Виготовлення прес-форм з використання м плазмового напилення сплаву Cu-Al-Fe на неметалеві матеріали

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК. 621. 793. 7

Виготовлення прес-форм з використання м плазмового напилення сплаву Cu - Al - Fe на неметалеві матеріали

05.03.06 - Зварювання та споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

М'якота Ігор Семенович

КИЇВ 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Черкаському інженерно - технологічному інституті

Захист дисертації відбудеться “29” вересня 1999р о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182. 01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, 252650, Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці інституту за адресою: Київ, вул. Боженка, 11

Автореферат розісланий “27” серпня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради доктор технічних наук Л.С. Киреєв

АНОТАЦІЯ

Мўякота І.С. Виготовлення прес-форм з використанням плазмового напилення сплаву Cu-Al-Fe на неметалеві матеріалі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології” . - Черкаський інженерно - технологічний інститут, Черкаси, 1999.

Дисертацію присвячено питанням розробки та виготовлення складнопрофільного технологічного оснащення (на прикладі прес-форм для обробки пластмас). В дисертації розроблено новий напрямок в технології коркового плазмового напилення, що грунтується на використанні моделей з матеріалів органічного походження. Встановлено, що при застосуванні спеціальної термообробки до мідьалюмозалізних сплавів безпосередньо у процесі напилення забезпечується можливість виготовлення формотворних елементів прес-форм необмеженої товщини з високім рівнем експлуатаційних властивостей. Запропоновано конструктивні і технологічні параметри обладнання і процесів, висока ефективність застосування яких обгрунтована теоретично і підтверджена практично. Основні результати праці знайшли промислове застосування у формі виробничих впроваджень технології і обладнання.

Ключові слова: плазмове напилення, коркове покриття, прес-форма, залишкові напруження, алюмінієві бронзи

ABSTRACT

Myakota I. S. Manufacturing of day moulds with the use of plasma spraying alloys of Cu-Al-Fe on non-metal materials. - Manuscript.

Thesis for a candidate of science degree. Specialty 05.03.06 - Welding and Relating Technology. - The Cherkassy engineering and technological institute, Cherkassy, 1999. It is devoted to design and manufacturing complex-profile technological day-moulds (by means of an example of moulds for plastic - material). A new direction of plasma-shell spraying is elaborated which is based on the use of organic models. It is established that a special heat treatment direct by plasma-shell spraying process is provided to manufacture endless thick Cu-Al-Fe- alloys shells with high-quality operating characteristics. The constructive and technological parameters of equipment and processes are proposed, the high effectiveness of them is stated by using of theoretical investigations and reinforced by illustrative examples. The results of the work have found an industrial utility in introducing of these types of equipment and technology.

Key words: plasma spraying, plasma coating, shell, inner tensions, alloys of Cu-Al-Fe.

АННОТАЦИЯ

Мякота И.С. Изготовление пресс-форм с применением плазменного напыления сплава Cu-Al-Fe на неметаллические материалы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - “Сварки и родственные технологии”. - Черкасский инженерно - технологический институт, Черкассы, 1999. Диссертация посвящена вопросам разработки и изготовления сложнопрофильной технологической оснастки (на примере пресс-форм для переработки пластмасс). В работе развивается новое направление в технологии коркового газотермического напыления, основанное на применении моделей из материалов органического происхождения, аргоно-водородных и воздушных плазменных струй. Специфика технологии обеспечивает рентабельность изготовления пресс-форм в условиях промышленного мелкосерийного производства изделий за счет уменьшения показателей трудо- и материалозатрат в 2...8 раз и сокращения сроков подготовки производства выпуска новых товаров в 5...10 раз.

Установлено, что при специальной термообработке медьалюможелезных сплавов непосредственно в процессе плазменного напыления, а именно - интенсификации охлаждения напыляемых частиц обеспечивается возможность изготовления формообразующих элементов пресс-форм неограниченной толщины с высоким уровнем эксплуатационных свойств. Это достигается вследствие структурных превращений мартенситного типа с образованием метастабильной пластичной a+b` - фазы.. При этом исходный материал приобретает качественно новый комплекс физико-механических свойств: при минимальных значениях остаточных напряжений (sН Ј 1МПа) существенно увеличиваются показатели твердости, износостойкости, прочности и пластичности (соответственно, НВ ” 180, HV MAX ” 1800 МПа, sВ=70...105 МПа, d ” 6...12%). Теоретически обоснованы и практически отработаны конструктивные и технологические параметры оборудования, в том числе модифицированных плазмотронов с самоустанавливающейся и фиксированной длинами дуг, установки и технологической оснастки нестандартного изготовления. Разработана комплексная технология изготовления безоблойных пресс-форм с развитой плоскостью разъема, с учетом особенностей их эксплуатации на многопозиционных термопластавтоматах по единому режиму охлаждения. Основные результаты работы нашли промышленное применение в форме внедрения технологии и оборудования.

Ключевые слова: плазменное напыление, корковое покрытие, пресс-форма, остаточные напряжения, алюминиевые бронзы.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційна робота присвячена розробці технології виготовлення складнопрофільних прес-форм для обробки пластмас з використанням нового процесу коркового плазмового напилення формотворних елементів на моделі з матеріалів органічного походження. Технологія забезпечує рентабельність виготовлення прес-форм в умовах промислового дрібносерійного виробництва за рахунок зменшення показників праце-, матеріаловитрат та скорочення строків підготовки виробництва до випуску нових товарів.

Актуальність теми. Одним із принципово нових технічних рішень по інтенсифікації виробництва технологічного оснащення є виготовлення формотворних елементів прес-форм методами газотермічної обробки (технологія коркового напилення). Коркове напилення - технологічний процес, при якому утворення монолітного виробу здійснюється шляхом формування покриття товщиною 2...10 мм на відповідному обўєкті - моделі, яка є копією виробу, що тиражується, із наступним їх відокремленням.

Стосовно широкого спектру продукції, а саме - складнопрофільних виробів з пластмаси, гуми, скла, парафіну, що виробляються середніми або малими партіями, цей метод за своїми техніко-економічними показниками суттєво перевершує відомі альтернативні методи виготовлення прес-форм - металообробкою, холодним видавлюванням, електроерозійною обробкою, гальванопластикою, порошковою металургією. Факторами, що стримують широке виробниче застосування відомих технологій коркового напилення в цій галузі, є:

- необхідність проведення інструментальних робіт у разі виготовлення моделей із сталей;

- малий строк експлуатації моделей з самотверднучих керамік;

- відсутність практичних результатів по застосуванню у даному напрямку ресурсозберігаючих процесів повітряно - дугового плазмового напилення;

- відсутність відпрацьованої у виробничих умовах комплексної технології виготовлення прес-форм з корковими формотворними елементами, яка враховує особливості їх експлуатації на багатопозиційних вітчизняних та імпортних термопластавтоматах;

- порівняно нова постановка проблеми щодо необхідності випуску продукції малими серіями з максимально швидким оновленням її номенклатури.

Мета роботи: розробка високоефективної технології виробництва прес-форм для обробки пластмас з використанням методів плазмового напилення на моделі з органічних матеріалів у інертних та активних середовищах.

Принциповими особливостями такого процесу є:

1. обмеження температури моделі у зоні плями напилення значеннями теплостійкості пластмасових матеріалів (не більш ніж 70°С);

релаксація напруженого стану у металевому корковому покритті необмеженої товщини, що формується, безпосередньо під час напилення;

надання плазмонапиленим структурам фізико-механічних властивостей, що відповідають експлуатаційним навантаженням на формотворні елементи прес-форм для обробки будь-яких пластмас.

Запропонована назва технологічного процесу - "холодне коркоутворення".

Для досягнення мети розвўязуються такі задачі:

- розробка методу керування структурним станом напиленого шару, який забезпечує зменшення рівня залишкових напружень у металевому покритті необмеженої товщини, при обмеженні температури основи показником 70°С;

- розробка методики визначення ефективних технологічних параметрів процесу напилення металевих коркових покриттів, що забезпечують надання найкращих фізико - механічних властивостей отриманим структурам, з врахуванням властивостей вихідних порошкових матеріалів;

- дослідження залежностей газодинамічних показників повітряного плазмового струменя від геометрії дугового каналу плазмотрона, на підставі чого, з врахуванням специфічних особливостей технології, здійснюється модифікація конструкції плазмотронів;

- визначення складу матеріалів коркового покриття, антиадгезійного розподілювального шару, поверхнево-активних речовин, розробка металополімерної композиції для формування конструкційного шару;

- розробка комплексної технології виготовлення безоблойних прес-форм із плазмонапиленими корковими формотворними елементами зі складною площиною розйому, впровадження технології і устаткування.

Наукова новизна одержаних результатів.

1.Вперше показано, що зменшення залишкових напружень у газотермічних покриттях зі сплавів системи Cu-Al-Fe може забезпечуватися за рахунок релаксації напруженого стану як результат структурних перетворень мартенситного типу з утворенням пластичної метастабільної a+bў - фази, які відбуваються при інтенсифікованому (105...106 °С/с) охолодженні напилених частинок.

2.Встановлено можливість керування структурним станом напиленого шару за рахунок координованої орієнтації і параметрів газових струменів, один з яких відсікає термічний вплив плазмового струменя на покриття, що формується, а другий охолоджує зону плями напилення. Показано, що при напиленні сплавів системи Cu-Al -Fe аргоно-водневим плазмовим струменем найкращі властивості покриттів (sВ=75...105 МПа, sН Ј 2,5 МПа, НВ=120...180, d=6...12%, КВП і70%) забезпечуються при встановлених значеннях параметрів кута атаки (a=45°), швидкості (Vcд = 5,3 м/с) і тиску (Р1=0,12 МПа) струменя системи здування, а також розмірів плями охолодження (SОХЛ і7,5Ч10-3 м/с), зміщення центрів плям охолодження і напилення (S=0,01...0,04 м), витрат холодоагента (G3= 4Ч10-3...8Ч10-3 кг/с) системи розпилення.

3.Встановлено, що визначальною характеристикою плазмового струменя при напиленні коркових металевих покриттів з матеріалів густиною 7,5...9,5 Ч103 кг/м3 і температурою плавлення 850°С...1100°С на основу органічного походження є співвідношення розмірів його високотемпературної зони (ТГ і 5000°К) - h і зони швидких (V1/VMAX = 1,0...0,9) частинок - Н. Визначено, що при значенні співвідношення h/H Ј 0,6 запропонована система охолодження забезпечує стабілізацію температури моделі у значеннях і 20°С при зменшенні КВП на 3...8%.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблено технологію, що забезпечує виробництво складнопрофильних безоблойних багатопозиційних прес-форм зі складною площиною розняття, які можна застосовувати на вітчизняних та імпортних термопластавтоматах одночасно з прес-формами, виготовленими традиційними методами. Повний цикл виготовлення прес-форми становить 3...7 діб, виключено необхідність розробки типової конструкторської документації, залучення до виробництва інструментального обладнання, що визначає можливість практичної реалізації технології підприємствами, що не мають інструментальної бази, малими підприємствами.

2. Визначено склад комплексу технологічного обладнання, з залученням розроблених модифікованих плазмотронів аргоно-водневого та повітряного плазмового напилення, обладнання і технологічного оснащення нестандартного виготовлення.

3. Визначено марку і склад основних та допоміжних технологічних матеріалів, а саме - порошкового матеріалу для напилення формотворних елементів, металополімерної композиції для утворення конструкційного шару, антиадгезійного шару, поверхнево - активних речовин, використання яких забезпечує достатній рівень експлуатаційних властивостей прес-форм.

4. Реалізацію роботи здійснено впровадженням розробленої технології, застосуванням виготовлених прес-форм на ряді підприємств Росії та України.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є підсумком результатів експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. За безпосередньою участю автора розроблено методику дослідження експлуатаційних властивостей коркових покриттів та технологічних параметрів процесу їх утворення, розроблено конструкцію спеціалізованого обладнання, оснащення і модифікованих плазмотронів, визначено склад та методику застосування матеріалу конструкційного шару прес-форм, технологічну послідовність виготовлення безоблойних прес-форм зі складною площиною розняття. Аналіз та узагальнення одержаних результатів проводилося автором як особисто, так і за участю інших співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертації оприлюднено на науковому семінарі “Високоенергетична обробка матеріалів” (Дніпропетровськ, 1995), VІ-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (Запоріжжя, 1995), конференції “Високоефективні технології у машинобудуванні” (Алушта, 1996), Міжнародному семінарі “Сучасні матеріали, технології, обладнання і інструмент у машинобудуванні” (Київ, 1999).

Публікації. По темі опубліковано 4 роботи, одержано 2 патенти СРСР, 2 патенти України, 1 позитивне рішення по заявці на патент України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, зміст яких викладено на 160 сторінках машинописного тексту, містить 56 рисунків, 19 таблиць, список літератури з 153 найменувань, 3 додатка.

2. ОСНОВНА ЧАСТИНА

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи і технічні завдання, рішення яких є її складовими частинами, показано наукову новизну і практичну цінність дисертаційної роботи, визначено основні положення, що винесено на захист.

Перший розділ носить оглядово-аналітичний характер. Проаналізовано переваги і недоліки існуючих методів виготовлення прес-форм для переробки пластмас, у тому числі з використанням процесів газотермічного напилення. Окремо розглянуті питання, повўязані з застосуванням плазмового напилення при виробництві формотворних елементів прес-форм, а саме - виготовлення і підготовка моделей до напилення, технологічні матеріали, що використовуються для утворення робочих та конструкційних елементів матриць прес-форм, методи усунення проявів залишкових напружень, вимоги до складу і функціональних можливостей обладнання, призначеного для виготовлення формотворних елементів прес-форм в умовах промислового багатономенклатурного дрібносерійного виробництва з використанням як аргоно-водневого, так і повітряного плазмових струменів.

На підставі аналізу сформульовано загальну мету і завдання роботи.

У другому розділі обгрунтовано і визначено методику досліджень властивостей коркових покриттів і технологічних параметрів процесу їх напилення і показників конструкційного шару прес-форми з використанням стандартних, відомих і спеціально розроблених методів.

Фазовий рентгеноструктурний аналіз зразків проводився на дифрактометрі ДРОН-3М, аналіз хімічного складу - з залученням енерго-мас-аналізатора ЕМАЛ-2, зйомка мікроструктур здійснювалися на металографічних мікроскопах “Неофот”, “Нікон” і растровому електронному мікроскопі РЕМ-100У. Мікротвердість структурних складових (НV) вимірювалася мікротвердоміром ПМТ-3 з навантаженням на індентор 0,196 Н, твердість (НВ) - оцінювалася за Брюнеллем (ГОСТ 9012-59). Дослідження залишкових напружень (sН) проводилося у їх порівняльних і кількісних показниках за методиками розрізних кілець. Кількісні показники визначалися на підставі вимірювання поступової деформації зразків (величини зазору) при пошаровому електрохімічному поліруванні покриття. Вимірювання міцності покриття (sК) проводилося на розўємних трубках, які до напилення зўєднуються торцями, а після напилення шару покриття фіксованої товщини (2 мм) відокремлюються за допомогою розривної машини типу 1958-10-1. Поруватість зразків (r) визначали методами прямого і гідростатичного зважування (ГОСТ 188893-79), густину напиленого матеріалу - пікнометричним методом (ГОСТ 2211-65). Визначення показників пластичності - границь міцності на розтяг (sВ), згин (sЗ) і відносне подовження (d) проводилося за стандартними методиками. Дослідні зразки, які виробляли з використанням розробленого оснащення, являли собою паралелепіпеди з поперечним перерізом 8ґ8 мм і довжиною 90 мм, що дозволяло віднести їх до зразків пропорційного короткого типу - 5,65 (ГОСТ 1497-73). Зносостійкість зразків (h) досліджувалася на спеціальному стенді в умовах сухого тертя покриття.

Оцінка температур дослідних зон плазмового струменя проводилася з використанням квазімонохроматичного візуального пірометра моделі ОППИР-09 і мікропірометра ВИМП-015М, коаксіального ентальпійного датчика. Вимірювання швидкості руху частинок (VЧ) здійснювалося за допомогою приладу ІССО-1. При дослідженні теплопереносу (q0) двофазним плазмовим струменем і визначенні температури моделі (ТМ) використовувалися термоелектричні перетворювачі марок ТХК-0515, ТХА-1489 і термоопіри марки СТ-19.

Дослідження теплопровідності, адгезійної міцності зчеплення коркового покриття з конструкційним шаром і технологічності обробки різанням здійснювалося на збірних зразках, які складаються з фрагмента коркового покриття і елемента конструкційного шару. Теплопровідність визначалася у порівняльних показниках з використанням розробленого оснащення. Кількісні показники теплопровідності (Вт/мЧК) визначалися за стандартною методикою (ГОСТ 8.140-82). Кількісні дослідження проводилися з наступним математичним аналізом результатів.

У третьому розділі визначається склад технологічного обладнання, що забезпечує ефективну реалізацію аргоно-водневих і повітряних плазмових струменів у процесі холодного коркоутворення, а також базові технологічні параметри у вигляді раціональних співвідношень показників ефективності процесу і експлуатаційних властивостей коркових покриттів.

На підставі визначених пріоритетних факторів порівняння, а саме - кінетичної енергії частинок густиною 7,5...9,5 Ч103 кг/м3, зернистістю 40...60 мкм на дистанції напилення (Н1=0,2 м), співвідношення розмірів високотемпературної зони (ТГ і5000°К) плазмового струменя (h) і зони “швидких” (VЧ/VMAX=1,0...0,9) частинок (Н) (рис.1), термічного ККД (ht), коефіцієнта використання порошку (КВП), ресурсу роботи анода (tА) із шести досліджених моделей плазмотронів обрано ПМ-1М (аналог - F4-HB, “Plasma- technik AG”). (Обўєкти порівняння - плазмотрони серійного устаткування УПУ-3Д, УПУ-8М, експериментальні моделі розробки НВО “Південьмаш”, НДІТМ, РКК “Енергія”).

Експериментальні дослідження залежностей потужності (N), ht, і ентальпії (X) ПМ-1М від струму дуги (І), витрат (G) і складу плазмотворного газу обраної моделі плазмотрона дозволили встановити раціональні співвідношення споживаних енергетичних складових (по показниках собівартості процесу) при значеннях КВПі70%. Дослідження і оптимізація параметрів аргоно-водневого струменя по показниках VЧ, Х, міцності (sК), залишкових напружень (sН), поруватості (r) напилених структур і продуктивності напилення (Р) дозволили отримати базові параметри дослідженого процесу (рис. 2). Так, при застосуванні порошку ПГ-19М01 зернистістю 50мкм, N=24,5кВт, G=5,8Ч104м3/с, зі змістом водню-20,4% отримано: r=8%, sК=55 МПа, sН=43,2 МПа, Р=1,35Ч10-3 кг/с, КВП=71%, VЧ=220 м/с, h/H =0,6.

Встановлені залежності sК (Y1) і sН (Y2) від струму дуги (X1), витрат плазмотворного газу(X2), змісту водню (X3) описуються рівняннями:

Y1=134,21+25,3X1+1,36X2+9,87X3 -6,71X12 -3,87X2 2 -22,3X3 2 -0,65X1X2 -5,34X1X3 -3,5X2X3 ;

Y2= - 105,4+82,5X1 - 27X2 +48,3X3 + 58X12 + 22,75X22 +11,2X32

Експериментально - теоретичні дослідження плазмового струменя повітряно-дугового плазмотрона моделі ПМ-2 (аналог - ПНВ-24, “Поліплазма”) за визначеними критеріями (N,U, hK, Х, VЧ, tА, VГ і температури (ТГ) плазмового струменя) дозволили отримати залежності його енергетичних і газодинамічних характеристик від геометрії дугового каналу - довжини (LДК) і діаметра (d) (рис.3).



Рис. 2 Залежності властивостей покриттів від показників плазмового струменя

Встановлена вибірковість впливу ступеня турбулентності струменя (як похідної від значень LДК і d) на значення VЧ і VГ, що дозволяє шляхом корегування показника h/H регулювати перенос тепла струменя до поверхні напилення (q0) і ТМ. Внаслідок різної інертності газової і твердофазної складових двофазного плазмового струменя зменшення d більш інтенсивно впливає на величину Н ніж h і, навпаки, величина LДК більш ефективно корегує значення h, ніж Н. Це визначило можливість застосування повітряно-дугового напилення в технології холодного коркоутворення при зміні показників VЧ з 90 до 130 м/с і h/H - з 1,5 до 0,9 (тобто, при зменшенні термічного впливу на поверхню моделі у 1,4...2,5 рази) за рахунок застосування дугового каналу оптимальної геометрії - LДК=0,055 м, d=0,008. Експлуатаційні показники коркових покриттів (r=12%, sК=50МПа, sН=45МПа, Р=1,2Ч10-3кг/с, КВП=65%, при N=35,5кВт, І=190А, G=7,5Ч10-4кг/с) поступаються аналогічним характеристикам, які отримані при використанні аргоно-водневого струменя, що обумовлює доцільність використання повітряного плазмового струменя при утворенні менш відповідальних (зміцнюючих) шарів формотворних елементів.

Визначено раціональний склад комплексу технологічного обладнання для промислової реалізації технології на базі устаткування УПУ-8М, ОПН-11, робочої камери ручного напилення нестандартного виготовлення, що дозволяє оперативно опрацьовувати нові вироби у режимі налагодження модифікованих плазмотронів моделей ПР-1Р і ПМ-2М .

У четвертому розділі доведені результати теоретичних досліджень і експериментальні дані стосовно визначення параметрів процесу утворення металевих коркових покриттів довільної товщини при обмеженні температури моделі (ТМ) показником 70°С.

Я к ефективний технологічний засіб впливу на температурні показники процесу і структуру коркового покриття визначено використання комбінованої системи інтенсивного охолодження (с.і.о.), що складається з двох взаємопогоджених складових систем: здуву (відсічення) плазмового струменя і розпилення холодоагента (рис.4). Обўєкт дії обох систем - двофазний плазмовий струмінь, але місця їх локального впливу спрямовані на різні його функціональні зони - відповідно зону транспортування частинок в межах дистанції напилення і зону плями напилення. Дослідження, де як критерій оптимізації було прийнято значення максимального зменшення переносу тепла до поверхні напилення (q1/q0) плазмовим струменем без погіршення досягнутих значень VЧ і КВП, дозволили визначити раціональні діапазони взаємної орієнтації (кут атаки -a), координат контакту, показників тиску (Р1), витрат (G!), швидкості (VЗД), форми і температури (ТЗД) струменя здуву (табл.1). Визначено співвідношення параметрів, при яких для аргоно-водневого плазмового струменя q1/q0=0,41, для повітряного - q1/q0=0,56, що обумовлює показник ТМ за умови нерухомого плазмотрона на дистанції Н1=0,2 м, відповідно, 140°С...170°С, і 180°С...190°С°, при погіршенні КВП на 3...5%.



Рис. 4 Схема системи охолодження: 1 - розпилювач холодоагента, 2 - плазмотрон, 3 - плазмовий струмінь, 4 - сопло здуву, 5 - зона охолодження, 6 - зона напилення, 7 - модель, V1, G1, G2, G3, P1, P2, P3, S - технологічні параметри.

Таблиця 1 Ефективні параметри системи інтенсивного охолодження (ПГ-19 М01, зернистість -50 мкм, ТЗД -150°С)

Плазмотрон	N, кВт	P1, МПа	VЗД, м/с	a,°	P2, МПа	G2, кг/с	P3, МПа	G3, кг/с	D КВП, %
Ar-H2 ПР-1Р	24,5	0,12	5,3	45	0,12	5,1Ч10-4	0,06	2,2Ч10-4	-3
Повітряний ПМ-2	35,5	0,075	4,2	60	0,15	8,6Ч10-4	0,06	3,5Ч10-4	-5

Подальше зменшення показників ТМ до 70°С з одночасним усуненням проявів залишкових напружень у сформованих структурах забезпечено застосуванням системи розпилення холодоагента (наприклад, дистильованої води). Інтенсивність її впливу на процес визначається показниками витрат (G3) і тиску (P3) холодоагента, тиску (P2) і витрат (G2) повітря, що розпилює холодоагент. Визначено, що базовим параметром роботи с.і.о. є взаємне розташування плям охолодження і напилення. У випадку збігання їх центрів (S=0) фіксується різке падіння показників КВП (Ј30%), продуктивності, суттєво погіршуються фізико - механічні властивості покриття (зменшення sК з 45...50 до 10...15МПа).

Максимальний ефект застосування системи фіксується, коли зона охолодження накладається на пляму напилення тільки периферійною частиною (S/Dt =0,5...0,8V, де V -швидкість переміщення плазмотрона, Dt- інтервал часу зміщення зон). Другим важливим технологічним параметром є витрати холодоагента (G3), значення якого повинні бути мінімальними, але достатніми для ефективного термічного впливу на частинки. Діапазони ефективних значень G3 і розмірів зони охолодження (DОХ) рекомендовано обирати на підставі рівняння залежностей, що визначено з аналітичного аналізу теплових процесів системи “металева частинка - с.і.о.- модель органічного походження”:

DОХ=; G3 =,

де с - питома теплоємність напиленого матеріалу;

Dt - діапазон температур охолодження частинок (ТПЛ - ТМ);

DТ - градієнт температур по товщині сформованого за один прохід покриття h;

l - теплопровідність матеріалу покриття;

сВ, rВ, DtВ - відповідно питома теплоємність, теплота випарювання, діапазон нагріву води охолодження.

При с=0,41Ч103 Дж/кгЧ°С, Dt=103°С, l=83 Вт/мЧ°С, залежність DОХ від DТ має вигляд:

DОХ = 3,4Ч10-2 DТ.

Значення витрат холодоагента G3, що забезпечує стабілізацію температури моделі при необхідному значенні ТМ (ТМ= ТПЛ - Dt), визначається зі співвідношення: G3 =2Ч10-7Dt.

Прийнятні мінімальні значення DТ (Ј0,1 °С) визначають розміри плями охолодження:

DОХ і0,1 м, SОХ і 7,5Ч 10-3 м2.

Використання с.і.о. забезпечує теоретично обгрунтоване збільшення швидкості охолодження металевих частинок зернистістю 40...63 мкм і питомою густиною 7,5...9,0 ґ103 кг/м 3 з 103 ...105 °С/с до 105 ...106 °С/с.

Дослідження по визначенню оптимального складу вихідного матеріалу для виробництва коркових покриттів методом холодного коркоутворення з залученням матеріалів на основі нікелю, алюмінію, заліза і міді довели, що досягнення довільних товщин напилених структур (НП і 5 мм) забезпечується при застосуванні матеріалів на основі міді. Найкраще співвідношення експлуатаційних характеристик, з врахуванням вимог до формотворних елементів прес-форм, досягається у мідьалюмозалізного сплаву БрАЖ-9-4 (табл.2). Аналогом цього матеріалу у вигляді порошку для газотермічного напилення є ПГ-19М 01 з хімічним складом Al-9...11%, Fe-3...4%, Cu - основа (Торезький завод НТСМ).

Теоретичні дослідження структурних перетворень алюмозалізної бронзи з практичною перевіркою отриманих висновків дозволили визначити, що зменшення залишкових напружень при використанні с.і.о. досягається за рахунок реалізації механізму термообробки вихідного матеріалу, що аналогічне процесу загартовування. Структурні перетворення мартенситного типу системи Cu-Al обумовлюють фіксацію метастабільної пластичної a+bў- фази. Надана можливість мікрооб`ємам матеріалу змінювати лінійні розміри під час і після утворення когезійних зв`язків у межах пластичної деформації матеріалу є фактором зменшення залишкових напружень.

Таблиця 2 Фізико - механічні показники коркових покриттів з бронз (Ar- H2 плазмотрон ПР-1, N - 24,5 кВт, застосування с.і.о., Н1= 0,2 м, матеріал моделі - деревина, товщина коркового покриття і 5 мм)

Напилений матеріал	Зносостійкість,h кг/м2Ч с	Поруватість, r, %	Міцність, sК , МПа	Мікротвердість, (max) НV, МПа
БрОФ-10	9,2Ч10-6	12...15	25	75...95
БрОЦС-4-4-2,5	1,1Ч10-5	13...18	35	110...170
БрА7	5,3Ч10-6	8...12	55	950...1400
БрАЖ-9-4	6,8Ч10-7	7...11	55	1200...1800

Сплав змісту Cu+9%Al після порівняно повільного охолодження має структуру, представлену первинними кристалами a - фази (Cu7Al) і евтектоідом a+g2 фази. a - фаза визначається високими показниками пластичності при порівняно малих значеннях міцності, g2 - фаза (Cu32Al19) має високу твердість і, одночасно, дуже малу пластичність. Тому, при істотній її кількості у змісті показник відносного подовження матеріалу знижується до нуля. Така структура характерна для вихідних порошків алюмінієвих бронз, що виготовлені як методом механічного подрібнення, так і диспергування розплавів. Плазмонапилена структура, отримана з використанням с.і.о., має структуру a+bў фази, де bў- фаза (Cu3Al) - продукт мартенситного перетворення високотемпературної b - фази. Наявність a - фази обумовлює пластичність матеріалу, bў - підвищену міцність.

Визначено залежність температурного режиму охолодження частинок сплавів системи Cu-Al нижче температури солідус на комплекс властивостей напилених структур. Часткове або повне усунення евтектоідного перетворення забезпечується впливом холодоагента на напилений матеріал у діапазоні температур 900°С -ТМ.

Означені мартенситні перетворення реалізуються у досить вузькому діапазоні температур нижче 400°С (380°С...300°С), що збільшує ефективність системи охолодження впливом на цю стадію охолодження частинок. Якщо при напиленні без охолодження t1” 100t0 (де t0 -час кристалізації, t1 - час охолодження у діапазоні ТПЛ -ТМ), то застосування с.і.о. змінює значення t1 до показників t1” t0. У комплексі це надає напиленому матеріалу новий рівень властивостей: при відсутності проявів залишкових напружень (sН = 0,5...2,5 МПа) одночасно підвищуються показники твердості, мікротвердості і пластичності (відповідно, НВ=120...180, HV MAX =1200... 1800, sВ=70...105 МПа, d =6...12%).

Встановлено, що введення до складу алюмінієвої бронзи заліза у обсязі 3...4 мас.%, тобто застосування матеріалу ПГ-19М 01 при дотриманні визначеного температурного режиму частинок сприяє додатковому поліпшенню властивостей покриття за рахунок фіксації дрібнозернистої пластичної структури a+bў+Fe і відокремленої твердої залізовмісної фази Fe3Al. Це забезпечує найкраще співвідношення показників зносостійкості, міцності і пластичності коркових покриттів (табл.3).

Таблиця 3 Властивості коркових плазмових покриттів з ПГ - 19М 01

Метод формування	sН, (МПа)	sв, МПа	sз , МПа	НV, max МПа	НВ	h, кг/м2ґс	d, %
Ar-H2 плазмовий струмінь без с.і.о.	43,5	45...55	-	900	-	3,6ґ10-7	-
Ar-H2 плазмовий струмінь з с.і.о.	< 1	70...105	40...55	1800	110...180	6,8ґ10-7	6...12
Повітряний плазмовий струмінь з с.і.о.	2,4	60...90	35...50	1700	125...190	7,2ґ10-7	5...10

Тип плазмового струменя (активне або інертне середовище) обумовлює незбіжність значень мікротвердості, твердості і зносостійкості даних типів зразків. Це пояснюється різницями структурного стану утворених фаз, ступеня деформації частинок, значень поруватості, насиченості периферійних зон інтерметалідами складу FeCu2Al6, FeCu2Al7, FeCu10Al12, FeCu10Al18 і оксидами, які збільшують показники мікротвердості і одночасно послаблюють загальну міцність і твердість за рахунок зростання крихкості.

Таблиця 4 Технологічні параметри плазмового напилення при холодному коркоутворенні

Тип плазмотрона	N, кВт	І, А	G, кг/с	Плазмотворний газ	V1, м/с	h/H	Р, кг/с	КВП, %
Ar-H2 ПР-1	24,8	420	6Ч10-4	Ar +20,4% Н2	220	0,5	1,27Ч10-3	67
Повітряний ПМ-2	35,5	185	2Ч10-3	стиснене повітря	130	0,9	1,2Ч10-3	63

Доведено, що збільшення показників пластичності вихідного матеріалу у 1,8...2,2 рази забезпечує зменшення залишкових напружень до значень 0,5...2,5 МПа. Це дозволяє формувати "корки" з алюмінієвої бронзи будь-якої товщини без проявів короблення за умов відсутності адгезії і теплостійкості матеріалу моделі у межах до 70°С.

Пўятий розділ присвячено розробці і практичному опрацьовуванню комплексної технології виготовлення нерозўємних і розўємних безоблойних прес-форм для переробки пластмас на базі процесу холодного коркоутворення.

З урахуванням експлуатаційних вимог до прес-форм по переробці пластмасових матеріалів на вітчизняних та імпортних термопластавтоматах розроблено склад і технологію застосування металополімерної композиції на основі фурано-епоксидного звўязуючого ФАЕД-8 для виготовлення конструкційного шару - наповнювача матриць. При теплостійкості 250°С, температурі полімеризації 80°С, мінімальному обўємному збіганні при отвердінні (Ј1%) і підвищеній адгезії до напиленого покриття (60...80 МПа) її теплопровідність порівнюється з показниками металів (12...28 Вт/мЧград). Це дозволяє використовувати прес-форми, виготовлені за технологією холодного коркоутворення на багатопозиційних термопластавтоматах, одночасно з традиційними типами прес-форм за єдиним режимом їх охолодження.

Наведено розроблену схему виготовлення прес-форм з розвинутою площиною розйому, при якій забезпечується відсутність облою у отриманих виробах завдяки технологічній послідовності процесу. Використання площини розйому першої матриці як базової поверхні для формування сполученої площини розйому другої матриці допомагає уникнути трудомістких операцій по їх доведенню (взаємній підгонці).

Рекомендовано склад і методику застосування додаткових технологічних матеріалів, необхідних для підготовки моделей з різних матеріалів до напилення (поверхнево-активуючі речовини, матеріали роз`єднуючого шару), а також, варіанти флюсів для пайки плазмонапилених структур з алюмінієвої бронзи.

Визначено технологічні особливості утворення коркового покриття на моделях з розвинутим рельєфом поверхні, що передбачає дотримання співвідношень товщин послідовно напилених прошарків з врахуванням наявності зон - концентраторів напружень.

Визначено номенклатуру продукції, виготовлення якої за розробленою технологією найбільш ефективне - дрібносерійне виробництво однотипних виробів з розвинутою геометрією поверхні: дитячі іграшки, підошви взуття, медичні протези кінцівок, фурнітура для меблів, автомобілів, одягу, художні вироби, сувеніри.

Реалізацію роботи здійснено впровадженням розробленої технології, застосуванням виготовлених прес-форм на ряді підприємств Росії та України: ВАТ “Комплекс” м. Черкаси, НПО “Енергія” ім. С.П. Корольова м. Москва, ПО “Вулкан” м. Київ, ПП “Нісан -СВ” м. Умань, НВТ “НТТВ” м. Київ. Результати використання технології на виробництві на прикладі промислового впровадження на РКК “Енергія” ім. С.П. Корольова показали, що економічний ефект при виготовленні однієї прес-форми медичного протезу стопи становить 850 у.о.

напруження газодинамічний плазмотрон

ВИСНОВКИ

1.Однією з прогресивних технологій, що забезпечує можливість високоефективного виробництва прес-форм для обробки пластмас, є метод з використанням коркових газотермічних покриттів як формотворних елементів. Аналіз існуючого стану довів, що поширення практичного застосування напрямку можливо забезпечити розробкою і впровадженням нової технології плазмового коркового напилення, де як моделі передбачено застосовувати вироби з матеріалів органічного походження, теплостійкість яких обмежена значенням 70°С. Запропонована назва технології - “холодне коркоутворення”.

2.Теоретично обгрунтовано і експериментально доведено, що зменшення залишкових напружень у газотермічних покриттях зі сплавів системи Cu-Al-Fe може забезпечуватися безпосередньо під час напилення, за рахунок реалізації структурних перетворень мартенситного типу, з утворенням пластичної метастабільної a+bў - фази. Встановлений ефект досягається при швидкості кристалізації матеріалу - 105...106 °С/с.

Встановлено можливість керування структурним станом напиленого шару за рахунок координованої орієнтації і параметрів газових струменів, один з яких відсікає термічний вплив плазмового струменя на покриття, що формується, а другий охолоджує зону плями напилення. Показано, що при напиленні сплавів системи Cu-Al -Fe аргоно-водневим плазмовим струменем найкращі властивості покриттів (sВ=75...105 МПа, sН Ј 2,5 МПа, НВ=120...180, d=6...12%, КВП і70%) забезпечуються при встановлених значеннях параметрів кута атаки (a=45°), швидкості (Vcд = 5,3 м/с) і тиску (Р1=0,12 МПа) струменя системи здуву, а також розмірів плями охолодження (Sохол і7,5Ч10-3 м/с), зміщення центрів плям охолодження і напилення (S=0,01...0,04 м), витрат холодоагента (G3= 4Ч10-3 ...8Ч10-3 кг/с) системи розпилення.

Встановлено, що визначальною характеристикою плазмового струменя при напиленні коркових покриттів з матеріалів питомою густиною 7,5...9,5 Ч103 кг/м3 і температурою плавлення 850°С...1100°С на основу з теплостійкістю 70°С є співвідношення розмірів його високотемпературної зони (ТГ і 5000°К) - h і зони швидких (V1/VMAX = 1,0...0,9) частинок - Н. Визначено, що при значенні співвідношення h/H Ј 0,6 запропонована система охолодження забезпечує стабілізацію температури моделі у значеннях і 20°С при зменшенні КВП на 3...8%.

5. В результаті аналізу теплового стану системи “коркове покриття-модель-система охолодження” розроблено методику визначення оптимальних технологічних параметрів процесу напилення сплавів системи Cu-Al-Fe за рекомендованими аналітичними залежностями, які враховують теплофізичні характеристики вихідного матеріалу і визначають можливість досягнення найкращих фізико-механічних властивостей отриманих структур при показниках КВП і70%.

6. Встановлено залежності показників швидкості руху напилених частинок і переносу тепла повітряним плазмовим струменем до поверхні, що напилюється від геометрії дугового каналу. Це дозволило обгрунтувати методику корегування газодинамічних і енергетичних характеристик повітряно-дугових плазмотронів, яка за рахунок зменшення температурного впливу на поверхню моделі у 1,4...2,5 рази при одночасному збільшенні швидкості частинок у 1,3...1,5 рази забезпечила можливість застосування повітряного плазмового напилення в технології холодного коркоутворення.

7. Визначено склад технологічного обладнання на базі установок ОПН-11, УПУ-8, устаткування нестандартного виготовлення і модифікованих плазмотронів, що забезпечує реалізацію розробленої технології в умовах промислового багатономенклатурного дрібносерійного виробництва з використанням аргоно-водневого і повітряних плазмових струменів.

8.Розроблено склад металополімерної композиції на основі фурано-епоксидного звўязуючого ФАЕД-8, що відповідає експлуатаційним навантаженням до конструкційних шарів прес-форм, виготовлених за технологією холодного коркоутворення. При теплостійкості 250°С, температурі полімеризації 80°С, мінімальному обўємному збіганні при отвердінні (Ј1%) і підвищеній адгезії до напиленого покриття (60...80 МПа) її теплопровідність порівнюється до показників металів (12 ...28 Вт/мЧград).

9. Розроблено і впроваджено комплексну технологію виробництва прес-форм для обробки пластмас на базі нового методу напилення на моделі органічного походження з використанням аргоно-водневих та повітряних плазмових струменів. Від відомих аналогів метод відрізняється сукупністю показників:

- обмеженням температури моделі в зоні плями напилення значеннями теплостійкості пластмасових матеріалів (у межах до 70°С);

- релаксацією залишкових напружень у сформованому металевому покритті необмеженої товщини безпосередньо під час напилення за рахунок збільшення показників пластичності матеріалу, за умови відсутності зчеплення з поверхнею моделі;

- наданням плазмонапиленим структурам властивостей, що відповідають експлуатаційним навантаженням на формотворні елементи прес-форм для обробки всього спектра пластмасових матеріалів.

10. Показано економічну ефективність розробленої технології за рахунок зменшення показників собівартості виробництва прес-форм у 2..8 разів, строків підготовки виробництва у 5...10 разів. Визначено номенклатуру продукції, виготовлення якої за розробленою технологією найбільш ефективно - дрібносерійне виробництво однотипних виробів з розвинутою геометрією поверхні: дитячі іграшки, підошви взуття, медичні протези кінцівок, фурнітура для меблів та одягу, художні вироби, сувеніри.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пат. 1809991 СССР, МКИ С 23 С 4/00. Способ изготовления изделий, преимущественно формообразующих элементов пресс-форм /Д.И.Гнатенко, И.С.Мякота, В.В. Кузьменко (СССР). - №4821022/26; Заявлено 03.05. 90.

2. Пат. 1790502 СССР, МКИ В 29С 33/00. Устройство для изготовления пресс-форм /И.С.Мякота, В.И.Бабич (СССР). - № 4880864/26; Заявлено 24.09.90; Опубл. 23.01.93. Бюл.№3.

3. Пат. 24507 Україна, МПК С23С 4/00. Спосіб плазмового напилення покриттів/ /І.С.М`якота (Україна). - №97052305; Заявлено 19.05.97. Опубл. 21.07.98.

4. Рішення про видачу патенту на винахід України по заявці № 96083199/3739 від 09.08.96, МПК в29С 33/40, 33/40, С23С 4/00. Спосіб виготовлення матриць прес-форм / І.С М`якота., А.Г. Алєксєєв. Дата прийняття рішення 05.08. 98.

5. Пат. 25745 А (Україна) МПК 5 С25В 11/00. Спосіб виготовлення анода / Ю.Є. Цойреф., І.С.М`якота. (Україна) №96083198 . Зявл. 08.09.96; Опубл. 25.12.98.

6. Биков В.І., Мўякота І.С., Тунь О.І., Пономарено А.М. Захисне покриття труб пароперегрівачів // Тез. доп. наук.-техн. конференц. “Високоефективні технології у машинобудуванні” - Алушта, 1996, с. 77-78

7. Мўякота І.С., Тунь О.І., Пономаренко А.М. Електрохімічна обробка води з використанням нерозчинних електродів // Там же, с.47-49 .

8. Быков В.И., Мякота И.С. Нанесение термоизносостойких покрытий // Междунар. научн. семинар “Высокоэнергетическая обработка материалов” - Днепропетровск, 1995, с.65-68.

9. Мякота И.С. Особенности структуры и свойств плазменных корковых изделий из алюминиевых бронз // Вестник ЧИТИ. - 1998.- №3.- с. 133-138.

10. М`якота І.С., Алєксєєв А.Г. Утворення конструкційного шару матриць прес-форм, виготовлених газотермічним напиленням // Вісник ЧІТІ. - 1998. - №3. - с.56...62.

11. Мўякота І.С., Поляков С.П. Плазмове напилення формотворних елементів матриць прес-форм для переробки пластмас зі сплавів Cu-Al-Fe // Вісник ЧІТІ. - 1999. - №1. - с. 32-37.

12. Мякота И.С., Поляков С.П. Механизм релаксации остаточных напряжений в корковых изделиях из алюминиевой бронзы // Труды Междунар. семинар-выставки “Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении”. - Киев. - 1999. 13.Мякота И.С. Применение металлополимерных композиций на основе фурано-эпоксидных смол при изготовлении пресс-форм // Труды Междунар. семинар-выставки “Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении”. - Киев. - 1999.

13. Мякота И.С., Поляков С.П., Борисов Ю.С. Изготовление корковых изделий из сплавов Cu-Al-Fe методом плазменного напыления // Автоматическая сварка.-1999.-№7. -с. 16-24

Размещено на Allbest.ru

...