Журнал ТЕХСОВЕТ премиум

 

   Проблема утилизации отходов твердых сплавов путем формирования нанокристаллических структур в виде поверхностных пленок и увеличение ресурса работы изделий машиностроения и формообразующего инструмента неотъемлемо связаны между собой

читать дальше...

Добавлено: 07.07.2020

Утилизация отходов. Новые способы и технологии

#журнал #промышленность #импортозамещение #производство #утилизация отходов

Технология утилизации отходов твердого сплава методом ЭЛАН

Введение

Проблема утилизации отходов твердых сплавов путем формирования нанокристаллических структур в виде поверхностных пленок и увеличение ресурса работы изделий машиностроения и формообразующего инструмента неотъемлемо связаны между собой. Решение данной проблемы возможно только на основе использования новейших высокоэффективных технологических процессов, разработанных с учетом особенностей физико-химического переноса материалов. Несмотря на все их многообразие особое место здесь необходимо уделить методу электроакустического напыления (ЭЛАН). 

Данный метод является новационным в области получения прогнозируемых нанокристаллических структур и нанесения твердых и сверхтвердых защитных покрытий. Метод позволяет формировать нанокристалические защитные пленки на любых токопроводящих подложках. В основе этой технологии лежит использование комплексной энергии электрической искры и мощного продольно-крутильного ультразвукового поля.

Цели и задачи исследования

Целью работы является оптимизация процесса утилизации твердых сплавов путем получения нанокристаллических защитных поверхностных пленок на основе массопереноса материала электрода и последующего формирования структур с прогнозируемыми физико-механическими свойствами методом электроакустического напыления. Для достижения выше указанной цели необходимо было решить следующую задачу, которая заключалась в разработке физической модели процесса нанесения тонких износожаростойких защитных нанокристаллических пленок методом электроакустического напыления.

Аппаратура, установки и образцы

На основании ранее сформулированных цели и задачи, необходимо провести широкий спектр исследований, начиная от получения оптимальных режимов напыления и заканчивая возможностью прогнозирования эксплуатационных свойств получаемых нанокристаллических структур покрытий. Такие исследования требуют использования специализированной оригинальной аппаратуры, а также специально разработанных для этих целей установок. Станция электроакустического напыления является гибкой ячейкой автоматизированного производства и состоит из следующих основных узлов: 1. Акустической части, которая представлена ультразвуковым генератором УЗГ1-1, имеющим выходную мощность 1± 20% кВт и частоту выходного напряжения регулирования 22± 7,5% кГц. Выход ультразвукового генератора подключается к магнитострикционному преобразователю ПМС1-1, рабочая частота которого лежит в диапазоне 22± 0,65% кГц. 2. Разрядной части, которая представлена системой управления подачи разрядных импульсов и выполняющая функции синхронизации и фазирования с частотой следования 22± 0,65% кГц. Структурная схема установки электроакустического напыления тонких нанокристаллических пленок и износожаростойких защитных покрытий представлена на рис.1.
ис. 1. Структурная схема установки электроакустического напыления: 1- волновод с закрепленным на его конце электродом; 2- упрочняемая деталь; 3- датчик обратной связи; 4- акустическая система; 5- ультразвуковой генератор; 6- система управления; 7- электронный ключ; 8- источник питания; C- накопитель энергии.
Рис. 1. Структурная схема установки электроакустического напыления: 1- волновод с закрепленным на его конце электродом; 2- упрочняемая деталь; 3- датчик обратной связи; 4- акустическая система; 5- ультразвуковой генератор; 6- система управления; 7- электронный ключ; 8- источник питания; C- накопитель энергии.
Исследование распределения элементного состава в получаемых тонких пленках и износожаростойких защитных покрытиях, полученных методом электроакустического напыления, велись с использованием электронно-растровой микроскопии на аппарате «Комибакс-микро» по стандартным методикам. Исходя из этапов исследований и особенностей установок для проведения данных работ, возникла необходимость изготовления образцов определенных форм и размеров. Для исследования элементного распределения и состояния напыленного слоя и качества получаемого поверхностного слоя (шероховатости) необходимо было подготовить образцы из конструкционной углеродистой качественной стали 45. Исходный сортамент – лист толстый ГОСТ 1577-81. Образцы изготавливаются в виде куба со стороной, а=10 мм.

Физическая модель получения тонких нанокристалических поверхностных пленок

Исходя из особенностей оборудования, использованного в ранее представленной структурной схеме, физическая модель процесса нанесения тонких пленок и упрочнения изделий машиностроения и формообразующего инструмента изображена на рисунке 2. В первоначальный момент времени подается высокочастотный сигнал с ультразвукового генератора на магнитострикционный преобразователь, который совершает колебания с частотой подаваемого сигнала. Волновод, совершающий продольно-крутильные колебания за счет особенностей своей конструкции с зафиксированным на конце электродом, прикреплен к концентратору колебательной скорости. Система управления опрашивает датчик обратной связи таким образом, чтобы на электрод, совершающий продольно-крутильные колебания, был подан разрядный импульс на определенном расстоянии от поверхности упрочняемого образца. В момент подачи разрядного импульса поверхность электрода разогревается приблизительно до 5000 оС, при этом в пространстве между электродом и поверхностью упрочняемой детали образуется мельчайшая «капелька» вещества электрода, находящегося в квазижидкой фазе.
Рис. 2. Физическая модель электроакустического напыления: G1, G12, G2, G3, G4 - соответствующие модули сдвига; Ān - вектор амплитуды продольных колебаний; Āk - вектор амплитуды крутильных колебаний; Āp - результирующий вектор колебаний.
Рис. 2. Физическая модель электроакустического напыления: G1, G12, G2, G3, G4 - соответствующие модули сдвига; Ān - вектор амплитуды продольных колебаний; Āk - вектор амплитуды крутильных колебаний; Āp - результирующий вектор колебаний.
Результаты экспериментальных исследований Изучение характера распределения химических элементов по сечению упрочненного слоя, выполненное методами электронной микроскопии на РЭМ «Камебакс-микро» с использованием микрозонда, вторичных электронов и поглощающего тока, показало высокую неоднородность их распределения по сечению слоя. Проведенные исследования связаны с изучением характера распределения элементов в слое, упрочненном последовательно анодами из различных материалов. Для примера на рисунке 3 показано распределение элементов в упрочненном слое, который был получен на матрице из стали 20 последовательно анодами из ВК8 и меди. Качественный анализ распределения показывает, что все элементы, входящие в слой, неодинаково распределяются по толщине. Так, железо присутствует на поверхности слоя (незначительно) и на границе слоя с матрицей; кобальт распределен по всему слою, а посредине его количество максимально; медь распределяется в незначительных количествах в приповерхностном слое.
Рис. 3. Распределение элементного состава в напыленном слое (маркерная метка соответствует 10 мкм).
Рис. 3. Распределение элементного состава в напыленном слое (маркерная метка соответствует 10 мкм).
Заключение и общие выводы На основании теоретических и экспериментальных исследований, посвященных изучению физических основ получения нанокристаллических поверхностных пленок и износожаростойких покрытий полученных методом электроакустического напыления, можно сделать следующие выводы: Сложное воздействие, оказываемое электроакустическим напылением на поверхность упрочняемого образца, приводит к тому, что в поверхностном слое образуются различные соединения и фазы, такие как карбиды, карбонитриды, интерметаллиды и т.д., распределение которых в поверхностном слое носит неравномерный характер. Исследование фазового состава слоев, полученных методом ЭЛАН на различных сталях, показало, что помимо стабильных фаз вследствие действия плазмы искрового разряда, сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения, а также высокочастотного электромагнитного поля и комплексных УЗК в слое наблюдаются метастабильные промежуточные фазы сложного состава. Идентификация рентгеновских дифрактограмм позволила выявить ряд новых фаз, не зарегистрированных в каталогах ведущих стран.
Донской государственный технический университет,
Донской государственный технический университет,
Кочетов Андрей Николаевич, декан факультета «Машиностроительные технологии и оборудование», к.т.н.tehsovet.ru

 


« Назад