Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса цель и задачи исследования 7
1.1. Краткий обзор условий изнашивания сопряжений 7
1.2. Способы поверхностного упрочнения 9
1.3. Плазменная наплавка и ее разновидности 17
1.4. Материалы для плазменной наплавки 20
1.5. Анализ глубины проплавлення основного металла 25
1.6. Восстановление деталей порошковыми композиционными покрытиями 27
1.7. Прочность покрытия и глубины зоны термического влияния 29
1.8. Создание композиционных порошков 31
Выводы по главе 1 35
2. Теоретические исследования плазменной наплавки деталей порошковыми смесями 37
2.1. Активирующие добавки при наплавке порошковых смесей 37
2.2. Необходимые условия осуществления экспериментального исследования и активирования способа плазменного нанесения металлопокрытий 41
2.3. Сущность плазменной наплавки 45
2.4. Определение параметров плазменной наплавки 46
2.5. Определение частоты вращения детали
при плазменной наплавке распыленными порошками 48
2.6. Режимы наплавки 52
Выводы по главе 2 55
3. Методика экспериментальных исследований 57
3.1. Методологическая схема проведения исследований 57
3.2. Экспериментальная установка и приборы, основной металл и композиционные материалы 58
3.3. Исследование микроструктуры, микротвердости, твердости, зоны термического влияния и химического состава наплавленного слоя 67
3.4. Определение геометрических размеров формируемого слоя 72
3.5. Определение пористости металлопокрытия 73
3.6. Исследование износостойкости образцов 74
3.7. Методика исследования прочности сцепления наплавленного металла с основным 76
Выводы по главе 3 76
4. Результаты экспериментальных исследований 78
4.1. Влияние частоты вращения детали, производительности и режимов наплавки на формирование металлопокрытий 78
4.2. Влияние углерода, хрома, никеля и бора в порошке на плотность и толщину металлопокрытия 84
4.3. Исследование микроструктуры 87
4.4. Микротвердость наплавленного металлопокрытия 91
4.5. Износостойкость и усталостная прочность наплавленного металлопокрытия 94
4.6. Прочность сцепления наплавленного металла с основным 96
4.7. Определение ошибок измерений 96
Выводы по главе 4 98
5. Экономический эффект применения разработанного распыленного порошка при плазменной наплавке 100
Общие выводы 103
Список источников
- Плазменная наплавка и ее разновидности
- Необходимые условия осуществления экспериментального исследования и активирования способа плазменного нанесения металлопокрытий
- Экспериментальная установка и приборы, основной металл и композиционные материалы
- Влияние углерода, хрома, никеля и бора в порошке на плотность и толщину металлопокрытия
Введение к работе
Одним из важнейших направлений обеспечения запасными частями машин и оборудования предприятий АПК является организация восстановления изношенных деталей.
Способствующим фактором развития и совершенствования ремонтной базы является создание крупных специализированных предприятий с использованием высокопроизводственных восстановительных технологий, обеспечивающих равную прочность и износостойкость восстановленных деталей с новыми.
Обеспечение равнопрочности и износостойкости восстановленных деталей является важнейшей задачей в техническом перевооружении сельскохозяйственного ремонтного производства. Решение ее позволит сократить номенклатуру и объем запасных частей и значительно повысить ресурс машин до капитального ремонта [28, 54].
Особенно актуальна эта проблема для деталей типа «вал» с малыми величинами износа до 0,2 мм, занимающих особое место в ремонтном производстве. Восстановление их известными способами наплавки ограничивается термическим разупрочняющим воздействием на материал основы, потерями металла и дорогостоящих легирующих компонентов, уходящих в стружку, и необходимостью дополнительной операции - термической обработки.
Одно из направлений в решении этой проблемы - разработка новых технологических процессов нанесения тонкослойных высокопрочных покрытий на основе металлических порошков, порошков - сплавов и тугоплавких соединений перспективными способами обработки с применением концентрированных источников энергии - низкотемпературная плазма, искровой и импульсный разряды, которые завоевали в последние годы прочное место в арсенале технологических исследований и разработок.
К таким способам относится формирование металлопокрытий из распыленных порошков плазменной наплавкой.
В настоящее время имеется значительный опыт по разработке и практическому использованию этого способа при упрочении деталей машин [1, 2, 3, 4, 13, 16, 72, 85]. Он показывает, что получаемые тонкослойные покрытия с небольшим припуском на механическую обработку и высокой прочностью при низкотемпературном воздействии на основу - определяют его особую перспективность. Однако высокая шероховатость и пористость наносимых слоев ограничивает его применение в восстановительных технологиях.
В этой связи дальнейшее совершенствование и исследование способа плазменной наплавки с целью получения плотных металлопокрытий для восстановления деталей с малыми величинами износа является актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Для решения этой задачи необходима оптимизация основных принципов формирования качественного слоя при этом способе: согласованность во времени количества подводимой электрической энергии с подачей порошкового материала в рабочую зону; применение метода рационального легирования; создание условий, наиболее благоприятных для протекания процесса формирования слоя.
Данная работа направлена на реализацию указанных принципов при разработке и исследовании технологии восстановления деталей сельскохозяйственных машин, что дает возможность предложить некоторые материалы для научного подхода к выбору и обоснованию основных параметров получения качественных высокоизносостойких металлопокрытий плазменной наплавкой.
В результате исследований впервые теоретически установлена и экспериментально подтверждена технология режимов процесса, электро- и теплофи-зических свойств и гранулометрического состава распыленного порошка, а также зависимость диаметра восстанавливаемой детали на скорость формирования металлопокрытий.
Целью работы является повышение износостойкости и долговечности отремонтированных деталей типа «вал» машин сельскохозяйственного назначения путем совершенствования технологии плазменной наплавки.
Объект исследования. Технологический процесс плазменной наплавки деталей типа «вал», в том числе коленчатых валов двигателей с помощью порошковой смеси.
Научная новизна. Предложен состав композиционного порошка для плазменной наплавки деталей, отличающийся от стандартного наличием активатора - бора и измененным соотношением входящих в него элементов.
Уточнена зависимость скорости плазменной наплавки от максимальной температуры нагрева поверхности детали в центре пятна нагрева, минимальной температуры поверхности основного металла, при которой возможно смачивание его жидким наплавленным металлом, и коэффициента температуропроводности основного металла.
Практическая ценность работы заключается в определении и внедрении в ремонтную практику наиболее приемлемого композиционного состава порошка в процессе плазменной наплавки шеек коленчатых валов двигателей.
Реализация работы. Результаты исследований приняты к внедрению на Волгоградском мотороремонтном заводе и используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия».
На защиту выносятся:
1. Обоснование состава композиционного порошка для плазменной на
плавки деталей при их восстановлении.
2. Усовершенствованная технология восстановления деталей машин
плазменной наплавкой на примере коленчатых валов автотракторных двигате
лей.
3. Результаты экспериментальных исследований качественных показате
лей восстановления коленчатых валов автотракторных двигателей плазменной
наплавкой.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и одобрены на научно-практических конференциях ВГСХА (Волгоград), ЗАО Мотороремонтный завод «Волгоградский» (Волгоград).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 130 наименований. Диссертационная работа содержит 125 страниц текста, 31 рисунок, 15 таблиц.
Плазменная наплавка и ее разновидности
Анализ рассмотренных способов наплавки показывает, что осуществить процесс наплавки металлов с регулируемой температурой ванны можно, по -видимому, лишь в том случае, если источником теплоты для основного металла будет расплавленный и перегретый до необходимой температуры присадочный материала.
При применении дугового разряда между электродом (плавящимся или неплавящимся) и изделием фактически имеются два источника теплоты: 1) собственно дуговой разряд; 2) перегретый электродный металл (в случае наплавки плавящимся электродом) или перегретый присадочный металл (в случае на плавки неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки в зону дуги). Поэтому при применении для наплавки дугового разряда между электродом и изделием можно только в какой-то степени уменьшить глубину проплавлення основного металла, но всегда будет иметься жидкая фаза основного металла.
В идеальном виде необходимый источник теплоты обеспечивается при заливке на изделие жидкого перегретого присадочного металла. Но имеющиеся подобные способы наплавки, как, например, наплавка струей перегретого металла, не обладают достаточной для производственных условий технологичностью [121].
С выделением плазменной струи аргона из столба дугового разряда были разработаны новые плазменные способы наплавки. Плазма создается дуговым разрядом, возбуждаемым между двумя электродами, через который пропускается в узком соизмеримом с диаметром столба дуги, канале газ. Проходя через столб дугового разряда, газ в результате столкновений с электронами сильно ионизируется, образуя плазменную струю. Высокая концентрация тепловой энергии в плазменной струе, стабильность дугового разряда, возможность легкого раздельного регулирования степени нагрева основного и присадочного материалов обуславливают преимущества применения плазмы для наплавки, особенно в тех случаях, когда наплавляемый металл по составу и свойствам отличается от основного металла. При применении плазменных способов наплавки присадочный материал может подаваться в виде присадочной проволоки или ленты или в виде порошка.
Наплавка с присадочной проволокой или лентой может быть осуществлена дугой прямого действия (зависимой дугой) или независимой дугой. В первом случае дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием, а присадочная проволока электрически нейтральна или же подключается через балластное сопротивление к источнику питания. Применение такой схемы известно [52, 61]. Однако ввиду значительного проплавлення основного металла ее можно реко 19 мендовать только для наплавки металлов, не отличающихся по составу от металла изделия.
Способ наплавки металлов плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой, аналогичный наплавке двойной независимой дугой, но более усовершенствованный, был разработан в Институте металлургии им. А.А. Байкова АНСССР Ю.Л. Красулиным и И.Д. Кулагиным [68].
Плазменная струя, выделяемая из дугового разряда, является независимым источником ионизации дугового промежутка между не плавящимся электродом и токоведущей присадочной проволокой, что способствует устойчивому возбуждению и горению дуги между неплавящимся электродом и проволокой, исключает обрывы дуги и позволяет резко упростить кинематическую и электрическую схему автомата для наплавки.
Плазменная наплавка с применением присадочного материала в виде порошка [38, 39, 125, 129, 130] может осуществляться несколькими способами. Самым простым из них является способ наплавки по слою крупнозернистого порошка (крупки). В этом случае порошок заранее насыпается на наплавляемую поверхность, а плазменная дуга, горящая между электродом и изделием, расплавляет его.
При наплавке с подачей порошка в сварочную ванну дуга горит между электродом и изделием. На изделии образуется ванна основного металла, куда подается порошок тугоплавкого металла. Способ этот применяется тогда, когда необходимо, чтобы в матрицу металла изделия были вкраплены частицы тугоплавких материалов.
Наплавка с вдуванием порошка в дугу предусматривает подачу порошка в плазменную струю, плавление его в этой струе и перенос на поверхность изделия, подогретую и оплавленную дугой прямого действия.
Необходимые условия осуществления экспериментального исследования и активирования способа плазменного нанесения металлопокрытий
Суммируя мнение разных авторов, в настоящей работе при рассмотрении вопросов активирования и оптимизации процесса нанесения тонкослойных металлопокрытий мы исходили из таких положений:
- плазменная наплавка является высокоэнергетическим процессом, характеризующимся высокой температурой нагрева элементов порошковых смесей, их быстрым охлаждением, высокой скоростью прохождения металла вдоль фронта кристаллизации и, следовательно, малой протяженностью фазных областей;
- высокая температура нагрева применяемых порошкообразных материалов (смесей) влияет на подвижность атомов и вакансий [108], что приводит к превалирующему диффузионному процессу элементов в основной металл, его армированию без создания плотных поверхностных покрытий;
- применение выпускаемых промышленностью наплавочных порошковых твердых сплавов (смесей) на основе железа или никеля не позволяет получить плотную наплавку для работы в условиях пар трения;
- подача порошковых семей в сварочную ванну [100] позволяет управлять скоростью кристаллизации, а также величиной глубины проплавлення основного металла;
- с увеличением силы тока и напряжения источника питания эрозия непрерывно возрастает и при значительных их величинах происходит выгорание поверхностных слоев металла;
- при различных процессах образование пор связано с условиями насыщения металла газами и выделением газовых пузырьков при кристаллизации в результате снижения растворимости газов в процессе затвердения сварочной ванны. Главную роль в порообразовании играют водород, азот и окись углерода [И, 44, 92, и др.]. Однако вопрос образования пор до настоящего времени не может считаться ясным [98], поэтому влияние различных технологических факторов на процесс порообразования обычно определяют экспериментально.
Рассматривая эти условия, а также исследования по активированию в области напекания Ю.С. Тарасова и И.Н. Ульмана [102], Н.Н. Дорожкина [49], по характеру формирования и проплавлення при различных способах наплавки В.М. Кряжкова [69], снижению температурного воздействия на основу детали в условиях непрерывной подачи порошка в сварочную ванну И.И. Сафронова и К.Г. Сабеева [100] нами принята функциональная схема формирования качественных наращенных слоев, представленная на рис. 2.1. По сравнению с ранее разработанными технологиями она учитывает необходимость: - применения составов распыленных порошков в соответствии с рациональным методом легирования в условиях формирования металлопокрытий плазменной наплавкой; - выбора и обоснования скорости нанесения равнотолщинных слоев на детали различных диаметров; - устройства и способа дозирования порошка в зону обработки; - способа формирования металлопокрытия по винтовой линии.
Проведенные предварительные опыты по осуществлению процесса формирования слоя плазменным способом с применением добавки бора на поверхности деталей - образцов дали обнадеживающие результаты. В ряде случаев при различных скоростях нанесения покрытий были получены наплавленные слои различной плотности, толщины и глубины проплавлення основного металла [9].
Выбор никеля в качестве дополнительного к железу связующего элемента в составе комплексной связки определен многими его положительными свойствами. Он занимает особое место среди легирующих элементов, не образующих карбидов. Его введение в состав сплавов позволяет изменять состав матрицы -основы, повысить ее вязкость и улучшить тем самым закрепление твердых фаз и ударостойкость [82].
Никель позволяет использовать все преимущества уменьшения скорости охлаждения. Сюда относится, например, снижение температуры Аг и возможность закалки при таких низких скоростях охлаждения, при которых уменьшаются закалочные напряжения, коробления, а также опасность возникновения трещин. Снижение температуры Аг при любом способе охлаждения приводит к измельчению зерна и карбидных выделений [45]. Исследования автора [118] показали, что легирование никелем может очень сильно повышать температуру (порог) рекристаллизации, в результате этого отношение температуры рекристаллизации к температуре плавления не будет составлять 0,4 Т плавления, как это предусматривает правило А.А. Бочвара [118] для чистых металлов, а будет более высокое - порядка 0,6 и даже 0,8 Т плавления сплава.
Никель неограниченно растворяется в железе, причем никелевый аусте-нит, растворяющий большое количество углерода без образования карбидов, имеет высокую пластичность и низкую твердость [106], а его присутствие в зоне сплавления вместо хрупкого мартенсита оказывает положительное влияние на металлопокрытие [82].
Экспериментальная установка и приборы, основной металл и композиционные материалы
Исходя из способа получения покрытия на восстанавливаемой цилиндрической детали по винтовой линии в качестве базы для экспериментальной наплавочной установки был принят токарно-винторезный станок типа 1М63 (рис. 3.1).
На токарно-винтовом станке 1М63, переоборудованном для наплавки ко-ленвалов и деталей типа «вал» частота вращения шпинделя изменялась от 0,3 до 10 об/мин, произведена установка центросместителей для наплавки шатун ных шеек, выполнено крепление плазмотрона и порошкового питателя на суппорте станка с помощью стойки, изолированной от массы станка (рис. 3.2).
Основным рабочим органом в комплекте оснастки является плазмотрон [7], который служит для создания и стабилизации сжатой электрической дуги (плазмы) горящей между электродом плазмотрона и наплавленным изделием в потоке плазмообразующего газа (аргона).
Плазмотрон (рис. 3.3) состоит из корпуса поз 4, сопла 5, втулки изолирующей 2, электрода 1, трубки 3 для подачи охлаждающей воды к вольфрамовому наконечнику электрода.
Корпус плазмотрона должен быть изготовлен из чистой меди Ml МО. Для обеспечения надежной подачи газа необходимо, чтобы торец А изолирующей втулки 2 должен располагаться по срезу отверстия подачи аргона.
Плазмообразующее сопло 5, изготовленное из чистой меди Ml, МО запрессовано в корпус плазмотрона, за счет чего обеспечивается плотный контакт сопла с водоохлаждаемым корпусом плазмотрона. Смену плазмообразующего сопла можно осуществлять без выключения подачи воды в плазмотрон.
Важным узлом плазмотрона является катод - электрод, состоящий из медной основы в виде водоохлаждаемой трубки 3, припаянной к активной вольфрамовой вставке диаметром 3 мм с остро заточенным концом, отцентрированным относительно канала плазмообразующего сопла. Нарушение центровки может повлечь за собой: - ненадежное возбуждение дуги; - быстрый износ сопла вследствие эксцентричного его оплавления; - выход из строя сопла и электрода вследствие образования двойной дуги.
Во время износа катода напряженность столба дуги изменяется, что сказывается на эффективности нагрева частиц порошка и формирование наплавленного слоя.
Поверхность сопла и наконечник электрода не должны иметь наплывов, заусенцев, брызг металла, нагара.
Ток к соплу для питания дежурной дуги подводится через корпус плазмотрона 4 и трубки подвода воды. Герметизация полости плазмообразующего газа обеспечена втулкой 2 за счет ее плотной посадки на электрод 1 и в корпус плазмотрона. Электрод 1 изготовлен из лантонированного вольфрама ВЛ ТУ 48.19-2788 или итрированного СВИ-1, припаянного припоем Л62 ГОСТ 10627-78 к медной трубке 0 6 мм (толщина стенки 1 мм).
Токосъемник предназначен для подключения сварочного кабеля с отрицательным потенциалом от источника питания к электроду плазмотрона.
Держатель плазмотрона изготовлен из диэлектрических материалов и предназначен для крепления плазмотрона к стойке крепления токосъемника, а также для обеспечения надежной изоляции между электродом и корпусом плазмотрона, между электродом и стойкой.
Охлаждение электрода, сопла плазмотрона и трубки подачи порошка последовательное.
Порошковый питатель состоит из дозатора, барабана, привода порошкового питателя, бункера для порошковых материалов, соединительных шлангов.
В качестве привода порошкового питателя используется привод стеклоочистителя с двигателем постоянного тока на 12 В в сборе с червячным редуктором, на выходной вал которого установлен барабан. Рис. 3.4. Пульт управления 1 - дозатор, 2 - вольтметр На корпусе редуктора закреплен дозатор. Изменяя частоту вращения барабана на пульте ПУ (рис. 3.4) можно плавно регулировать расход порошка по вольтметру. Применение транспортирующего газа обеспечивает увеличение скорости движения частиц порошкового материала, за счет чего они поступают в сердцевину факела.
Потоки плазмы и расплавленного металла должны быть направлены перпендикулярно к поверхности сварочной ванны. Расплавленный металл должен поступать в ванну только на расстоянии 2-3 мм от ее головной части, поэтому подача порошка по трубке 2 должна быть плавной строго перпендикулярно к оси канала сопла (рис. 3.5).
Влияние углерода, хрома, никеля и бора в порошке на плотность и толщину металлопокрытия
Рациональное легирование сплавов предусматривает получение при наиболее экономичном расходе легирующих элементов оптимального комплекса своих двух основных составляющих: наиболее твердой - карбидной (боридной, карбобороидной) и основы сплава - матрицы, в которой эти карбиды расположены [9]. Основа может быть на базе аустенита, мартенсита и феррита. Наиболее удачным сочетанием высоких физико-механических свойств и способностью удержания твердых фаз обладает аустенитно-мартенситная матрица. Для высокоуглеродистых заэвтектоидных сплавов типа ПР-Н4Д2М, ФБХ-6-2 и др. получить аустенитную составляющую можно путем введения в него никеля [82]. Введение никеля, как следует из теоретических предпосылок и п. 4.1, должно способствовать улучшению других показателей - плотности и толщины слоя. Однако количественная оценка по его оптимальному введению в состав распыленного порошка в связи с зависимостью рационального метода легирования от выбранного способа формирования металлопокрытий [91] и технологии ведения процесса [82] определялась в результате экспериментальных исследований.
Предварительные исследования показали, что при применении порошковых смесей на железной, железо-хромо-медной или никелевой основах на различных режимах плазменной наплавке металлопокрытия отличаются (рис. 4.4) высокой шероховатостью, низкой плотностью, плохой сцепляемостью с основным металлом наплавки.
Введение в состав порошковой смеси типа ПР-Н4Д2М бора в количестве до 1% и повышение процентного содержания никеля до 25% позволяет заключить: положительное влияние на формирование слоя при плазменной наплавке, повышение содержания никеля в смеси сопровождающимся снижением шероховатости и повышением плотности наносимого слоя и введение бора повышением твердости и как следствие износостойкости, улучшением смачивающего свойства; повышение содержания никеля свыше 25% приводит к повышению толщины слоя, шероховатости и снижению плотности металлопокрытия. На количество пор и толщину покрытия наибольшее влияние оказывает процентное содержание углерода, затем никеля и наименьшее - процентное содержание бора и хрома.
Основное влияние на порообразование, как показано во второй главе, при плазменном нанесения металлопокрытий оказывает азот. Повышение растворимости азота в расплавленном металле приводит к образованию газовых пузырьков и торможению выделения газа из расплава и, следовательно, к образованию пор. Растворимость азота в расплавленном металле зависит от наличия в нем легирующих элементов, влияние которых на активность азота оценивается параметром взаимодействия. Чем меньше параметр взаимодействия, тем будет больше растворимость азота. Углерод снижает растворимость азота в железе и его поверхностную активность. При повышении содержания углерода в порошковой смеси снижается поверхностная активность азота и тормозится как поглощение, так и выделение азота. При уменьшении содержания углерода непрерывно возрастает адсорбция азота. Кроме того, на процессы насыщения и выделения азота из расплава оказывает влияние окисление углерода. Образование окиси углерода на поверхности металла снижает парциальное давление азота, препятствует контакту его с металлом и уменьшает скорость адсорбции. Поэтому снижение пористости и получение максимальной плотности соответствует верхнему уровню планирования 4% углерода. Эти данные согласуются с принципом рационального легирования сварочных процессов [82] по обеспечению наличия благоприятной для износостойкости карбидной фазы.
При повышении содержания хрома в железо-никелевых сплавах из кислорода, содержащегося в атмосфере, на каплях расплава образуется пленка шлака, препятствующая проникновению азота в металл. Поэтому наилучшие показатели плотности покрытия соответствует верхнему уровню процентного содержания хрома (3,1%) смеси.
В сплавах на железо-хромовой основе (типа ФБХ-6-2), а также содержащих малое количество никеля (ПР-Н4Д2М) железо, как показано во второй главе, претерпевает многократные полиморфные изменения, имеет максимальный коэффициент упрочнения, а следовательно, и охрупчивания. Поэтому в этих сплавах получается низкая плотность.
Увеличение процентного содержания никеля в железо-никель-медных сплавах, обладающего стойкостью против термических ударов процесса, интенсивно снижающего эрозию (так как никель обладает наибольшими акцепторными свойствами), повышающего протяженность двухфазных областей и смачиваемость в поверхностном слое, оказывает положительное воздействие на плотность и качество металлопокрытия. Одновременно неограниченная растворимость его в у - железе, а также высокая растворимость в а - железе оказывает положительное воздействие на снижение охрупчивания железа. Как показано в п. 2.2, положительное влияние на качество покрытия и перенос материала осуществляется только при определенном пределе связки до 25%, поэтому с повышением количества никеля в связке (более 30%) приводит к снижению плотности слоя, а оптимальным является его содержание на нижнем уровне, т.е. 24...25%.
