрытием [3]. В свою очередь, использование плазменной наплавки с обратной полярностью сдерживается недостатками:
- усложняется конструкция и уменьшается ресурс плазматрона;
- дуга обратной полярности, может потерять пространственную устойчивость с «привязкой» к острым кромкам и выступам;
- затруднена наплавка в трудно доступных местах и на ограниченных поверхностях;
- недостаточен опыт применения технологии наплавки на обратной полярности.
Результаты исследований показывают, что указанные недостатки могут быть устранены путем динамизации процессов с помощью модуляция электрических параметров.
Это позволяет сделать вывод о необходимости дальнейших исследований модуляции параметров процессов нанесения и упрочнения покрытий и использования присадок в плазмообразующий газ с целью совершенствования и повышения эффективности этих технологий.
Совершенствование технологии плазменного напыления в аспекте её развития и универсализации предполагает распространение данной технологии для нанесения толстослойных покрытий (толщиной более 1 мм) [6] и покрытий на внутренние малогабаритные поверхности деталей машин [7].
Такое дополнение возможностей ВПН позволяет охватить подавляющее большинство деталей, нуждающихся в данной технологии, и обеспечивает высокую производительность процесса, стабильность его выходных параметров при различных возмущающих воздействиях и, следовательно, стабильность качества покрытий.
Литература
1. Кадырметов А. М., Сухочев Г. А. Особенности процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий при модуляции электрических параметров // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. - № 4(52). - С. 25-28.
2. Кадырметов А. М. Станчев Д. И., Сухочев Г. А. Экспериментальные исследования параметров управляемости процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. - № 11(47). - С. 53-56.
3.Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. -СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. - 406 с.
4.Клубникин В. С., Карасев М. В., Петров Г. К. Плазменное напыление покрытий в активных средах. - Л.: О-во «Знание» РСФСР, ЛО, ЛДНТП, 1990. - 20 с.
5.Сухочев Г. А., Кириллов О. Н., Кадырметов А. М., Небольсин Д. М., Смольянникова Е. Г. Технологическое обеспечение качества нанесения защитных покрытий комбинированной обработкой // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - №8(68) . - С. 39-44.
6. Кадырметов, А. М. Оценка температур клиновидных поверхностей в процессе плазменного напыления // Технологическое обеспечение машиностроительных производств: Межвузов. сборник научных трудов. Вып.2. -Воронеж: ВГТУ, 2002. - С. 55-59.
7. Станчев Д. И., Кадырметов А. М., Иванников В. А. Качество плазменных покрытий, напыленных на внутренние поверхности деталей // Новационные технологии и управление в технических и социальных системах: Тез. докл. межвуз. науч.-практ. конф. - Воронеж, 1999. - Вып.
1. - С. 39-40.
Воронежская государственная лесотехническая академия
TECHNOLOGICAL POTENTIALITIES AND PROBLEM QUESTIONS OF PLASMA SPRAYING AND COAT-STRENGTHENING WITH MODULATION OF ELECTRICAL
PARAMRTERS
A. M. Kadyrmetov
Here are presented the technological ways and problem questions of improvement in plasma-spraying and coat-strengthening processes, for example: electric parameter modulation of indirect and direct plasmatron electric arcs. New effective technologies are constructed which can be applied to coating and strengthening on surfaces
Key words: plasma-spraying, plasma strengthening, direct arc, indirect arc, parameter modulation
