Забезпечення механічних властивостей поверхонь деталей із газотермічними покриттями електроконтактною обробкою

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСмирнов, Ігор Володимирович
dc.contributor.authorЛопата, Олександр Віталійович
dc.date.accessioned2023-12-15T09:39:03Z
dc.date.available2023-12-15T09:39:03Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractЛопата 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.uk
dc.description.abstractotherLopata A.V. Ensuring the mechanical properties of the surfaces of parts with gas-thermal coatings by electrical contact treatment. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy, the field of study 13 – Mechanical engineering, program subject area 131 – Applied Mechanics. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to solving the current scientific and technical problem of ensuring the mechanical properties of the surfaces of machine parts with gas-thermal coatings by electrocontact processing, establishing its effect on the mechanical properties of the surfaces of coated parts and their calculation and experimental determination. The content of the work is presented in four chapters, in which the main results of the dissertation are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, formulates the purpose and tasks of the research, describes the research methods, provides information about scientific novelty and the practical significance of the obtained results. In the first chapter, based on the results of the analysis of literary sources on the study of the problems of ensuring the mechanical properties of the surfaces of parts with gas-thermal coatings, the ways of their solution are determined. The expediency of using pulsed electrical contact processing to improve the mechanical properties of the surfaces of parts with gas-thermal coatings is substantiated. The performed review of literary sources in the field of theory and practice of powder coating formation made it possible to identify the main directions aimed at research: - sealing of sprayed coatings during their electrical contact processing, which is related to physical mechanisms, which are aimed at researching the micromechanics of the contact interaction of sprayed powder layers between themselves and the surface of the part; - dependence of adhesion strength and coating density on pressure impulse electrocontact processing; - mechanical properties of coatings (module of elasticity, adhesion and cohesive strength) and their definition. Based on the results of the literature analysis, the goal and objectives of the research were formulated. The second chapter outlines the general methodology for conducting scientific and experimental research, which suggests the use of a complex of methods and techniques: metallographic, quantitative stereological, X-ray structural and micro-X-ray spectral analysis, scanning electron microscopy; evaluation of microhardness, density/porosity of coatings, determination of mechanical properties of the surfaces of parts and experimental samples with coatings (modulus of elasticity, adhesive and cohesive strength), mathematical modeling and numerical calculations. The section provides a reasoned selection of materials and equipment for creating the surfaces of parts with coatings and researching their mechanical properties. To create coatings, a set of technological equipment was used, which includes equipment for forming coatings by gas flame and electric arc spraying and their processing by the electric contact method. Composite powder KHN-30 TU U 322-19-004-99 and powder wire FMI-2 TU 03534506-001-95 were used as coating material. The choice of powder materials as coatings is due to their heterogeneous structure, the active interaction of components with each other and with the surface being strengthened, the ability to vary their chemical composition and obtain coatings with specified functional properties. It is proposed to use a calculation-experimental method that makes it possible to determine the mechanical properties of the "part surface-coating" system and their dependence on the thickness of the coating (adhesive and cohesive strength, modulus of elasticity, critical deformation of the base, residual stresses), as well as to compare the properties of gas-thermal coatings with electrocontact processing and without processing. The information obtained with the help of the proposed calculation-experimental method makes it possible to optimize the "detail-coating" system and choose the best composition. Numerical methods were used to study and evaluate the stress-strain state of the "part-coating" system, namely, the finite element method, implemented in NASTRAN programs, which makes it possible to model the geometric shapes of parts with coatings, taking into account the type of operational load. Friction and wear tests were carried out on a modernized machine type 2070 СМТ-1. The third chapter presents the results of comprehensive computational and experimental studies of the mechanical properties (bond strength, stress-strain state, residual stresses, density, hardness) of the surfaces of machine parts with gas-thermal coatings after their impulse electrical contact treatment. Based on the review and analysis of research in the field of theory and powder coating practices: - a calculation model was developed and an interpolation method was proposed equation that made it possible to establish the dependence of the density of sprayed coatings on the pressure of pulsed electrocontact processing. The obtained results of theoretical studies were confirmed experimentally by quantitative stereological analysis and showed an increase in density to 94...98%. It was determined that the increase in density (reduction in porosity) of sprayed coatings is provided by the positive role of the mechanical factor of the electrocontact processing process, which contributes to the "healing" of pores; - the equation establishing the relationship of the contact area with adhesive strength of coatings and its dependence on the pressure of the forming tool on the sprayed powder layer. Its increase in 2...2.5 times was determined. High values of the adhesive strength of gas-thermal coatings after pulsed electric contact treatment are associated with its features (pulse nature) and contact phenomena at the interface between the coating and the surface of the part. An increase in the adhesion strength of sprayed coatings after pulsed electrocontact treatment to 200 MPa is the result of the formation of a significant diffusion layer up to 25 μm between the coating and the surface of the part and a two-fold increase in the diffusion coefficient (from DM·105 cm2 /s to D·1011 cm2 /s). At modes I = 10 kA, time = 0.04 s, P = 30 MPa, the diffusion zone is 10-12 μm. With increasing pressure and current strength, the diffusion zone grows and reaches a value of ~ 25 μm. Diffusion of the atoms of the base metal of the coating takes place over almost the entire thickness of the coating. The formation of a significant diffusion layer and a short time (about seconds) cannot be explained by the classical theory of diffusion, but is explained by the theory of anomalous mass transfer during impulse effects on a solid body. Diffusion coefficients of individual coating elements with impulse electrical contact treatment exceed the values of diffusion coefficients by 6 or more orders of magnitude during sputtering. To study the diffusion of the main elements of the boundary of the coating - the surface of the part, concentration curves taken by Xray spectral analysis were used. The fourth chapter is dedicated to the study and establishment of the influence of electrocontact treatment modes on the mechanical properties of the "detail-coating" system, the selection of its optimal parameters for improving the functional properties of gas-thermal coatings. In order to analyze the phenomena and manage the process of electrocontact processing of sprayed coatings, the interrelationship of the factors determining the course of the process was revealed and presented in quantitative form - in the form of a mathematical model. The proposed model and the methods of the experimental, statistical and computational experiment made it possible to calculate the optimal modes of electrical contact processing - pressure value 20...40 MPa, current 8...16 kA, pulses duration and current pauses 0.02...0.04 s, which allows creating a coating with given functional properties and to ensure their porosity within 3...5%, increased adhesion strength up to 200 MPa, increase the maximum strength and durability of parts by 2...3 times. The research results should be used in the development of practical recommendations for the creation of coatings by methods of gas flame and electric arc spraying with their subsequent electrical contact processing with in order to increase their functional properties and service life.uk
dc.format.extent251 с.uk
dc.identifier.citationЛопата, 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.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/63119
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectмеханічні властивостіuk
dc.subjectміцністьuk
dc.subjectтвердістьuk
dc.subjectгазотермічні покриттяuk
dc.subjectімпульсна електроконтактна обробкаuk
dc.subjectміцність зчепленняuk
dc.subjectщільністьuk
dc.subjectпористістьuk
dc.subjectмодуль пружностіuk
dc.subjectадгезійна і когезійна міцністьuk
dc.subjectнапружено-деформований станuk
dc.subjectзносостійкістьuk
dc.subjectпорошкові матеріалиuk
dc.subjectmechanical propertiesuk
dc.subjectstrengthuk
dc.subjecthardnessuk
dc.subjectgas thermal coatingsuk
dc.subjectpulsed electrical contact treatmentuk
dc.subjectadhesion strengthuk
dc.subjectdensityuk
dc.subjectporosityuk
dc.subjectmodulus of elasticityuk
dc.subjectadhesive and cohesive strengthuk
dc.subjectstress-strain stateuk
dc.subjectwear resistanceuk
dc.subjectpowder materialsuk
dc.subject.udc621.791.92uk
dc.titleЗабезпечення механічних властивостей поверхонь деталей із газотермічними покриттями електроконтактною обробкоюuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Lopata_dys.pdf
Розмір:
8.28 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.1 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЗВ)
Дисертації (вільний доступ)