ОБ ОДНОМ ИЗ СПОСОБОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ ПРИПЕКАНИИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования по применению метода дифференциального термического анализа при электроконтактном припекании композиционных порошковых материалов на поверхности цилиндрических деталей, изготовленных из закаливающихся сталей.

ABSTRACT

The article presents the results of a study on the application of the method of differential thermal analysis during electrocontact sintering of composite powder materials on the surface of cylindrical parts made of hardening steels.

Ключевые слова: электроконтактное припекание, композиционные порошковые материалы, дифференциальный термический анализ.

Keywords: electrocontact sintering, composite powder materials, differential thermal analysis.

Введение. В различных отраслях производства для восстановления изношенных размеров деталей и упрочнения рабочих поверхностей применяются электродуговые способы, газотермическое напыление, осаждение в вакууме и др. Однако, главным недостатком практически всех металлических покрытий, наносимых названными способами является наличие в самом покрытии и в зоне соединения остаточных напряжений, снижающих усталостную прочность, деформация основного металла [8,9].

Дефекты в покрытиях, нанесенных на поверхности деталей (поры, трещины, неоднородность структуры и др.) отрицательно влияют на прочность сцепления покрытие-подложка. Порошковые материалы, нанесенные газотермическими способами для повышения прочности сцепления с подложкой подвергаются последующему оплавлению. При оплавлении покрытия происходить снижение твердости ввиду образовавшихся крупнозернистых структур при кристаллизации из жидкого состояния, потеря заложенных наследственных свойств материала, такие как износостойкость, коррозионостойкость и др. В настоящее время упрочнения рабочих поверхностей деталей используются порошки на основе железа, никеля, карбиды и бориды различных металлов.

Сохранение композиционными порошковыми материалами заложенных в них физико-химических и заданных свойств можно обеспечить припеканием в температурном интервале (0,8÷0.9)Т_плав. Реализация указанного процесса можно обеспечить электроконтактным припеканием (ЭКП), где используется Джоулево тепло, выделяемое в зоне контакта электрод-покрытие-подложка [1,2,3].

Состояние проблемы. Важная роль при выборе рациональных технологических параметров электроконтактного припекания покрытий отводится возможностям прогнозирования температурных полей в обрабатываемой детали, формируемом покрытии в зависимости от параметров режима и конструктивных особенностей детали и оборудования. Определение температурных полей и оценка влияния термического цикла на обрабатываемое изделие важно прежде всего тем, что позволяет оценить возникающие температурные напряжения, в том числе на поверхности контакта покрытие-деталь, что является необходимым для оценки явлений, происходящих на границе основы с наносимым покрытием. ЭКП характеризуется коротким временем действия импульса тока в пределах 0,01...10сек, паузы между импульсами от 0,01сек до 10 сек и более, а также усилием прижатия для обеспечения деформации припекаемого слоя. ЭКП применяется для восстановления и упрочнения деталей типа валов и втулок, плоских поверхностей.

Процесс ЭКП характеризуется мгновенной температурой нагрева, достигающей скорости нагрева порядка 10³ ÷10⁴ °K. Нагрев и последующее охлаждение зоны соединения приводит к структурным изменениям. Для определения оптимальных значений технологических факторов и свойств полученного покрытия используется методы планирование эксперимента и статическая обработка экспериментальных данных и др.

Прочность сцепления припекаемого слоя с подложкой является основным оценочным показателем процесса ЭКП. Прочность сцепления покрытия зависит от параметров ЭКП - величины тока, усилия прижатия, длительности импульса (I_св, Р_хж, t_ц). Параметры процесса оказывает тепловое и деформационное влияние как на подложку, так и на основной металл. Основной металл претерпевает нагрев, сжатие и растяжение отдельных участок, структурные превращения при охлаждении и другие изменения. Все эти процессы происходят во времени. Кроме параметров ЭКП на прочность сцепления в зоне соединения покрытия-подложка оказывают влияние тепловые процессы, происходящие в зоне соединения. Прочность сцепления наряду с технологическими параметрами процесса зависит также сот состояния металла подложки зоны соединения в результате теплового воздействия.

Для исследования тепловых процессов применяются расчетные и расчетно-экспериментальные методы. При расчетных методах принимаются некоторые упрощения условности. Принимается, что коэффициент тепловодности материала покрытия и основного металла остаются неизменными, фактически же они меняются в зависимости от температуры процесса. Пористость и электросопротивление порошковых материалов меняется также с изменением температуры и усилия прижатия.

Подавляющее большинство деталей, подлежащих восстановлению и упрочнению изготавливаются из структурно-чувствительных конструкционных, улучшаемых, низко-и средне легированных сталей. Чаше всего применяются стали 45, 40XH, теплофизические свойства которых меняются в зависимости от температуры.

В табл. 1 приведены изменения коэффициента линейного расширения стали 45 и зависимость относительного изменения длины в интервале температур фазовых превращений.

Таблица 1.

Изменения коэффициента линейного расширения стали 45 и зависимость относительного изменения длины в интервале температур фазовых превращений

Необратимость относительного изменения длины при α→γ→α превращений связана с тем, что сокращение относительной длины в результате фазового α →γ превращения при нагреве больше расширения чем превращение при охлаждении. Изменение относительной длины в результате фазового превращения необратимо. При нанесении тонких покрытий необходимо учесть изменение размеров в зависимости от   тепловложения.

Исследование фазовых превращений, распространение температурного поля при ЭКП представляет несомненный интерес. Имеется ряд работ, где для использованы методы расчета температурных полей способом планирования эксперимента, решение дифференциальных уравнений теплопроводности некоторыми упрощениями. Задача оптимизации ЭКП рассматривается как многофакторная (с учетом конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов) и многокритериальная (с использованием нескольких критериев физико-механических свойств.

Математическая модель температурного поля ЭКП в зависимости от технологических параметров процесса рассмотрена в работе [5]. Разработанная математическая модель дает информацию об условиях достижения максимальной скорости диффузионных процессов в зоне контакта покрытие-подложка без её оплавления, а также узнать уровень минимальных энергетических потер (лопата). В то же время следует отметить недостаточность исследований по кинетике структурных превращений при ЭКП, практически отсутствие мобильной диагностической аппаратуры для проведения исследований в этом направлении. Одним из важнейших исследований процесса ЭКП является необходимость учета состояния и состава, хода реакции на термическое воздействие процесса на подложку, т.е. кинетики превращений металла подложки, очевидно играющего не последнюю роль в формировании покрытия. Кинетику превращений в металле изучают методом дилатометрии, магнитной анизотропии и другими. Температуру мгновенной скорости нагрева или охлаждения можно определить численными или графическими способами [4].

Эксперимент. Метод дифференциального термического анализа (ДТА), который широко используется в различных отраслях техники, может быть применен для изучения быстротечных тепловых процессов, кинетики превращений при нагреве и охлаждении в процессе ЭКП. Разности свободных энергий структурных составляющих при превращениях приводит к выделение или поглощению скрытой теплоты превращения. Темп изменения температуры- мгновенной скорости нагрева или охлаждения при таких превращениях невозможно фиксировать на кривых термического цикла из-за быстротечности процесса и незначительной величины термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) термопары. Возникает проблема усиления сигнала от термопары. Для фиксации пиков температуры, соответствующих структурным превращениям необходимо получить первую и вторую производную от функции Т= ƒ(t) [6].

Для записи производных или  наиболее приемлемым является метод дифференциального термического анализа. Метод дифференциального термического анализа в современном виде является высокочувствительным и совершенным методом фазового анализа различных систем, позволяющим определять наряду с термодинамическими параметрами вещества (теплоёмкость и её изменение, температура и энтальпия фазовых переходов) и кинетические характеристики процессов в условиях линейного изменения температуры. Метод ДTA удачно сочетает в себе экспрессность и информативность, простотой конструкции и надежностью термических датчиков. Развитие метода и совершенствование его приложений обусловлены возрастающими требованиями к качеству исходных материалов готовой продукции, разработке новых технологических процессов.

Поскольку ДТА динамический метод, наиболее сильная термическая инерционность при измерениях проявляется искажении формы термического пика, увеличивая асимметрию пика экспоненциальным спадом после завершения регистрируемого процесса. Экспоненциальный спад, в данном случае пика температуры, затрудняет разделение и идентификацию его от множества пиков при исследовании многокомпонентных систем, особенно в случае припекания биметаллов и композиционных порошковых материалов. Термическая инерционность термопары также затрудняет получение неискаженной кинетической информации. Особенно это касается ЭКП, где процесс выделения тепла и охлаждение происходят почти мгновенно. Поэтому перспективным направлением развития применения ДТА является разработка малогабаритных диагностических приборов, где будет решена проблема получения высокой точности, чувствительности и быстродействия в сочетании с простотой обслуживания и устойчивостью к химическим и механическим воздействиям процесса.

Для исследования тепловых процессов ЭКП был спроектирован и изготовлен рабочий макет прибора для одновременной регистрации изменения температуры и темпа нарастания –мгновенной скорости нагрева или охлаждения, основанный на методе ДТА.В обычном термическом цикле температура образца регистрируется непрерывно в функции времени Т= ƒ(t). Количественное определение температуры производится измерением ординат по кривой, соответствующе рассматриваемому промежутку времени [7-9].

При дифференциальном термическом анализе регистрируется динамика изменение температуры во времени как первая производная или как вторая производная в функции температуры. Полученная кривая представляет собой первую (или вторую) производную изменения температуры. Кривая в зависимости от свойств объекта исследования может характеризоваться рядом аномальных отклонений, точками перегиба от нормального хода, которые соответствуют физическом переходам, связанным с изменением энтальпии процесса для металлов. К ним относятся фазовые переходы, перестройка кристаллической структуры, кристаллизация др., поскольку сопровождаются поглощением или выделением тепла.

Для проведения экспериментов был разработан и собран рабочий макет прибора для дифференциального термического анализа, рис.1. Запись результатов производился шлейфовым осциллографом Н044. В качестве датчиков использованы термопары типа XA диаметром 0,1÷0,2мм, ВР диаметром 0,2мм. Термопары вставлялись в отверстия диаметром 2 мм, просверленных на стенках детали. Остаточная толщина от поверхности зоны соединения до спая термопары составляла 1 мм.

Рисунок 4.4.1. Рабочий макет прибора для производного дифференциального термического анализа

Точность показаний термопар сверяли с показаниями тарированной термопары. Для снятия сигналов с термопар была изготовлена специальная оправка рис. 2.

Рисунок 4.3.2. Приспособление-оправка для снятия ТЭДС

Коллектор состоит из изоляционной втулки 1, размещенными на ней контактных колец  и клеммовой колодки 2. Каждое контактное кольцо изолируется от соседнего при помощи изолирующих колец 3, надеваемых в изоляционную втулку 1. Контактные кольца припаяны к разъемам 4, установленных в клеммной колодке 2.

Скомпонованная установка состоит из термопар, блока питания, двух дифференцирующих усилителей и шлейфового осциллографа. Блок-схема установки показана на рис. 3.

Рисунок 3. Блок-схема установки для записи термических кривых Т = f(t), или .

Эксперименты проводились на втулках, изготовленных из стали 40ХН, претерпевающей структурные превращения при нагреве и охлаждении.

Осциллограммы записи термических кривых охлаждения приведены на рис.4.

Рисунок 4. Кривые производного термического анализа при нагреве

На температурных кривых зафиксированы отклонения от нормального хода, показывающие изменение энтальпий процесса в определенных температурных интервалах. По результатам исследований выявлено, что при изучении фазовых и структурных превращений в процессе ЭКП композиционных порошковых материалов метод ДTA позволяет более точно определят температурный интервал хода кинетики превращений в зоне соединения, способствуя тем самым повышению точности экспериментальных данных, выбору оптимальных параметров ЭКП.

Выводы.

1. Метод ДТА может быть использован для исследования кинетики превращений при электроконтактном припекании.

2. Разработанный комплекс ДТА для изучения кинетики превращений обеспечивает достаточную точность определения температурного интервала структурных превращений в зоне соединения.

3. На основе полученных данных методом ДТА можно оптимизировать параметры технологического режима, регулировать тепловое воздействие на металл подложки при нанесении композиционных порошковых покрытий.

Список литературы:

1. Клименко Ю.В. Электроконтактная наплавка. –М.: Металлургия. -1978.-128с.
2. Дорожкин Н.Н. Упрочнение и восстановление деталей машин порошковыми материалами/Н.Н Дорожкин. –Мн.: Наука и техника.1975.
3. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением – М.: Машиностроение, 1986 – 280с.
4. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов: Харьков. Изд-во Харьковского университета. 1968. - 502с.
5. Эргашев М., Рахманкулов Р., Бобоев Х.Х. Моделирование тепловых полей при сварке композиционных материалов на основе математической зависимости. Свидетельство об официальной регистрации программы для электронно-вычислительных машин Агентство по интеллектуальной собственности при министерстве юстиции Республики Узбекистан №: DGU 08350 от 17.06.2020г.  Моделирование тепловых полей при сварке композиционных материалов на основе математической зависимости.
6. Уэндлендт У. 2-е изд-е. перевод с английского. Под ред. В.А. Степанова и В.А. Берштейна. Термические методы анализа. М.: Мир, 1976-526с. с.213-240, 503-523.
7. Матьякубов Б., Эргашев М. Измерительный комплекс для изучения физических переходов в металлах // Тексты докладов конференции «Научприбор-88» Киев,1988, С37-38.
8. Эргашев Махмуд, Саъдуллаев Зарип Шарипович, Рауфов Лазизбек Мухиджон Угли, Ходжибекова Шохида Миродиловна. ИЗНОС РАБОЧИХ ЛОПАТОК ДЫМОСОСОВ И УПРОЧНЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ // Universum: технические науки. 2021. №1-3 (82). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/iznos-rabochih-lopatok-dymososov-i-uprochnyayuschie-pokrytiya-dlya-povysheniya-iznosostoykosti
9. Эргашев Махмуд, Рауфов Лазизбек Мухиджон Угли, Абдукаххоров Абдуазиз Абдулазизхон Угли, Ходжибекова Шохида Миродиловна, Муродкосимов Равшан Холмат Угли. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ ПРИПЕКАНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ // Universum: технические науки. 2021. №12-1 (93). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-ostatochnyh-deformatsiy-pri-elektrokontaktnom-pripekanii-kompozitsionnyh-poroshkov