Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Влияние режима электроискровой обработки поверхности конструкционного графита на эрозионную стойкость

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрена эрозионная стойкость графитовых образцов с электроискровым покрытием, нанесенным на разных режимах с целью выявления более качественного. В ходе эксперимента в качестве анода использовали три металла: вольфрам, титан и ванадий. Для эрозионного воздействия применяли плазмотрон

Для цитирования:


Белозеров Л.С., Казин А.А., Купцов С.Г. Влияние режима электроискровой обработки поверхности конструкционного графита на эрозионную стойкость. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):51-56.

For citation:


Belozerov L.S., Kazin A.A., Kuptsov S.G. Influence of structural graphite surface electrospark machining conditions on erosion resistance. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2019;(2):51-56. (In Russ.)

Введение

Износостойкость, высокотемпературная, эро­зионная и коррозионная стойкости являются необходимыми свойствами материалов, рабо­тающих при высоких температурах, давлени­ях, скоростях и в прочих агрессивных средах, что характерно для изделий авиационной и космической промышленности. Наиболее тяжелые условия для работы материалов на­блюдаются в стартовых двигателях и непо­средственно сопловых блоках ракет и ускори­телей, где за счет сгорания топлива образует­ся высокотемпературная плазма.

Для увеличения стойкости деталей в агрессивных средах их поверхности модифици­руют с помощью концентрированных потоков энергии, например, низкотемпературной плазмой, лазерным, электронным или ионным из­лучением, а также импульсными разрядами [1].

В настоящее время в данных узлах чаще всего применяются вкладыши из графита из- за уникального набора физико-химических свойств этого материала. Он не растворяется в кислотах, обладает низким коэффициентом трения, проводит электрический ток, жаро­стоек в отсутствие кислорода - температура плавления достигает 3800 °С. Соответственно, детали, изготовленные из графита, способны без изменения эксплуатационных характери­стик работать в таких средах, в которых невоз­можно использовать другие конструкционные материалы. В то же время графитовые вклады­ши в современных изделиях уже работают на пределе возможностей. Дальнейшее увеличе­ние характеристик изделий выполнимо только с ростом эрозионной стойкости графита.

Для повышения эрозионной стойкости графита можно использовать метод электроис­крового легирования, который является эффек­тивным методом модификации поверхности конструкционных материалов [2].

Авторы данного метода Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко [3-6] описывают этот процесс как перенос материала анода на поверхность катода при протекании искровых (импульсных) разрядов в газовой среде. Указанный метод прост в использовании, не требует специаль­ной подготовки работников, также не требуется особая подготовка рабочей поверхности детали и ее предварительный подогрев. Электроис­кровое легирование позволяет формировать модифицированный слой с высокой адгезией и улучшенными свойствами из любых токо­проводящих материалов. При этом формиру­ется поверхностная пленка до 100 мкм, что позволяет модифицировать поверхность без существенного увеличения толщины изделия. В некоторых работах [7, 8] показана техноло­гия легирования стальных поверхностей гра­фитом.

В данной статье в качестве катода ис­пользуется графит, а анодом выступают ме­таллы. Поверхность образцов после легиро­вания обрабатывали лазерным излучением для уменьшения шероховатости. Была пред­принята попытка определить влияние разных режимов электроискрового легирования на эрозионную стойкость графита при темпера­туре плазмы 1800 °С.

Таким образом, цель работы состоит в определении оптимальных режимов электро­искрового легирования поверхности графи­та, обеспечивающих улучшение эрозионной стойкости.

Объекты и методы исследований

При выполнении эксперимента применя­лись пластины из конструкционного графита МПГ-7 размером 4×25×25 мм. Свойства гра­фитовых образцов следующие:

  • плотность ≥1,7 г/см3;
  • размер зерна . .90 мкм;
  • пористость 15 %.

Электроискровое легирование проводи­лось на установке Элитрон-52А [9]. Установка предназначена для упрочняюще-легирующей электроэрозионной обработки поверхностей деталей машин, режущего инструмента, штам­пов и других металлических изделий. В каче­стве анода использовались электроды из ти­тана, вольфрама и ванадия диаметром 3 мм, изготовленные методом самораспространяю- щегося высокотемпературного синтеза (СВС) [10]. Технические характеристики установки Элитрон-52А следующие:

  • потребляемая мощность 0,9 кВт;
  • напряжение питающей сети 220 В;
  • энергия импульса 0,1.6,8 Дж;
  • частота импульсов 100 Гц;
  • рабочий ток 0,3.3,8 А;
  • толщина наносимого покрытия до 100 мкм;
  • шероховатость наносимого покрытия 2,5.16 мкм;
  • максимальная производительность 4 см3/мин.

Анализ литературы [8, 11] позволил по­добрать 4 режима (табл. 1) электроискрового легирования, наиболее подходящих для моди­фикации поверхности графита.

 

Таблица 1

Технологические показатели заданных режимов электроискрового легирования

Режим электроискрового легирования

Энергия импульсов, Дж

Рабочий ток, А

Производительность, см3/мин

RC-I

0,5

1,5

2,0

RC-2

1,0

1,5

1,5

RC-3

3,0

1,5

2,0

RC-4

5,0

1,5

1,5

Для того чтобы уменьшить шерохова­тость поверхности после электроискрового ле­гирования и сохранить требуемый по чертежу допуск толщины образцов, а также увеличить сплошность покрытия, каждый образец был обра­ботан на лазерной установке Bulat HTF-150 [12]. Ранее авторы настоящей статьи уже показали положительный результат применения такого способа гибридной обработки поверхностей разных материалов за счет лазерной сварки, которая прочно сцепляет поверхность обра­ботанной детали. Опираясь на данные работы, авторы подобрали оптимальные параметры лазерной обработки:

  • напряжение на дуге 320 В;
  • частота 6 Гц;
  • длительность импульса 7 мс;
  • шаг по оси Y0,2 мм;
  • шаг по оси X 0,35 мм;
  • фокусировка 8 мм;
  • форма импульса - колокол.

Эрозионную стойкость образцов графита с модифицированной поверхностью опреде­ляли при воздействии плазменного потока с постоянными температурой и давлением, об­разованного плазмотроном в инертной среде (аргон) [11]. В течение испытания фиксиро­вались время воздействия плазменной струи, температура и убыль массы образцов. Обра­ботка плазменным потоком проходила при следующих режимах:

  • температура торможения 1800 °С;
  • давление торможения 0,5 атм;
  • длина струи 8 мм.

Результаты и обсуждение

Результаты электроискрового легирования графита для образцов МПГ-7 приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Результаты электроискрового легирования

Номер образца

Режим нанесения покрытия

Энергия импульсов, Дж

Масса образца, г

Масса после нанесения покры­тия, г

Прирост массы, г

Шероховатость Ra, мкм

Ti-I

RC-1

0,5

4,620

4,782

0,162

0,81

Ti-2

RC-2

1,0

4,635

4,836

0,201

1,44

Ti-3

RC-3

3,0

4,590

4,907

0,317

5,80

Ti-4

RC-4

5,0

4,610

5,075

0,465

9,10

W-1

RC-1

0,5

4,615

4,765

0,150

0,83

W-2

RC-2

1,0

4,628

4,851

0,223

1,40

W-3

RC-3

3,0

4,610

4,909

0,299

5,94

W-4

RC-4

5,0

4,595

5,005

0,410

9,12

V-1

RC-1

0,5

4,621

4,770

0,149

0,79

V-2

RC-2

1,0

4,610

4,800

0,190

1,51

V-3

RC-3

3,0

4,605

4,885

0,280

5,86

V-4

RC-4

5,0

4,618

5,008

0,390

9,38

Графики зависимостей прироста массы и шероховатости от энергии импульсов пред­ставлены на рис. 1 и 2 соответственно.

 

 

Из данных, представленных в табл. 2 и на рис. 1 и 2, видно, что при повышении энергии импульсов масса образцов графита увеличива­ется. Вероятно, в процессе электроискрового легирования с металлическим электродом на поверхности графита протекает реакция C + + Ме ^ МеС с образованием пленки карбида титана, вольфрама или ванадия в зависимо­сти от материала анода. Соответственно, чем больше приложенная энергия, тем толще кар­бидная пленка. В то же время с увеличением энергии импульсов растет и шероховатость поверхности нанесенного слоя, что негативно скажется при эксплуатации изделия, так как необработанная поверхность может повредить ответную деталь при соприкосновении дета­лей, также могут образоваться риски и забо­ины, влияющие на заданный размер изделия.

Следует отметить, что образцы, легиро­ванные титаном, обладали меньшей шерохова­тостью, чем образцы, легированные вольфра­мом и ванадием.

На рис. 3 представлены зависимости тем­пературы образцов, легированных титаном, вольфрамом и ванадием, от времени воздей­ствия плазменной струи плазмотрона. В табл. 3 приведены значения убыли массы и максимальной температуры образцов в конце экс­перимента.

 

 

 

Таблица 3

Максимальная температура и убыль массы образцов в струе плазмы

Параметры

Образец с титановым покрытием

С

Ti-1

Ti-2

Ti-3

Ti-4

W-3

V-4

Режим нане­сения покры­тия

-

RC-1

RC-2

RC-3

RC-4

RC-3

RC-3

Tmax, °С

1660

1560

1535

1289

1280

1489

1445

Δm, г

0,874

0,559

0,521

0,318

0,301

0,441

0,419

Температура образцов при воздействии плазменной струи монотонно возрастает в те­чение всего времени эксперимента, и характер зависимости температуры от времени сход­ный для всех образцов (см. рис. 3). При этом модификация поверхности графита снижает скорость нагрева образцов.

Видно, что образцы Ti-1 и Ti-2, а также Ti-3 и Ti-4 характеризуются одинаковыми зави­симостями температуры от времени испытания. Температуры образцов с модифицированной по­верхностью систематически ниже, чем у образца графита. При этом образцы Ti-3 и Ti-4 нагрева­ются значительно медленнее, чем Ti-1, Ti-2 и С.

Образцы W-3 и V-3 обладают схожими зависимостями температуры от времени ис­пытания друг с другом и образцами Ti-1 и Ti-2, но в то же время нагреваются быстрее, чем образцы Ti-3 и Ti-4.

В конце эксперимента температура у об­разцов Ti-1 и Ti-2 составила 1550 и 1525 °С - на 100 и 125 °С ниже, чем у немодифицирован- ного образца графита (1660 °С). Температура образцов W-3 и V-3 оказалась ниже в среднем на 80 °С, чем у образцов Ti-1 и Ti-2. Темпера­тура образцов Ti-3 и Ti-4 в конце эксперимента была значительно ниже - 1290 и 1275 °С со­ответственно. Это на 371 и 380 °С ниже, чем у немодифицированного образца графита, и в среднем на 183 °С ниже, чем у образцов W-3 и V-3. При этом убыль массы образцов Ti-3 и Ti-4 на 28, 40 и 65 % меньше, чем у образцов W-3 и V-3, Ti-1 и Ti-2, С соответственно, что свидетельствует о большей эрозионной стой­кости образцов Ti-3 и Ti-4.

Учитывая минимальную эрозионную стойкость и низкую скорость нагрева образ­цов Ti-3 и Ti-4 по сравнению с образцами Ti-1, Ti-2 и W-3, V-3, можно утверждать, что для электроискрового легирования поверхности графита лучше всего подходят режимы RC-3 и RC-4 в сочетании с электродом из титана. Од­нако если учесть более низкую шероховатость образца Ti-3 по сравнению с образцом Ti-4, то можно заключить, что оптимальным режимом электроискрового легирования графита из рас­смотренных является RC-3 в сочетании с элек­тродом из титана.

Заключение

Результаты работы показывают, что опти­мальным режимом электроискрового леги­рования поверхности графита является RC-3: энергия импульсов 3 Дж при рабочем токе 1,5 А в сочетании с электродом из титана.

Сочетание электрода из титана и режима легирования RC-3 позволяет получить макси­мально эрозионностойкую поверхность с мини­мальной для такой стойкости шероховатостью и значительно снизить скорость нагрева детали.

Таким образом, легирование поверхно­сти графита титаном по режиму RC-3 позволит увеличить время работы соплового блока или уменьшить толщину детали при сохранении прежней длительности работы.

Об авторах

Л. С. Белозеров
АО «Опытное конструкторское бюро «Новатор»
Россия


А. А. Казин
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


С. Г. Купцов
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


Для цитирования:


Белозеров Л.С., Казин А.А., Купцов С.Г. Влияние режима электроискровой обработки поверхности конструкционного графита на эрозионную стойкость. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):51-56.

For citation:


Belozerov L.S., Kazin A.A., Kuptsov S.G. Influence of structural graphite surface electrospark machining conditions on erosion resistance. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2019;(2):51-56. (In Russ.)

Просмотров: 40


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)