Забезпечення механічних властивостей поверхонь деталей із газотермічними покриттями електроконтактною обробкою
Вантажиться...
Дата
2023
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Лопата О.В. Забезпечення механічних властивостей поверхонь деталей
із газотермічними покриттями електроконтактною обробкою. –
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі
знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка.
– Національний технічний університет України «Київський політехнічний
інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науковотехнічної задачі забезпечення механічних властивостей поверхонь деталей
машин із газотермічними покриттями імпульсною електроконтактною
обробкою, встановленні її впливу на механічні властивості поверхонь
деталей із покриттям та їх розрахунково-експериментальному визначенню.
Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та
обґрунтовано основні результати дисертації.
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано
мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація
про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.
У першому розділі за результатами проведеного аналізу літературних
джерел із дослідження проблем забезпечення механічних властивостей
поверхонь деталей із газотермічними покриттями визначені шляхи їх
вирішення. Обґрунтовано доцільність використання імпульсної
електроконтактної обробки для підвищення механічних властивостей
поверхонь деталей із газотермічними покриттями.
Виконаний огляд літературних джерел в області теорії й практики
формування порошкових покриттів дозволив виділити основні напрями, що
спрямовані на дослідження:
- ущільнення напилених покриттів при їх електроконтактній обробці,
що пов'язано з фізичними механізмами, які спрямовані на дослідження
мікромеханіки контактної взаємодії напилених порошкових шарів між собою
й поверхнею деталі;
- залежності міцності зчеплення та щільності покриттів від тиску
імпульсної електроконтактної обробки;
- механічних властивостей покриттів (модуля пружності, адгезійної та
когезійної міцності) та їх визначення.
Виходячи з результатів аналізу літератури була сформульована мета і
задачі досліджень.
У другому розділі викладено загальну методологію проведення
науково-експериментальних досліджень, що пропонує використання
комплексу методів і методик: металографічного, кількісного стереологічного,
рентгеноструктурного та мікрорентгеноспектрального аналізів, скануючої
електронної мікроскопії; оцінки мікротвердості, щільності/пористості
покриттів, визначення механічних властивостей поверхонь деталей й
експериментальних зразків із покриттями (модуля пружності, адгезійної та
когезійної міцності), математичного моделювання й чисельних розрахунків.
У розділі обґрунтований вибір матеріалів і обладнання для створення
поверхонь деталей з покриттями та дослідження їх механічних властивостей.
Для створення покриттів використовували комплект технологічного
обладнання до складу якого входить устаткування для формування покриттів
газополуменевим і електродуговим напиленням та їх обробки
електроконтактним методом.
В якості матеріалу покриттів використовували композиційний порошок
КХН-30 ТУ У 322-19-004-99 і порошковий дріт ФМІ-2 ТУ 03534506-001-95.
Вибір в якості покриттів порошкових матеріалів обумовлений їх
гетерогенною структурою, активною взаємодією компонентів один із одним
та з поверхнею, що зміцнюється, можливість варіювати їх хімічним складом і
отримувати покриття з заданими функціональними властивостями.
Запропоновано використовувати розрахунково – експериментальну
методику, яка дає змогу визначати механічні властивості системи «поверхня
деталі-покриття» та їх залежність від товщини покриття (адгезійну й
когезійну міцність, модуль пружності, критичну деформацію основи,
залишкові напруження), а також порівняти властивості газотермічних
покриттів із електроконтактною обробкою та без обробки. Отримана за
допомогою запропонованої розрахунково – експериментальної методики
інформація дає змогу оптимізувати систему «деталь-покриття» й вибрати
найкращу композицію.
Для дослідження й оцінки напружено-деформованого стану системи
«деталь-покриття» використовували чисельні методи, а саме, метод
скінчених елементів, реалізований в програмі NASTRAN, що дає змогу
моделювати геометричні форми деталей із покриттями з урахуванням виду
експлуатаційного навантаження.
Випробування на тертя і знос проводили на модернізованій машині
типу 2070 СМТ- 1.
У третьому розділі наведено результати комплексних розрахунковоекспериментальних досліджень механічних властивостей (міцності
зчеплення, напружено-деформованого стану, залишкових напружень,
щільності, твердості) поверхонь деталей машин із газотермічними
покриттями після їх імпульсної електроконтактної обробки.
На основі проведеного огляду й аналізу досліджень в області теорії і
практики отримання порошкових покриттів:
- розроблена розрахункова модель та запропоновано інтерполяційне
рівняння, що дало змогу встановити залежність щільності напилених
покриттів від тиску імпульсної електроконтактної обробки. Одержані
результати теоретичних досліджень підтверджені експериментально шляхом
кількісного стереологічного аналізу і показали підвищення щільності до
94…98 %. Визначено, що підвищення щільності (зниження пористості)
напилених покриттів забезпечується позитивною роллю механічного фактора
процесу електроконтактної обробки, який сприяє «залікуванню» пор;
- отримано рівняння, що встановлює зв’язок площі контакту з
адгезійною міцністю покриттів та її залежність від тиску формуючого
інструменту на напилений порошковий шар. Визначено її підвищення в
2…2,5 рази. Високі значення адгезійної міцності газотермічних покриттів
після імпульсної електроконтактної обробки пов’язані з її особливостями
(імпульсним характером) та контактними явищами на межі розділу покриттяповерхня деталі.
Збільшення адгезійної міцності напилених покриттів після імпульсної
електроконтактної обробки до 200 МПа є результатом утворення значного
дифузійного прошарку до 25 мкм між покриттям і поверхнею деталі та
підвищенням коефіцієнту дифузії в два рази (з DМ
·105
cм
2
/с до D·1011
cм
2
/с).
При режимах І = 10 кА, tімп = 0,04 с, Р = 30 МПа дифузійна зона становить 10-
12 мкм. Зі зростанням величин тиску та сили струму дифузійна зона зростає
та досягає значення ~ 25 мкм. Дифузія атомів основного металу покриття має
місце практично на всю товщину покриття.
Утворення значного дифузійного прошарку за короткий час (близько
секунд) не можна пояснити класичною теорією дифузії, а пояснюється
теорією аномального масопереносу при імпульсних впливах на тверде тіло.
Коефіцієнти дифузії окремих елементів покриття при імпульсній
електроконтактній обробці перевищують на шість і більше порядків значення
коефіцієнтів дифузії при напиленні. Для вивчення дифузії основних
елементів на межі покриття – поверхня деталі були використані
концентраційні криві, зняті методом рентгеноспектрального аналізу.
Четвертий розділ присвячений дослідженню й встановленню впливу
режимів імпульсної електроконтактної обробки на механічні властивості
системи «поверхня деталь-покриття», вибору її оптимальних параметрів для
підвищення функціональних властивостей деталей.
З метою управління процесом імпульсної електроконтактної обробки
напилених покриттів було виявлено взаємозв'язок факторів, що визначають
хід процесу, та подано їх у кількісній формі – у вигляді математичної моделі.
Запропонована модель та методи експериментально-статистичного й
обчислювального експерименту дали змогу розрахувати оптимальні режими
електроконтактної обробки: величина тиску 20…40 МПа, струм 8…16 кА,
тривалість імпульсів і пауз струму 0,02…0,04 с, що дозволяє створити
покриття з заданими функціональними властивостями та забезпечити їх
пористість в межах 3...5%, збільшення міцність зчеплення до 200 МПа,
підвищити максимальну міцність та довговічність деталей в 2…3 рази.
Результати досліджень використовувати при розробці практичних
рекомендацій для створення покриттів методами газополуменевого й
електродугового напилення та їх імпульсною електроконтактною обробкою з
метою підвищення їх функціональних властивостей та терміну служби.
Опис
Ключові слова
механічні властивості, міцність, твердість, газотермічні покриття, імпульсна електроконтактна обробка, міцність зчеплення, щільність, пористість, модуль пружності, адгезійна і когезійна міцність, напружено-деформований стан, зносостійкість, порошкові матеріали, mechanical properties, strength, hardness, gas thermal coatings, pulsed electrical contact treatment, adhesion strength, density, porosity, modulus of elasticity, adhesive and cohesive strength, stress-strain state, wear resistance, powder materials
Бібліографічний опис
Лопата, О. В. Забезпечення механічних властивостей поверхонь деталей із газотермічними покриттями електроконтактною обробкою : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Лопата Олександр Віталійович. – Київ, 2023. – 251 с.