Совершенствование технологии электродуговой металлизации на основе моделирования взаимодействия металла с газами и исследования свойств покрытий

• Автор: Коробов, Юрий Станиславович
• Шифр специальности: 05.03.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 310 с. : ил.

Реферат
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук на тему: "Совершенствование технологии электродуговой металлизации на основе моделирования взаимодействия металла с газами и исследования свойств
покрытий"
310 с., 140 ил., 59 табл., 2 прил., 227 использованных источников.
Ключевые слова: электродуговая металлизация, моделирование, газодинамика, тепло- и массообмен, структура покрытия, аппарат для металлизации, нанесение покрытий.
Диссертационная работа посвящена совершенствованию технологии электродуговой металлизации (ЭДМ). Целью работы является научное обоснование концепции повышения качества покрытий при ЭДМ на основе совместного анализа результатов моделирования процессов при ЭДМ и изучения свойств получаемых покрытий.
В работе использованы методики, включающие аналитические и численные расчеты по математической модели и экспериментальные исследования.
Разработана модель, достоверно отображающая изменение скоростей и температур в двухфазной струе, взаимодействие металлической, оксидной и газовой фаз в системе "газ — капли распыляемого металла". В ней учтено влияние электродинамического воздействия дуги на процесс дробления капель; протекающие в струе химические реакции, влияние подмешивания воздуха из атмосферы, неаддитивность свойств газовой смеси; изменение параметров в радиальном направлении.
Экспериментально изучено и проанализировано влияние выходных технологических параметров процесса металлизации и воздействия внешних нагрузок на свойства получаемых покрытий.
На базе выполненных исследований проанализированы возможные направления повышения свойств покрытий и выработаны предложения по их реализации путем выбора рациональных выходных параметров ЭДМ-процесса, повышения стабильности этих параметров и разработки новых технологических приемов нанесения покрытий. Новизна разработок подтверждена 17 патентами на изобретения.
Результаты разработок, в том числе 11 изобретений, внедрены на предприятиях различных отраслей промышленности - машиностроения, металлургии, газопереработки, строительства - для нанесения износостойких и антикоррозионных покрытий. Годовая эффективность применения составила 0,5-4 млн. руб.

Глава 1 Электродуговая металлизация — процесс, оборудование, особенности
1.1 Сущность и особенности процесса электродуговой металлизации
1.1.1 Использование энергии электрической дуги
1.1.2 Температура, состав газовой атмосферы
1.1.3 Особенности формирования капель жидкого металла
1.2 Исследования газодинамики и металлургического взаимодействия двухфазного потока с газами атмосферы при напылении
1.2.1 Определение скоростей движения газа и частиц
1.2.2 Определение температур газа и частиц
1.2.3 Состав газовой струи
1.2.4 Учет неаддитивности свойств газовой смеси
1.2.5 Взаимодействие металла капель с кислородом
1.3 Изучение свойств покрытий
1.4 Оборудование и технологии нанесения металлизационных покрытий
1.4.1 Оборудование для электродуговой металлизации
1.4.2 Изготовление типовых деталей с применением ЭДМ
1.4.3 Изготовление алюминиевых деталей с износостойким покрытием
1.4.4 Эффективность ЭДМ в сравнении с другими способами получения покрытий
Выводы к главе
Глава 2 Математическая модель процессов в двухфазной струе при электродуговой металлизации
2.1 Основные положения модели и принятые допущения
2.2 Описание геометрии и скоростей двухфазного потока
2.3 Расчет температур в двухфазном потоке
2.4 Расчет состава газовой струи при ЭДМ
2.5 Экспериментальное определение кинетических параметров двухфазного потока
2.5.1 Измерение начальной скорости газового потока
2.5.2 Определение расходов газов
2.5.3 Определение скорости движения частиц
2.5.4 Определение эффективного расхода распыляемого металла
2.5.5 Определение гранулометрического состава частиц распыляемой струи
2.6. Анализ результатов расчетов скоростей, температур и содержания компонентов в двухфазном потоке
2.7. Кинетика взаимодействия напыляемого металла с кислородом
Выводы к главе

Глава 3 Изучение структуры и свойств напыленных покрытий
3.1 Оценка сравнительной износостойкости
3.1.1 Методика оценки сравнительной износостойкости
3.1.2 Оценка сравнительной износостойкости
3.2 Изучение структуры покрытий
3.2.1 Стальное покрытие
3.2.2 Переходная зона "стальное покрытие - нихромовый подслой -алюминиевая основа"
3.3 Влияние технологических режимов на адгезионную прочность соединения " стальное износостойкое покрытие - алюминиевая основа"
3.4 Влияние технологических режимов на качество антикоррозионных покрытий
3.4.1 Влияние подготовки поверхности перед нанесением покрытия
3.4.2 Влияние дистанции напыления и расхода сжатого воздуха
3.4.3 Влияние толщины покрытия
3.4.4. Изменение химического состава материала покрытия
Выводы к главе
Глава 4 Разработка и совершенствование технологических про
цессов нанесения покрытий
4.1 Направления совершенствования технологических процессов
4.2 Конструктивные изменения сопловых узлов
4.2.1 Направления разработок
4.2.2 Улучшение условий формирования распыляющей струи
4.2.3 Меры по регулированию состава струи транспортирующего газа
4.2.4 Влияние на параметры процесса путем увеличения вылета электродов
4.3 Совершенствование технологических приемов нанесения покрытий
4.3.1 Разработка способа нанесения износостойких стальных
покрытий на детали из алюминиевых сплавов
4.3.2 Разработка способа восстановления поршней
4.3.3 Изготовление элементов теплообменников
4.4 Меры по повышению надежности оборудования
4.4.1 Повышение надежности подающего механизма
4.4.2 Снижение тепловой нагрузки на силовые токоведущие кабеля
4.4.3 Повышение долговечности токоведущих наконечников
4.5 Применение разработанных технологий
4.5.1 Алюминиевые детали со стальным покрытием
4.5.2 Износостойкие покрытия на стальных типовых деталях
4.5.3 Технологии нанесения антикоррозионных покрытий
Выводы к главе
Заключение
Литература
Приложения

что все рассмотренные испытания на износостойкость проведены при отсутствии ударов.
Таблица 1.3.5 Коэффициенты трения ЭДМ-покрытий [90]
Материал покрытия Коэффициенты трения скольжения* при Коэффициент
удельном давлении МПа трения при
5 8 10 страгивании**
08 0,29 0,32 0,35 0,398
08Г2С - - - 0,337
ЗОХГСА 0,24 0,27 0,31 0,369
40X13 - - - 0,404
Х20Н80 - - - 0,287
АК5 - - - 0,289
Ш - - - 0,258
12Х18Н9Т 0,24 0,28 0,31 0,293
У8 0,30 0,32 0,35 -
20X13 0,18 0,21 0,24 -
08Х18Н10 0,29 0,32 0,35 -
30ХГСА+08Х18НЮ 0,30 0,31 0,35
БСМГ (25Г + Ml) 0,24 0,27 0,30 -
08 + АК5 - - - 0,374
08 + Х20Н80 - - - 0,385
08Г2С + АК5 - - - 0,314
Х20Н80 + АК5 - - - 0,285
Х20Н80 + Ц1 - - - 0,272
* контртело - поверхность асбокартона на бакелитовой связке ** контртело — поверхность из закаленной стали ШХ15
Стандартная схема испытаний "диск - образец" с подачей абразива в зону трения [92] не дает возможности испытания материалов при комплексном воздействии ударно-абразивных нагрузок.
Имеется ряд методов испытаний, в которых имитируется ударная схема нагружения. Общим их недостатком является невозможность испытания каждого образца при изменении параметров ударов. Например, в техническом решении [93] для приложения ударных нагрузок контробразец выполнен в виде зубчатого колеса, причем положение образца относительно контробразца изменяют в зависимости от величины приложенной нагрузки, а режимы испытаний варьируют, изменяя частоту вращения, диаметр и число зубьев контробразца.
Недостатком решения [93] является то, что испытание каждого образца можно осуществлять только при неизменном значении энергии единичных ударов. В условиях реальной эксплуатации значение этого параметра меняется по случайному закону в определенных пределах. Это приводит к необходимости значительно увеличивать объем испытаний при различных значениях энергии единичных ударов. Однако даже при этом пригодность того или иного материала к эксплуатации в реальных условиях будет оценена недостоверно