CC BY
29
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
УДК 621.7933.7
Упрочнение деталей электронасосов электродуговым напылением
В. А. Полетаев, Г. С. Королькова, И. И. Ведерникова
Ключевые слова: изнашивание, металлизация, механическая обработка, напыление, покрытие, распыление, ротор, упрочнение, электронасос.
Введение
Повышение качества изготовления электронасосов для воды имеет важное экономическое значение. Агрегат состоит из центробежного насоса и погружного электродвигателя. При наличии высоких эксплуатационных характеристик электродвигатель обеспечивает бесперебойную и эффективную работу электронасосов [1]. В конструкцию погружного электродвигателя входит резинометаллический подшипник. Зазор между наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью подшипника должен быть не более 0,15 мм. В процессе работы центробежного насоса через электродвигатель проходит часть прокачиваемой жидкости, в потоке которой находятся абразивные включения. В результате происходит изнашивание внутренней поверхности подшипника и наружной поверхности втулки и зазор между ними увеличивается. Роторные втулки изготавливают из стали 12Х18Н10Т или 40X13.
В условиях рыночной экономики расширение промышленного производства невозможно без решения проблемы повышения качества и конкурентоспособности выпускаемых машин. К числу задач, которые необходимо выполнить для достижения указанной цели, относится повышение эксплуатационных показателей деталей агрегатов, которые зависят от многих факторов, в том числе от параметров качества поверхностного слоя. Как известно, до 70 % случаев выхода машин из строя и механизмов связано с износом узлов трения. Следовательно, одним из направлений обеспечения качества машин является повышение износостойкости их деталей. Его можно добиться путем переноса периода приработки на стадию изготовления и выполнения соответствующих технологических процессов.
В данной работе предлагается не устанавливать втулку на поверхность ротора под подшипником, а нанести покрытие из металла методом электродугового напыления [2]. Принцип металлизации напылением как метод упрочнения основан на непрерывном плавлении металла в виде проволоки или порошков при помощи приборов и его напылении на специально подготовленную поверхность. В современных установках средством плавления материалов служит электрическая дуга.
Вследствие многообразия факторов, влияющих на металлизацию, явления, которые происходят при образовании металлизацион-ных покрытий, имеют сложный характер. Мельчайшие частицы расплавленного металла или сплава увлекаются воздушной струей со скоростью до 200 м/с. Из-за большой скорости эти частицы достигают поверхности покрываемой детали в жидком или пластическом состоянии. Попадая на металлизируемую поверхность, частицы деформируются и принимают форму чешуек, которые нагромождаются друг на друга и образуют покрытие слоистого строения.
При металлизации сцепление частиц с основанием и между собой происходит благодаря шероховатости поверхности основания и действию молекулярных сил. Прочность сцепления металлизационных покрытий меньше, чем у других покрытий. Однако при соблюдении надлежащих условий технологии напыления сцепление частиц оказывается достаточным, чтобы напыленный слой прочно удерживался на основном металле.
Методика и результаты исследований
Электродуговое напыление производилось с применением электродугового металлизато-ра ЭДМ-5М (ОАО «Аппаратурно-механиче-
Рис. 1. Микрофотография продольного разреза шейки ротора с нанесенным покрытием: 1 — покрытие; 2 — металл. Увеличение х50
ский завод», Барнаул), токарного станка и сварочного выпрямителя. В качестве наплавочного материала использовалась порошковая проволока диаметром 2 мм из стали 40X13.
На рис. 1 показана микрофотография продольного разреза «рваной» резьбы шейки ротора с нанесенным покрытием, а на рис. 2 — микрофотография продольного разреза покрытия во впадине резьбы. Для обеспечения прочности сцепления напыляемого материала с поверхностью ротора на последней нарезали резьбу глубиной 3 мм и шагом 1,5 мм (рис. 1) и подвергали ее струйной обработке корунда-ми до получения сплошного матового состояния поверхности. После этого наносили покрытие с помощью металлизатора ЭДМ-5М.
Металлизация выполнялась способом колебания металлизатора по всей ширине шейки ротора. Частота колебаний — 20 колеб./мин, дистанция металлизации — 110-120 мм, сила тока — 230 А, частота вращения вала — 200 об/мин, скорость линейного перемеще-
Рис. 2. Микрофотография продольного разреза покрытия во впадине резьбы: 1 — покрытие; 2 — металл. Увеличение х50
ния металлизатора (подача) — 1,0 мм/об (0,2 м/мин). На деталь с номинальным диаметром -Оном, обрабатываемую напылением, покрытие толщиной +1,0 мм (припуск на обработку) наносилось за два прохода (рис. 2). Металлизированные шейки ротора обрабатывались точением в сочетании с последующим шлифованием или алмазным выглаживанием до номинального размера.
В процессе металлизации происходят плавление и диспергирование металла, покрытие образуется в результате следующих друг за другом ударов частиц и их сильного деформирования, следовательно, строение напыленных покрытий является весьма своеобразным. В момент удара о поверхность частицы металла, находящиеся в металло-воздушной струе, расплющиваются, их размеры сильно увеличиваются в направлении, перпендикулярном к направлению полета, и, соответственно, уменьшаются в направлении, совпадающем с направлением полета. В результате покрытие складывается из чешуек, перекрывающих друг друга (см. рис. 2). Частицы располагаются в зависимости от микропрофиля металлизируемой поверхности.
В покрытии есть большое количество пор (см. рис. 2). Многочисленные сквозные поры обеспечивают проницаемость покрытия, имеется и значительное количество «тупиковых» пор, которые практически не влияют на проницаемость, а только понижают объемный вес покрытия. Как и другие характеристики, степень пористости зависит от вида напыляемого металла, режима напыления и состояния поверхности металлизируемой детали. Благодаря тому что частицы распыленного металла образуют слоистую структуру и почти не имеют органической связи с основанием, сцепление слоя с основанием в направлении, нормальном к поверхности детали, не может быть значительным. И наоборот, сцепление слоя и основания в тангенциальном или аксиальном направлении получается достаточно большим, так как в этом случае для сдвига покрытия необходимо преодолеть тормозящее действие заусенцев, впадин и выступов, имеющихся на поверхности детали.
покрытием после механической обработки точением, шлифования и алмазного выглаживания. Как показывает анализ, после механической обработки всех видов на поверхностях деталей видны контуры (часть контуров) частиц распыляемой проволоки. Это обусловлено слоистым строением металлизированного покрытия.
На рис. 5 и 6 представлены гистограммы изменения шероховатости В,& и твердости по Виккерсу поверхностей деталей из сталей 40X13, 12Х18Н10Т и металлизированного покрытия после механической обработки точением, шлифованием и алмазным выглаживанием.
Обработка поверхностей деталей точением и алмазным выглаживанием проводилась
Рис. 3. Микрофотографии разреза поверхности покрытия после определенной операции: а — напыление; б — точение; в — шлифование; г — алмазное выглаживание
Анализ микрофотографий продольного разреза поверхности напыленного покрытия (рис. 3, а) показывает, что в основном поры располагаются параллельно поверхности и после точения структура поверхностного слоя не изменяется (рис. 3, б). После шлифования ширина пор уменьшается (рис. 3, в), а после алмазного выглаживания она становится существенно меньше (рис. 3, г).
На рис. 4 показаны микрофотографии поверхностей деталей с металлизированным
н
о
ЁЗ
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0,803
0,649 0,502
0,799
0,649
0,51
0,32
0,289
0,33
0,137
0,463 0,300
3 4 5 6 7 8 Метод обработки
10 11 12
Рис. 5. Изменение шероховатости Яа деталей в зависимости от метода обработки:
1, 5, 9 — точение; 2, 6, 10 — точение + алмазное выглаживание; 3, 7, 11 — шлифование; 4, 8, 12 — шлифование + алмазное выглаживание; 1—4 — сталь 40X13; 5—8 — сталь 12Х18Н10Т; 9—12 — металлизированное покрытие
1200
1000
е
¡4 800
о
д р
е
ш
т
о р
к и
600 400 200
1100
780
275
320
250
270
Рис. 4. Микрофотографии поверхностей деталей с металлизированным покрытием после определенной операции: а — механическая обработка точением; б — шлифование; в — алмазное выглаживание
1 2 3 4 5 6
Метод обработки
Рис. 6. Изменение микротвердости НУ в зависимости от метода обработки деталей:
1, 3, 5 — точение; 2, 4, 6 — точение + алмазное выглаживание; 1,2 — сталь 40X13; 3, 4 — сталь 12Х18Н10Т; 5, 6 — металлизированное покрытие
на токарном станке типа ИЖ250ИТВМФ1. Режимы обработки:
• при точении: скорость вращения детали — 800-1000 об/мин; подача — 0,15 мм/об;
• при выглаживании: скорость вращения детали — 200 об/мин, подача — 0,075 мм/об; сила выглаживания — 150 Н.
Шлифование проводили на кругло-шлифовальном станке с использованием шлифовального круга марки Э36СМК из нормального электрокорунда Э (так называемого алунда), зернистости 36-46, на керамической связке К, среднемягкой твердости СМ. Режим обработки: окружная скорость шлифовального круга — 25 м/с, окружная скорость детали — 20 м/мин, подача — 10 мм/об.
Анализ рис. 5 и 6 показывает, что обработка алмазным выглаживанием деталей из сталей 40X13, 12Х18Н10Т и металлизированного покрытия повышает твердость и снижает шероховатость поверхностей. Это означает, что применение алмазного выглаживания для упрочнения деталей с металлизированным покрытием обоснованно.
Повышение твердости металлизированных покрытий объясняется существенными изменениями, которые происходят в металле во время его распыления и заключаются в изменении его состава и строения, механических и химических свойств. В результате возникают большие различия между исходным материалом и покрытием из него.
Безусловное влияние на твердость покрытия оказывает закалка частиц после их быстрого охлаждения воздушной струей. Так-
же имеет место явление наклепа поверхности покрытия вследствие ударов быстролетя-щих частиц металла. Кроме того, твердость металлизированного покрытия повышается за счет включения окислов металлов [2].
Эксплуатационные свойства деталей машин в значительной мере определяются состоянием их поверхностного слоя, который в основном формируется на финишных этапах технологического процесса. Наиболее благоприятное сочетание физико-механических характеристик поверхностного слоя можно получить путем применения методов поверхностно-пластического деформирования, в частности алмазного выглаживания [3].
Выводы
Проведенные исследования по упрочнению деталей электродуговым напылением показали возможность замены дорогостоящих сталей 40X13 и 12Х18Н10Т на более дешевую сталь 45 с металлизированным покрытием.
Литература
1. Бадеке К., Градевальд А., Хундт К.-Х. Насосы: Справ, пос. / Пер. с нем. В. В. Малюшенко, М. К. Бобка. М.: Машиностроение, 1979. 502 с.
2. Сонин В. И. Газотермическое напыление материалов в машиностроении. М.: Машиностроение, 1973.152 с.
3. Яценко В. К., Зайцев Г. 3., Притченко В. Ф. и др. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием. М.: Машиностроение, 1985. 232 с.
УДК 621.91.01
Повышение работоспособности твердосплавных пластин посредством их ионно-вакуумной модификации
Д. В. Семейкин, А. И. Круглов
Ключевые слова: ионная имплантация, ионно-вакуумная модификация, ионно-вакуумная обработка, многослойные износостойкие покрытия, твердый сплав, обработка резанием.
В настоящее время обработка лезвийным режущим инструментом чаще всего применяется для окончательного формирования размеров детали несмотря на значительный прогресс в развитии таких альтернативных
методов, как точное литье, штамповка, электрофизическая и абразивная обработка и др. Данная тенденция обусловлена возрастающими требованиями к точности размеров и качеству обработанных деталей, что, в свою
