Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1 Анализ способов газотермического напыления, применяемых для восстановления деталей из алюминиевых сплавов 7
1.2 Анализ износов деталей из алюминиевых сплавов 9
1.3 Комбинированная технология восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов 11
1.3.1 Газодинамическое напыление (ГДН) - перспективный способ восстановления деталей 11
1.3.2 Типы порошковых материалов, применяемых при ГДН 17
1.3.3 Применение микродугового оксидирования для упрочнения деталей восстановленных ГДН 19
1.4 Выводы и задачи исследований 23
2 Теоретическое исследование взаимодействия частицы с основой при газодинамическом напылении 25
2.1 Химическое взаимодействие частиц и основы 25
2.2 Условие прилипания. Теоретическая оценка критических скоростей напыления 30
2.3 Выводы 35
3 Методики экспериментальных исследований 37
3.1 Оборудование и материалы для проведения исследований 37
3.2 Методика напыления 41
3.3 Приготовление, контроль и корректировка электролитов 43
3.4 Методики определения прочности сцепления покрытий 43
3.4.1 Покрытия, полученные ГДН 43
3.4.2 Покрытия, полученные МДО 50
3.5 Методики оценки температурного воздействия используемых процессов на образцы 51
3.5.1 Покрытия, полученные ГДН 51
3.5.2 Покрытия, полученные МДО 53
3.6 Методика измерения толщины покрытий 54
3.7 Методика измерения микротвердости покрытий 55
3.8 Методики контроля пористости покрытий 56
3.8.1 Измерение пористости ГДН-покрытий 56
3.8.2 Измерение пористости МДО-покрытий 56
3.9 Методики определения внутренних напряжений 57
3.9.1 Определение внутренних напряжение в покрытиях ГДН 57
3.9.2 Определение внутренних напряжений в покрытиях МДО... 58
3.10 Методика испытаний на изнашивание 59
3.11 Определение ошибки эксперимента и повторности опыта 63
4 Результаты исследований и их обсуждение 65
4.1 Выбор порошкового материала для проведения ГДН с учетом последующего микродугового оксидирования 65
4.2 Микроструктура покрытия, сформированного ГДН 66
4.3 Прочность сцепления покрытий 68
4.3.1 Покрытия, полученные ГДН 68
4.3.2 Покрытия полученные МДО 73
4.4 Пористость покрытий 73
4.4.1 Покрытия, сформированные газодинамическим напылением 73
4.4.2 Покрытия, сформированные микродуговым оксидированием 74
4.5 Внутренние напряжения 77
4.5.1 Напряжения в покрытиях, сформированных ГДН 77
4.5.2 Напряжения в покрытиях, сформированных МДО 80
4.6 Оценка температурного воздействия используемых процессов на образцы 81
4.6.1 Газодинамическое напыление 81
4.6.2 Микродуговое оксидирование 82
4.7 Влияние состава электролита и режимов микродугового оксидирования на толщину покрытий 83
4.8 Микротвердость покрытий 86
4.9 Износостойкость покрытий 88
4.10 Эксплуатационные испытания 93
4. П Выводы 93
5 Технологический процесс и его технико-экономическая эффективность 96
5.1 Технологический процесс восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов 96
5.2 Экономическая эффективность от восстановления и упрочнения поршня гидромуфты коробки передач трактора «Fendt Favorit -824» 105
5.3 Выводы 114
Общие выводы 116
Список литературы
- Анализ способов газотермического напыления, применяемых для восстановления деталей из алюминиевых сплавов
- Химическое взаимодействие частиц и основы
- Оборудование и материалы для проведения исследований
- Выбор порошкового материала для проведения ГДН с учетом последующего микродугового оксидирования
Введение к работе
В условиях ограничения финансовых и материальных ресурсов, снижения поставок техники, оборудования и запасных частей в сельскохозяйственное производство, старения и удорожания сельскохозяйственной техники (особенно импортной), нехватки и дороговизны запасных частей возникает необходимость дальнейшего развития и совершенствования технологических процессов ремонта машин и восстановления деталей.
В настоящее время известен принципиально новый способ газотермического напыления покрытий - сверхзвуковое газодинамическое напыление (ГДН). Способ позволяет получать алюминиевые покрытия на деталях, изготовленных из алюминиевых сплавов, с достаточно высокой прочностью сцепления и низкой пористостью. К основным преимуществам ГДН можно также отнести: простоту и низкую стоимость используемого оборудования, экологичность процесса, возможность нанесения толстослойных покрытий без подслоя, высокую когеззионную прочность. Основной недостаток формируемых покрытий - их низкая износостойкость. Кроме того, данный процесс является еще малоизученным, в особенности с теоретической точки зрения.
Повысить износостойкость напыленных покрытий можно за счет использования упрочняющих технологий, например - микродугового оксидирования (МДО).
В исследованиях Маркова Г.А., Гордиенко П.С., Гнеденкова СВ., Малышева В.Н., Снежко Л.А., Черненко В.И., Мироновой М.К., Федорова В.А., Герций О.Ю., Католиковой Н.М., Эпельфельда А.В., Барыкина А.В., Кузнецова Ю.А., Коломейченко А.В., Ферябкова А.В, Севастьянова А.Л. и многих других, показана перспективность этого способа, позволяющего получать износостойкие, коррозионностойкие оксидно-керамические
покрытия, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям ремонтного производства.
После МДО микротвердость поверхностей алюминиевых сплавов, как правило, увеличивается в 8-Ю раз, а износостойкость - в 2-6 раз. Однако данный способ при упрочнении нанесенных газодиігамическим напылением покрытий в ремонтном производстве не используется.
За последнее время накоплен большой теоретический и практический опыт в области микродугового оксидирования. Вместе с тем до настоящего времени этот процесс остается еще мало изученным вообще, а особенно применительно к упрочнению деталей, восстановленных газотермическим способом.
В настоящей работе изложены результаты исследований, направленные на разработку технологии восстановления газодинамическим напылением с упрочнением способом МДО восстановленных деталей из алюминиевых сплавов. Работа выполнена на кафедре «ТКМ и метрология» ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет».
Анализ способов газотермического напыления, применяемых для восстановления деталей из алюминиевых сплавов
Анализ способов газотермического напыления, применяемых для восстановления деталей из алюминиевых сплавов
Газотермическое напыление - получение покрытия из нагретых и ускоренных частиц напыляемого материала с применением высокотемпературной газовой струи, при соударении которых с основой или напыленным материалом происходит их соединение за счет сварки, адгезии и механического сцепления [2,4].
Газопламенное напыление газотермическое напыление, при котором используется струя продуктов сгорания смеси газов, сжигаемых с помощью горелки. Применяется для напыления покрытий из порошков металлов, их сплавов, композиций, оксидов, органических соединений и т. п., проволок, керамических стержней.
Основными недостатками газопламенного способа напыления покрытий являются [7, 8, 10]: 1) недостаточная в некоторых случаях прочность сцепления покрытий с основой (5-35 МПа); 2) наличие пористости (обычно в пределах 8-25%), которая препятствует применению покрытий в коррозионных средах без дополнительной обработки; 3) невысокий коэффициент использования энергии газопламенной струи на нагрев порошка (2-12 %); 4) невозможность нанесения покрытий из тугоплавких материалов с температурой плавления более 2800 С.
Сверхзвуковое газопламенное напыление - это новый способ, базирующийся на непрерывном сжигании горючего газа с кислородом с целью получения высокоскоростной (сверхзвуковой) струи на выходе из горелки [12]. Порошок вводится в газовый поток, которым он нагревается, ускоряется и направляется на обрабатываемую деталь.
Основными недостатками сверхзвукового газопламенного способа напыления покрытий являются: 1) высокий уровень шума; 2) необходимость применения проточной системы охлаждения; 3) невозможность наносить покрытие на локальные участки с четкими границами; 4) невысокий коэффициент использования энергии газопламенной струи на нагрев порошка (4-15 %);5) высокая пористость (5-15%).
Плазменно-дуговое напыление - плазменное напыление, при котором плазменная струя создается с помощью электрической дуги. Применяется для напыления покрытий из порошков металлов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединении, из композиционных порошков и механических смесей различных порошков, проволок [14,15].
Недостатками плазмен но-дугового способа напыления покрытий являются: 1) наличие пористости (обычно в пределах 2-10%); 2) необходимость применения проточной системы охлаждения; 3) невозможность наносить покрытие на участки с четкими границами; 4) невысокий коэффициент полезного использования энергии плазменной струи при нагреве порошка (2-8%).
Электродуговое напыление газотермическое напыление, при котором нагрев металла в виде проволоки, прутка или ленты производится электрической дугой, а диспергирование — струей сжатого газа. Применяется для нанесения покрытий из проволок металлов и сплавов.
Основные недостатки способа [16]: 1) ограниченный круг материалов для напыления из-за требований электропроводности и поставки в виде проволоки; 2) наличие значительного количества оксидов в покрытии, что снижает его ударную прочность; 3) низкая прочность сцепления покрытий с основой (15-35 МПа); 4) наличие пористости (15-25%) препятствует применению покрытий в коррозионных средах без дополнительной обработки.
Детонационное напыление — газотермическое напыление, при котором используется струя продуктов детонации. Применяется для напыления покрытий из порошков металлов, их сплавов, оксидов, тугоплавких соединений, различных композиций и т п.
Основные недостатки способа [19]: 1) высокий уровень шума, достигающий 140 дБ; 2) наличие продуктов сгорания смеси «горючий газ -кислород» с образованием вредных компонентов (СО, углеводороды, оксиды азота); 3) наличие концентрации взвешенных в воздухе частиц напыляемого порошка размером 5-150 мкм более 150 мг/м3; 4) необходимость размещать детонационное оборудование в специальных помещениях производственного участка.
Химическое взаимодействие частиц и основы
Взаимодействие напыляемых частиц с основой состоит из следующих стадий процесса. На первой стадии наблюдается сближение частицы и основы до расстояния межатомного взаимодействия. На второй стадии образуются химические связи между атомами. На третьей стадии происходит объемное взаимодействие материала частиц и основного металла.
Из всех стадий процесса формирования покрытий при напылении определяющей является стадия взаимодействия частиц с основой, обусловленная физическим контактом при ударе и деформации частиц. Прочность сцепления покрытия с основой (адгезионная) определяется температурой частиц, их скоростью и длительностью химического взаимодействия.
Исходя из кинетики топохимических реакций, скорость образования химических связей в контакте «частица-основа» можно записать в виде [56, 57]: dN dt (N0 -N)-v-exp к kZ (2.1) где Тк - температура в зоне контакта; JV0 - общее число находящихся в физическом контакте атомов на границе «частица-основа»; N - число атомов, вступивших в химическую связь; Еа - энергия активации; v - частота собственных колебаний атомов, которуго для большинства металлов можно оценить по их температуре Дебая TD [58]: к Тп, (2.2) Злй .-34 Ї-23 где к w 1,38-10 Дж/К - постоянная Больцмана, Л и 1,05-10 Дж-с постоянная Планка. Обычно v 10 с" .
Уравнение (2.1) позволяет получить выражение для относительного числа связей, образующихся в результате химической реакции за время г/2, равное половине длительности столкновения частицы с основой. Приняв Еа и Тк средними за время контакта, из (2.1) получаем: m N_ = 1 - exp VT exp К /J (2.3) где г- время, в течение которого длится столкновение, с; г 2,85- (ОД0-4 -А (2.4) d — диаметр напыляемых частиц, м; р — плотность напыляемого материала, кг/м3; и - скорость напыляемой частицы, м/с. D — безразмерный параметр, определяемый механическими свойствами тел: D-J / i V + i-//" Е (2.5) // и // - коэффициенты Пуассона напыляемого материала и основы, ЕпЕ - модули Юнга напыляемого материала и основы, Па.
Подставляя в (2.4) значения коэффициента Пуассона (для алюминиевого порошка и алюминиевой основы //=//=0,35) и модуля Юнга (для алюминиевого порошка и алюминиевой основы Е=Е -65 ГПа), а также диаметр частиц напыляемого материала d = 40 мкм, падающего со скоростью v да 600 м/с на алюминиевую основу получаем, что столкновение частиц с основой происходит за г« 0,04 мкс.
Из выражения (2.3) следует, что при Тк —А ч (2-6) 7 1 УТ km —— {2\n(2)J относительное число связей N/NQ 0,5 и очень быстро растет с увеличением температуры 7V- Такое число связей является достаточным для напыления.
Подставляя в (2.6) характерное значение энергии активации Еа= 7200 кал/(г-ат) = 0,5-Ю" 9 Дж [67], v 1013 с-1, г» 0,04 мкс получаем, что химическая связь частиц с основой эффективно образуется при температуре 7 288К.
Таким образом, при высокоскоростном ударе частицы об основу достаточное для напыления число химических связей образуется уже при комнатной температуре. Дополнительный деформационный нагрев [59] делает условия для образования связей ещё более благоприятными.
Так как деформация частиц и основного металла при газодинамическом напылении является пластической, в теплоту при деформации превращается практически вся кинетическая энергия частиц. Выделение тепла зависит от степени деформации, которая очень неравномерна и наиболее интенсивна в области контакта.
Оборудование и материалы для проведения исследований
Для проведения исследований использовали литейный алюминиевый сплав АК7ч (АЛ9) по ГОСТ 1583-93.
Для нанесения покрытий газодинамическим способом использовали комплект оборудования для газодинамического напыления «ДИМЕТ 403» (рисунок 3.1). В качестве материала, напыляемого на поверхность алюминиевого сплава, служили порошковые смеси на основе алюминия. Оборудование сертифициро
Для упрочнения нанесенных покрытий, полученных газодинамическим напылением алюминиевого порошка на поверхности образцов, использовали установку для микродугового оксидирования (рисунок 3.2), состоящую из источника питания и блока управления, ванны с системой крепления деталей и защитного ограждения. Электрическая часть установки (рисунок 3.3) состоит из силового блока, блока управления и измерения параметров процесса. Источник питания (силовой блок) состоит из блока конденсаторов типа МБГП-2 и К75-27 с включенной параллельно ему разрядной цепью, содержащей разрядный резистор ПЭВ-100. Суммарная емкость батареи конденсаторов 478 мкФ с дискретностью 100, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 10, 10, 10, 8, 7, 6, 6, 6, 6, 6, 2, 0,5, 0,5 мкФ. Для снятия остаточного заряда каждая секция конденсаторов зашунтирована резистором МЛТ-2 из 19 штук. Силовая цепь подключена последовательно к нагрузке. Источник питания позволяет подавать на ванну ток силой до 20 А при напряжении до 1000 В и изменять ток на ванне посредством включения дополнительных емкостей, что в каждом конкретном случае обеспечивает стабильное протекание микродугового процесса и создание керамического слоя.
Блок измерения включает в себя два вольтметра постоянного напряжения М42300 кл.1,5 для измерения катодной и анодной составляющих напряжения на нагрузке, а также вольтметр переменного напряжения ЭЗО кл.1,5 для измерения действующего значения напряжения. Контроль тока осуществляли тремя амперметрами типа ЭЗО кл.1,5.
Электролитическая ванна 1 (рисунок 3.4) вместимостью 15 л выполнена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и снабжена рубашкой водяного охлаждения. Перемешивание электролита осуществляется механическим перемешиванием посредством лопастной мешалки 2 с приводом от электродвигателя. Контроль температуры электролита осуществляется термометром 3 по ГОСТ 1224-71. Деталь, подвергаемая МДО, крепится к изолированной подвеске 4 резьбовым соединением М4.
Защитное ограждение выполнено в виде вытяжного шкафа с плотно закрывающейся дверцей, на которой закреплен концевой выключатель SBb размыкающий цепь катушки магнитного пускателя при открывании двери, в ре зультате чего источник питания отключается от сети и конденсаторы шунтируются на разрядные резисторы.
Эксперименты проводили в электролите, содержащем дистиллированную воду с добавлением гидроксида калия КОН ГОСТ 24363 - 80 и жидкого натриевого стекла Na2Si03 ГОСТ 130078-81.
Оборудование для нанесения покрытий газодинамическим способом включает комплект оборудования для газодинамического напыления «ДИМЕТ 403» и дополнительное оборудование. К дополнительному оборудованию относится пылеулавливающее устройство и устройство для вращения напыляемого образца или детали (рисунок 3.5).
Перед напылением образцы при необходимости подвергали струйно-абразивной обработке порошком К-00-04-16 (ГОСТ 28818-90). Для напыления основного слоя покрытия использовали порошок на основе алюминия AS-41 (ТУ 1721-031-40707672-00), А-80-13 (ТУ 1791-011-40707672-00) и А-20-11 (ТУ 1721-031-40707672-00). Режимы напыления представлены в таблице 3.1.
Из анализа литературных данных [34, 37, 38] следует, что наиболее перспективным электролитом для упрочняющей технологии МДО является раствор на основе «KOH-Na2Si03».
Приготовление электролита осуществляли путем растворения в дистиллированной воде расчетного количества гидроксида калия (КОН) "Ч Д А" ГОСТ 24363-80. В этот раствор добавляли необходимое количество натриевого жидкого стекла (Na2Si03) ГОСТ 130078-81 с модулем т-2,8 и ПЛОТНОСТЬЮ р=1,47x10 кг/м . Для исключения влияния обеднения электролита через каждые шесть экспериментов его меняли на свежий, который прорабатывали пластиной из алюминиевого сплава площадью 0,7 дм в течение 40 минут.
Прочность сцепления покрытий с основой является одним из важных факторов, характеризующих возможность применения покрытий. Методика определения адгезии покрытий базируется на известных методиках [22 ,78].
Прочность сцепления напыленного слоя определяли штифтовым способом. Способ предназначен для определения величины адгезии покрытия к обрабатываемой поверхности - прочности сцепления покрытия с основой. Сущность метода заключается в определении значения разрушающего усилия при вытягивании штифта в направлении по нормали к торцевой поверхности штифта, на которую нанесено покрытие.
Выбор порошкового материала для проведения ГДН с учетом последующего микродугового оксидирования
Для проведения исследования применяли цилиндрические образцы (рисунок 4.1). Проводили напыление порошка AS-41, А-80-13 и А-20-11. После механической обработки образцы подвергали МДО.
При проведении МДО образцов, напыленных порошками А-20-11 и AS-41, процесс проходил нестабильно, наблюдалось неравномерное свечение микродуговых разрядов по поверхности образца, продолжительность процесса составляла 1,2-1,5 ч. После завершения упрочнения покрытие имело неравномерный цвет и было рыхлым. При механической обработке покрытие разрушилось. Низкое качество покрытия на образцах, напыленных порошком А-20-11 (рисунок 4.1 (1)) связано, возможно, с недостаточным содержанием в порошке алюминиевого сплава АСД-1 (ТУ 48-5-226-87) -35%, а у образцов, напыленных порошком AS-41 (рисунок 4.1 (2)), скорее всего, с содержанием в его составе карбида кремния марки ККЗ (ГОСТ 26327-84) =27%. Качественное покрытие получилось лишь на образцах, напыленных порошком А-80-13 (рисунок 4.1 (3)). Это объясняется, в основном, большим содержанием алюминиевого сплава АСД-1 (ТУ 48-5-226-87) 65%, чем у двух предыдущих марок порошка. После механической обработки получилось плотное керамическое покрытие, основные свойства которого будут рассмотрены ниже.
Так как напыляемый порошок марки А-80-13 представляет собой смесь из двух основных компонентов, один из которых - пластичный металл (алюминиевый сплав АС Д-1 (ТУ 48-5-226-87)), а второй - двухкомпонентный абразив (цинк Zn (ГОСТ 26327-84) и оксид алюминия К-00-04-16 (ГОСТ 28818-90)), то ГДН протекает следующим образом. Частицы порошкового материала, ускоренные потоком воздуха в сверхзвуковом сопле, с высокой скоростью соударяются с основой. Частицы абразива при ударе не деформируются и либо отскакивают от поверхности, либо внедряются в нее, образуя прочное механическое сцепление с основой. За счет абразивного воздействия высокоскоростных частиц на деталь, происходит эффективная очистка поверхности от механических загрязнений, окисных пленок, формирование развитого микрорельефа поверхности и активация металла основы. При соударении алюминиевых частиц с поверхностью основы происходит их пластическая деформация и образование химических связей в пятне контакта. Последующие удары абразивных частиц по закрепившимся на поверхности частицам алюминия дополнительно деформируют их, уменьшая пористость и увеличивая прочность получаемого покрытия.
Типичная структура покрытия показана на рисунках 4.2 и 4.3, на которых представлены фотографии поперечного микрошлифа покрытия из порошкового материала марки А-80-13, нанесенного на алюминиевый сплав. Режимы напыления: давление воздуха в напылительном блоке - 0,7 МПа; дистанция напыления - 15 мм; температура нагрева воздуха в напылительном блоке - 400 С.
На фотографиях микрошлифа (рисунки 4.2, 4.3) отчетливо видна граница раздела между основой (алюминиевый сплав (1)) и напыленным материалом (порошок А-80-13 (2)). Также заметно присутствие частиц цинка в составе напыленного слоя (позиция 3). Частицы оксида алюминия трудноразличимы в покрытии по причине их белого цвета.
Как известно, одной из основных характеристик, определяющей эксплуатационные свойства покрытий, является прочность сцепления между покрытием и основой (адгезия).
В настоящее время режимы напыления назначаются в основном исходя из экспериментального материала, накопленного при разработке многочисленных конкретных технологий. Поэтому представляется целесообразным провести исследования адгезии напыленных покрытий.
Адгезию исследовали по методике отрыва штифта (рисунок 4.4) в зависимости от давления и нагрева воздуха в напылительном блоке, от дистанции напыления и от фракции порошкового материала.
