Теоретические основы обработки материалов концентрированными потоками энерги

3.1. Теоретическая часть

3.1.1. Краткая характеристика  обрабатываемого материала

 

Сплав 40Х13 применяется для изготовления режущего, мерительного инструмента, пружин, предметов домашнего обихода, подшипников, деталей компрессоров и других изделий, работающих до температур 400-450 °С и  в слабоагрессивных средах. Сталь 40Х13 трудно сваривается.

Сталь выплавляют в открытых электродуговых или индукционных печах.

Теплофизические свойства обрабатываемого материала:

Температура плавления – 1400 ^оС;  

Температура закалки – 1050 ^оС; 

Температура отпуска – 600 ^оС

Температура критических точек:

Ас₁ = 820 ^оС;  

Ас₃( Аc_m) = 880 ^оС;  

Аr₁ = 780 ^оС;  

M_n = 270 ^оС;

Плотность – 7,65 г/см³;  

Удельная  теплоемкость – 0,236 кал/г∙град;  

Коэффициент теплопроводности - 0,069 кал/см∙с∙град [8, c.20]. 

3.1.2. Понятие наплавки и ее виды

 

Наплавка – нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Основные схемы плазменной наплавки представлены на рис. 3.1.

В различных случаях при наплавке необходимо комплексно решать ряд сложных вопросов: выбор материала, обеспечивающего соответствующие условиям эксплуатации свойства; возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл детали или подбор материала для

наплавки подслоя; выбор способа  и режима наплавки, формы и методов  изготовления наплавочных материалов; выбор термического режима для выполнения наплавки (сопутствующего подогрева  для исключения получения хрупких  подкаленных зон в металле  детали или в хрупком наплавленном слое; интенсификации охлаждения наплавляемой детали, когда для металла нежела-

Рисунок 3.1 – Схемы плазменной наплавки:

а) плазменной струей с токоведущей присадочной  проволокой; б) плазменной дугой с  нейтральной присадочной проволокой; в) комбинированный (двойной) дугой  одной проволокой; г) то же, с двумя  проволоками; д) горячими проволоками; е) плавящимся электродом; ж) с внутренней подачей порошка в дугу; з) с внешней подачей порошка в дугу; 1 - защитное сопло; 2 - сопло плазмотрона; 3 - защитный газ; 4 - плазмообразующий газ; 5 - электрод; 6 - присадочная проволока; 7- изделие; 8 - источник питания косвенной дуги; 9 - источник питания дуги прямого действия; 10 - трансформатор; 11 - источник питания дуги плавящегося электрода; 12 - порошок; 13 - порошок твердого сплава.

 

тельно длительное пребывание при  высоких температурах); установление необходимости последующей термической (общей или местной) обработки (для  получения необходимых эксплуатационных характеристик или возможности  промежуточной механической обработки).

При возможности получения желаемых результатов путем использования  нескольких способов наплавки (если необходимо и последующей механической обработки) важны и технико-экономические  показатели сопоставляемых способов [10].

3.2. Расчет параметров обработки

Рисунок 3.2 – Схема модели движущегося  точечного источника тепла по поверхности полупространства

 

Определим распространение тепла в зоне соизмеримой с размерами наплавляемого  валика

 

 

t – время экспозиции, или нахождения тепла под зоной обработки;

 

где d(в) – диаметр валика;

V – скорость перемещения плазматрона.

 

V_т ↔ V, т. е. скорость распространения тепла примерно соответствует скорости передвижения плазматрона (табл. 3.1). Поэтому для решения данной тепловой задачи используется модель движущегося источника тепла по поверхности полупространства.

Тогда для расчета температуры используется следующая формула [11, стр.82; ]:

 

где x – абсцисса точки A в подвижной системе координат;

a = λ_т/(cγ) – коэффициент температуропроводности;

R – постоянный радиус-вектор в подвижной системе координат, т. е. расстояние рассматриваемой точки A от начала координат 0 подвижной системы координат;

 

q – тепловая мощность.

 

где I, U – соответственно ток и напряжение, при которых происходит обработка;

η – КПД процесса наплавки.

 

где η₁ – КПД плазматрона;

η₂ – КПД, связанный с передачей энергии от струи на подложку.

Примем  η = 50 %. [11, стр.53-54]

3.3. Построение зависимости температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров обработки

 

С помощью программного пакета MathCad были получены кривые термического цикла, представленные на рис. 3.2 – 3.8.

1) V₁ = 6 м/с = 0,166 см/с – скорость перемещения плазматрона;

q₁ = ηI₁U₁ = 0,5·180·150 = 13500 Вт 3230 кал/с – тепловая мощность.

В MathCad задаем соответствующие параметры, при которых происходит обработка, и формулу:

 

Далее по полученным кривым находим T_m, t_m, w_охл, t_р.з..

T_m – это есть максимальная температура, соответствующая экстремуму каждой кривой, находим по графику.

Рисунок 3.2 – Кривые термического цикла при q₁ и V₁

Для нахождения t_m воспользуемся формулой

 

где t_m – время достижения максимальной температуры;

 – координата максимальной  температуры (находим по графику);

V – скорость передвижения источника тепла.

 

Получаем,

при y = 0, t_m = 0, так как T_m = ;

при y = 1,268: c;

при y = 1,481: с;

при y = 1,989: с;

 

Скорость  охлаждения металла детали найдем по формуле

 

Получаем,

 

 

 

 

Скорость  роста зерна найдем по формуле

 

где  x'_зак. – это координата пересечения кривой с температурой закалки при нагревании (в том случае если кривая не пересекает температуру плавления);

x_пл. – это координата пересечения кривой с температурой плавления при остывании (в том случае если кривая пересекает температуру плавления);

x_зак. – это координата пересечения кривой с температурой закалки при остывании.

Получаем,

 

 

 

для у =1,481см скорость роста зерна будет равен нулю, а при у =1,989 см скорость роста зерна отсутствует, так как образование зерна в принципе не происходит.

Результаты, полученные в ходе решения занести в таблицу 3.2

Таблица 3.2

у	0	1,8	2,1	2,9
Tm, °С		1402	1052	603
tm, с	0	11,48	15,87	26,95
wохл, °С/с	-1,758	-1,758	-1,758	-1,758
tр.з., с	9,98	15,968	0	—

 

2) V₁ = 0,166 см/с;

q₂ = ηI₂U₂ = 0,5·178·180 = 16020 Вт 3832,5 кал/с.

Рисунок 3.3 – Кривые термического цикла при q₂ и V₁

Таблица 3.3

у	0	1,391	1,623	2,177
Tm, °С		1406	1051	600
tm, с	0	13,77	18,56	32,04
wохл, °С/с	-1,514	-1,514	-1,514	-1,514
tр.з., с	13,06	18,15	0	—

3) V₁ = 0,166 см/с;

q₃ = ηI₃U₃ = 0,5·176·210 = 18480 Вт 4421 кал/с.

 

Рисунок 3.4 – Кривые термического цикла при q₃ и V₁

 

Таблица 3.4

у	0	1,5	1,75	2,34
Tm, °С		1407	1053	603
tm, с	0	16,17	21,26	37,42
wохл, °С/с	-1,586	-1,586	-1,586	-1,586
tр.з., с	14,86	21,59	0	—

 

 

4) V₁ = 0,166 см/с;

     q₄ = ηI₄U₄ = 0,5·174·240 = 20880 Вт 4995 кал/с.

Рисунок 3.5 – Кривые термического цикла при q₄ и V₁

Таблица 3.5

у	0	1,604	1,865	2,488
Tm, °С		1401	1054	606
tm, с	0	17,96	23,95	41,92
wохл, °С/с	-1,079	-1,079	-1,079	-1,079
tр.з., с	17,11	25,66	0	—

 

 

 

5) V₁ = 0,166 см/с;

q₅ = ηI₅U₅ = 0,5·172·270 = 23220 Вт 5555 кал/с.

Рисунок 3.6 – Кривые термического цикла при q₅ и V₁

 

 

Таблица 3.6

у	0	1,695	1,97	2,63
Tm, °С		1404	1055	603
tm, с	0	19,88	26,34	46,71
wохл, °С/с	-0,779	-0,779	-0,779	-0,779
tр.з., с	18,85	27,871	0	—

 

6) V₂ = 9 м/с = 0,25 см/с;

q₅ = 5555 кал/с.

Рисунок 3.7 – Кривые термического цикла при q₅ и V₂

 

Таблица 3.7

у	0	1,4	1,625	2,16
Tm, °С		1403	1050	604
tm, с	0	19,76	25,75	47,3
wохл, °С/с	-1,718	-1,718	-1,718	-1,718
tр.з., с	12,46	19,846	0	—

 

 

7) V₃ = 12 м/с = 0,333 см/с;

q₅ = 5555 кал/с.

Рисунок 3.8 – Кривые термического цикла при q₅ и V₃

 

Таблица 3.8

у	0	1,219	1,412	1,88
Tm, °С		1403	1054	600
tm, с	0	19,76	26,94	47,30
wохл, °С/с	-1,873	-1,873	-1,873	-1,873
tр.з., с	9,06	13,71	0	—

3.4. Расчет зависимости времени пребывания выше температуры закалки от параметров обработки

 

На  основании построенных кривых термического цикла была получена зависимость  времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника тепла (рис. 3.9).

Рис. 3.9 – Зависимость времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника при скорости движения источника тепла 0,167 см/с;

Рис.3.10. – зависимость времени  пребывания выше температуры закалки  от скорости движения источника тепла  при тепловой мощности q=5555 кал/с

Из  графика видно, что при увеличении тепловой мощности увеличивается время  пребывания выше температуры закалки. Это объясняется тем, что с  увеличением энергии теплового  источника увеличивается мощность излучения, а, следовательно, повышается температура обрабатываемой поверхности  и материал дольше находится выше температуры закалки.