Символ науки№11/2015
В статье представлены наиболее рациональные способы поверхностного упрочнения деталей машин. Показано, что комплексирование технологических методов упрочнения детали, таких как плазменная и высокочастотная термическая обработка, позволяет существенно улучшить качество поверхностного слоя изделия.
Плазменная обработка, индукционный нагрев, высокочастотная термическая обработка, гибридные технологии.
Метод плазменного нанесения износостойких покрытий – один из способов поверхностного упрочнения деталей машин, широко применяемых в машиностроении []. Однако, при технологических достоинствах существует вероятность отказов в процессе эксплуатации. Невысокая адгезионная прочность (прочность сцепления покрытия с основой) и наличие пористости в структуре покрытия после плазменного напыления – основная причина нарушения работоспособности деталей, работающих в условиях тяжелых режимов [2].
Из результатов технико-экономического анализа [3] другие методы нанесения покрытий такие как: индукционные, электродуговые, лазерные, газопламенные, электронно-лучевые, плазменные, детонационные в современности исчерпали свои потенциальные возможности для существенного увеличения качественных показателей. Более эффективными являются так называемые комбинированные и гибридные технологии. Они уменьшают недостатки, которые присутствуют в стандартных методах нанесения покрытий и заметно улучшают показатели качества покрытий, которые существенно влияют на работоспособность деталей [4, 6].
Сущность гибридного метода в одновременном воздействии нескольких источников энергии по принципу совмещения различных источников энергии во времени и пространстве. К достоинству данной технологии относится синергетический эффект введения энергии от различных источников в обрабатываемую зону. Метод технологически сложный и с практической точки зрения лучше использовать комбинированные технологии [7, 8].
Суть комбинированного метода в последовательной подаче энергии различных источников по принципу пространственного совмещения различных источников энергии. То есть происходит повторное высокоэнергетическое воздействие на поверхность покрытий. В результате улучшение качественных показателей: уменьшение пористости, увеличение адгезионной прочности, повышение уровня твердости, ликвидация нерасплавленных частиц порошка в структуре покрытий и формирование мелкодисперсной структуры.
Так как выбрать и обосновать наиболее рациональный процесс достаточно сложно из-за многообразия методов, необходимо провести анализ технологических возможностей методов, которые можно использовать при комбинированной обработке покрытий.
К характерным особенностям электродуговой обработки относятся формирование мелкодисперсной структуры покрытия и высокая скорость нагрева при обеспечении локального нагрева электрической дугой с удельной мощностью порядка 109…1010 Вт/м2 . Из недостатков стоит выделить вероятность смешивания материала покрытия и материала основы.
При использовании электронно-лучевой обработки по сравнению с электродуговой возможен нагрев поверхности детали практически из любых материалов и значительно большей площади. Плотность теплового потока пучка до 1011…1012 Вт/м2 . Недостаток электронно-лучевой обработки – применение дорогостоящего оборудования при обработке фасонных поверхностей, так же необходимо обеспечить защиту оператора от влияния излучения [9, 10].
Лазерная обработка делает возможным упрочнять покрытия практически из любых материалов. Плотность теплового потока пучка до 1016 Вт/м2 . Недостаток – высокая стоимость оборудования, высокие энергозатраты и низкий КПД (не выше 15 %).
При плазменной обработке удельная мощность до 109 Вт/м2. При оплавлении используется плазматрон, гарантирующий слоистый режим истечения струи плазмы. Недостатки – много учитывающихся факторов при реализации технологии.
Во время применения высокочастотной термической обработки (индукционного нагрева) – плотность теплового потока 1011…1014 Вт/м2 . Данным способом можно обрабатывать поверхности сложной формы при высокой производительности процесса. Минусы – сложность обработки покрытий из тугоплавких соединений на немагнитных сплавах и малая номенклатура деталей, нагреваемых индуктором одного типоразмера.
В итоге, сравнивая методы по параметру практическое использование, можно выделить два метода: плазменную и высокочастотную термическую обработку. Однако высокочастотная термическая обработка более предпочтительна из-за возможности обработки, как всей детали, так и ее отдельных поверхностей. Современные индукционные установки имеют наибольший КПД (до 95 %), маленькой массой и габаритами, регулировать глубину температурного воздействия, и дает высокую скорость нагрева. Кроме того, метод обеспечивает отсутствие загрязнения заготовки продуктами горения факела.