ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

М.В.Радченко, Ю.О.Шевцов, М.А.Утемесов

Задача повышения твердости и стойкости режущего и штампового инструмента решается, как правило, путем использования дорогостоящих сложнолегированных сплавов. Среди энерго- и ресурсосберегающих технологий создания защитных покрытий одной из перспективных является электроннолучевая наплавка в вакууме (ЭЛН) пучками низкой энергии [1,2]. Дополнительным источником ресурсосбережения и повышения свойств инструмента является сочетание электроннолучевой технологии с возможностями порошковой металлургии. Так, например, возможен вариант создания режущего инструмента - резца, у которого стержень выполнен из углеродистой стали, а режущая часть наплавлена порошковым сплавом с помощью электронного пучка в вакууме. При этом стоимость порошковых материалов, как правило, значительно ниже стоимости твердосплавных пластин, а эксплуатационные свойства слоев, наплавленных методом ЭЛН, довольно высоки [3].

Важными характеристиками режущего и штампового инструмента, влияющими на его долговечность и износостойкость, являются теплофизические свойства, в первую очередь, теплопроводность. Известно, что износостойкость материалов при взаимодействии с абразивом обусловлена комплексом их физико-механических свойств, в ряду которых находится теплопроводность. Для технически чистых металлов, например, износостойкость обратнопропорциональна коэффициенту теплопроводности - наибольшую износостойкость имеют металлы с низкими значениями теплопроводности [4]. Анализ литературных данных показывает, что результаты измерения теплопроводности защитных покрытий, представленные различными авторами, противоречивы.

В данной работе приводятся результаты экспериментального определения теплопроводности и термического сопротивления слоев, наплавленных методом ЭЛН.

С целью определения теплофизических свойств покрытий, полученных порошковой ЭЛН в вакууме, а также выявления зависимостей этих свойств от параметров наплавки, была выполнена отработка методики определения коэффициента теплопроводности на нестандартных образцах из низкоуглеродистой стали 20. Покрытия на стали 20 были выполнены методом ЭЛН в вакууме двух порошковых материалов ПР-Н70Х17С4Р4 и ПГ- СР4 системы Ni-Cr-B-Si, наиболее часто используемых для создания твердых, износостойких покрытий. В качестве базовой была использована методика, изложенная в работе [5]. Ввиду неоднозначности формы и размеров как базового, так и опытного образцов с защитными покрытиями, в процессе отработки методики был выполнен ряд образцов, позволяющих последовательно приблизить результат экспериментальных измерений к наиболее достоверному (по стандартной методике). Эти металлические образцы имеют форму куба (каждый с различным размером граней - 10, 12, 14, 15 мм), параллелепипеда с аналогичными размерами основания, но высотой 30 мм, и цилиндра диаметром 12 мм и высотой 30 мм.

На торцах образцов, имеющих в основании квадрат, были выполнены защитные покрытия наплавкой толщиной до 2 мм, но обязательно общей высотой, равной размеру граней куба или 30 мм, соответственно форме образца.

Последовательное использование такого ряда опытных образцов позволило выполнить адаптацию стандартной методики к нестандартным образцам для исследования коэффициентов теплопроводности. В качестве образцов с наплавкой непосредственно для конечного измерения использованы цилиндрические образцы диаметром 12 и высотой 30 мм.

В работе использовался стационарный метод плоского слоя, в основе которого лежит закон теплопроводности Фурье:

. (1)

Применительно к методу плоского слоя выражение можно представить следующим образом:

, (2)

где - тепловой поток;

- теплопроводность материала;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема измерения теплопроводности прибором ИТЭМ-1:

1 - нижний массивный блок; 2 - тепломер; 3 - образец; 4 - верхний блок с нагревателем;

5 - тепловая изоляция; 6 - термопары

- разность температур в направлении теплового потока;

- площадь сечения образца, перпендикулярного направлению теплового потока;

- толщина плоского слоя.

Из уравнения (2) следует, что общий принцип измерения коэффициента теплопроводности состоит в определении теплового потока , проходящего через опытный образец заданных размеров, и перепада температур на его изотермических поверхностях, или в каких-либо других двух точках в направлении прохождения теплового потока.

В работе использовали серийный прибор для измерения теплопроводности ИТЭМ-1 [6]. При этом вместо штатного гальванометра использовали цифровой вольтметр В7-21, что позволило повысить точность измерения эдс. термопар на один порядок.

Схема измерения теплопроводности прибором ИТЭМ-1 представлена на рис.1. Образец в виде пластины и контактирующий с ним тепломер 2 помещается между двумя массивными металлическими блоками 1 и 4. Тепломер представляет собой плоскую трехсоставную систему, состоящую из высокотеплопроводных оснований, металлической пластины и заключенной между ними теплоизолирующей прослойки рабочего слоя тепломера. В металлической пластине тепломера монтируется слой термопары, измеряющей температуру прилегающей к тепломеру поверхности образца и скорость изменения ее температуры.

Для измерения перепада температуры на рабочем слое в пластинке и основании смонтирована многослойная термобатарея. Боковая поверхность блоков, образца и тепломера окружена теплоизоляцией 5. Верхний слой предварительно перегревается относительно нижнего на 5...10 К. Через некоторое время после того, как образец помещают между блоками, в нем устанавливается квазистационарный тепловой поток в соответствии с заданным начальным нагревом верхнего блока и суммарным тепловым сопротивлением образца и тепломера.

В эксперименте измеряют перепады температур на образце и тепломере Q т. Если принять, что верхний и нижний массивные блоки сохраняют постоянные температуры, то для расчета теплопроводности можно применить формулу

, (3)

где - коэффициент теплопроводности тепломера, Вт/м.К;

- высота образца, м;

- площадь поперечного сечения образца, м2.

Эта формула справедлива для образцов с большим термическим сопротивлением (и малым значением коэффициента теплопроводности), когда собственное удельное термическое сопротивление образца много больше термического сопротивления контактов. В случае, если термическим сопротивлением контактов пренебречь нельзя, поступают следующим образом: либо в образце вблизи торцев высверливают отверстия и в них монтируют термопары, либо, если это по каким-то причинам затруднительно или нежелательно, вводят в формулу (3) поправку на контактное термическое сопротивление. В этом случае формула видоизменится:

, (4)

где - термическое сопротивление контактов образца.

Контактное термическое сопротивление зависит от шероховатости соприкасающихся поверхностей, величины контактного давления, типа смазки и мало зависит от теплопроводности и механических свойств контактирующих материалов. Обычно контактное сопротивление определяют либо на образце с известной теплопроводностью, либо на металлических образцах, тепловое сопротивление которых меньше исследуемых [5].

Формулу теплового потока - , проходящего через двухслойный образец, состоящий из основного и наплавленного металла, можно представить в следующем виде:

, (5)

где - высота образца, основного металла и наплавленного слоя, соответственно (рис. 2) ;

- перепад температур на образце, основном металле и наплавленном слое, ;

- теплопроводность основного металла и наплавленного слоя;

- эффективная теплопроводность образца.

Решая уравнение (5) относительно , получаем

. (6)

Теплопроводность определяли по разности температур между термопарами, вводимыми в слой основного металла (расстояние ), и подсчитывали по формуле (3), которая в данном случае имеет вид

, (7)

где и - показания дифференциальных термопар на тепломере и в слое.

Теплопроводность определяли по формуле

, (8)

где - дифференциальные показания термопар верхнего и нижнего блока.

Значения и определяли с помощью образцовой меры 2 разряда из низкоуглеродистой стали по ГОСТ 11036-75 и по методике, приведенной в работе [5].

После отработки методики порошком ПГ-СР4 были наплавлены четыре группы образцов по три в каждой с изменением удельной мощности луча от 1,85.105 до 4,15.105 Вт/см2 и сохранением всех других параметров процесса наплавки постоянными.

В результате проведенных экспериментальных исследований по определению коэффициента теплопроводности основного

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема определения теплопроводности двухслойной пластины:

1 - термопары, вводимые в основной металл

 

металла (сталь 20) получены его значения = 483 Вт/ (м.К). Измерения коэффициента теплопроводности трех опытных образцов сэлектроннолучевой наплавкой порошком ПГ-СР4 показали среднее значение = 14 Вт/(м.К).

После отработки методики были наплавлены еще 4 группы образцов (по три образца в каждой группе) при изменении тока электронного луча от 90 mA до 150 mA ( = 25 кВ, = 2,25...3,75 кВт, ~ 1.105 Вт/см2) и сохранении всех других параметров процесса постоянными. Результаты измерений теплопроводности образцов редставлены в табл. 1 и на рис. 3.

Как видно из рис. 3, изменение энерговложения в наплавляемый сплав за счет изменения величины тока электронного луча не оказывает значительного влияния на коэффициент теплопроводности наплавленного слоя во всем исследованном диапазоне. Это свидетельствует о том, что в наиболее часто используемом в практике наплавки диапазоне мощностей луча 2...4 кВт в процессе наплавки порошковых износостойких сплавов системы Ni-Cr-B-Si формируются близкие по своему строению структуры покрытия, имеющие одинаковые теплофизические свойства, а следовательно предопределяющие одинаковые эксплуатационные характеристики. С учетом такой закономерности при выборе режимов наплавки необходимо ориентироваться на иные важные характеристики наплавленного защитного покрытия, как например, на его геометрические размеры (ширина, высота).

Следует отметить, что увеличение энергии электронного пучка при наплавке естественным образом ведет к более высокотемпературному состоянию наплавляемого материала. А слабая зависимость теплопроводности покрытия от режимов наплавки и структуры закристаллизованного металла свидетельствует также о теплостойкости наплавок, т.е. сохранении свойств при последующем нагреве и охлаждении, например, в процессе эксплуатации изделия, что в количественном отношении требует дополнительных исследований.

Вместе с тем, сравнительный анализ коэффициентов теплопроводности исследуемых наплавок и других износостойких материалов показал, что для исследуемых наплавок значения коэффициентов теплопроводности значительно ниже, чем у таких твердых сплавов, как, например, ВК8 или Т5К10. Как было отмечено выше, для чистых металлов существует обратная зависимость показателей износостойкости от коэффициента теплопроводности: чем ниже последняя величина, тем выше износостойкость в условиях абразивного изнашивания [7]. Как видно из рис. 3, и с учетом показателей износостойкости наплавленных защитных покрытий относительно указанных выше твердых сплавов, такая закономерность не наблюдается, что вероятно, связано с различиями в механизме их изнашивания.

Тем не менее, в сравнении со свойствами сталей зависимость коэффициента теплопроводности от структурно-фазового состяния, характеризуемого в данном случае степенью насыщенности упрочняющей карбидной составляющей, представлена доста-

Таблица 1

Измеренные и расчетные значения коэффициентов теплопроводности

Удельная

мощность

N

образца

Теплопроводность,

Вт/м.К

Тепловое

сопротивление

луча q.10-5, Вт/см2

l 1

l эф

l 2

наплавл. слоя К.104,

м2 .К/Вт

2,52

1.1

1.2

47,3

51,3

26,2

35,6

2,15

3,6

4,37

2,78

3,08

2.1

2.2

2.3

45,9

55,5

55,6

38,8

39,1

38,3

5,63

2,26

2,76

1,33

2,30

2,54

3,64

3.1

3.2

3.3

46,2

54,3

50,0

31,9

42,0

38,4

1,36

3,79

2,22

2,94

2,10

2,25

4,2

4.1

4.2

56,4

51,4

36,6

29,5

5,35

2,93

3,18

4,57

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Влияние тока (мощности) электронного пучка на коэффициент теплопроводности покрытия,

наплавленного порошковым сплавом системы Ni-Cr-B-Si, в сравнении с твердыми сплавами и сталями

точно убедительно. С ростом количества карбидной фазы в последовательном ряду "сталь 45 - сталь 4Х4ВМФС (ДИ22) - наплавка ПГ-СР4" коэффициент теплопроводности уменьшается. Поскольку в этом же ряду последовательно увеличивается износостойкость материалов при абразивном изнашивании, то можно сделать предположение об обратной взаимосвязи этого показателя от коэффициента теплопроводности материала.Таким образом, проведенные исследования теплофизических свойств износостойких покрытий, наплавленных электронным пучком в вакууме, показали следующее:

1) взаимосвязь коэффициента теплопроводности покрытий и тепловых режимов процесса наплавки является слабовыраженной;

2) показатели теплопроводности покрытий и их износостойкости при абразивном изнашивании в сравнении такими же показателями для сталей находятся в обратной зависимости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О. Проблемы упрочнения и создания защитных покрытий с помощью электроннолучевой технологии в вакууме/ Вестник Сибирского отделения Академии наук высшей школы (СО АН ВШ).- 1996.- Томск.- 1.- N1.- С.37-38.

2. Радченко М.В., Шевцов Ю.О. Исследование износостойкости электроннолучевых наплавок //Современные методы наплавки, упрочняющие защитные покрытия и используемые материалы. Сб. тезисов IV Украинской республиканской конф.- Харьков.- 1990.- С.107-108.

3. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О. Упрочнение поверхности деталей и инструмента электронным пучком в вакууме// Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки. Сб. тезисов регион. науч.-техн. конф.- Иркутск.- 1990.- С. 87-88.

4. Лыков А.В. Теория теплопроводности.- М.- Высшая школа.-1967.- 600 с.

5. Теплофизические измерения и приборы// Под ред. Е.С.Платунова. Ленинград: Машиностроение, Ленинградское отделение.- 1986.- 256 с.

6. Измерители теплопроводности ИТЭМ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ПУ.2.899.005. ТО Госстандарт СССР, 1986, 27 с.

7. Абразивное изнашивание / В.Н.Виноградов, Г.М.Сорокин, М.Г. Колокольников.- М.: Машиностроение, 1990.- 224 с.