УДК 621.891:620.22

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ, НАНЕСЁННЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

 

USE OF AN ELECTROMECHANICAL PROCESSING FOR SURFACE MODIFICATION, PUT BY A METHOD ARC METALLIZATION

 

Иваночкин П.Г., Мясникова Н.А., Мантуров Д.С., Мясников Ф.В.

(ФГБОУ ВПО РГУПС, Ростов-на-Дону, РФ)

Ivanochkin P.G., Myasnikova N.A., Manturov D.S., Myasnikov F.V.

(Rostov state transport university)

 

Исследована возможность модифицирования поверхностей, нанесённых методом электродуговой металлизации, с помощью электромеханической обработки покрытий. Её применение приводит к существенному снижению пористости покрытий и увеличению прочности сцепления покрытий с подложкой.

The possibility of modifying the surfaces deposited by arc spraying method, using electromechanical processing coatings. Its application leads to a significant reduction in the porosity of coatings and increase the adhesive strength of coatings to the substrate.

 

Ключевые слова: покрытия, модифицирование поверхности, электродуговая металлизация, электромеханическая обработка, прочность сцепления, микроструктура покрытий.

Key words: coating, surface modification, electromechanical processing, arc spraying method, the adhesion strength, the microstructure of the coatings.

 

Современный этап развития техники железнодорожного транспорта характеризуется жесткими требованиями к эксплуатационным параметрам машин и агрегатов, увеличением их мощности, повышением скоростей относительного перемещения движущихся деталей. При этом в большинстве случаев долговечность машин определяется состоянием рабочих поверхностей их деталей.

Значительное место в технологии восстановления и поверхностного упрочнения получили методы нанесения покрытий напылением. Процессы напыления, в которых частицы потоками горячих газов разогреваются до температур плавления, называются газотермическими (ГТН). К ним относят газопламенное, плазменное, детонационное напыление, электродуговую металлизацию (ЭДМ). При газотермическом напылении поверхность детали, на которую наносится покрытие, остается в твердом состоянии. Вследствие этой особенности для процессов ГТН характерны малые тепловые деформации и, во многих случаях, отсутствие структурных изменений в обрабатываемых деталях. Кроме того, здесь незначительны ограничения по составу наносимых материалов. Все это обусловливает привлекательность ГТН-методов для улучшения эксплуатационных характеристик изделий. Упрочнение и восстановление деталей машин методами газотермического напыления относятся к числу перспективных способов защиты изделий от износа и коррозии [1, 2].

Широко применяемым методом газотермического напыления является электродуговая металлизация (ЭДМ). Этот метод выглядит предпочтительнее перед другими способами нанесения газотермических покрытий по тепловой эффективности, стоимости напыляемых материалов, производительности и простоте обслуживания. Эффективный КПД нагрева, то есть доля тепловой энергии, идущей непосредственно на нагрев и плавление распыляемого материала, при ЭДМ составляет в среднем 60 %. [3]. Низкие тепловые потери обусловлены физическими особенностями процесса. Здесь нагрев и плавление распыляемого материала происходит за счет тепла электрической дуги, горящей между электродами, из которых образуется распыляемый материал. В других ГТН-процессах генерация тепла и его расход на плавление распыляемого материала разделены по времени и в пространстве, что обусловливает высокие теплопотери. В наиболее распространенном процессе плазменного напыления (ПН) эффективный КПД нагрева в несколько раз ниже. Он составляет 2 – 27 %, в зависимости от вида распыляемого материала (проволока или порошок) и конструкции соплового узла.

Одним из основных недостатков методов ГТН по сравнению со сварочно-наплавочными методами является более низкая адгезия с материалом основы. С целью повышения адгезии с материалом подложки нами предлагается модифицирование поверхностей покрытий, полученных электродуговой металлизацией

Рассматриваемый метод модифицирования покрытий заключается в применении электромеханической обработки (ЭМО) после их нанесения. Электромеханическая обработка реализуется при пропускании электрического тока большой плотности (108–109 А/м2) и низкого (2–6 В) напряжения через зону контакта детали и деформирующего электрода-инструмента (ролика или пластины), движущихся во взаимно перпендикулярных направлениях [4, 5]. При этом, в результате выделения большого количества джоулева тепла, происходит высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием. Вследствие быстрого непрерывного охлаждения нагреваемых локальных участков поверхностного слоя за счет отвода тепла вглубь основного металла происходит мгновенная закалка поверхности детали. Технологические характеристики, посредством которых регулируется интенсивность температурно-силового воздействия на материал детали при ЭМО, обеспечивают заданные параметры упрочненного поверхностного слоя. Их можно разделить на механические режимы обработки и электрические (энергетические) параметры упрочнения. Наиболее важными механическими режимами упрочнения являются скоростные характеристики относительного перемещения инструмента и обрабатываемой поверхности: скорость обработки V (при обработке цилиндрических деталей оценивается частотой вращения заготовки - n), поперечная подача инструмента S, и силовой параметр – деформирующее усилие F. Кроме того, к механическим режимам упрочнения относят и число рабочих проходов при многопроходной ЭМО. К электрическим параметрам ЭМО относят: напряжение U и ток I в рабочем контуре силового трансформатора, а также частоту переменного тока. От величины этих характеристик зависит количество джоулева тепла (удельная мощность теплового потока), выделяющегося при обработке в зоне контакта электрода-инструмента с поверхностью детали, и, как следствие, все основные (и геометрические, и физико-механические) характеристики упрочненного ЭМО поверхностного слоя. Обратим внимание, что особенностью электромеханической обработки является локальность области высокотемпературного воздействия, так как площадь зоны контакта составляет лишь несколько квадратных миллиметров.

Для проведения сравнительных исследований нами были выбраны покрытия, полученные методом ЭДМ и наплавленные сваркой в среде защитного газа. Покрытия, получаемые методом ЭДМ и наплавки, наносили на образцы, изготовленные из материала латунь ЛЦ14К3С3. Для выявления возможности снижения стоимости материалов, используемых для ЭДМ, варьировались проволоки, используемые при напылении. Для проверки возможности повышения прочности связи между покрытием, полученным методом ЭДМ, и подложкой из ЛЦ14К3С3 проведена ЭМО образцов в разных режимах. Были изготовлены образцы из латуни ЛЦ14К3С3 (цилиндрические диаметром 24 мм – для определения прочности сцепления покрытия с основой; и прямоугольные 10х12х100 – для металлографии и определения внутренних напряжений с помощью рентгеновского дифрактометра). На изготовленные образцы с помощью метода электродуговой металлизации нанесены покрытия толщиной 1,5-2,0 мм из кремнемарганцовистой бронзы БрКМЦ 3-3 (серия образцов А), стальной сварочной омеднённой проволоки Св-08Г2С (серия образцов Б), бронзы БрКМЦ 3-3 и стальной сварочной омеднённой проволоки Св-08Г2С (серия образцов В). Покрытия наносились электродуговым металлизатором ЭДМ-14 с использованием проволок диаметром 1,6 мм и формировались в следующем режиме: напряжение 31 В, ток 200 А, давление сжатого воздуха 0,6 МПа, расстояние от сопла до напыляемой поверхности составляло 110-130 мм. Для проверки возможности повышения прочности связи покрытия с основой образцы с напылённым покрытием были подвергнуты электромеханической обработке двухконусным роликом диаметром 40 мм с рабочей цилиндрической зоной шириной 0,7 мм. Усилие прижима ролика составляло 200 и 800 Н. Число оборотов ролика при ЭМО 13 об/мин., подача суппорта 0,125-0,25 мм/об. Ток в процессе ЭМО составлял 440 и 870 А. Напряжение – 4 В. Образцам соответственно присваивались обозначения серий: АЭ, БЭ, ВЭ. Наплавку на образцы из латуни ЛЦ14К3С3 осуществляли с помощью многофункционального сварочного аппарата «Мультиплаз 4000» неплавящимся электродом в среде защитного газа (аргон). Для наплавки использовали проволоку из бронзы БрКМЦ 3-3 диаметром 1,6 мм. Образцы с индексом Д получены в режиме постоянного тока при напряжении 13 В и силе тока 100 А. Образцы с индексом Е получены в режиме импульсного тока при частоте следования импульсов 100 Гц, базовый ток (ток в паузе между импульсами) - 20 А, скважность импульса (доля времени импульса сварочного тока в суммарном периоде) - 20%.

Для определения прочности сцепления металлических покрытий с основой, были проведены испытания. Прочность сцепления, определяемая как отношение усилия разрушения связи покрытия с основой к площади нанесенной поверхности образца (ГОСТ 7855-68), оценивалась из испытаний цилиндрических образцов на сдвиг. В таблице 1 приведены характерные результаты испытаний.

 

Таблица 1 – Прочность сцепления испытанных образцов

№ образца

Ширина покрытия

b, мм

Площадь контакта

покрытия с основой, S, мм2

Усилие сдвига Fm, Н

Прочность сцепления σсц, Н/мм2

15

1131

25130

22,219

10А

15

1131

24175

21,375

12А

15

1131

24503

21,665

15

1131

33100

29,266

15

1131

32765

28,970

15

1131

33500

29,620

15

1131

45225

39,987

15

1131

42530

37,604

21В

15

1131

44676

39,501

11АЭ

15

1131

42127

37,248

15АЭ

15

1131

41268

36,488

34АЭ

15

1131

39658

35,065

3БЭ

15

1131

41175

36,406

9БЭ

15

1131

47249

41,776

31БЭ

15

1131

45237

39,997

24ВЭ

15

1131

48805

43,152

35ВЭ

15

1131

44339

39,203

38ВЭ

15

1131

45456

40,191

44Д

2

151

40104

265,589

45Д

2

151

39944

264,530

46Д

2

151

41187

272,762

51Е

2

151

42047

278,457

52Е

2

151

44713

296,113

53Е

2

151

40230

266,424

 

Из данных таблицы видно, что прочность сцепления образцов при применении ЭМО увеличивается на 20-50%. Так если средние значения прочности сцепления для серии А σсц,= 21,7 Н/мм2, серии Б σсц,= 29,2 Н/мм2, серии В σсц,= 38,6 Н/мм2, то после применения электромеханической обработки прочность сцепления образцов: для АЭ σсц,= 35,1 Н/мм2; для БЭ σсц,= 40,2 Н/мм2. Для образцов серии ВЭ прочность сцепления повысилась незначительно – среднее значение σсц,= 41,7 Н/мм2. Прочность сцепления в случае образцов, полученных наплавкой, значительно выше: для образцов серии Д σсц,= 264,5 Н/мм2; для образцов серии Е σсц,= 278,4 Н/мм2 .

Кроме того, были проведены металлографические исследования c измерением микротвёрдости в поверхностных слоях образцов из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытиями. Целью исследования являлось определение микроструктурных характеристик покрытий и основы. Электромеханическая обработка образца из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытием из БрКМЦ3-3 при нагрузке на рабочий ролик 200 Н по структуре напыленного слоя отличается от образца А более плотным строением и сглаженной поверхностью (Рис. 1)

 

а)

б)

Рисунок 1 - Фотографии внешнего вида образцов из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытием из БрКМЦ3-3 до (а) и после (б) ЭМО

 

Электромеханическая обработка образца из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытием из сварочной омеднённой проволоки Св-08Г2С (обозначение серии БЭ) после ЭМО при нагрузке на рабочий ролик 200 Н по структуре напыленного слоя также отличается от образца Б более плотным строением и сглаженной поверхностью (рис.2).

а)

б)

Рисунок 2 - Фотографии внешнего вида образцов из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытием из сварочной омеднённой проволоки Св-08Г2С до (а) и после (б) ЭМО

 

Различные режимы, примененные при выполнении наплавок образцов Д и Е, на состояние структуры и твердости наплавленного слоя и основы практически не повлияли.

Увеличение нагрузки на рабочий ролик при ЭМО с 200 Н до 850-900 Н привело к более плотному соединению частиц в покрытии с очень тонкими границами на уровне сплавления. При травлении в растворе (HCl+FeCl3+C2H5OH) изменения структуры основы в переходной зоне не выявлено. Граница раздела четко идентифицируется, расслоений не наблюдается. По показателям микроструктуры образец из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытием из БрКМЦ3-3, нанесённым методом ЭДМ после ЭМО, при нагрузке на рабочий ролик 850-900Н существенно лучше, чем у образцов при нагрузке 200Н (рис. 3 и 4). 

а)

б)

Рисунок 3 - Микроструктура образца из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытием из БрКМЦ3-3 нанесённым методом ЭДМ после ЭМО (серия АЭ) при нагрузке на рабочий ролик 200Н до (а) и после (б) травления

 

а)

б)

Рисунок 4 - Микроструктура образца из латуни ЛЦ14К3С3 с покрытием из БрКМЦ3-3 нанесённым методом ЭДМ после ЭМО при нагрузке на рабочий ролик 850-900Н до (а) и после (б) травления

 

Полученные результаты позволяют рекомендовать обработку с помощью ЭМО покрытий, нанесённых методом ЭДМ. Её применение приводит к значительному снижению пористости покрытий и увеличению прочности сцепления покрытий с подложкой. В результате существенно улучшаются служебные характеристики деталей с покрытиями, полученными этими методами, что позволяет рекомендовать эту технологию при восстановлении узлов трения.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 14-08-90015-Бел_а, № 13-08-13147-офи_м_РЖД).

 

Список использованных источников

1.      Белоцерковский, М.А. Триботехнические характеристики газопламенных покрытий / М.А. Белоцерковский // Трение и износ. -2000. -Т. 21, № 5. -С. 534-539.

  1. Иваночкин, П.Г. Применение методов газотермического напыления при восстановлении моторно-осевых подшипников / П.Г. Иваночкин, В.Н. Кравченко, А.В. Гольцев, А.И. Воропаев // Труды межд. науч.-практ. конф. «Транспорт-2013». Ч.4. Рост. гос. у-нт путей сообщения. -Ростов н/Д, 2013. С.14-16.
  2. Харламов, Ю. А. Управление качеством в производстве газотермических покрытий / Ю.А. Харламов //Качество, стандартизация, контроль: теория и практика. – 2013. – С. 171-174.

4.      Аскинази, Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой /Б.М. Аскинази. – М.: Машиностроение,  1989. – 200с.

5.      Багмутов, В.П., Электромеханическая обработка: Технологические и физичиские основы, свойства, реализация / В.П. Багмутов, С.Н. Паршев, Н.Г. Дудкина, И.Н. Захаров – Новосибирск: Наука, 2003. – 316с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.