Скачать статью в pdf.

УДК 621.9.048.4: 001.891.57

DOI: 10.15507/2658-4123.029.201902.218-233

 

Моделирование температурного поля поверхности при электроискровом легировании металлов

 

Власенко Виктор Дмитриевич
ученый секретарь, ФГБУН «Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук» (680000, Россия, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, д. 65), кандидат физико-математических наук, ResearcherID: E-2432-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7782-4532, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Иванов Валерий Игоревич
заведующий, лаборатория электроискровых и термодиффузионных процессов, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), кандидат технических наук, ResearcherID: H-4076-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4568-8553, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аулов Вячеслав Федорович
ведущий научный сотрудник, лаборатория электроискровых и термодиффузионных процессов, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), кандидат технических наук, ResearcherID: E-4179-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6925-1260, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Коневцов Леонид Алексеевич
научный сотрудник, ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» (680042, Россия, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, д. 153), кандидат технических наук, ResearcherID: H-4087-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7212-3953, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Мартынова Елена Геннадьевна
аспирант, кафедра технического сервиса машин, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1), ResearcherID: С-5023-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6870-0498, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Хасан Исмаил Халил
аспирант, кафедра физики твердого тела, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1), ResearcherID: С-5025-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4560-1016, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Введение. В настоящее время особую актуальность приобретает проблема повышения эксплуатационных свойств деталей машин, инструментов и технологической оснастки посредством улучшения физико-химико-механических характеристик их исполнительных рабочих поверхностей. Одним из современных методов получения покрытий на поверхностях деталей является метод электроискрового легирования, при котором важную роль играет выбор теплофизических свойств материалов для получения покрытий с заданными физико-механическими и триботехническими свойствами. С целью выбора материала электрода в статье изложены результаты разработки метода расчета нестационарного температурного поля обрабатываемого материала (катода) в виде прямоугольного параллелепипеда, на одной грани которого в процессе электроискрового легирования формируется легированный слой.
Материалы и методы. Для формирования легированного слоя при каплевидном электромассопереносе в качестве обрабатываемого материала (катода) использовалось железо в форме параллелепипеда, а в качестве обрабатывающего материала (анода) – вольфрам. Предложена нелинейная начально-краевая задача и вычислительная схема для определения значений температуры во всех точках температурного поля катода в форме параллелепипеда с расположением нескольких теплоизлучающих капель на его грани.
Результаты исследования. В статье изложен алгоритм решения задачи в соответствии со второй формулой Грина для нахождения температурного поля в катоде, имеющем форму параллелепипеда; при этом описанная нелинейная модель потока из капель в параллелепипед заменяется линейной моделью. Построен алгоритм, проведены расчеты для определения значений температуры во всех точках и температурного потока в катоде в случае одной среднестатистической капли на его грани. По данному алгоритму создан пакет программ, проведены экспериментальные расчеты. Показана динамика значений температуры (во всех точках) и теплового потока исследуемых точек катода.
Обсуждение и заключение. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что для достижения более высоких свойств покрытий и большей эффективности электроискрового легирования необходим расчет температурного поля и теплового потока исследуемых точек катода. Представленная математическая модель получена для нанесения одной капли, помещенной на границу теплопроводящего полупространства. При выборе анодного материала в зависимости от эрозионной стойкости для получения необходимой толщины поверхностных слоев с заданными функциональными свойствами используется разработанный метод расчета, который позволяет описать процесс остывания одной нанесенной капли и использовать затем полученную информацию для усредненного описания эффекта нагрева тела параллелепипеда рядом таких капель.

Ключевые слова: электроискровое легирование, анод, катод, температурное поле, легирование металлов, моделирование температурного поля

Финансирование: Исследование проведено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства РМ в рамках научного проекта № 18-43-130003\18 «Исследование интенсивности изнашивания рабочих поверхностей деталей пар трения, формированных электроискровыми покрытиями».

Для цитирования: Моделирование температурного поля поверхности при электроискровом легировании металлов / В. Д. Власенко [и др.] // Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29, № 2. С. 218–233. DOI: https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201902.218-233

Заявленный вклад соавторов: В. Д. Власенко – разработка концепции и плана статьи, проведение теоретических исследований; В. И. Иванов – разработка алгоритма нахождения температурного поля, редактирование статьи; В. Ф. Аулов – анализ результатов; Л. А. Коневцов – формулировка выводов, написание текста; Е. Г. Мартынова – экспериментальные исследования, обзор и анализ литературы; И. Х. Хасан – участие в подготовке исходных данных.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила 11.02.2019; принята к публикации 22.04.2019;
опубликована онлайн 29.03.2019

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Electrospark alloying of titanium and its alloys: the physical, technological, and practical aspects. Part I. The peculiarities of the mass transfer and the structural and phase transformations in the surface layers and their wear and heat resistance / V. V. Mikhailov [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2013. Vol. 49, issue 5. P. 373–395.

2. Власенко В. Д., Мулин Ю. И. Формирование износо- и жаростойких покрытий на поверхностях титановых сплавов методом электроискрового легирования // Физика и химия обработки материалов. 2015. № 1. С. 79–84.

3. The formation of protective coatings on tungsten-containing hard alloys by electrospark alloying with metals and borides / A. D. Verkhoturov [et al.] // Inorganic Materials: Applied Research. 2011. Vol. 2, issue 2. P. 180–185.

4. Contribution of electrospark alloying to the oxidation resistance of hard tungsten alloys / A. D. Verkhoturov [et al.] // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2008. Vol. 47, no. 1-2. P. 112–115.

5. Microstructure and cavitation erosion characteristics of Al–Si alloy coating prepared by electrospark deposition / W. Wang [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202, issue 21. P. 5116–5121.

6. Исследование жаростойких свойств покрытий после электроискрового легирования стали 45 хромоникелевыми сплавами / A. В. Козырь [и др.] // Письма о материалах. 2018. Т. 8, № 2. С. 140–145.

7. Sun P.-F., Zhang L.-Q., Lin J.-P. Corrosion behaviour of Ti-45Al-8Nb coating on 304 stainless steel by electrospark deposition in molten zinc // Transactions of materials and heat treatment. 2014. Vol. 35, issue 2. Р. 151–156.

8. Fabrication of stainless steel microstructure surface by electro-spark deposition / W. Wang [et al.] // Surface technology. 2017. Vol. 46, issue 5. P. 159–164.

9. Ivanov V. I., Verkhoturov A. D., Konevtsov L. A. The development of criteria for evaluating the effectiveness of the surface layer formation and its properties in the process of electrospark alloying. Part I. The state of the issue. Kinetic and functional criteria of the efficiency of a doped layer’s formation // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2017. Vol. 53, issue 3. P. 218–223.

10. Ivanov V. I., Verkhoturov A. D., Konevtsov L. A. The development of criteria for evaluating the effectiveness of the surface layer formation and its properties in the process of electrospark alloying (ESA). Part 2. The criteria of the effectiveness of the ESA process and electrospark coatings // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2017. Vol. 53, issue 3. P. 224–228.

11. Electrophysical model of the erosion of electrodes under the energy pulse effect / P. S. Gordienko [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2011. Vol. 47, issue 3. P. 206–216.

12. On the problem of creating a new scientific school in the field of electric erosion machining: Electrode material science / A. D. Verkhoturov [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2010. Vol. 46, issue 5. P. 523–533.

13. Влияние природы электродных материалов на эрозию и свойства легированного слоя. Критерии оценки эффективности электроискрового легирования / А. Д. Верхотуров [и др.] // Вестник Мордовского университета. 2018. Т. 28, № 3. С. 302–320.

14. Смагин С. И., Власенко В. Д., Мулин Ю. И. Моделирование параметров процесса электроискрового легирования для образования функциональных поверхностей // Вычислительные технологии. 2009. Т. 14, № 3. С. 79–85.

15. Верхотуров А. Д., Иванов В. И., Коневцов Л. А. Критерии оценки эффективности процесса электроискрового легирования // Труды ГОСНИТИ. 2011. Т. 107, № 2. С. 131–137.

16. Xie Y.-J., Wang M.-C. Epitaxial MCrAlY coating on a Ni-base superalloy produced by electrospark deposition // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201, no. 6. P. 3564−3570.

17. Electro-spark alloying using graphite electrode on titanium alloy surface for biomedical applications / T. Chang-bin [et al.] // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257, no. 15. P. 6364–6371.

18. Single-spark analysis of electro-discharge deposition process / B. Muralidharan [et al.] // Materials and Manufacturing Processes. 2016. Vol. 31, issue 14. P. 1853–1864.

19. Beck J. V. Transient temperatures in a semi-infinite cylinder heated by a disk heat source // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1981. Vol. 24, issue 10. P. 1631–1640.

20. Верхотуров А. Д., Козырь А. В., Коневцов Л. А. Научные основы разработки и получение слоистых материалов на поверхности твердых сплавов : монография. Владивосток : Дальнаука. 2016. 475 с.

21. Vlasenko V. D., Kolisova M. V. Modeling of the temperature field on the cathode's surface during electrophysical impact // Contemporary Engineering Sciences. 2016. Vol. 9, no 6. P. 249–256.

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.