Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления

Исследован процесс совместного распыления стальной и медной проволок в условиях электродугового напыления. Установлено влияние параметров напыления на процесс распыления разнородных проволок, что делает возможным управление гранулометрическим составом продуктов распыления при электродуговом напыле...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2013
Main Authors:	Борисов, Ю.С., Вигилянская, Н.В., Демьянов, И.А., Грищенко, А.П., Мурашов, А.П.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Series:	Автоматическая сварка
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102238
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления / Ю.С. Борисов, Н.В. Вигилянская, И.А. Демьянов, А.П. Грищенко, А.П. Мурашов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 02 (718). — С. 25-31. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102238
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1022382025-02-23T17:59:27Z Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления Investigation of dispersion of dissimilar wire materials in the process of electric arc spraying Борисов, Ю.С. Вигилянская, Н.В. Демьянов, И.А. Грищенко, А.П. Мурашов, А.П. Научно-технический раздел Исследован процесс совместного распыления стальной и медной проволок в условиях электродугового напыления. Установлено влияние параметров напыления на процесс распыления разнородных проволок, что делает возможным управление гранулометрическим составом продуктов распыления при электродуговом напылении псевдосплавных покрытий и соответственно структурой и свойствами получаемых покрытий. В качестве материалов использовали проволоки диаметром 2 мм: медную марки М1 и стальную Св-08А. Исследования проводили с помощью электродугового металлизатора ЭМ-14М. С помощью математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, отражающие зависимость среднего размера частиц от электрической мощности, давления сжатого воздуха и дистанции напыления. Установлено, что средний размер частиц главным образом зависит от давления сжатого воздуха. В случае сочетания при распылении максимальных значений мощности (9,6 кВт) и давления сжатого воздуха (7 атм) образуются частицы минимального размера: 37 мкм при распылении медной проволоки, 54 мкм при распылении стальной проволоки Св-08А и 52 мкм при их совместном распылении. Совокупность минимальных значений мощности (1,7 кВт) и давления сжатого воздуха (6 атм) ведет к формированию частиц максимального размера: 54 мкм при распылении медной проволоки, 85 мкм при распылении стальной проволоки Св-08А и 85 мкм при их совместном распылении. Обнаружено, что в процессе совместного распыления медной и стальной проволок в результате межфазного взаимодействия их расплавов образуются псевдосплавные частицы, состоящие из частиц расплава стали с оболочкой из меди на их поверхности. 2013 Article Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления / Ю.С. Борисов, Н.В. Вигилянская, И.А. Демьянов, А.П. Грищенко, А.П. Мурашов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 02 (718). — С. 25-31. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102238 621.793.7 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Борисов, Ю.С. Вигилянская, Н.В. Демьянов, И.А. Грищенко, А.П. Мурашов, А.П. Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления Автоматическая сварка
description	Исследован процесс совместного распыления стальной и медной проволок в условиях электродугового напыления. Установлено влияние параметров напыления на процесс распыления разнородных проволок, что делает возможным управление гранулометрическим составом продуктов распыления при электродуговом напылении псевдосплавных покрытий и соответственно структурой и свойствами получаемых покрытий. В качестве материалов использовали проволоки диаметром 2 мм: медную марки М1 и стальную Св-08А. Исследования проводили с помощью электродугового металлизатора ЭМ-14М. С помощью математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, отражающие зависимость среднего размера частиц от электрической мощности, давления сжатого воздуха и дистанции напыления. Установлено, что средний размер частиц главным образом зависит от давления сжатого воздуха. В случае сочетания при распылении максимальных значений мощности (9,6 кВт) и давления сжатого воздуха (7 атм) образуются частицы минимального размера: 37 мкм при распылении медной проволоки, 54 мкм при распылении стальной проволоки Св-08А и 52 мкм при их совместном распылении. Совокупность минимальных значений мощности (1,7 кВт) и давления сжатого воздуха (6 атм) ведет к формированию частиц максимального размера: 54 мкм при распылении медной проволоки, 85 мкм при распылении стальной проволоки Св-08А и 85 мкм при их совместном распылении. Обнаружено, что в процессе совместного распыления медной и стальной проволок в результате межфазного взаимодействия их расплавов образуются псевдосплавные частицы, состоящие из частиц расплава стали с оболочкой из меди на их поверхности.
format	Article
author	Борисов, Ю.С. Вигилянская, Н.В. Демьянов, И.А. Грищенко, А.П. Мурашов, А.П.
author_facet	Борисов, Ю.С. Вигилянская, Н.В. Демьянов, И.А. Грищенко, А.П. Мурашов, А.П.
author_sort	Борисов, Ю.С.
title	Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления
title_short	Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления
title_full	Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления
title_fullStr	Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления
title_full_unstemmed	Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления
title_sort	исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102238
citation_txt	Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления / Ю.С. Борисов, Н.В. Вигилянская, И.А. Демьянов, А.П. Грищенко, А.П. Мурашов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 02 (718). — С. 25-31. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT borisovûs issledovaniedispergirovaniâraznorodnyhprovoločnyhmaterialovvprocesseélektrodugovogonapyleniâ AT vigilânskaânv issledovaniedispergirovaniâraznorodnyhprovoločnyhmaterialovvprocesseélektrodugovogonapyleniâ AT demʹânovia issledovaniedispergirovaniâraznorodnyhprovoločnyhmaterialovvprocesseélektrodugovogonapyleniâ AT griŝenkoap issledovaniedispergirovaniâraznorodnyhprovoločnyhmaterialovvprocesseélektrodugovogonapyleniâ AT murašovap issledovaniedispergirovaniâraznorodnyhprovoločnyhmaterialovvprocesseélektrodugovogonapyleniâ AT borisovûs investigationofdispersionofdissimilarwirematerialsintheprocessofelectricarcspraying AT vigilânskaânv investigationofdispersionofdissimilarwirematerialsintheprocessofelectricarcspraying AT demʹânovia investigationofdispersionofdissimilarwirematerialsintheprocessofelectricarcspraying AT griŝenkoap investigationofdispersionofdissimilarwirematerialsintheprocessofelectricarcspraying AT murašovap investigationofdispersionofdissimilarwirematerialsintheprocessofelectricarcspraying
first_indexed	2025-11-24T06:04:57Z
last_indexed	2025-11-24T06:04:57Z
_version_	1849650627072753664
fulltext	УДК 621.793.7 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ РАЗНОРОДНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ Ю. С. БОРИСОВ, Н. В. ВИГИЛЯНСКАЯ, И. А. ДЕМЬЯНОВ, А. П. ГРИЩЕНКО, А. П. МУРАШОВ ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11, E-mail: office@paton.kiev.ua Исследован процесс совместного распыления стальной и медной проволок в условиях электродугового напыления. Установлено влияние параметров напыления на процесс распыления разнородных проволок, что делает возможным управление гранулометрическим составом продуктов распыления при электродуговом напылении псевдосплавных покрытий и соответственно структурой и свойствами получаемых покрытий. В качестве материалов использовали проволоки диаметром 2 мм: медную марки М1 и стальную Св-08А. Исследования проводили с помощью элект- родугового металлизатора ЭМ-14М. С помощью математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, отражающие зависимость среднего размера частиц от электрической мощности, давления сжатого воздуха и дистанции напыления. Установлено, что средний размер частиц главным образом зависит от давления сжатого воздуха. В случае сочетания при распылении максимальных значений мощности (9,6 кВт) и давления сжатого воздуха (7 атм) образуются частицы минимального размера: 37 мкм при распылении медной проволоки, 54 мкм при распылении стальной проволоки Св-08А и 52 мкм при их совместном распылении. Совокупность минимальных значений мощности (1,7 кВт) и давления сжатого воздуха (6 атм) ведет к формированию частиц максимального размера: 54 мкм при распылении медной проволоки, 85 мкм при распылении стальной проволоки Св-08А и 85 мкм при их совместном распылении. Обнаружено, что в процессе совместного распыления медной и стальной проволок в результате межфазного взаимодействия их расплавов образуются псевдосплавные частицы, состоящие из частиц расплава стали с оболочкой из меди на их поверхности. К л ю ч е в ы е с л о в а : электродуговое напыление, стальная и медная проволоки, диспергирование расплава, меж- фазное взаимодействие, псевдосплав, гранулометрический состав, микроструктура частиц Одним из ключевых факторов процесса газотер- мического нанесения покрытий является размер частиц напыляемого материала. Он во многом оп- ределяет условия нагрева и ускорения частиц, раз- вития процесса их взаимодействия с окружающей средой и в конечном счете форму, размер частиц, деформирующихся при ударе о поверхность под- ложки, которые формируют слой покрытия [1, 2]. От толщины этих частиц (сплетов) зависит ско- рость их охлаждения, которая связана с возмож- ностью появления в покрытии неравновесных структур (аморфных, пересыщенных твердых рас- творов и т. п.) [3]. Гранулометрический состав частиц напыляемого материала влияет также на однородность свойств покрытия, степень гетеро- генности его структуры. В условиях применения для газотермического напыления порошков этот фактор определяется выбранным гранулометрическим составом ис- пользуемого исходного материала. Коренное от- личие метода проволочного газотермического на- пыления покрытий от порошкового состоит в том, что формирование потока частиц напыляемого материала происходит непосредственно в течение процесса нанесения покрытия при диспергиро- вании расплава используемой проволоки. Это пре- допределяет важность исследования процесса диспергирования, результаты которого необходи- мы для управления формированием покрытий и контроля их свойств. Электродуговое напыление характеризуется большим количеством факторов, позволяющих управлять значениями скорости, температуры и особенно размерами напыляемых частиц [4], а следовательно, и свойствами покрытий. Диспергирование расплава проволок при электродуговом напылении покрытий. При электродуговом напылении покрытие формирует- ся из капель жидкого металла, движущихся в струе транспортирующего газа (рис. 1). Нагрев и плавление распыляемого металла происходит за счет тепла электрической дуги, горящей между расходуемыми проволоками — электродами, из которых образуется расплавленный металл. Жид- кий металл сдувается с концов электродов, дро- бится под воздействием газодинамических и элек- тромагнитных сил и в виде капель движется в направлении к поверхности напыляемой основы. Процессы формирования и отрыва жидкого ме- талла с торцов электродов проанализированы в работах [4–11]. Авторами рассмотрены основные силы, действующие на каплю расплавленного ме- © Ю. С. Борисов, Н. В. Вигилянская, И. А. Демьянов, А. П. Грищенко, А. П. Мурашов, 2013 2/2013 25 талла, образующуюся на торце проволоки. Жид- кий металл на торцах электродов удерживается силами поверхностного натяжения. По мере на- копления металл под действием электродинами- ческих сил выталкивается к периферийным час- тям электродов, где под действием газового по- тока происходит отрыв и перенос частиц. Сила, которая стремится оторвать каплю, зависит от скорости струи, а сила, удерживающая каплю, пропорциональна ее диаметру и поверхностному натяжению расплава материала проволоки. Ба- ланс этих сил можно представить в виде урав- нения [9]: 0,5CdSρg(Wg – Wp) 2 = πdпσ, (1) где Cd — коэффициент аэродинамического сопро- тивления; S = πdmax 2 ⁄ 4 — площадь поперечного се- чения капли, м2; ρ — плотность, кг/м3; σ — по- верхностное натяжение, Н/м; dп — диаметр перемычки отрыва, м; W — скорость, м/с, а индексы р, g относятся к каплям и газу соответственно. Изменение параметров напыления (скорости подачи проволоки, тока и напряжения на элект- родах, давления сжатого воздуха) ведет к изме- нению механизма плавления проволок. Если меж- ду средней скоростью перемещения фронта плав- ления и скоростью подачи электродов существует динамическое равновесие, то наблюдается ста- бильное горение дуги. При таком режиме газовый поток обеспечивает эвакуацию и распыление жид- кого металла с электродов до их столкновения и короткого замыкания. Далее расплавленный ме- талл снова накапливается на торцах электродов, столб дуги сокращается и цикл повторяется. Вмес- те с периодическим выбросом порций металла из межэлектродного промежутка имеет место также непрерывное струйное стекание перегретого ме- талла с поверхности электродов. Это результат уменьшения сил поверхностного натяжения при сильном перегреве расплавленного металла и, как следствие, невозможность удерживания им оплав- ленного слоя на поверхности электродов. Под действием струи газа этот оплавленный слой смы- вается с поверхности электродов и распыляется [12]. По условию равенства сил поверхностного на- тяжения и силы аэродинамического сопротивле- ния для дуговой металлизации выполнена оценка максимального размера капель, срываемых с про- волоки [13]: dmax = 1 ⁄ (Wg – Wp)√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯8σdп ⁄ (Cdρg) . (2) Решение обратной задачи позволяет опреде- лить необходимые условия, а именно, скорость истечения струи при распылении проволоки оп- ределенного диаметра. Экспериментальные данные [8] показывают, что изменение электрических параметров процес- са в некотором диапазоне позволяет варьировать не только температуру напыляемых частиц, но и их гранулометрический состав. В работах [5, 6, 14, 15] указывается, что основными парамет- рами, влияющими на распределение частиц по размерам при дуговой металлизации, являются напряжение на электродах дуги и давление сжа- того воздуха. На дисперсность напыляемого металла влияет также энергия воздушной струи, которая в свою очередь зависит от диаметра воздушного сопла и может быть выражена формулой [5]: dср = K1(3,75 ⁄ R0 + 0,29)√⎯⎯⎯⎯⎯⎯G ⁄ γμ2 [мм], (3) где K1 — коэффициент размерности; R0 — радиус воздушного сопла; G — производительность ап- парата, кг/с; γ — плотность напыляемого металла кг/м3; μ2 — коэффициент равномерности распы- ления. Физико-химические процессы, протекающие в жидком металле при расплавлении электродов ду- гой, размеры частиц распыляемого расплава, свойс- тва покрытий зависят также от интенсивности плав- ления электродов и массы жидкого металла на их торцах. В работе [7] предложены формулы приб- лиженного расчета массы жидкого металла, обра- зующегося на торцах электродов в межэлектродном промежутке при плавлении сплошных и порошко- вых проволок. Они учитывают такие факторы про- цесса электродуговой металлизации, как ток дуги, скорость подачи электродов, частота сбросов жид- кого металла, диаметр электродов. При напылении псевдосплавных покрытий в электродуговые металлизаторы подают две про- волоки из разнородных материалов, благодаря че- му напыляемый слой представляет собой диспер- сную смесь двух распыляемых материалов. При распылении разнородных проволок плавление мо- жет происходить неравномерно из-за разницы зна- чений в температуре плавления. Эксперименталь- ные результаты исследования характера расплав- ления частиц при одновременном распылении двух разнородных проволок отсутствуют. Данные Рис. 1. Схема процесса электродугового напыления: 1 — проволоки; 2 — направляющие; 3 — сжатый воздух 26 2/2013 о влиянии режимов работы металлизатора на про- цесс распыления разнородных проволок позволят установить способы управления гранулометри- ческим составом продуктов распыления при элек- тродуговом напылении псевдосплавных покры- тий и соответственно структурой и свойствами получаемых покрытий. В настоящей работе проведено исследование процесса совместного распыления в условиях элек- тродуговой металлизации cтальной и медной про- волок, изучено также влияние технологических па- раметров на гранулометрический состав частиц рас- плавов и микроструктуру продуктов распыления. Методика проведения эксперимента. Для ис- следования процесса распыления в качестве ра- бочих материалов использовали проволоки диа- метром 2 мм: медную марки М1 и стальную Св- 08А. Процесс проводили с помощью двухпрово- лочного электродугового металлизатора ЭМ-14М. Для установления характера взаимосвязи между условиями распыления проволок и грануломет- рическим составом частиц применяли метод ма- тематического планирования эксперимента [16]. В качестве изменяемых факторов оптимизации выбрали следующие параметры: мощность дуги; давление сжатого воздуха и дистанцию напыле- ния. Выбор основывался на том, что эти факторы оказывают существенное влияние на процесс рас- пыления проволок [5, 6, 10]. Условия проведения эксперимента сведены в матрицу планирования (таблица). Граничные условия факторов выбрали из ана- лиза предыдущих экспериментов и опыта элек- тродугового напыления покрытий из проволоч- ных материалов [17–19]. Кроме указанных изме- няемых факторов, постоянными оставались такие факторы, как угол наклона струи к подложке — 90°, угол между электродами 30°. Для исследования размера и структуры частиц, образующихся при распылении разнородных про- волок, сбор частиц проводили путем распыления проволок в воду. Далее выполнили сепарацию частиц с использованием магнитной плиты. Микроструктуру частиц исследовали на метал- лографическом микроскопе «Neophot-32». Изме- рение гранулометрического состава продуктов распыления проводили с использованием прог- раммы обработки изображений «Atlas». Результаты анализа продуктов распыления. На рис. 2 приведены гистограммы зависимости среднего размера частиц от режимов распыления, полученных при раздельном распылении медной и стальной проволок, а также при их одновре- менном распылении. Из них следует, что диспер- сность распыленной меди меньше, чем стали и псевдосплава, что, по-видимому, связано с тем, что, медь имеет меньший коэффициент поверх- ностного натяжения (поверхностное натяжение меди 1,35, стали 1,85 Н/м [20]). В результате математической обработки ре- зультатов измерения получены следующие урав- нения регрессии, выражающие зависимость раз- мера частиц от условий распыления: dч ср(Cu) = 46 – 0,31W – 0,62P + 0,004H, dч ср(Fe) = 73 – 0,15W – 0,96P + 0,004H, dч ср(Cu – Fe) = 73 – 0,74W – 1,21P + 0,01H. Анализ уравнений регрессии позволил опре- делить влияние изменяемых факторов процесса на средний размер частиц для каждого из мате- риалов. Матрица математического планирования эксперимента Номер режима Мощность W, кВт Давление сжа- того воздуха P, атм Дистанция напыления Н, мм 1 9,6 7 200 2 9,6 6 60 3 4,4 7 60 4 4,4 6 200 5 3,8 7 60 6 3,8 6 200 7 1,7 7 200 8 1,7 6 60 Рис. 2. Зависимость среднего размера частиц от режимов распыления: а — медные частицы; б — стальные; в — частицы псевдосплава сталь–медь 2/2013 27 Уравнения регрессии свидетельствуют о том, что на размер частиц наибольшее влияние ока- зывает давление сжатого воздуха. Увеличение мощности и давления сжатого воздуха ведет к уменьшению диаметра частиц. Минимальный раз- мер частиц получен при распылении в случае со- четания максимальных значений мощности и дав- ления сжатого воздуха (режим № 1). Совокуп- ность минимальных значений мощности и дав- ления сжатого воздуха ведет к формированию час- тиц максимального размера (режим № 8). Учитывая турбулентный характер струи при электродуговом напылении [13], образовавшиеся капли расплавов меди и железа в процессе дви- жения в струе могут сталкиваться, что определяет возможность развития процессов межфазного вза- имодействия с явлениями взаимного смешивания и образования твердых растворов в системе медь– железо. Как видно из диаграммы состояния медь– железо (рис. 3), железо и медь ограниченно вза- имно растворимы [21]. Существуют две области возможного взаимо- действия — на начальной стадии плавления и от- рыва капель с торцов медной и стальной проволок и в процессе их полета до поверхности подложки. Для оценки возможности взаимодействия час- тиц в объеме струи распыления провели расчет условной объемной концентрации частиц расп- лава материала в струе напыления β′ и оценили вероятность столкновения частиц в струе [22]. Ус- ловная объемная концентрация β′ представляет собой отношение объема распыляемого материала к объему подаваемого газа (сжатого воздуха): β′ = Vпр/Vг, (4) где Vг — объем сжатого воздуха, равный 1,2 м3/мин; Vпр — объем подаваемой проволоки, м3/мин, равный: Vпр = π2r2vпр, (5) где r — радиус проволоки (r = 0,001 м); vпр — скорость подачи проволоки (vпр = 4,5 м/мин). Расчет β′ по формуле (4) показал, что условная объемная концентрация частиц расплава матери- ала в струе при металлизации составляет 0,28⋅10–4, однако она выражает усредненное распределение дисперсного материала в объеме струи. Распре- деление частиц расплава материала по сечению струи неравномерно. Для его описания в первом приближении может быть применено гауссово распределение, которое наблюдается в распреде- лении частиц, формирующих покрытие [23, 24]: Yi = Y0exp – (ri 2 ⁄ 2δ2), (6) где Yi — плотность потока частиц в точке ri се- чения струи; Y0 — плотность потока частиц на оси струи; ri — текущий радиус сечения струи; δ — стандартное отклонение. Интегрируя функцию Yi по dr, получаем сум- марную плотность потока дисперсного материала в сечении струи: ∫ –∞ +∞ Yidr = Y0 √⎯⎯⎯⎯2πδ . (7) Суммарная плотность потока может быть по- лучена при замене фигуры Гаусса равновеликим прямоугольником с базой 4rр (rр = √⎯⎯⎯2δ — радиус рассеивания) и высотой, равной средней концен- трации дисперсной среды в струе. Заменяя rp на √⎯⎯⎯2δ , получаем Y0/Yср = 4 ⁄ √⎯⎯π = 2,26. (8) Таким образом, максимальные условные кон- центрации β′ частиц расплава материала в струе при напылении, наблюдаемые в приосевой зоне, могут достигать 0,64⋅10–4, а фактическая средняя объемная концентрация частиц расплава матери- ала в струе составляет β′ < 0,5⋅10–4. Расчет отношения среднего расстояния между частицами в газовой струе к их размеру позволяет оценить возможность соударения частиц, коагу- ляции их в расплавленном состоянии и изменения вследствие этого состава и размера частиц на- пыляемого материала [23]. Отношение расстояния между частицами l к размеру частицы dч соот- ветственно l dч = 1 3√⎯⎯⎯⎯⎯⎯1,91β′ – dч – 1. (9) На рис. 4 представлены результаты расчета ве- личины l/dч при диаметре частицы 140 мкм в за- висимости от β′. Из них следует, что при кон-Рис. 3. Диаграмма состояния медь–железо 28 2/2013 центрациях частиц расплава материала менее 0,64⋅10–4 процессы столкновения и коагуляции частиц при движении в объеме струи маловеро- ятны. При использовании данной методики оценки возможности взаимодействия частиц в объеме струи первоначально установлено, что частицы стали и меди в процессе полета в объеме струи не должны сталкиваться и взаимодействовать между собой. Тем не менее результаты магнитной сепарации всей массы продукта диспергирования при совместном распылении медной и стальной проволок показали, что практически все частицы собранного порошка характеризуются магнитны- ми свойствами, что указывает на наличие в каж- дой из них магнитного материала — железа. В связи с этим возникла необходимость анализа процесса контактного межфазного взаимодейс- Рис. 4. Зависимость межчастичного расстояния от концент- рации дисперсной фазы Рис. 5. Схема взаимодействия частиц стали и меди Рис. 6. Микроструктуры (×500) продук- тов одновременного распыления прово- лок меди и стали: а–з — соответственно режимы № 1–8 2/2013 29 твия частиц расплавов меди и железа в случае их столкновения. Расчет поверхностной энергии расплава рас- пыленных частиц стали и меди позволяет прог- нозировать наиболее вероятный вид контактного взаимодействия частиц в зависимости от их ди- аметра. Свободная энергия поверхности капли жидкости F пропорциональна ее площади [24]: F = σS, (10) где S = 4πr2 — площадь поверхности сферической частицы радиусом r; σ — поверхностное натя- жение жидкости. Изменение свободной энергии частицы после взаимодействия определяется по формуле ΔF = F′ – F, (11) где F′ = F1 ′ + F2 ′ — энергия частицы после вза- имодействия; F = F1 + F2 — энергия частицы до взаимодействия. На рис. 5 приведены виды возможного взаи- модействия частиц стали и меди. В случае захвата медной частицей частицы ста- ли изменение свободной энергии составляет ΔF = = 3,6⋅10–8 Дж, в случае захвата стальной частицей частицы меди ΔF = 4,9⋅10–8 Дж. Результаты дан- ного расчета поверхностной энергии частиц поз- воляют заключить, что наиболее вероятный про- цесс взаимодействия частиц стали и меди будет протекать в направлении захвата расплавом меди стальных капель. Анализ микроструктуры частиц показал, что в процессе распыления при всех технологических режимах частицы меди и стали соединяются и образуют псевдосплавные частицы. Как видно из рис. 6, в продуктах распыления медной и стальной проволок встречаются отдельные частицы стали, тогда как все медные частицы находятся в виде псевдосплавных частиц медь–сталь, которые представляют собой частицы меди сферической и каплевидной формы, в которые внедрены мел- кие или крупные частицы стали. Исходя из предыдущей оценки вероятности стол- кновения частиц при полете в объеме струи, можно полагать, что частицы псевдосплава медь–сталь об- разуются в процессе начальной стадии плавления и отрыва капель расплава с концов проволок. Выводы 1. С использованием математического планиро- вания эксперимента по исследованию процесса диспергирования расплава медной и стальной проволок в условиях электродугового напыления получены уравнения регрессии, отражающие за- висимость среднего размера частиц от значений электрической мощности, давления сжатого воз- духа и дистанции напыления. 2. Установлено, что при изменении электри- ческой мощности в пределах 1,7…9,6 кВт, дав- лении сжатого воздуха 6…7 атм, дистанции на- пыления 60…200 мм средний размер напыляе- мых частиц в случае раздельного распыления мед- ной проволоки изменяется в пределах 37…54 мкм, проволоки Св-08А — 54…85 мкм. При совместном распылении этих проволок в ука- занных условиях образуются частицы с размером от 52 до 85 мкм. 3. Средний размер частиц главным образом зависит от давления сжатого воздуха — с его уве- личением диаметр частиц уменьшается. При рас- пылении в случае сочетания максимальных зна- чений мощности (9,6 кВт) и давления сжатого воздуха (7 атм) образуются частицы минималь- ного размера: 37 мкм при распылении медной проволоки, 54 мкм при распылении проволоки Св-08А и 52 мкм при их совместном распылении. Совокупность минимальных значений мощности (1,7 кВт) и давления сжатого воздуха (6 атм) ве- дет к формированию частиц максимального раз- мера: 54 мкм при распылении медной проволоки, 85 мкм при распылении проволоки из Св-08А и 85 мкм при их совместном распылении (псевдос- плавные частицы). 4. Обнаружено, что в процессе электродуго- вого напыления покрытий из медной и стальной проволок происходит межфазное взаимодействие частиц расплавов, в результате которого проис- ходит формирование оболочки из меди на повер- хности частиц расплава стали с образованием частиц псевдосплавной структуры. Расчетно-тео- ретический анализ процесса взаимодействия по- казывает, что наиболее вероятной областью этого взаимодействия является начальный участок про- цесса диспергирования расплавов проволок. 1. Балдаев Л. Х., Борисов В. Н., Вахалин В. А. Газотерми- ческое напыление: Уч. пособие для вузов / Под общ. ред. Л. Х. Балдаева. — М.: Маркет ДС, 2007. — 344 с. 2. Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напыле- нием: Теория, технология и оборудование: Учебник для металлургических и машиностроительных специальнос- тей вузов / Под ред. Б. С. Митина. — М.: Металлургия, 1992. — 432 с. 3. Борисов Ю. С., Коржик В. Н. Аморфные газотермичес- кие покрытия. Теория и практика (Обзор) // Автомат. сварка. — 1995. — № 4. — С. 3–11. 4. Вахалин В. А., Кудинов В. В., Белащенко В. Е. Исследова- ние эффективного КПД нагрева электродов и коэффици- ента использования материала при дуговой металли- зации // Физ. и химия обработки материалов. — 1981. — № 8. — С. 65–69. 5. Катц Н. В., Антошин Е. В., Вадивасов Д. Г. Металлиза- ция распылением. — М.: Машиностроение, 1966. — 200 с. 6. Троицкий А. Ф. Основы металлизации распылением. — Ташкент: Госиздат УзССР, 1960. — 184 c. 7. Роянов В. А. Плавление электродов при дуговой метал- лизации // Свароч. пр-во. — 1990. — № 2. — С. 35–38. 30 2/2013 8. Анализ методов управления параметрами напыляемых частиц при электродуговой металлизации / В. А. Агеев, В. Е. Белащенко, И. Э. Фельдман, А. В. Черноиванов // Там же. — 1989. — № 12. — С. 30–32. 9. Коробов Ю. С. Оценка сил, действующих на распыляе- мый металл при электрометаллизации // Автомат. свар- ка. — 2004. — № 7. — С. 23–27. 10. Процесс плавления и распыления материала электродов при электродуговой металлизации / В. А. Вахалин, В. В. Кудинов, С. Б. Масленников и др. // Физ. и химия обра- ботки материалов. — 1981. — № 3. — С. 58–63. 11. Коробов Ю. С., Бороненков В. Н. Расчет параметров движе- ния, нагрева и окисления частиц при электродуговой ме- таллизации // Свароч. пр-во. — 1998. — № 3. — С. 9–13. 12. Кузнецов В. Д., Пащенко В. М. Фізико-хімічні основи створення покриттів: Навч. посібник. — К.: НМЦ ВО, 1999. — 176 с. 13. Бороненков В. Н., Коробов Ю. С. Основы дуговой метал- лизации. Физико-химические закономерности. — Екате- ринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. — 265 с. 14. Newbery A. P., Granta P. S., Neiser R. A. The velocity and temperature of steel droplets during electric arc spraying // Surface and Coatings Technology. — 2005. — 195, № 1. — P. 91–101. 15. Planch M. P., Liao H., Coddet C. Relationships between in- flight particle characteristics and coating microstructure with a twin wire arc spray process and different working conditi- ons // Ibid. — 2004. — 182, № 2-3. — P. 215–226. 16. Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов техно- логии металлов методами планирования экспериментов. — М.: Машиностроение, 1980. — 304 с. 17. Металлизация распылением / Н. В. Катц, Е. В. Антошин, Д. Г. Вадивасов и др. — М.: Машиностроение, 1966. — 200 с. 18. Шашков А. Н. Антифрикционные псевдосплавы. — М.: Машгиз, 1960. — 53 с. 19. Сложные металлизационные псевдосплавы как подшип- никовые материалы / Л. В. Красниченко, А. И. Смоляни- нов, Е. Г. Подкович, В. М. Таратин // Применение новых материалов в сельскохозяйственном машиностроении: Сб. ст. — Ростов-на-Дону, 1966. — С. 3–20. 20. Свойства элементов: Справ. изд. / Под ред. М. Е. Дри- цы. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с. 21. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов: В 2-х т. — М.: Металлургиздат, 1962. — Т. 2. — 624 с. 22. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. Механика. Основы молекулярной физики и термодинамики. — 4-е изд., перераб.: Учеб. пособие для втузов. — М.: Высш. шк., 1973. — Т. 1. — 384 с. 23. Борисов Ю. С. Теоретические и технологические основы получения плазменных покрытий из композиционных порошков: Дис. ... д-ра техн. наук. — Киев, 1982. — 514 с. 24. Формирование напыляемого слоя. http://www.hvof.org- /theory/forming/. Поступила в редакцию 26.11.2012 НОВАЯ КНИГА Шаповалов В. О., Шейко І. В., Ремізов Г. О. Плазмові процеси та устаткування в металургії. — К.: Хімджест, 2012. — 384 с. (укр. яз.). В учебнике обобщены многочисленные материалы о развитии, становлении и применении низкотемпературной плазмы в металлургии. Освещены вопросы теории и практики получения низкотемпературной плазмы, описаны разные типы и конструкции плазмотронов и их работа. Рассмотрены разнообразные процессы и технологии практического применения низкотем- пературной плазмы в металлургии: плавка металлов и сплавов в печах с керамическим подом, рафинирующий переплав металлов с формированием слитка в охлаждаемом кристаллизаторе, интенсификация плавки в открытых и вакуумных индукционных тигельных печах, послепечная обработка металлических расплавов в агрегатах типа ковш–печь, рафинирующий переплав поверхности слитков и заготовок. Показаны возможности применения низкотемпературной плазмы для получения металли- ческих материалов с высокими функциональными свойствами: монокристаллов тугоплавких ме- таллов, гранулированных металлических порошков, лент с аморфной структурой. Изложены методики расчета плазменно-дуговых печей с керамическим подом, гарнисажных печей и переплавных агрегатов, у которых слиток формируется в водоохлаждающем кристаллиза- торе. Для студентов металлургических и материаловедческих специальностей высших учебных заведений, аспирантов, преподавателей и специалистов, работающих в металлургической области. 2/2013 31

Исследование диспергирования разнородных проволочных материалов в процессе электродугового напыления

Institution

Similar Items