Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий
Проведено исследование влияния условий электродугового напыления на структуру и свойства псевдосплавного покрытия сталь–медь. Для определения степени влияния факторов напыления на характеристики покрытия использовали метод многофакторного планирования эксперимента. Анализ сплетов показал, что при...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103143 |
| 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 влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий / Ю.С. Борисов, Н.В. Вигилянская, И.А. Демьянов, А.П. Грищенко, А.П. Мурашов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 12 (727). — С. 11-17. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103143 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Борисов, Ю.С. Вигилянская, Н.В. Демьянов, И.А. Грищенко, А.П. Мурашов, А.П. 2016-06-14T11:07:28Z 2016-06-14T11:07:28Z 2013 Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий / Ю.С. Борисов, Н.В. Вигилянская, И.А. Демьянов, А.П. Грищенко, А.П. Мурашов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 12 (727). — С. 11-17. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103143 621.81:621.337 Проведено исследование влияния условий электродугового напыления на структуру и свойства псевдосплавного покрытия сталь–медь. Для определения степени влияния факторов напыления на характеристики покрытия использовали метод многофакторного планирования эксперимента. Анализ сплетов показал, что при всех исследуемых режимах напыления при столкновении с основой капли металла находятся в жидком состоянии. Получены регрессионные уравнения, связывающие технологические режимы напыления (скорость подачи проволок, напряжение, расход сжатого воздуха, дистанция напыления) с твердостью, содержанием в покрытии стальной и медной составляющих, оксидов и пор. Установлено, что в покрытиях, полученных распылением проволок стали и меди одинакового диаметра, содержание меди в общем объеме покрытия зависит от тепловложения в распыляемый материал и при 0,6…1,0 МДж/кг составляет около 35 об. %, а при 1,4…2,2 МДж/кг около 22 об. %. Вероятными причинами снижения содержания меди являются выгорание (испарение) и окисление меди в процессе распыления ввиду ее перегрева выше точки плавления. Наиболее действенным методом сокращения потерь меди за счет ее выгорания при напылении псевдосплавного покрытия сталь–медь является снижение степени нагрева напыляемых частиц и увеличение их скорости за счет увеличения расхода сжатого воздуха и снижения тепловложения в распыляемый материал. Наилучший комплекс структуры и свойств электродуговых псевдосплавных покрытий сталь–медь по показателям сохранения соотношения компонентов (1:1), пористости (8 об. %), степени окисления (21 об. %) и твердости (2700 МПа) получили в случае напыления при тепловложении в проволоку 1,0 МДж/кг и расходе сжатого воздуха 126 м³/ч. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий Study of effect of electric arc spraying conditions on structure and properties of pseudo-alloy coatings Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий |
| spellingShingle |
Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий Борисов, Ю.С. Вигилянская, Н.В. Демьянов, И.А. Грищенко, А.П. Мурашов, А.П. Научно-технический раздел |
| title_short |
Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий |
| title_full |
Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий |
| title_fullStr |
Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий |
| title_full_unstemmed |
Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий |
| title_sort |
исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий |
| 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. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Study of effect of electric arc spraying conditions on structure and properties of pseudo-alloy coatings |
| description |
Проведено исследование влияния условий электродугового напыления на структуру и свойства псевдосплавного
покрытия сталь–медь. Для определения степени влияния факторов напыления на характеристики покрытия использовали метод многофакторного планирования эксперимента. Анализ сплетов показал, что при всех исследуемых
режимах напыления при столкновении с основой капли металла находятся в жидком состоянии. Получены регрессионные уравнения, связывающие технологические режимы напыления (скорость подачи проволок, напряжение,
расход сжатого воздуха, дистанция напыления) с твердостью, содержанием в покрытии стальной и медной составляющих, оксидов и пор. Установлено, что в покрытиях, полученных распылением проволок стали и меди
одинакового диаметра, содержание меди в общем объеме покрытия зависит от тепловложения в распыляемый
материал и при 0,6…1,0 МДж/кг составляет около 35 об. %, а при 1,4…2,2 МДж/кг около 22 об. %. Вероятными
причинами снижения содержания меди являются выгорание (испарение) и окисление меди в процессе распыления
ввиду ее перегрева выше точки плавления. Наиболее действенным методом сокращения потерь меди за счет ее
выгорания при напылении псевдосплавного покрытия сталь–медь является снижение степени нагрева напыляемых
частиц и увеличение их скорости за счет увеличения расхода сжатого воздуха и снижения тепловложения в
распыляемый материал. Наилучший комплекс структуры и свойств электродуговых псевдосплавных покрытий
сталь–медь по показателям сохранения соотношения компонентов (1:1), пористости (8 об. %), степени окисления
(21 об. %) и твердости (2700 МПа) получили в случае напыления при тепловложении в проволоку 1,0 МДж/кг
и расходе сжатого воздуха 126 м³/ч.
|
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103143 |
| citation_txt |
Исследование влияния режимов электро- дугового напыления на структуру и свойства псевдосплавных покрытий / Ю.С. Борисов, Н.В. Вигилянская, И.А. Демьянов, А.П. Грищенко, А.П. Мурашов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 12 (727). — С. 11-17. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT borisovûs issledovanievliâniârežimovélektrodugovogonapyleniânastrukturuisvoistvapsevdosplavnyhpokrytii AT vigilânskaânv issledovanievliâniârežimovélektrodugovogonapyleniânastrukturuisvoistvapsevdosplavnyhpokrytii AT demʹânovia issledovanievliâniârežimovélektrodugovogonapyleniânastrukturuisvoistvapsevdosplavnyhpokrytii AT griŝenkoap issledovanievliâniârežimovélektrodugovogonapyleniânastrukturuisvoistvapsevdosplavnyhpokrytii AT murašovap issledovanievliâniârežimovélektrodugovogonapyleniânastrukturuisvoistvapsevdosplavnyhpokrytii AT borisovûs studyofeffectofelectricarcsprayingconditionsonstructureandpropertiesofpseudoalloycoatings AT vigilânskaânv studyofeffectofelectricarcsprayingconditionsonstructureandpropertiesofpseudoalloycoatings AT demʹânovia studyofeffectofelectricarcsprayingconditionsonstructureandpropertiesofpseudoalloycoatings AT griŝenkoap studyofeffectofelectricarcsprayingconditionsonstructureandpropertiesofpseudoalloycoatings AT murašovap studyofeffectofelectricarcsprayingconditionsonstructureandpropertiesofpseudoalloycoatings |
| first_indexed |
2025-11-25T21:18:29Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:18:29Z |
| _version_ |
1850556041271443456 |
| fulltext |
УДК 621.81:621.337
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ
ЭЛЕКТРОДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ НА СТРУКТУРУ
И СВОЙСТВА ПСЕВДОСПЛАВНЫХ ПОКРЫТИЙ
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
Проведено исследование влияния условий электродугового напыления на структуру и свойства псевдосплавного
покрытия сталь–медь. Для определения степени влияния факторов напыления на характеристики покрытия ис-
пользовали метод многофакторного планирования эксперимента. Анализ сплетов показал, что при всех исследуемых
режимах напыления при столкновении с основой капли металла находятся в жидком состоянии. Получены рег-
рессионные уравнения, связывающие технологические режимы напыления (скорость подачи проволок, напряжение,
расход сжатого воздуха, дистанция напыления) с твердостью, содержанием в покрытии стальной и медной сос-
тавляющих, оксидов и пор. Установлено, что в покрытиях, полученных распылением проволок стали и меди
одинакового диаметра, содержание меди в общем объеме покрытия зависит от тепловложения в распыляемый
материал и при 0,6…1,0 МДж/кг составляет около 35 об. %, а при 1,4…2,2 МДж/кг около 22 об. %. Вероятными
причинами снижения содержания меди являются выгорание (испарение) и окисление меди в процессе распыления
ввиду ее перегрева выше точки плавления. Наиболее действенным методом сокращения потерь меди за счет ее
выгорания при напылении псевдосплавного покрытия сталь–медь является снижение степени нагрева напыляемых
частиц и увеличение их скорости за счет увеличения расхода сжатого воздуха и снижения тепловложения в
распыляемый материал. Наилучший комплекс структуры и свойств электродуговых псевдосплавных покрытий
сталь–медь по показателям сохранения соотношения компонентов (1:1), пористости (8 об. %), степени окисления
(21 об. %) и твердости (2700 МПа) получили в случае напыления при тепловложении в проволоку 1,0 МДж/кг
и расходе сжатого воздуха 126 м3/ч. Библиогр. 22, табл. 2, рис. 8.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электродуговое напыление, псевдосплавные покрытия, микроструктура, пористость, окис-
ление, микротвердость
Процесс электродугового напыления характе-
ризуется большим количеством факторов, оказы-
вающих влияние на эксплуатационные свойства
покрытий. Для управления свойствами получае-
мых покрытий необходимо проводить исследо-
вание влияния этих факторов на процесс обра-
зования покрытий.
Механические свойства покрытий, полученных
электродуговым напылением, связаны с их строе-
нием и находятся в зависимости от режимов на-
пыления, которые изменяют микроструктуру пок-
рытий (содержание в покрытии оксидов и пор).
Оксиды в покрытии играют двоякую роль. С
одной стороны они в значительной мере повы-
шают износостойкость покрытия, так как в ос-
новном имеют более высокую твердость, чем ис-
ходные чистые металлы. В то же время имеется
некоторое критическое количество оксидов, пре-
вышение которого скачкообразно снижает рабо-
тоспособность покрытия под воздействием внеш-
них нагрузок, так как увеличивается его хрупкость
[1]. Наличие пористости в покрытиях снижает из-
носостойкость при сухом трении [2], однако поры
играют положительную роль в антифрикционных
покрытиях, обеспечивая благоприятные условия
для сохранения в процессе трения масляной плен-
ки [3].
Большинство исследователей сходится во
мнении, что повышение давления распыляющего
газа способствует снижению пористости покры-
тий [4]. При увеличении давления распыляющего
газа увеличивается дисперсность распыляемого
материала (алюминия, стали, меди) [5, 6] и ско-
рость движения частиц [7], что ведет к форми-
рованию более плотной однородной структуры
покрытий. Изменение скорости подачи проволок,
напряжения на электродах и дистанции напыле-
ния незначительно влияет на размер распыляемых
частиц (алюминий, сталь–медь) [5]. Уменьшение
напряжения горения дуги приводит к некоторому
смещению размера напыляемых частиц в область
более мелких фракций при распылении проволок
стали, меди или алюминия [6, 8, 9]. Увеличение
тока дуги со 150 до 200 А ведет к уменьшению
пористости покрытия на 1,5…2,0 % [10].
Однако с увеличением давления распыляющего
газа увеличивается содержание оксидов в покрытии,
так как с уменьшением размера напыляемых частиц
происходит более интенсивное их взаимодействие
с кислородом [11]. При увеличении диаметра час-
© Ю. С. Борисов, Н. В. Вигилянская, И. А. Демьянов, А. П. Грищенко, А. П. Мурашов, 2013
12/2013 11
тиц от 10 до 237 мкм степень окисления капель
уменьшается примерно на 30 % [12].
С увеличением дистанции напыления от 25 до
300 мм содержание оксидов в покрытии увели-
чивается с 10 до 40 % за счет увеличения времени
взаимодействия частиц с кислородом в струе [3].
При использовании электродуговых покрытий
в качестве износостойких материалов важным
свойством покрытий является твердость, которая
определяется условиями формирования слоя при
распылении металла. При увеличении давления
распыляющего газа твердость покрытия увеличи-
вается ввиду формирования более плотного пок-
рытия [13]. Покрытия из проволоки с низким со-
держанием углерода приобретают твердость
вследствие большого количества оксидов [2]. При
применении высокоуглеродистых проволок твер-
дость покрытия возрастает с увеличением рассто-
яния до 100 мм, а затем при дальнейшем увели-
чении расстояния твердость уменьшается вслед-
ствие увеличения содержания пор в покрытиях.
При повышении давления сжатого воздуха с 3
до 7 атм. при применении высокоуглеродистых
проволок твердость покрытий увеличивается с HB
193 до HB 207. С увеличением подачи проволоки,
а следовательно силы тока, твердость понижается.
При электродуговом напылении процесс плав-
ления и отрыва капель с проволок анода и катода
происходит неодинаково [5, 14]. При использо-
вании разнородных проволок в случае напыления
псевдосплавных покрытий на процесс несиммет-
ричного расплавления, формирования и отрыва
капель также оказывает влияние разница в ско-
ростях плавления проволок (ввиду разницы тем-
ператур плавления этих материалов). Это ведет
к формированию неравномерной микрострукту-
ры. В работе [15] показана неравномерность рас-
пределения компонентов покрытия по пятну на-
пыления при распылении проволок стали и меди.
При напылении псевдосплавных покрытий
равномерность распределения компонентов явля-
ется важной характеристикой.
Целью настоящей работы является изучение
влияния рабочих параметров электродугового на-
пыления на микроструктуру (пористость, степень
окисления, однородность распределения компо-
нентов) и твердость псевдосплавных покрытий
сталь–медь.
Методика проведения эксперимента. При
исследовании процесса формирования псевдосп-
лавных покрытий, получаемых одновременным
распылением разнородных проволок, в качестве
материалов использовали проволоки диаметром
2 мм меди марки М1 и стальную Св08А. Нане-
сение покрытий проводили электродуговым ме-
таллизатором ЭМ-14М с источником питания
ВДУ-506. Для установления характера взаимос-
вязи между условиями распыления проволок и
структурой псевдосплавных покрытий использо-
вали метод математического планирования экс-
перимента [16]. В качестве изменяемых факторов
выбрали следующие параметры: скорость подачи
проволок wпр, м/ч; напряжение на электродах дуги
U, В; расход сжатого воздуха Vг, м3/ч (давление
сжатого воздуха, атм); дистанция напыления Н, м.
Выбор основывался на том, что эти факторы ока-
зывают наиболее существенное влияние на струк-
туру и качество покрытий [2, 5]. Для четырех-
факторного эксперимента использовали полуреп-
лику 24-1. Условия проведения эксперимента све-
дены в матрицу планирования (табл. 1). Для ана-
лиза процесса напыления проволок в табл. 1 вве-
дены величины мощности дуги P, комплексы па-
раметров, характеризующие удельный расход
энергии на нагрев газа IU/Vг и проволок IU/Gпр,
которые позволяют определить уровень теплов-
ложения в напыляемый материал и газовую
струю. Получаемые численные величины пока-
зателей IU/Vг и IU/Gпр относятся к предельным
Т а б л и ц а 1. Матрица математического планирования эксперимента*
Номер
опыта
Параметры напыления
Мощность
P, кВт
IU/Vг,
МДж/м3 газа
Расход
проволоки
Gпр, кг/ч
IU/Gпр,
МДж/кг
проволоки
dчаст.,
мкм [6] S, м2/кг H/Vг,
ч/м2⋅10–6
wпр, м/ч U, B Vг, м
3/ч (дав-
ление, атм.) Н, м
1 300 48 126 (7) 0,20 9,8 0,28 15,8 2,2 37 19,4 15,9
2 300 48 108 (6) 0,06 9,8 0,33 15,8 2,2 42 17,1 5,6
3 300 22 126 (7) 0,06 4,4 0,13 15,8 1,0 40 17,9 4,8
4 300 22 108 (6) 0,20 4,4 0,15 15,8 1,0 52 13,8 18,5
5 180 48 126 (7) 0,06 3,8 0,11 9,5 1,4 46 15,6 4,8
6 180 48 108 (6) 0,20 3,8 0,13 9,5 1,4 52 13,8 18,5
7 180 22 126 (7) 0,20 1,7 0,05 9,5 0,6 45 15,9 15,9
8 180 22 108 (6) 0,06 1,7 0,06 9,5 0,6 54 13,3 5,6
* Количество теплоты, необходимое для расплавления проволок, 0,49 МДж/кг.
12 12/2013
значениям использования энергии электрической
дуги. В случае IU/Vг предполагается, что она пол-
ностью затрачивается на нагрев распыляющего га-
за, а в случае IU/Gпр — на нагрев распыляемой
проволоки. Данные показатели предназначены
для качественной оценки условий процесса элек-
тродугового напыления. Для оценки протекания
процесса окисления частиц напыляемого матери-
ала в табл. 1 представлены расчет их удельной
реакционной поверхности S и показатель времени
их пребывания в струе H/Vг.
Граничные условия факторов выбраны из ана-
лиза предыдущих экспериментов и опыта элек-
тродугового напыления покрытий из проволоч-
ных материалов [17, 18]. Значение тока было свя-
зано с изменением скорости подачи проволок и
составляло 80 А при скорости подачи 180 м/ч и
200 А при скорости 300 м/ч. Кроме указанных
изменяемых факторов постоянными оставались
такие факторы, как угол напыления — 90°, угол
между электродами — 30°.
Для исследования состояния частиц в момент
соударения их с основой проводили сплет-тест
по методике, описанной в работе [13]. Напыление
сплетов проводили на пластины из полированной
нержавеющей стали размером 50×30×1 мм пос-
редством перемещения металлизатора. Для опре-
деления скорости частиц в процессе электроду-
гового распыления проволочных материалов ис-
пользовали измеритель скоростей светящихся
объектов ИССО-1 [19].
Для исследования микроструктуры покрытия
напыляли на образцы из Ст3 размером
20×15×3 мм. Перед напылением образцы подвер-
гались пескоструйной обработке. Толщина пок-
рытия составляла 500…700 мкм.
Все эксперименты проводили на режимах, со-
ответствующих плану эксперимента. Микрост-
руктуру покрытий и внешний вид сплетов иссле-
довали на металлографическом микроскопе «Ne-
ophot-32». Определение содержания компонентов
в покрытии, оксидов и пор проводили с помощью
программы обработки изображений «Atlas». Мик-
ротвердость определяли на микротвердомере
ПМТ-3. Замеры проводили по всему сечению пок-
рытий.
Результаты эксперимента. Анализ результа-
тов проводили с учетом показателей процесса теп-
ловложения в газ и проволоку и условий взаи-
модействия частиц с газовой средой (табл. 2).
Исследование формы частиц расплава после
соударения с поверхностью (сплет-тест). Анализ
сплетов, полученных одновременным распылени-
ем проволок меди и стали, показал, что при всех
опытах частицы имеют звездообразную форму
(рис. 1).
Такой тип сплетов получается из частиц, на-
ходящихся в момент соударения с основой в жид-
ком состоянии, т. е. при полете на дистанции на-
пыления частицы не затвердевают, что объясня-
ется кратковременностью полета [20]. Измерение
скорости частиц показало, что в момент соуда-
рения частиц с основой их скорость составляет
около 100 м/с. При дистанции напыления
0,06…0,2 м время пребывания частиц в струе рав-
но 0,6…2,0 мс.
Цвет медной составляющей на сплетах, полу-
ченных при опытах № 1 и 2, свидетельствует о
ее перегреве, что, по-видимому, вызвано сочета-
нием максимальных тепловложений в струю и
проволоку (табл. 2, опыты № 1 и 2), приводящему
к разогреву металла до более высокой темпера-
туры. Разбрызгивание частиц, наблюдаемое на
сплетах № 1, 2, 5, 6, свидетельствует о их пе-
регреве, связанным с этими же причинами.
Исследование микроструктуры псевдосплав-
ных покрытий сталь–медь. Анализ структуры
покрытий, полученных одновременным распыле-
Та б л и ц а 2. Показатели процесса тепловложения в газ и проволоку и условия взаимодействия частиц с газовой
средой
Номер
опыта
Тепловложение
в струю IU/Vг, МДж/м3
Тепловложение
в проволоку IU/Gпр, МДж/кг
Размер удельной реакционной по-
верхности частиц S, м2/кг
Показатель времени
пребывания частиц в
струе H/Vг, ч/м2⋅10–6
0,28…0,33 0,11…0,13 0,05…0,06 2,2 1,4 1,0 0,6 17...19 15...16 13...14 16...19 5...6
1 × × × ×
2 × × × ×
3 × × × ×
4 × × × ×
5 × × × ×
6 × × × ×
7 × × × ×
8 × × × ×
12/2013 13
нием проволок стали и меди, показал, что в дан-
ном диапазоне режимов напыления все покрытия
плотные с выраженной ламелярностью структуры
(рис.2). Такой вид структур характерен для пок-
рытий, сформированных из частиц, находящихся
в момент соударения с основой в жидком сос-
тоянии и имеющих достаточно большую ско-
рость, что согласовывается с результатами иссле-
дования сплетов.
В табл. 3 приведено содержание компонентов
в покрытии, степень окисления и пористость.
Анализ содержания компонентов в покрытиях
показал, что в результате напыления происходит
изменение в относительном содержании в пок-
рытиях стали и меди. Содержание меди в рас-
пыляемом материале при равных диаметрах рас-
пыляемых проволок (2 мм) составляет 50 об. %.
Так, при высоких значениях величин тепловло-
жения в проволоку (табл. 2, опыты № 1, 2, 5,
6), что соответствует значениям 2,2 и 1,4 МДж/кг,
процентное содержание меди в суммарном содер-
жании медной и стальной составляющих состав-
ляет 36, 33, 30, 29 об. % соответственно. При
снижении этого тепловложения до 1,0 МДж/кг
(опыты № 3, 4) и 0,6 МДж/кг (опыты № 7, 8)
процентное содержание меди в суммарном содер-
жании медной и стальной составляющих покры-
тия повышается до 51, 48, 47, 48 об. % соответ-
ственно.
Данное явление очевидно связано с тем, что
в процессе напыления температура расплавлен-
ных частиц может значительно превышать тем-
Рис. 1. Сплеты частиц, полученных одновременным распылением проволок меди и стали при использовании условий
напыления согласно матрице табл. 1 (1–8 — номера опытов)
Рис. 2. Микроструктура (×200) покрытий сталь–медь (1–8 — номера опытов)
14 12/2013
пературу плавления меди [5] и дос-
тигать температуры кипения 2800 К.
Так как температуры кипения и уп-
ругости паров меди и железа различ-
ны (давление пара меди (113 Па) по
сравнению с железом (13,3 Па) более
высокое [21]), повышенный расход
энергии на нагрев проволок (табл. 2,
опыты № 1, 2, 5, 6) приводит к более
интенсивному нагреву медной прово-
локи при расплавлении и, очевидно,
к ее частичному испарению в про-
цессе напыления. Условия, обуслов-
ленные свойствами электрической
дуги (электродинамические силы,
действующие в области дугового раз-
ряда), также способствуют переходу
частиц меди в газовую фазу [21, 22].
Другой возможной причиной снижения содержа-
ния медной составляющей может являться более
интенсивное по сравнению с железом окисление
меди в процессе напыления.
Увеличение расхода сжатого воздуха и ско-
рости подачи проволоки ведет к сохранению со-
держания меди в покрытии. Это может объяс-
няться тем, что увеличение расхода сжатого воз-
духа и, как следствие, повышение скорости струи
увеличивает скорость частиц и снижает их тем-
пературу, что понижает интенсивность процесса
испарения меди. Из уравнения регрессии, отра-
жающего влияние параметров процесса на содер-
жание меди в покрытиях, следует также, что на-
иболее действенным методом сохранения соот-
ношения содержания компонентов в покрытии от-
носительно исходного является увеличение рас-
хода сжатого воздуха и снижение напряжения для
уменьшения выгорания медной составляющей.
Степень влияния параметров напыления на со-
держание меди в покрытии (рис. 3), представлена
следующим уравнением: %Cu = 49,09 + 0,03W –
– 0,6U + 1,5V + 0,004Н. Изменение дистанции на-
пыления в пределах 0,06…0,2 м на содержание
компонентов в покрытии существенного влияния
не оказывает.
Максимальное содержание оксидов обнаруже-
но в покрытиях, напыленных на режимах с мак-
симальным расходом сжатого воздуха и макси-
мальной дистанцией напыления (табл. 3, опыты
№ 1, 7). Это связано с тем, что повышение расхода
сжатого воздуха ведет к уменьшению диаметра
распыляемых частиц при диспергировании про-
волок [6], что ведет к увеличению размера пло-
щади развития процесса окисления. Увеличение
дистанции напыления ведет в свою очередь к уве-
личению времени пребывания частиц в струе и
развитию процесса взаимодействия частиц с кис-
лородом. Cтепень влияния факторов напыления
на содержание оксидов в покрытиях (рис. 4) пред-
ставлена уравнением %MeO = 2,44 – 0,002W +
+ 0,01U + 2,75V + 0,02Н.
Та б л и ц а 3. Содержание компонентов, степень окисления и пористость
псевдосплавных покрытиий сталь–медь
Но-
мер
опыта
Содержание
меди
в покрытии,
об. %
Содержание
стали
в покрытии,
об. %
Содержание
оксидов, об.
%
Пористость,
об. %
Содержание меди в
суммарном содер-
жании металличес-
ких составляющих,
об. %
1 24 42 27 7 36
2 23 47 20 10 33
3 37 36 21 8 51
4 33 36 25 6 48
5 21 49 25 5 30
6 19 46 22 13 29
7 31 35 26 8 47
8 35 38 21 6 48
Рис. 3. Степень влияния факторов напыления на содержание
меди в покрытиях
Рис. 4. Степень влияния факторов напыления на степень
окисления покрытий
Рис. 5. Зависимость степени окисления покрытия от показа-
теля времени пребывания частиц в струе
12/2013 15
На рис. 5 представлена зависимость содержа-
ния оксидов в покрытии от показателя времени
пребывания частиц в струе (H/Vг).
Результаты исследования пористости покры-
тий показали, что она не превышает 13 %. Как
видно из уравнения регрессии, на величину по-
ристости в первую очередь оказывает влияние
расход сжатого воздуха, увеличение которого ве-
дет к увеличению скорости полета частиц, сни-
жению размера распыляемых капель и, следова-
тельно, к формированию более плотного покры-
тия. Степень влияния факторов напыления на ве-
личину пористости покрытий (рис. 6) описыва-
ется уравнением: %П = 16,03 – 0,002W + 0,07U –
– 1,75V + 0,01Н.
На пористость покрытий оказывает также вли-
яние отношение плотности твердого материала к
плотности расплава (ρтв/ρж = 8,93/8,03 = 1,11 для
меди и ρтв/ρж = 7,87/7,02 = 1,12 для железа). Так
как плотность расплава материала покрытия мень-
ше его плотности в твердом состоянии, при зат-
вердевании расплавленных частиц их объем
уменьшается, что и ведет к образованию пор.
На рис. 7 приведена гистограмма зависимости
микротвердости псевдосплавного покрытия
сталь–медь от режима напыления.
Замеры твердости в количестве 50 измерений
проводили по всему сечению покрытия. Зависи-
мости микротвердости от положения точек заме-
ров не обнаружено. Микротвердость покрытий,
полученных при различных режимах напыления,
находится в пределах 2500…2900 МПа.
Полученные уравнения регрессии, связываю-
щие параметры напыления с твердостью покры-
тия, показывают, что твердость покрытия повы-
шается с увеличением расхода сжатого воздуха
и дистанцией напыления. Это вызвано ростом сте-
пени окисления составляющих покрытия при уве-
личении этих параметров и упрочнением мате-
риала покрытия включениями оксидов. Увеличе-
ние скорости подачи проволок и напряжения в
равной степени ведет к уменьшению твердости
покрытия за счет увеличения тепловложения в на-
пыляемые материалы, что может приводить к их
разупрочнению. Степень влияния факторов напы-
ления на микротвердость покрытий сталь–медь
(рис. 8) представлена уравнением регрессии:
HV = 2680 – 0,8W – 0,77U + 12V + 0,324Н.
Наилучший комплекс структуры и свойств
электродуговых псевдосплавных покрытий сталь–
медь по показателям сохранения соотношения
компонентов (37 об. % Cu, 36 об. % Fe), порис-
тости (8 об. %), степени окисления (21 об. %) и
твердости (2700 МПа) был получен в случае на-
пыления при тепловложении в проволоку
1,0 МДж/кг и расходе сжатого воздуха 126 м3/ч
(табл. 1, опыт № 3) — т. е. при комбинации сред-
ней степени вклада энергии дуги в нагрев рас-
пыляющего газа (воздуха), ограниченной интен-
сивности нагрева расплава проволок и повышен-
ной скорости продуктов распыления высокой дис-
персности, что обеспечивает получение покрытий
с низкой пористостью.
Выводы
1. Проведено исследование процесса напыления
псевдосплавного покрытия на примере псевдосп-
лава сталь–медь с применением метода математи-
ческого планирования эксперимента. Анализ спле-
тов, полученных при используемом диапазоне
режимов напыления, показал, что частицы в момент
соударения с основой находятся в расплавленном
состоянии и характеризуются высокой скоростью
(около 100 м/с). Структура покрытий имеет ламе-
Рис. 6. Степень влияния факторов напыления на пористость
покрытий
Рис. 7. Зависимость микротвердости покрытий сталь–медь от
режима распыления
Рис. 8. Степень влияния факторов напыления на микро-
твердость покрытий сталь–медь
16 12/2013
лярную структуру и состоит из компонентов меди
и стали с оксидными включениями.
2. Установлено, что при электродуговом на-
пылении псевдосплавных покрытий из проволок
меди и стали изменение тепловложения в рас-
пыляемый материал приводит к изменению со-
отношения содержания медной и стальной сос-
тавляющих в покрытии. При напылении с теп-
ловложением в проволоку 1,4…2,2 МДж/кг от-
носительное содержание меди по отношению к
стали составляет около 30 об. %, а при
0,6…1,0 МДж/кг составляет около 50 об. %. Ве-
роятными причинами снижения содержания меди
являются выгорание (испарение) и окисление ме-
ди в процессе распыления ввиду ее перегрева вы-
ше точки плавления. Наиболее действенным ме-
тодом снижения потерь меди для получения рав-
номерного содержания компонентов в псевдосп-
лавном покрытии сталь–медь является увеличение
расхода сжатого воздуха до 126 м3/ч и снижение
тепловложения в напыляемый материал до
0,6…1,0 МДж/кг для уменьшения выгорания мед-
ной составляющей.
3. Максимальное содержание оксидов 26…27 %
обнаружено в покрытиях при напылении с расходом
сжатого воздуха 126 м3/ч и дистанцией напыления
0,2 м. Это связано с увеличением дисперсности рас-
пыляемых материалов и увеличением времени вза-
имодействия частиц с кислородом. На величину по-
ристости в первую очередь оказывает влияние рас-
ход сжатого воздуха, увеличение которого со 108
до 126 м3/ч ведет к снижению размера распыляе-
мых капель и следовательно к формированию более
плотного покрытия.
4. Микротвердость полученных покрытий на-
ходится в пределах 2500…2900 МПа. Получен-
ные уравнения регрессии, связывающие парамет-
ры напыления с твердостью покрытия, показы-
вают, что твердость покрытия повышается с уве-
личением расхода сжатого воздуха со 108 до
126 м3/ч и дистанции напыления с 0,06 до 0,2 м.
Это вызвано ростом степени окисления состав-
ляющих покрытия.
5. Основным фактором напыления, влияющим
на характеристики псевдосплавного покрытия
сталь–медь, является расход сжатого воздуха, уве-
личение которого ведет к сохранению содержания
компонентов в покрытии относительно исходно-
го, уменьшению пористости и увеличению твер-
дости.
1. Коробов Ю. С. Совершенствование технологии электро-
дуговой металлизации на основе моделирования взаимо-
действия металла с газами и исследования свойств пок-
рытий: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. — Ур. гос.
техн. ун-т., 2006. — 31 с.
2. Вадивасов Д. Г. Восстановление деталей металлизацией.
— Саратовское книжное изд-во, 1956. — 279 с.
3. Красниченко Л. В. Современная технология металли-
зации распылением. — М.: Трудрезервиздат, 1958. —
94 с.
4. Брусило Ю. В. Особенности покрытий, полученных
электрометаллизацией с последующим электроконтакт-
ным припеканием // Вісник Нац. транспортного ун-ту: В
2-х ч. Ч.1. — К.: НТУ, 2009. — Вип. 19. — С. 75–82.
5. Particle size distribution in a wire-arc spraying system / A. Po-
urmousa, J. Mostaghimi, A. Abedini, S. Chandra // J. of Ther-
mal Spray Technology. — 2005. — V. 14. — P. 502–510.
6. Исследование диспергирования разнородных проволоч-
ных материалов в процессе электродугового напыления /
Ю. С. Борисов, Н. В. Вигилянская, И. А. Демьянов и др.
// Автомат. сварка. — 2013. — № 2. — С. 25–31.
7. Newbery A. P., Grant P. S., Neiser R. A. The velocity and
temperature of steel droplets during electric arc spraying //
Surface and Coatings Technology. — 2005. — Vol. 195,
Issue 1. — P. 91–101.
8. Анализ методов управления параметрами напыляемых
частиц при электродуговой металлизации / В. А. Агеев,
В. Е. Белащенко, И. Э. Фельдман, А. В. Черноиванов //
Свароч. пр-во. — 1989. — № 12. — С. 30–32.
9. Newbery A. P., Grant P. S. Large arc voltage fluctuations
and droplet formation in electric arc spraying // Powder Met.
— 2003. — 46, № 3. — P. 229–235.
10. Size distribution of particles from individual wires and the
effects of nozzle geometry in twin wire arc spraying / H. L.
Liao, Y. L. Zhu, R. Bolo et al. // Surface and Coatings Tech-
nology. — 2005. — V. 200, Issue 7. — P. 2123–2130.
11. Бороненков В. Н., Коробов Ю. С. Основы дуговой метал-
лизации. Физико-химические закономерности. — Екате-
ринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. — 265 с.
12. Коробов Ю. С., Бороненков В. Н. Кинетика взаимодейс-
твия напыляемого металла с кислородом при электроду-
говой металлизации // Свароч. пр-во. — 2003. — № 7. —
С. 30–36.
13. Planche 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 // Surface and Coatings Technology. — 2004. — V.
182, Issues 2-3. — P. 215–226.
14. Hussary N. A., Heberlein J. V. R. Atomization and particle-
jet interactions in the wire-arc spraying process // J. of Ther-
mal Spray Technology. — 2001. — V. 10, Issue 4. —
P. 604–610.
15. Zhu Y. L., Liao H. L., Coddet C., Xu B. S. Characterization
via image analysis of cross-over trajectories and inhomoge-
neity in twin wire arc spraying. // Surface and Coatings Tec-
hnology. — 2003. — V. 162, Issues 2-3. — P. 301–308.
16. Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов техно-
логии металлов методами планирования экспериментов.
— М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. —
304 с.
17. Катц Н. В., Антошин Е. В., Вадивасов Д. Г. Металлиза-
ция распылением. — М.: Машиностроение, 1966. —
200 с.
18. Троицкий А. Ф. Основы металлизации распылением. —
Ташкент: Госиздат УзССР, 1960. — 184 c.
19. Разработка измерителя скорости светящихся объектов
ИССО-1: (Отчет по научно-исследовательской работе) /
Ин-т физики Академии наук БССР; науч. руководитель В.
Д. Шиманович; № ГР Б046721; Инв. № 1911. — Минск,
1979. — 38 с.
20. Кузнєцов В. Д., Пащенко В. Д. Фізико-хімічні основи
створення покриттів. Навчальний посібник. — Київ:
НМЦ ВО, 1999. — 179 с.
21. http://www.masters.donntu.edu.ua/2006/fizmet/yeresko/dis/
dis(ru).htm. Анализ технологии удаления меди испарени-
ем из расплавленного металла под действием электри-
ческой дуги.
22. Медь в стали и проблемы ее удаления / И. Н Зигало, В. И
Баптизманский, Ю. Ф. Вяткин и др. // Сталь. — 1991. —
№ 7. — С. 18–22.
Поступила в редакцию 19.06.2013
12/2013 17
|