CC BY
8ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.793.74
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ НА СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА МАРКИ ПГ-С27
Ю.С. ЧЁСОВ, к.т.н., доцент, Е.А. ЗВЕРЕВ, ассистент, НГТУ, Новосибирск
Получены функциональные зависимости, связывающие режимы плазменного напыления порошка марки ПГ-С27 с адгезионной прочностью и пористостью покрытий.
Functional dependences for the analysis of interrelation of conditions plasma spraying with adhesive power and porosity of coatings were received.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ПЛАЗМА, НАПЫЛЕНИЕ, ПОКРЫТИЕ, АДГЕЗИЯ, ПРОЧНОСТЬ, ПОРИСТОСТЬ.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
В последнее время в промышленности все больший интерес проявляется к износостойким покрытиям, поскольку их применение дает наибольший экономический эффект. Покрытия, как правило, наносятся на менее качественную основу, создавая поверхность, обладающую необходимым уровнем эксплуатационных свойств.
Особое место среди широко распространенных методов нанесения покрытий занимает плазменное напыление. К его достоинствам можно отнести высокую производительность, хорошую управляемость процессом, простоту реализации технологии, относительно низкую себестоимость, а также возможность обработки деталей различной конфигурации и габаритов. В зависимости от напыляемого порошкового материала можно получать различные виды износостойких покрытий. Немаловажным является и то обстоятельство, что его часто используют при восстановлении изношенных деталей.
Процесс плазменного напыления является многопараметрическим. Существует большое число факторов, влияющих на свойства покрытий. Основным устройством при реализации технологии является плазмотрон [1]. Плазменную струю получают вдуванием плазмообразую-
щего газа в электрическую дугу, образующуюся между двумя электродами плазмотрона. Частицы исходного порошка, попадая в плазменную струю, расплавляются и переносятся на обрабатываемую поверхность, образуя покрытие.
Среди основных параметров процесса, влияющих на физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий, можно выделить исходный материал (химический состав порошка, дисперсность и теплофизические свойства) и режимы напыления (напряжение, ток, состав и расход плазмообразующего и транспортирующего газов, расход порошка, дистанция напыления, скорость относительного перемещения плазмотрона и детали).
В промышленности применяется очень большое многообразие марок износостойких порошков. В то же время достаточно проблематичным остается вопрос выбора наиболее рационального режима напыления, при котором обеспечивается высокая адгезионная прочность (прочность сцепления покрытия с основой) при минимальной пористости покрытия.
В качестве объекта исследования был принят широко распространенный порошковый материал марки ПГ-С27. Порошок представляет собой высокохромистый чугун с фракци-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
онным размером частиц порядка 40...100 мкм. На практике твердость напыленных покрытий достигает 59 ИЯС. Покрытия из рассматриваемого материала обладают высокой износостойкостью в условиях абразивного изнашивания и нашли широкое применение при упрочнении рабочих органов самого разнообразного технологического оборудования: почвообрабатывающих машин, экструдеров, дорожной, строительной и другой техники.
Задачу установления связи режимов напыления с показателями качества покрытий в полной мере можно решить лишь в том случае, когда применительно к конкретной плазменной установке будет получена инженерная модель процесса. Но это требует проведения достаточно глубоких экспериментальных исследований. Необходимо принимать во внимание и то обстоятельство, что при плазменном напылении практически невозможно одновременно учесть большое количество факторов. Чем больше факторов варьируется в процессе отработки технологии, тем больше возникает погрешностей. Поэтому возникает потребность в планировании эксперимента, выборе числа факторов, входящих в математическую модель, с определением диапазона варьирования их значений.
В экспериментальных исследованиях нами использовалась плазменная установка «Киев-7» [2]. Напыление осуществлялось плазмотроном ПУН-8 (ТУ 26-05-61-86) мощностью 40 кВт. В качестве образцов применялись втулки, изготовленные из стали 20 с наружным и внутренним диаметрами соответственно 25 мм и 15 мм, шириной 12 мм. Процесс напыления осуществляли за счет поступательного перемещения плазмотрона и вращения оправки с образцами.
Для оценки адгезионной прочности оад использовался метод «сдвига» [3]. С помощью специального пресса цилиндрические образцы продавливались через матрицу. При этом происходило разрушение и отрыв покрытия. Значение прочности сцепления определялось через отношение нагрузки при разрушении к площади отрыва покрытия.
Пористость покрытий определялась металлографическим методом: на микрофотографию нетравленых шлифов наносили секущие линии, а затем измерялась длина отрезков, попавших на поры [4]. Отношение суммы длин отрезков
ТЕХНОЛОГИЯ
к общей длине секущей позволило определить общую пористость покрытия П.
Для проведения экспериментальных исследований был принят ортогональный центрально-композиционный план второго порядка [5]. Управляемыми факторами являлись сила тока дуги плазмотрона I (пределы варьирования -116...154 А), расход плазмообразующего газа (воздуха) G (13,7.26,3 л/мин) и дистанция напыления L (82,5.158 мм).
Полученные данные были обработаны с использованием программных продуктов STATISTICA 6.0 и Excel. Максимальная погрешность расчетов не превысила 5 %. В результате была получена инженерная модель процесса на базе уравнений регрессии вида
о = 130,62 - 2,316I + 3,878G - 0,086L +
ад ' ' ' '
+0,009I2 - 0,124G2 + 0,007IG,
П = -159,45 + 4,487I - 7,308G - 0,714L -- 0,0180I2 + 0,159G2 + 0,003L2 + 0,008IG.
Данная модель дает возможность оценить степень влияния каждого из факторов и выявить их взаимосвязь.
На рис. 1 и 2 показаны графические зависимости адгезионной прочности и пористости соответственно от силы тока дуги плазмотрона и расхода плазмообразующего газа при дистанции напыления, равной 120 мм.
Из рис. 1 отчетливо видно, что с увеличением силы тока прочность сцепления возрастает. Это объясняется повышением температуры струи, вследствие чего в ней уменьшается количество нерасплавленных частиц. При достижении же
Рис. 1. Зависимость адгезионной прочности покрытия от режимов напыления
16 № 3 (44) 2009
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 2. Зависимость пористости покрытия от режимов напыления
критического значения силы тока происходит перегрев и выгорание частиц в плазменной струе. Представленная зависимость показывает, что в выбранном диапазоне сила тока не достигает своего критического значения. Увеличение расхода газа способствует увеличению адгезионной прочности до определенного предела, после чего наблюдается спад. Это обусловлено сложным влиянием величины расхода на состояние плазменной струи: с увеличением расхода газа растет скорость истечения плазмы (растет и кинетическая энергия частиц порошка), но при этом происходит снижение тепловой мощности струи (что отрицательно влияет на температуру частиц). Адгезионная прочность покрытий изменяется в диапазоне значений 9,8.. .26,4 МПа.
При анализе влияния режимов напыления на пористость покрытий (рис. 2) можно отметить следующее. С увеличением силы тока наблюдается ее уменьшение, что вызвано ростом степени расплавленности частиц. Влияние расхода газа имеет более сложную закономерность. При малых значениях расхода напыляемые частицы обладают меньшей кинетической энергией, что отрицательно сказывается на пористости в про-
цессе формирования покрытия. Повышение расхода способствует снижению пористости лишь до определенного момента, после чего она возрастает вследствие уменьшения тепловой мощности плазмы. Величина пористости покрытий при различных режимах напыления составила 9.26 %. В соответствии с требованиями ГОСТ 9.304-87 пористость напыленных покрытий не должна превышать 20 %.
В результате совместного анализа полученных регрессионных зависимостей было установлено, что для обеспечения наиболее рациональных показателей качества покрытий процесс обработки целесообразно реализовывать при силе тока дуги плазмотрона порядка 140.155 А, расходе плазмообразующего газа - 18.23 л/мин и дистанции напыления - 90.100 мм.
Список литературы
1. Пузряков А.Ф. Теоретические основы плазменного напыления. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 360 с.
2. Птицын С.В., Чёсов Ю.С., Зверев Е.А. Установка для плазменного нанесения покрытий // Сб. науч. тр. НГТУ. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. -№ 4(46). - С. 67 - 72.
3. Чёсов Ю.С., Зверев Е.А. Исследование износостойкости покрытий, нанесенных методом плазменного напыления // Научный вестник НГТУ, 2008. -№ 3(32). - С. 175 - 181.
4. Методы исследования материалов. Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий / Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О.Токарев, В.И. Синдеев - М.: Мир, 2004. -384 с.
5. Ящерицин П.И., Махаринский Б.И. Планирование эксперимента в машиностроении. - Минск: Высшая школа, 1985. - 286 с.
Контактная информация для переписки:
Чесов Ю.С. - 630092, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, пр. К.Маркса, 20; тел.: (382) 346-17-79
