Материал: 1381

86

быть организован дополнительный разряд между катодом и деталью. Плазмотрон подключается к специальному трансформатору,

который может снабжаться выпрямителем. Известны некоторые марки плазмотронов:

−ПВР-1– плазмотрон, воздушный, ручной с соплом №1;

−ПВР-402У (плазмотрон, воздушный, ручной с соплом №4 универсальный, в том числе автоматический);

С помощью плазмотрона можно производить наплавку упрочняющих, антикоррозийных и других технологических покрытий. Наплавляемый порошок (молибден, хром и др.) может подаваться в сопло плазмотрона или наноситься непосредственно на деталь. После плазменной обработки приповерхностный слой материала детали сильно перемешан и требует абразивной обработки.

3.5.1Расчет параметров плазмотронов и характеристик покрытий

Пористость П плазмонапыленных покрытий оценивают в относительных единицах. Расчет пористости производится на основании взвешивания сухого образца в воздухе массой Мс, взвешивании в какойлибо «пиктонометрической» жидкости Мж и взвешивании мокрого образца, насыщенного жидкостью Мн:

Тепловой поток Q на катод плазмотрона рассчитывается из его вольтамперной характеристики и в основном зависит от тока I, и для большинства практических применений рассчитывается по уравнению:

Элементы мощных плазмотронов должны охлаждаться водой. Расход воды G рассчитывается исходя из теплового потока в стенку элемента и разности температур воды на входе и выходе системы по уравнению:

где С– удельная теплоемкость воды (С = 4,2 103 Дж/кг град.).

Ресурс работы катода плазмотрона рассчитывается исходя из уноса массы материала M, удельной эрозии g и рабочего тока:

Размерность: t – часы; M,g – кг; I– амперы.

Аноды плазмотронов выполняют из меди, которая обладает очень хорошим теплоотводом. Зная скорость эрозии Vэ, можно определить массу материала M, уносимого с медного анода плазмотрона:

где ρ – плотность материала (для медиρ =8,9 103 кг/м3). Баланс энергии плазмотрона определяется выражением:

где η – энергетический КПД плазменной струи (η=0,6-0,75); G – расход газа, кг;

H1, H2 – энтальпии теплосодержания газовой смеси, Дж/кг.

В левой части равенства находятся электрические параметры плазмотрона, в правой газовые. Баланс энергии позволяет рассчитать необходимый расход газа в плазмотрон, обеспечивающий заданную энергию струи в Дж с потерей теплосодержания от Н1 до H2.

3.6 Применение потоков электронов ионов и плазмы в упрочняющих технологиях

3.6.1Общие подходы к возможности упрочнения изделий

Среди наиболее распространенных в машиностроении методов упрочнения можно назвать метод термической закалки изделий, методы насыщения поверхности карбидами или нитридами.

Недостатки традиционного упрочнения состоят в том, что каждый металл требует своей функции подъема и снижения температуры. Для ряда металлов и сплавов, особенно цветных, подобные методики не годятся.

Следует отличать объемное и поверхностное упрочнение. Объемное упрочнение выполняется методами диффузии и рассчитано на давящие нагрузки (ножи, зубья экскаватора, шестерни и т.д.). Поверхностное упрочнение выполняется путем формирования покрытия на материале. Такие покрытия представляют собой «твердую пленку на мягком металлическом пироге» и применимы только для скользящих нагрузок (стригальные пары, ножницы и мн.др.).

3.6.2Методы измерения твердости материалов

Метод измерения твердости «по Бринелю». Для измерения твердости мягких материалов (алюминия, меди, пластмассы) металлический шарик диаметром 10 мм давится в материал в течение 10 с силой 3000 кг. Затем измеряется глубина лунки и по таблицам определяется твердость. Условное обозначение метода «НВ».

Метод измерения твердости «по Роквеллу». Для измерения твердости по Роквеллу в изделие давят конусом из сверхтвердого сплава. Метод обозначается «HR» или «HRc» . Индекс «с» относится к тропическому варианту испытаний. На стрелочном приборе сразу фиксируют твердость в относительных единицах.

Измерение твердости «по Виккерсу». Для измерения твердости в изделие давится алмазная четырехгранная пирамида. Затем под лазерным микроскопом, входящим в состав прибора, измеряется среднеарифметическая длина диагоналей отпечатка пирамиды. По таблицам, прилагаемым к прибору, измеряется микротвердость.

88

Обозначение метода «НV». В таблице 3.7 приведено ориентировочное соотношение твердостей для некоторых изделий.

Таблица 3.7 – Ориентировочное соотношение твердостей

Наибольшей твердостью обладают изделия с мелкой структурой строения материала.

3.6.3Перспективные методы упрочнения

Впоследнее время появились патенты на упрочнение материалов путем выстрела твердого порошка (Cr, Co, TiN) в изделие. Выстрел производится в труднодоступные элементы детали: углубления, пазы и т.п. Глубина проникновения порошка в изделие составляет 5-7 мкм.

Для упрочнения алюминия в ряде случаев применяется упрочнение микроразрядами при большом напряжении и малом токе. При этом

поверхность алюминия модифицируется в Al2O3 – корунд.

Дальнейшее развитие в упрочняющих технологиях получают плазменные технологии с использованием плазмотронов и порошковых материалов. Особенность последнего метода состоит в необходимости окончательной обработки наплавленного покрытия абразивными материалами для подгонки размеров.

3.6.4Упрочнение изделий методом катодно-анодного микродугового оксидирования

Оксиды металлов, наряду с нитридами и карбидами, очень прочны. В последнее время появились сведения о возможности упрочнения поверхности алюминия в среде электролитной плазмы. (АС СССР 926683 /Марков Г.А. – БИ, 17, 1982г; АС СССР 120059,148325,141944).

Процесс реализуется следующим образом. В термостатированной ванне с температурой 75°С разводится электролит с ориентировочным составом: KOH – 2 г/л; метафосфат Na – 4 г/л; алюмокислые квасцы –

12 г/л.

Деталь, подлежащая упрочнению, попеременно может являться катодом или анодом относительно ванны. На деталь подаются импульсы напряжения около 1 кВ с током десятки килоампер длительностью несколько микросекунд. На поверхности алюминия формируется слой прочной керамики (Al2O3) толщиной 0,5-1 мм методом катафореза или

89

анафореза.

Недостатки и особенности упрочнения микродуговым оксидированием состоят в следующем:

1)технически трудно поддерживать состав, концентрацию и температуру;

2)эффект упрочнения неопределенно зависит от соотношения долей катафорезного и анафорезного процессов;

3)поверхность выглядит шероховатой, а в ряде случаев с нарушением сплошности и с отверстиями;

4)процесс экологически вреден и применим только для алюминия.

3.6.5Электрофизические методы упрочнения материалов на

вакуумных установках 3.6.5.1 Установки магнетронного ионного распыления (типа «МИР»)

В основу установки положен магнетрон, представляющий собой газоразрядную систему, помещенную в магнитное поле. На рис. 3.32 а представлена схема магнетрона.

Рисунок 3.32 – Схема магнетронной и электродуговой систем формирования покрытий

При подаче напряжения между электродами зажигается разряд, поддерживаемый магнитным полем. Ионы из плазмы разряда попадают на катод (мишень), из которого выбивают частицы металла (м). Магнитное поле закручивает электроны вокруг силовых линий под действием силы Лоренца. Магнитное поле обеспечивает движение электронов вокруг силовых линий магнитного поля. Это способствует ионизации газа и поддержание разряда. Зная скорость частицы в направлении, перпендикулярном линиям магнитного поля V, можно найти величину минимального расстояния траектории электрона между катодом и анодом системы, так называемый, ларморовский радиус R:

где m – масса частицы

Z – кратность заряда (в первом приближении Z=1); е – заряд электрона, е=1,6 10-19 кл.

В – индукция магнитного поля.

Достоинства магнетронных систем состоят в следующем:

1)напыление происходит в виде мелкой фракции, что позволяет формировать высококачественные покрытия;

2)магнетроны имеют очень большую скорость распыления (близкую

кскорости термического испарения материалов в вакууме);

3)магнетроны просты по конструкции, устойчивы в работе и могут работать в широком диапазоне давлений.

Недостатки магнетронных систем состоят в следующем:

1)на подложку вместе с распыляемым материалом попадает часть электронов, что повышает ее нагрев. Это ограничивает применение магнетронных систем для обработки полимеров. Кроме того, в подложку вмуровывается много газа и интерметаллических соединений.

2)все параметры магнетрона взаимосвязаны, что влияет на вольтамперную характеристику при изменении магнитного поля, рода распыляемого материала или геометрических размеров системы.

3.6.5.2 Электродуговое формирование покрытий в вакууме на установках типа Булат

Подобная обработка поверхности подразделяется на ряд направлений, различающихся физической картиной формирования упрочняющего покрытия:

1)электродуговое распыление материала электродов и его ионноплазменное осаждение на изделие. (Установки марок УРМ типа «Булат»);

2)распыление материала электродов с осаждением паров на изделие

ипоследующей ионной имплантацией путем подачи импульсов с напряжением ~ 100 кВ. Модификация поверхности достигает 5-7 мкм за времена около 20 минут;

3)воздействие на поверхность разовыми (до 5 раз) импульсными сильноточными ионными или электронными пучками током 10-20 кА и напряжением ~ 100 кВ. Упрочнение происходит без изменения размеров. Глубина модифицированного слоя достигает 130 мкм.