CC BY
61
Проведено аналіз плакування порошкового матеріалу в процесі вакуумно-дугової металізації. За допомогою комп’ютерного моделювання були визначені раціональні параметри віброперемішування для отримання рівномірної металевої оболонки на частинках порошку
Ключові слова: вакуумна металізація, плакований порошок, віброкиплячий шар
□ □
УДК 533.9:621.793.14.74
ВАКУУМНО-ДУГОВОЕ НАПЫЛЕНИЕ МЕДИ НА ПОРОШОК РЕЛИТА WC- W2C
И . А . С е л и в е р с т о в
Кандидат технических наук, доцент Кафедра основ конструирования* Контактный тел.: (0552) 32-69-39 E-mail: sia-72@yandex.ru
Проведен анализ плакирования порошкового материала в процессе вакуумно-дуговой металлизации. С помощью компьютерного моделирования были определенны рациональные параметры виброперемешивания для получения равномерной металлической оболочки на частичках порошка Ключевые слова: вакуумная металлизация, плакированный порошок, виброкипящий слой
□----------------------------------------□
The analysis of а соаЫщ of a powder material in the course of vakuum-arc metallization is carried out. By means of computer modeling rational parameters intermixing ofa powder for reception of the uniform metal shell on particles of a powder have been spotted
Key words: vacuum metallization, coated powder, vibroboiling layer ----------------------□ □-------------------------
1. Введение
Для нанесения жаропрочных и износостойких покрытий широко применяются газотермические способы напыления. Преобладающее распространение газотермического напыления покрытий обусловлено его высокой производительностью и универсальностью, которая позволяет наносить металлические и керамические материалы заданного химического и фазового состава в виде покрытий значительной толщины [1]. На данное время газотермические покрытия все больше используются в таких областях как аэрокосмическая техника, двигателестроение, теплоэнергетика, ядерная энергетика, нефтяная, химическая, инструментальная промышленности и др. Это в первую очередь требует создания новых высокотемпературных материалов с комплексом повышенных физических, механических и металлургических свойств [1].
Для получения качественно новых видов покрытий используются композиционные порошки и механические смеси, которые почти полностью отвечают поставленным требованиям. Использование механических
С. А. Русанов
Кандидат технических наук, доцент Кафедра оборудования химических производств и предприятий строительных материалов* *Херсонский национальный технический университет Бериславское шоссе, 24, г. Херсон, Украина, 73008 Контактный тел.: (0552) 32-69-24 E-mail: ohvpbm@i.ua
И.В. Смирнов
Кандидат технических наук, доцент Кафедра инженерии поверхности Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр-т Перемоги, 37, г. Киев, Украина, 03056 Контактный тел.: (044) 454-92-56 E-mail: siv-68@rambler.ru
смесей порошков ограничено по причине расслоения в потоке плазмы, неравномерном распределении в покрытии, неравномерной скорости движения и степени нагревания частичек, которые отличаются удельным весом и температурой плавления [2,3]. Поэтому приоритетное развитие получило использование композиционных порошков.
Порошки, состоящие из карбида вольфрама, как твердая фаза и металлы или сплавы, как фаза соединения, являются важными материалами для формирования износостойких покрытий.
Значительно износостойкие покрытия получают на основе порошков карбидов WC с металлическим элементом, например кобальтом. Однако при газотермическом напылении механической смеси карбидов с кобальтом возникают некоторые трудности. При охлаждении кобальт не успевает выделиться и образовать матрицу, которая связывает частицы карбидов, частицы WC + W2С в кобальтовом покрытии распадаются и окисляются, теряя углерод через его растворение в расплавленном кобальте. Углерод потом испаряется в виде СО и СО2. Кардинально решить проблему
удалось с использованием плакированного порошка WC + Со[4]. В данном случае кобальт защищает карбид от разложения и оказывает содействие образованию комплексного стойкого карбида Co6W6C.
Сегодня применение кобальта для плакирования и нанесения покрытий ограничено в связи его высокой стоимостью, поэтому нами решалась задача плакирования порошка более дешевым и доступным материалом, например некарбидообразующим металлом - медью. В качестве исходного материала использовался литой карбид вольфрама под маркой Релит, представляющий собой эвтектику WC - W2C.
Нанесение покрытия осуществлялось методом вакуумно-дугового распыления на установке АНГА-1, испаряемые катоды изготавливали из меди марки Мо. Данный метод позволяет наносить покрытия, как на массивные объекты, так и на порошки разных фракций с высокой адгезией покрытия к обрабатываемой поверхности. Отрицательным фактором в процессе плакирования в большинстве случаев может стать высокая температура на поверхности, в результате чего частички порошка активно слипаются, образовывая конгломераты. Для устранения этого недостатка и получения равномерной оболочки на каждой частице порошка используют различные устройства перемешивания [5]: а) механическое перемешивание тонкого слоя порошка, насыпанного на горизонтальную или наклонную вращающуюся поверхность, с помощью скребков, лопастей или проволочных щеток; б) механическое перемешивание во вращающихся барабанах с частичным многократным пролетом частиц; в) перемещение и перемешивание порошков с помощью вибрационных устройств [6]; г) перемешивание порошка в электромагнитном поле.
Как показывает обзор литературных данных, перемешивание порошков в виброустройствах в состоянии
виброкипения реализуется наиболее просто и обеспечивает достаточную эффективность перемешивания и охлаждения [7].
Выбор параметров виброкипения в целом определяется внешними условиями, конструкционными особенностями установки, физико-механическими свойствами, прежде всего компрессионными, когезионными и адгезионными свойствами, формой частиц порошка, параметрами вибрации, а также рядом других факторов. Вопросы, связанные с подбором параметров виброкипения и изучением особенностей поведения порошкового материала в вакууме в условиях вибрации остаются трудноразрешимыми, требующими применения современных средств моделирования для прогнозирования конечного результата. В этой связи для определения параметров виброкипения которые обеспечивают оптимальные условия перемешивания для получения равномерной плакирующей оболочки, использовалась система
автоматизированного моделирования «Виброслой 1.0» [8].
2. Результаты и обсуждение полученных данных
С целью активизации процесса перемешивания порошка разработано специальное вибрационное устройство с горизонтальной вибрирующей платформой, которое размещалось внутри вакуумной камеры установки. Рассматриваемая задача является продолжением работы [6], где осуществлялся процесс плакирования порошка оксида алюминия в виброкипящем слое. В указанной работе при частоте вибрации 30 Гц и амплитуде 0,2 мм частицы порошка в достаточной степени отрывались от вибрирующей поверхности. Для карбида вольфрама указанных параметров оказывается недостаточно, что обусловлено большой плотностью материала (р=15,6г/см3) - частицы порошка практически не отрываются от платформы (рис. 1), хотя незначительный отрыв от виброплатформы имеется (что явно видно по графику напряжений, где нулевые напряжения соответствуют фазе полета, а пики указывают на наличие ударных нагрузок от падения материала), однако такой короткой фазы полета недостаточно для интенсивного перемешивания. Кроме того, при расчете не учитывалось влияние давления плазменного потока.
°'°1
б) Ч'-гг/7 1
t,c
Рис. 1. Поперечные (а) перемещения слоя материала и вибрирующей поверхности, иу — м ; напряжения (б) о — Па
Таким образом, для более тяжелых материалов требуется повышение параметра перегрузки (коэффициент режима работы) [7]
Г =
Аю^т в gcos а
(1)
где А - амплитуда колебаний, м; ю - круговая частота колебаний, с-1; g - ускорение свободного падения, м/с2; а - угол наклона вибрирующей поверхности к горизонту, рад; в - угол наклона траектории колебаний относительно вибрирующей поверхности (угол вибрации), рад; что, однако, наталкивается на проблему отклика вибрирующей поверхности на ударные нагрузки от падения материала. Так, например, двукратное увеличение частоты колебаний, которое приводит как видно из формулы (1) к четырехкратному увеличению параметра перегрузки, дает пиковые ударные напряжения сжатия порядка 25 103 Па (рис. 2).
3
Рис. 2. Поперечные (а) перемещения слоя материала и вибрирующей поверхности, Ыу — м ; напряжения (б) о — Па
Увеличение параметра перегрузки Г, хотя и в меньшем диапазоне, также возможно за счет увеличения амплитуды колебаний. Например, двукратное увеличение амплитуды дает следующую картину колебаний (рис. 3):
Таким образом, надежное прогнозирование параметров виброкипящего слоя порошков тяжелых соединений требует учета жесткости платформы для адекватной оценки обратной связи «форма колебаний платформы - ударные напряжения в слое», а также проведения дополнительных экспериментальных исследований по оценке механической проницаемости слоя порошка плазменным потоком, по аналогии с газовой проницаемостью для
виброкипения в обычных условиях [6].
Эффективность процесса равномерного перемешивания определялась путем определения степени закрытия и равномерностью металлического покрытия на частицах и замера экспериментальной толщины Ь покрытия с теоретически рассчитанной величиной, полученной за время плакирования т:
Ь = к0 • Ким ^ Рп • Уи
3М р (2)
пм
где Мп - масса порошка; где рп, рм - соответственно плотность материалов ядра частицы и металла покрытия; R - радиус частиц порошка;
Vи - расход испаряемого на катоде материала; к0 - коэффициент зависящий от площади закрытия слоем порошка площади виброплатформы; Ким - коэффициент использования металла катода.
Расход испаряемой на катоде меди, определялся измерением массы катода до и после напыления, в зависимости от тока дугового разряда, в пределах 80 - 130 А, что составляло 50 - 100 г/час.
В процессе экспериментов камеру через каждые 20 минут открывали, а порошок подвергали анализу с помощью бинокулярного и металлографического микроскопов на предмет определения толщины покрытия и степени закрытия поверхности частиц медью (рис. 4).
Измерялись также объем и масса порошка до и после напыления.
Выводы
Экспериментально установлено, что при осаждении на частицы порошка 2,5 - 3 масс % меди степень закрытия поверхности частиц составляет не менее 90%. Было установлено, что в результате перемешивания порошка имеющего большой диапазон грануляции в виброкипящем слое с равномерным подбрасыванием (рис. 3), степень закрытия мелких и крупных частиц была одинакова.
Рис. 3. Поперечные (а) перемещения слоя материала и вибрирующей поверхности, иу — м ; напряжения (б) о — Па
Е
Литература
1. Металические и керамические покрытия / Хокинг М., Васантасри В., Сидки П.- М.: Мир, 2000.- Sl8 с.
2. Газотермическое напыление композиционных порошков/A.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, A.C. Мнухин, М.Д. Никитин. -Л.: Машиностроение, Ленингр.отделение, l98S.-l99 с.
3. Газотермические покрытия из порошковых материалов: [справочник] / [Ю.С.Борисов, ЮА.Харламов и др.]. - Киев: Машиностроение, l987. - 544 с.
4. Formation of an Amorphous Phase in Thermally Sprayed WC-Co/ C.J. Li, A. Ohmori, and Y. Harada // Journal of Thermal Spray Technology. - March ^б. -Volume 5(l). -P. б9 -УЗ.
5. Шаронов E.A., Ванновский В.В., Aлексеев С.В. Вакуумно-дуговое напыление меди на порошок керамики SiO2 - FeOn // Труды б-й междунар. Конференции «Пленки и покрытия - 200l». — СПб: Изд. СПбГТУ. — 200l. — С.146-149.
6. Селиверстов ИА. Aнализ процесса вакуумной металлизации порошковых материалов в виброкипящем слое / ИА.Селивер-стов, C.A. Русанов, И.В. Смирнов, В.И.Копылов // Вестник національного технического университета Украины „ Киевский политехнческий інститут” / Машиностроение. —2009. — № 57. — С 50 — 5б.
У. Членов ВА. Виброкипящий слой / ВА. Членов, Н.В.Михайлов. - М.: Наука, 1972. - З44с.
8. Система автоматизованого моделювання “Виброслой 1.0”. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №25051. /СА.Русанов. - №249б1: Заявл. 14.04.2008; Опубл. 24.0У.2008.
3
