Верхорубов Вадим Сергеевич

2.2. Анализ влияния параметров режима плазменной обработки и свойств 
покрытия на распространение теплоты в композиции «покрытие – основа» 
При расчетах были приняты следующие геометрические параметры 
композиционного материала: 

толщина основы: 10 мм; 

толщина покрытия: 1; 1,5; 2 мм. 
В качестве материала для нанесения покрытия были выбраны экономно 
легированные ПП марки ППМ-6 и ППМ-8 (таблица 2.1), широко применяемые 
для нанесения износостойких покрытий. 

---

45 
Таблица 2.1 – Химический состав используемых ПП 
Марка ПП 
Массовая доля элементов, % 
С 
Cr 
Ti 
Al 
Fe 
ППМ-6 
1,5 
0,8 
2,1 
0,9 
осн. 
ППМ-8 
0,8 
22,5 
2,1 
2,1 
осн. 
 
Для определения химического состава покрытия, с учетом выгорания 
элементов, необходимо знать их коэффициенты перехода в металл покрытия при 
активированной дуговой металлизации. Согласно данным [95], коэффициенты 
перехода следующие: Al – 0,8; Cr – 0,9; Ti – 0,6; C – 0,5. Химический состав 
покрытий, рассчитанный с учетом приведенных данных, представлен в таблице 
2.2. Приняли, что пористость напыленных покрытий составляет 2,5 % [30]. 
Таблица 2.2 – Расчетный химический состав покрытий 
Марка 
С 
Cr 
Ti 
Al 
Fe 
ППМ-6 
0,75 
7,20 
1,20 
0,80 
осн. 
ППМ-8 
0,40 
19,80 
1,20 
1,60 
осн. 
Примем, что доля участия оксидных прослоек в покрытии составляет 10 
%. В таблице 2.3 представлены значения теплофизических характеристик 
оксидов, образующихся при напылении рассматриваемых ПП, а также, их доля 
участия в шлаке [96–98]. Расчет теплофизических характеристик покрытия 
осуществим по аддитивной зависимости (2.9). 
Таблица 2.3 – Теплофизические характеристики и доля участия 
оксидов в шлаке 
Характеристика 
FeO 
Cr
2
O
3
TiO
2
Al
2
O
3
λ
, Вт/м∙°С 
7 
10 
12 
5 
с
, Вт/кг∙°С 
766 
781 
1051 
794 
ρ
, кг/м
3
5750 
5210 
3970 
4260 
доля участия V, % 
8 
6 
11 
75 

---

46 
В качестве материала основы выбрана среднеуглеродистая сталь 40. 
Теплофизические характеристики покрытия, с учетом его пористости, 
выгорания легирующих элементов и наличия оксидных прослоек, рассчитанные 
по формулам (2.8, 2.10, 2.11), а также, справочные данные характеристик для 
основы представлены в таблице 2.4. 
Таблица 2.4 – Теплофизические характеристики покрытий и основы 
Материал 
λ
, Вт/м∙°С 
с
, Вт/кг∙°С 
ρ
, кг/м
3
Т
п
, °С 
T
пар
, 
°С 
Сталь 40 
34 
481 
7850 
1510 
2735 
ППМ-6 
23,2 
682 
7115 
1401 
ППМ-8 
20,1 
669 
7115 
1436 
Результаты предварительных расчётов, показали, что существенную роль 
на теплопроводность напыленного покрытия оказывает пористость (рисунок 
2.3). Повышение пористости значительно снижает теплопроводность покрытия, 
что уменьшает проплавляющую способность [99]. Так, например, увеличение 
пористости покрытия на 1 % приводит к снижению теплопроводности покрытия 
на 6 %. 
Рисунок 2.3 – Влияние пористости на теплопроводность покрытия 
Помимо пористости на теплопроводность покрытия влияет также и его 
химический состав [93]. Самое большое влияние на теплопроводность оказывает 
содержание углерода (рисунок 2.4), каждый процент которого приводит к 
20
22
24
26
28
0
1
2
3
4
λ
, Вт/м∙
°С
Пористость, %

---

47 
снижению теплопроводности на 7,5 %, повышение содержания Cr и Ti на 1 % 
снижает теплопроводность на 2 %, а Al на 3,5 %. 
Рисунок 2.4 – Влияние легирующих элементов на теплопроводность покрытия: 
1 – C; 2 – Al; 3 – Ti, Cr 
В результате расчетов по уравнению (2.16), получили распределение 
изотерм в плоскости YOZ, расположенной в центре источника нагрева (рисунок 
2.5). Видно, что температуры в композиции распределяются неравномерно, что 
связано с большой разницей в теплопроводностях покрытия и подложки. 
Высокая теплопроводность подложки обуславливает большую скорость 
распространения в ней температуры по сравнению с покрытием. 
Наиболее важным параметром дуговой сварки является ее погонная 
энергия q
п