Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин

Для примера выполнены расчеты температурных полей при ЭМН порошка Fe-\0%V на заготовки из стали 45. Расчеты производились при следующих условиях: толщина наплавляемого слоя принималась 100, 250, 400 мкм; плотность теплового потока — для следующих значений плотности разрядного тока: 1,33; 1,67; 2,0; 2,67 А/мм2; коэффициент теплоотдачи при ЭМН с использованием рабочей жидкости составлял ос = 560 Вт/м2 К, а при наплавке в воздушной среде — а = 22 Вт/м2-К.

Результаты расчетов температурных полей приведены на рис. 3.2—3.6. Как видно (рис. 3.2) повышение температуры поверхности покрытия с увеличением плотности разрядного тока значительно сказывается на времени достижения температурного максимума в системе покрытие—основа. Так при значении i = 1,33 А/мм2 температура поверхности покрытия увеличивается до tmax= 1730°С за т = 2,51-10~3с, а при i = 2,67 А/мм2 — до tmax = 1960°С за т = 7,94-1 О^с, т. е. при увеличении i в два раза х уменьшается в три раза. Увеличение толщины формируемого покрытия снижает максимальную температуру его поверхности, что можно объяснить увеличением объема нагреваемого порошка. При плотности тока i = 2,0 А/мм2 и толщине 8, = 100 мкм значение tmax = 1989°С достигается за время х = 10~3с, а при 5| = 400 мкм — tmax= 1715°С, х = З,16-10~3с (рис. 3.3).

При ЭМН в воздушной среде поверхность покрытия нагревается быстрее х = 1,26-10"4 с, а остывает значительно медленнее, чем при ЭМН в среде рабочей жидкости х = 6,3-10"4 с (рис. 3.4).

В процессе нагрева покрытия и основы при ЭМН (рис. 3.5), выделяемая теплота передается как покрытию, так и основе, причем покрытие прогревается быстрее из-за своей малой толщины. Резко выраженный пик температуры через 0,0001 с после дугового разряда постепенно становится более сглаженным и через 0,0025 с температура покрытия и основы на глубине 5 = 0,2 мм практически выравнивается.

При уменьшении температуры покрытия (рис. 3.6) происходит активная передача теплоты из нагретой зоны в окружающую среду и вглубь основы. За время х = 0,0975 с температура поверхностного слоя заготовки выравнивается и практически не отличается от температуры окружающей среды.

70

Температурные поля при ЭМН можно рассчитывать по полученным формулам как для линейного источника, быстродвижущегося по границе полупространства, так и для случая накопления тепла бесконечным цилиндром. Однако их целесообразно описывать линейным равномернораспределенным быстродвижущимся по поверхности источником, так как накопление тепла заготовками цилиндрической формы в достаточной мере описывается тепловыми процессами в бесконечном цилиндре с граничными условиями 1-го рода.

Рис. 3.2. Зависимость температуры поверхности покрытия t от времени электромагнитной наплавки 1 при различных значениях плотности разрядного тока: 1) i = 1,33 А/мм2; 2) i = 1,67 А/мм2; 3) i = 2,0 А/мм2; 4) i = 2,67 А/мм2.

71

72

Рис. 3.4. Зависимость температуры поверхности покрытия t от времени электромагнитной наплавки Т при различных коэффициентах теплоотдачи: 1) а = 22 Вт/(м2 К); 2) а = 560 Вт/(м2-К).

73

Рис. 3.5. Динамика изменения температуры t по толщине поверхностного слоя 5 при электромагнитной наплавке:

1) 0.0001 с: 2) 0,00025 с: 3) 0,001 с: 5) 0.0025 с.

74

Рис. 3.6. Динамика изменения температуры t по толщине поверхностного слоя 8 при охлаждении покрытия:

1) 0,0025 с; 2) 0,005 с; 3) 0,02 с; 4) 0,06 с; 5J 0,1 с.

75

3.2.Аналитический метод расчета остаточных напряжений в системе покрытие—основа

Остаточные напряжения являются одной из причин разрушения покрытий. Однако из-за многообразия факторов, влияющих на возникновение остаточных напряжений, и сложности их математического описания, многие аспекты прогнозирования и регулирования значений и знака напряжений до настоящего времени являются открытыми.

В нашем случае для оценки свойств покрытий используются следующие понятия: модуль упругости, коэффициенты линейного расширения, Пуассона, теплопроводности и т. д., усредненные по объему значительно большему, чем объем отдельно взятой капли. Поэтому кристаллизацию отдельно взятых капель расплавленного материала покрытий можно заменить модельным непрерывным процессом и проводить расчеты на основании существующих теорий физики и механики сплошной среды.

При рассмотрении наплавленного покрытия как сплошной среды, в первую очередь, представляют интерес остаточные напряжения первого рода, уравновешивающиеся в объеме, соизмеримом с размерами всего изделия, т. е. усредненные по объему, значительно большему, чем объем отдельно взятой капли расплава ферромагнитного порошка. Поэтому при рассмотрении этих величин является оправданной замена кристаллизации отдельно взятых капель модельным непрерывным процессом. При этом можно определять температурную составляющую остаточных напряжений, рассматривая окончательно сформировавшееся покрытие. В действительности же остаточные напряжения формируются при постепенном приложении нагрузки и температуры до некоторых окончательных значений.

Для определения остаточных напряжений в системе покрытие-основа при ЭМН можно принять следующую модель процесса: длина образца достаточно велика по сравнению с его диаметром и в нем в процессе наплавки возникает подвижное квазистационарное температурное поле; напряжения в слое в момент его образования отсутствуют; остаточные напряжения на поверхности покрытия возникают в результате охлаждения образца до температуры окружающей среды.

76

Наплавленное покрытие следует рассматривать как сплошную среду (пористость покрытий не более 8%), что позволяет решать задачу в рамках феноменологических теорий теплообмена и механики сплошной среды.

Когда при ЭМН расплавленный материал порошка попадает на поверхность цилиндрического стержня (заготовки), она неравномерно нагревается. Температура во внешних слоях больше, чем во внутренних, т. е. температура является функцией радиуса Т=Т{г) (рис. 3.7).

Определим деформации и напряжения, возникающие в стержне под действием этой температуры. Деформации, связанные с перемещением в ра-

где и — перемещение в радиальном направлении; г — текущий радиус. Выделим элементарный участок цилиндрического стержня поперечными, радиальными и тангенциальными сечениями (рис. 3.8). По граням выделенного элемента будут возникать напряжения по всем трем направлениям.

78

Рис. 3.7. Схема для расчета остаточных напряжений в цилиндрическом стержне.

Рис. 3.8. Схема элементарного участка цилиндрического стержня с действующими напряжениями.

Запишем условие равновесия выделенного элемента:

dB

(G, + dGr)(r + dr)dQdz - GrdQdz - 2G,drdz— = 0.

После преобразований, пренебрегая малыми величинами второго порядка, получим

Физическая сторона задачи запишется обобщенным законом Гука с учетом температурных деформаций:

78

Е

(3.17)

г д е £ — модуль упругости; р — коэффициент Пуассона; а — коэффициент линейного расширения материала цилиндра.

Преобразуя уравнение (3.17), получим

79