772
.pdf
б)
Рис. 5.5. Морфология слоя (а) и распределение твердости по его глубине (б)
5.5. Лазерная резка и сварка
Разработаны технологические процессы и промышленные установки лазерной резки деталей из различных листовых материалов — металлы, древесина, пластик, паронит, стекло, керамика и др. При мощностях СО2–лазеров до 5 кВт достигается эффективна резка листовой стали толщиной до 20 мм со скоростью до 50 м/мин. На рис. 5.6 приведена фотография такого технологического комплекса.
Рис. 5.6. Технологический комплекс лазерной резки
Технологии лазерной сварки позволяют сваривать детали с минимальным тепловым влиянием. Применение непрерывного излучения лазера позволяет сваривать прерывистым или сплошным швом детали любой конфигурации. Эффективность лазерной сварки определяется ее высокой скоростью, высоким качеством шва, в том числе при сварке деталей из дюралюминия. На рис. 5.7 приведена фотография промышленной установки лазерной сварки любых металлов. Мощность СО2–лазера 1,5 кВт.
Рис. 5.7. Промышленная установка лазерной сварки
33
6. ДЕТОНАЦИОННОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ [10, 13, 15]
Один из новых промышленных методов нанесения высокоэффективных упрочняющих покрытий — метод детонационного напыления, в котором для разогрева и разгона порошкообразного напыляемого материала используется энергия газового взрыва. Научные основы и прогрессивные технологические процессы применения этого метода на практике эффективно развиваются в нашей стране, в том числе коллективом проф. В.Д. Ульяницкого (ИГД СО РАН).
Принципиальная схема процесса напыления приведена на рис. 6.1. Для нанесения покрытий используется детонационная пушка, имеющая закрытый с одного конца водоохлаждаемый ствол, который импульсно заполняется взрывчатой газовой смесью (воздух, кислород, пропан, ацетилен), и затем быстро вводится порция напыляемого порошка. После искрового поджига взрывчатой смеси в стволе возникает детонация, поток продуктов детонации, имеющий скорость на срезе до 1000 м/с и температуру до 4000 К, разогревает частицы порошка до плавления и разгоняет их к поверхности детали, расположенной за открытым срезом ствола.
Рис. 6.1. Принципиальная схема процесса детонационного напыления
Одним из важнейших хорошо развитых в настоящее время приложений газовой детонации является нанесение износостойких, теплозащитных, электроизоляционных и других порошковых покрытий на наружные поверхности деталей самого различного назначения. Суть метода, впервые предложенного в середине XX в., состоит в нагреве и метании порошковых частиц на обрабатываемую поверхность с помощью газовой детонации. Последовательная концепция формирования детонационных покрытий появилась лишь к концу 80-х гг. При ударе разогретой и, как правило, расплавленной частицы о поверхность детали вдоль контактной поверхности за время остывания частицы успевает произойти взаимодиффузия на глубину порядка нескольких межатомных расстояний. В редких случаях, таких как внедрение металлических частиц во фторопласт, адгезия носит механический характер.
Характерный размер напыляемых частиц составляет десятки микрон. Чтобы диффузия успела произойти, температура контактной поверхности должна быть не ниже 0,9 температуры плавления более низкоплавкого из материалов частицы и подложки. Для этого частица должна иметь достаточный запас тепловой или кинетической энергии. При использовании детонации скорость метаемых частиц составляет сотни метров в секунду и их основная энергия — тепловая. Чтобы обеспечить необходимую температуру контактной поверхности, частица перед ударом должна быть расплавлена и сильно перегрета (иногда, вплоть до температуры кипения). Степень перегрева может быть значительно ниже для композитных материалов, таких, например, как карбид вольфрама, плакированный кобальтом. В них значительный запас энергии содержится в теплоте плавления тугоплавкой компоненты. При достаточном прогреве частицы прочность адгезии и когезии сравнима с прочностью исходного материала и не зависит от твердости детали. Поверхность подложки должна быть существенно шероховатой. Для этого исходную деталь специально подвергают пескоструйной обработке, а дальше шероховатость поддерживается автоматически за счет дискретной структуры порошкового покрытия. Вершины шероховатости (рис. 6.2, точки А) при контакте с частицей прогреваются больше, чем впадины (точки С). При недостаточном прогреве частицы диффузия успевает пройти только в окрестности вершин. Средняя прочность соединения зависит от доли поверхности, где произошло «схватывание». Отметим, что, если средняя линия (точки В) шероховатости прогревается в достаточной мере, то с течением времени и впадины также прогреются. Зависимость средней прочности от теплового запаса частицы имеет скачок от половинной прочности до максимальной. Это хорошо подтверждается экспериментом.
34
Рис. 6.2. Схема взаимодействия частицы напыляемого материала с подложкой детали
При ударе жидкой частицы о поверхность она расплющивается, а на границе зоны контакта образуется очищающая поверхность кумулятивная струя (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Форма кумулятивной струи при контакте частицы с подложкой
В основании кумулятивной струи находится зона высокого давления. Если это давление превышает прочность подложки, то она пластически деформируется. В зоне пластической деформации многократно повышается коэффициент диффузии и критическая для образования сцепления температура контактной поверхности снижается до 2/3 температуры плавления. Для достижения такой температуры контактной поверхности тепловой запас частицы может быть значительно меньше. Для металлов достаточно, чтобы частица была хотя бы частично расплавлена. Тогда средняя прочность адгезии зависит от доли пластически деформированной поверхности подложки, а она, в свою очередь, зависит от скорости частиц и предела текучести материала детали. Данный «динамический» и чисто «термический» механизмы образования покрытий дополняют друг друга. Пористость покрытий практически отсутствует. Масса вводимой в ствол дозы порошка,бычно,о не превышает 10–20 % массы газа. Это определяется не дефицитом энергии газа, а влиянием дозы на свойства получаемых покрытий. При одном выстреле покрытие должно состоять, в основном, из отдельно расположенных частиц. При слишком больших дозах за один выстрел образуется сплошная пленка покрытия. В ней из-за быстрого остывания образуются трещины. Для многих материалов даже при умеренной дозе порошка велики остаточные напряжения в покрытии. Их снимают дополнительной термообработкой — низкотемпературным отпуском.
Получение покрытий с максимальной адгезией не всегда целесообразно. Сильно перегретые расплавленные частицы дробятся потоком ПД, образуя вокруг основного пятна покрытия нежелательный «ореол» слабо «закрепляющихся» на подложке сверхмелких частиц. При ударе капли сильно растекаются по поверхности, образуя за один выстрел почти сплошную пленку покрытия, что может привести к образованию трещин. Полностью расплавленные частицы при ударе о подложку в значительной мере разбрызгиваются, что уменьшает коэффициент использования порошка. Наиболее целесообразным является напыление частично расплавленных частиц. Прочность адгезии при этом достигает приблизительно половины максимально возможной, что практически всегда удовлетворяет техническим условиям даже для износостойких покрытий.
Дробление расплавленных частиц под воздействием динамического напора ПД происходит при превышении критического значения числа Вебера, отображающего соотношение гидродинамических сил к силам поверхностного натяжения. Осколки частиц перегреваются вплоть до полного испарения.
35
Процесс хорошо исследован, как теоретически, так и экспериментально. Требуется тщательный подбор режимов процесса, чтобы частицы не дробились. Другим нежелательным последствием перегрева является испарение либо мелких частиц в целом, либо металлической связки в композитных материалах. Чтобы этого избежать, следует ограничивать температуру ПД путем разбавления смеси инертным газом.
Состав используемых порошков является полидисперсным. Чтобы получить для большинства частиц благоприятные для напыления параметры необходимо использовать взрывчатые смеси с переменным по длине ствола химическим составом. Другим эффективным способом уравнивания параметров метаемых частиц является сепарация частиц по размерам, путем перемещения локаль- но-импульсной введенной в ствол дозы порошка потоком напускаемой в ствол рабочей газовой смеси. При этом более мелкие частицы окажутся на момент инициирования детонации ближе к срезу ствола и не успеют перегреться. Целесообразным является сочетание этих метода.
Характерный путь разогрева и разгона частиц имеет порядок величины 100 мм. Для повышения качества и стабильности свойств покрытий при использовании полидисперсных порошков используют более глубокую загрузку дозы порошка в ствол — несколько сотен миллиметров. Общая длина ствола, обычно, составляет 1–1,5 м, но заполнять ствол взрывчатой смесью целесообразно не полностью. Переполнение ствола мало влияет на параметры частиц, но грозит несанкционированным зажиганием смеси от неостывшей мишени или от горячих элементов порошковых питателей.
Струя истекающих из ствола ПД слабо расширяется и разрушается на расстоянии порядка десяти калибров. Как правило, при напылении металлов и металлокерамических композитов для создания восстановительной атмосферы вокруг частиц используются смеси с недостатком кислорода. При смешении истекающей струи ПД с воздухом происходит догорание недоокисленных компонент (CO и H2). При этом температура частиц за пределами ствола может вырасти на 10–15 %. Мишень располагают на расстоянии от одного до десяти калибров ствола, ориентируясь, в основном, на конструктивные особенности детали. Следует отметить, что качество покрытий и коэффициент использования порошка слабо зависят от наклона напыляемой поверхности до 45°. Наличие боковых стенок рядом с пятном напыления может приводить к рикошету частиц и снижению качества покрытия. Экранировка не подлежащих напылению поверхностей дает ощутимый эффект только при близком к детали расположении защитной пластины.
При напылении используют, как правило, углеводородо-кислородные, реже — водородокислородные смеси. Для напыления тугоплавких материалов в качестве топлива используется ацетилен, для остальных материалов выбор топлива ограничен возможностями инициирования детонации. Для пропано-кислородных смесей с отклонением от стехиометрического соотношения более чем на 30–50 % и метано-кислородных смесей применяются либо ускорители ПД, либо напуск в окрестность свечи зажигания небольшой порции легкодетонирующей смеси. Для легкоплавких частиц возможно применение топливо-воздушных смесей. Выбор газа, в основном, определяется его ценой и доступностью.
Минимальный диаметр ствола ограничен тепловыми потерями в стенки трубы, и для большинства топлив и материалов частиц при реальной шероховатости стенок канала 20 мкм составляет 15–20 мм. Для напыления твердосплавных покрытий из карбида вольфрама с металлической связкой при использовании ацетилена достаточен диаметр ствола 15 мм, а при использовании пропана необходим ствол диаметром 40 мм. Возможно применение расширяющихся или профилированных дульных насадкок. Расширяющиеся насадки позволяют повысить производительность установок за счет увеличения вводимой в ствол дозы порошка (увеличивается площадь пятна напыления при одинаковой, ограниченной трещинообразованием, толщине покрытия). Профилированные, например, овальные насадки выбирают в связи с особенностями геометрии детали. Профилирование должно захватывать всю дульную часть ствола, иначе из-за рикошета можно получить противоположный ожидаемому результат — перпендикулярность овала ствола и овала пятна напыления.
При использовании самоподдерживающейся детонации разгон и разогрев частиц порошка осуществляется, в основном, не примыкающим к ДВ потоком газа, а в процессе истечения ПД из ствола. Через некоторое время после прохождения ДВ слабо разогнанные частицы попадают в зону покоя, тормозятся и набирают большую скорость только после прихода волны разрежения от среза ствола. В этой связи, расположение свечи зажигания слабо влияет на параметры метаемых частиц.
Применение пересжатой детонации, получаемой в сужающихся каналах, сокращает путь разгона и разогрева частиц до единиц миллиметров. Это позволяет уменьшить размеры установок, применять
36
сильно разбавленные смеси, существенно уменьшить диаметр выходного отверстия ствола. Ограничением применения пересжатых ДВ является дробление расплавленных частиц. Эта трудность преодолевается путем заполнения сужающейся и дульной части ствола сильно разбавленной смесью или инертным газом. В последнем случае нагрев и метание частиц осуществляется ударной волной.
Особенностью детонационного напыления является возможность получения удовлетворительных результатов почти при любом неконтролируемом распределении смеси в стволе и даже при равномерном по длине ствола распределении порошка перед выстрелом. Всегда найдутся частицы, параметры которых при вылете из ствола будут иметь подходящие для напыления значения. Качество покрытия зависит от соотношения количества хорошо и плохо закрепившихся на подложке частиц. Большинство частиц при таком процессе либо испарится, либо отскочит от поверхности. Регулируя общее количество вводимой в ствол смеси, можно добиться коэффициента использования порошка порядка 10 % при очень нестабильном, но не уступающем другим методам напыления, качестве покрытия. Применение контролируемого заполнения ствола смесью переменного состава и локально-импульсного ввода порошка в ствол позволяет довести коэффициент использования полидисперсного металлического порошка до 70 % при стабильном качестве покрытий с прочностью адгезии и когезии, равной приблизительно половине максимально возможной (например, для карбидов с металлической связкой — до половины прочности связки).
Для предотвращения зажигания вновь напускаемой смеси от горячих продуктов предыдущего взрыва ствол после выстрела продувают инертным газом. Как показывает практика, достаточно продуть 20–30 % объема ствола. В качестве продувочного газа может быть использован азот или воздух. Использование азота целесообразно для улучшения качества покрытий из корродирующих материалов.
Для повышения взрывобезопасности работающих на ацетилене установок с клапанными системами напуска газов ствол и смеситель целесообразно разделить двумя клапанами, пространство между которыми (демпферную камеру) следует продувать инертным газом.
Одной из важнейших характеристик оборудования для напыления является скорострельность. Системы газопитания, использующие элетромагнитные клапаны с временем срабатывания порядка 0,01 с при нестабильности порядка 2 мс, позволяют довести скорострельность до 6–10 выстрелов в секунду. Такой скорострельности достаточно для напыления деталей с небольшими напыляемыми поверхностями (время напыления сравнимо со временем подготовительных работ, например, установки детали на манипуляторе). Повысить производительность можно, применяя стволы большего диаметра. Электромагнитные клапаны легко управляются компьютерами, что удобно для автоматизации процесса и позволяет оперативно изменять режимы напыления при напылении многослойных покрытий, в том числе с переходными слоями (при этом используется два или несколько порошковых питателей). Применение многослойных покрытий (например, подслоя и рабочего слоя) позволяет повысить адгезию, согласовать коэффициенты теплового расширения, изолировать электропроводящие слои и решать другие технологические задачи. Ресурс работы электромагнитных клапанов составляет 107–108 выстрелов, а режимы напыления при использовании компьютерной системы управления с датчиками срабатывания клапанов не изменяются до полного отказа клапанов.
Существенно повысить скорострельность (до нескольких десятков Гц) можно, применяя механические золотниковые устройства и многоствольные револьверные системы. На метанокислородной смеси достигнута скорострельность 92 Гц.
Известно много модификаций установок для детонационного напыления. Примером полной автоматизации процесса может служить детонационный комплекс «Обь» (рис. 6.4), в котором синхронизированное управление снабженными датчиками срабатывания клапанами пушки и шаговыми двигателями манипулятора осуществляется компьютерной интерактивной программой. Для работы на установке необходимы минимальные навыки пользования компьютером. Технологам, разрабатывающим новые режимы напыления и технологии, предлагается компьютерная программа, позволяющая за время порядка одной минуты рассчитать процесс в стволе пушки и прогнозировать прочность адгезии и когезии.
37
Рис. 6.4. Схема детонационного комплекса «Обь»
На рис. 6.5 приведена структура детонационного покрытия из наноструктурных композиционных порошков TiB2-Cu при различных режимах напыления.
Рис. 6.5. Структура детонационных покрытий состава TiB2-Cu
Существуют альтернативные импульсному детонационному непрерывные газо-термические методы нанесения покрытий, отличающиеся более высокой производительностью. При плазменном напылении с электродуговым нагревом инертного газа температура частиц достаточно высока, а характерная скорость составляет десятки метров в секунду. В этом методе реализуется чисто термический механизм диффузии. В сравнении с детонационным плазменное напыление характеризуется меньшей адгезией и более высокой пористостью покрытий, возможным перегревом и короблением тонких деталей. При «холодном» напылении сверхзвуковой струей холодного инертного газа скорость частиц порядка 1000 м/с и реализуется динамический механизм образования покрытий. Метод эффективен для напыления легкоплавких материалов. Ближе других к детонационному напылению стоит метод формирования высокоскоростной горячей струи газа путем непрерывного сжигания топлива при повышенных давлениях. Здесь свойства покрытий являются промежуточными между плазменным и детонационным напылением, а одной из проблем является охлаждение ствола. Детонационный способ является универсальным и рекомендуется для напыления ответственных изделий или в случаях неприменимости других методов, например, при необходимости высокой адгезии, при напылении тугоплавких материалов, при недопустимости пористости покрытий, перегрева или коробления деталей.
При столкновении расплавленных частиц порошка происходит микросварка и каждая частица, деформируясь в диск, прочно (на молекулярном уровне) соединяется с поверхностью детали. Затем ствол импульсно продувается негорючим газом, и процесс повторяется.
За один выстрел осаждается покрытие толщиной до 10 мкм при диаметре осажденного за выстрел слоя (20–30) мм. Заданная толщина покрытия достигается серией последовательных импульсов осаждения. Для упрочнения больших поверхностей деталь перемещают с помощью манипулятора под срезом ствола.
Работа пушки сопровождается высокой силой звука (до 160 дБ), поэтому пушка располагается в звукоизолированном блоке, ее управление осуществляется дистанционно с помощью компьютера.
Высокие скорость и температура частиц порошка обеспечивают одну из самых высоких среди известных методов напыления прочность сцепления частиц с поверхностью детали (до 450 МПа), при этом производительность метода достигает 100 см2/с (при толщине 10 мкм).
Энергозатраты процесса низки (до 0,1 кВтч/кг порошка). Наносимые материалы — любые (кроме тугоплавких металлов), детали — из металлов, керамик, стекол, пластмасс и др. Оптимальная дисперсность исходных частиц порошка — 30–50 мкм, покрытия практически беспористы (плотность покрытий — 99 %). Покрытия наносятся на поверхность деталей при угле падения более 450, что важно при обработке валов с малым диаметром. Толщина покрытий не ограничена.
38
Импульсный режим термического воздействия на деталь практически исключает коробление, поводки, перегрев детали и структурные изменения в ней, при этом возможно нанесение покрытий на детали толщиной менее 1 мкм.
Обычно время от включения искры до контакта частицы с деталью τ ~10–3 с. При нанесении термически неустойчивых порошков (карбиды, нитриды и др.) технологически выполняются соотношения:
τ > τ1, τ < τ2, |
(6.1) |
где τ1 — время нагрева; τ2 — время термического разложения порошка.
Промышленно отработаны режимы напыления металлов (Pb, Zn, Al, Cu, Co, Mo, Fe и др.), сплавов (сталей, чугунов, бронзы, латуни, дюралюминия и др.), окислов (Al, Cr, Si, Fe, Ti и др.), карбидов (W, Cr, Ti, Si и др.), боридов, нитридов, алмаза и др.
Основные технологические применения метода детонационного напыления:
–восстановление изношенных деталей;
–повышение долговечности работы деталей;
–повышение износостойкости деталей;
–антикоррозионная и химическая защита деталей;
–антикавитационная и антиэррозионная защита деталей. Промышленные установки детонационного напыления: 1. «Обь».
Управление процессом — компьютерное; потребляемая мощность — не более 1 кВт; горючая
смесь — ацетилен, пропан, бутан, пропилен, водород, кислород, воздух; скорострельность — до 6 выстрелов в сек; производительность — до 2 кг порошка в час.
2. Детонационный комплекс «Гром».
Управление процессом — компьютерное; потребляемая мощность — не более 6 кВт; горючая смесь — ацетилен, пропан, бутан, пропилен, водород, кислород, воздух; скорострельность — до 17 выстрелов в секунду; производительность — до 4 кг порошка в час.
7. ИНДУКЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ [2, 5, 7-11, 17]
Индукционная обработка стальных и чугунных деталей машин и оборудования является одним из базовых направлений в машиностроении.
Она широко применяется для упрочнения сталей, нагрева металла под ковку, штамповку, прокатку, пайку и т. д.
В ней различают традиционную индукционную обработку, когда характерный уровень удельных мощностей составляет ≤ 1 кВт/см2, и высокоэнергетическую обработку при удельных мощностях 1–100 кВт/см2. В первом случае динамика нагрева и охлаждения детали таковы, что фазовоструктурный состав детали определяется температурой и диаграммами состояния сплавов. Во втором случае, когда скорости процессов диффузионного массопереноса, фазообразования становятся сравнимыми со скоростями нагрева и охлаждения в слое металла, равновесный подход к анализу механизма процессов в слое становится неприменимым. Так, при нагреве слоя стали за время τ ≤ 0,1 с оно становится сравнимым со временем превращения перлита в аустенит, что ведет к необходимости перегрева слоя по сравнению с равновесной Ас1 для данной стали. При скоростях нагрева и охлаждения V > 103 К/с происходит смещение температурных интервалов (МН–МК), возникают метастабильные фазы и др.
7.1. Низкоэнергетическая индукционная закалка
Сущность индукционного нагрева заключается в следующем. При пропускании через индуктор переменного электрического тока вокруг него возникает соответственно переменное магнитное поле. В помещенной в это поле стальной детали индуцируется электродвижущая сила и возникает переменный вихревой электрический ток, греющий деталь.
С ростом частоты f происходит уменьшение плотности тока в глубине деталей и увеличение ее в поверхностных слоях, ток концентрируется во все более тонком поверхностном слое детали. Толщина этого слоя , или глубина проникновения поля, на которой интенсивность его уменьшается в «е» раз, равна:
= 5030(ρ/µf)0,5, |
(7.1) |
где ρ — удельное сопротивление материала; µ — магнитная проницаемость.
39