183 / 457
Современные технологии и автоматизация в машиностроении
183
деталей заметное место принадлежит процессу плазменного напыления износостойких покрытий [9 –
14]. Несмотря на ряд очевидных достоинств, которые присущи данному методу, ему свойственны и
недостатки, обусловленные нестабильностью показателей качества напыленного слоя: химического и
фазового состава структуры, степени расплавленности порошкового материала, количества и размера
пор, а также характера границы между покрытием и основой [15 – 17]. Эти показатели закономерно
предопределяют адгезионную прочность покрытий, знак, величину и закономерность распределения
остаточных напряжений в слое покрытия. Так, относительно невысокий уровень адгезионной проч-
ности при высоких контактных давлениях может являться причиной нарушения сплошности поверх-
ности плазменных покрытий в виде отслоений и сколов частиц покрытия в процессе эксплуатации
оборудования, что, естественно, ограничивает его технический ресурс.
Для увеличения адгезионной прочности, уменьшения пористости, ликвидации нерасплавлен-
ных частиц порошка в структуре покрытий и обеспечения равномерного распределения микротвер-
дости по глубине упрочненного слоя используют повторное оплавление покрытия концентрирован-
ными источниками энергии [18 – 20].
Анализ технологических возможностей основных методов обработки концентрированными
источниками энергии (электродуговой, электронно-лучевой, лазерный, плазменный и индукционный)
[21 – 24], которые можно использовать для повторного высокоэнергетического воздействия на струк-
туру плазменных покрытий, показал, что при повторной обработке токопроводящих плазменных по-
крытий явным преимуществом обладает высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты
(ВЭН ТВЧ) [25, 26]. Характерной особенностью этого процесса является то, что источник нагрева
является объемным и выделение энергии осуществляется в поверхностном слое, толщина которого
определяется частотой тока, удельным электрическим сопротивлением и теплофизическими характе-
ристиками материала покрытия. Выбор соответствующей частоты генератора позволяет осуществ-
лять одновременный нагрев во всей толщине нанесенного покрытия.
Объектом исследования является процесс упрочнения (с оплавлением) плазменного покрытия
с использованием объемных концентрированных источников энергии.
Целью работы является разработка математической модели ВЭН ТВЧ при оплавлении покры-
тия и верификация результатов численного моделирования с данными натурных экспериментов.
Методика экспериментального исследования. Материалы и методы натурных экспериментов.
Покрытия наносили методом плазменного напыления на пластины (подложки) размером
100х10х10мм, изготовленные из стали 20. Предварительная подготовка образцов производилась на
обрабатывающем центре DMC 635 и плоскошлифовальном станке 3Г71. С целью активации поверх-
ности образцы подвергались струйно-абразивной очистке острогранными частицами электрокорунда
марки 13А, в результате чего была сформирована поверхность с шероховатостью
Rz
= 50…75 мкм.
Контроль размеров осуществлялся на профилографе-профилометре Form Talysurf Series 2.
В качестве материала для напыления использовали промышленный порошок хромистого чу-
гуна марки ПГ-С27 с фракционным размером 50…100мкм. Обработка производилась на установке
"Киев-7" плазмотроном ПУН-8 мощностью 40кВт. Режимы напыления: сила тока дуги плазмотрона
I
= 140А; напряжение
U
= 140В; расход плазмообразующего газа (воздуха)
G
= 18 л/мин, при дав-
лении
P
= 0,4 МПа; дистанция напыления
L
= 110мм; скорость перемещения плазмотрона
V
= 12
м/мин [5, 12, 14, 20].
Оплавление поверхности образцов осуществлялось на экспериментальной установке, привод
главного движения которой имеет плавное регулирование скорости. Источником энергии выбран
ламповый генератор марки ВЧГ 6-60/0.44 с рабочей частотой тока 440·103 Гц. Процесс нагрева осу-
ществлялся по глубинной схеме (глубина выделения энергии 0,6…0,8 мм) непрерывно-
последовательным способом. При упрочнении использовался индуктор петлевого типа, оснащенный
ферритовым магнитопроводом марки N87 (для работы в диапазоне частот до 500 кГц) с магнитной
проницаемостью
i
= 2200 [27, 28]. Коэффициент теплоотдачи при охлаждении на воздухе -
=
3·103 Вт/(м
2
·
о
С). Удельная мощность нагрева варьировалась в пределах
и
q
= (2,8…3,4)·108 Вт/м
2
, а
скорость перемещения детали
Д
V
= (20…120) мм/с. Ширина активного провода индуктора составля-
ла
и
R
= 2 мм, обработка осуществлялась с зазором
= 0,1…0,2мм.
Определение пористости покрытия осуществлялось микроскопическим (металлографиче-
ским) методом. Металлографические исследования структуры выполняли на световых микроскопах
NIKON Eclipse MA100 и Carl ZeissAxio Observer A1m и растровом электронном микроскопе модели
Carl Zeiss EVO 50 XVP. Металлографические шлифы готовили по стандартной технологии, основан-
ной на механическом шлифовании и полировании анализируемого материала. Для химического трав-