Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие современного речного транспорта неразрывно связано с проблемой повышения долговечности деталей судового машиностроения. Ежегодно судоремонтные предприятия расходуют более 40% всего потребляемого металла на изготовление запасных деталей различных узлов трения, в шихту сдается до 300 тыс. деталей при износе сопрягаемых поверхностей 0,5...2,0 мм и потере массы 3...5%.
Способы повышения ресурса валов, как наиболее дорогостоящих деталей пары трения, достаточно изучены, отработаны и продолжают совершенствоваться. Втулки и вкладыши, образующие трибосопряжение с валами, как правило, изнашиваются быстрее. Но в большинстве случаев их не восстанавливают, а заменяют новыми. Традиционно рабочий слой втулок и вкладышей изготавливают из антифрикционных материалов на основе меди, олова, алюминия и их сплавов. Заготовками для них служат отливки, поковки, прокат. При этом нерационально расходуется дефицитный и дорогостоящий цветной металл. Повышение ресурса и снижение затрат на изготовление и ремонт деталей подшипниковых узлов трения судовых машин и механизмов - одна из важнейших задач научных работников, технологов, конструкторов.
Одним из эффективных средств решения этой проблемы является применение газотермических покрытий (ГТП). Внедрение ГТП в судостроении начало развиваться быстрыми темпами в 80-х годах прошлого столетия. Научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, проведенными в те годы, было показано, что ГТП целесообразно применять для обеспечения износостойкости и антифрикционных свойств деталей узлов трения машин и механизмов. В целях внедрения ГТП в судостроительной отрасли создавались участки по производству деталей и изделий с плазменными, детонационными и электродуговыми покрытиями. Однако в 90-е годы в связи с изменением экономического положения в стране внедрение ГТП при изготовлении деталей практически прекратилось. Плазменное и детонационное напыление, на которое делалась основная ставка в повышении ресурса деталей судового машиностроения, требовало больших затрат: высокая стоимость оборудования, применение дорогостоящих газов, отсутствие достаточного научно-технологического обеспечения и квалифицированных кадров, привело практически к остановке работ по ГТП. За рубежом в это время интенсивно проводились работы по применению ГТП, разрабатывалась новая техника напыления. Были разработаны сверхзвуковые системы, позволяющие получать плотные с высокой прочностью покрытия. Стоимость этих систем в настоящее время превышает 2 млн. рублей, что примерно, в 5-10 раз выше стоимости серийного оборудования отечественного производства.
Электродуговое напыление серийными аппаратами отечественного производства, отличающееся простотой и дешевизной оборудования, высокой производительностью, не требующее дефицитных газов, изначально было сориентировано только на защиту от коррозии сварных металлоконструкций. Свойства электродуговых покрытий для других целей практически не исследовались.
К настоящему времени отсутствует необходимая и достаточная справочная и регламентирующая литература по эксплуатационным свойствам и технологии нанесения антифрикционных электродуговых покрытий.
В связи с этим внедрение электродугового напыления для повышения ресурса и восстановления деталей с целью обеспечения сменно-запасными частями судоремонтных предприятий остается проблематичным.
Работа автора по научному обоснованию применения электродуговых антифрикционных покрытий выполнялась по хоздоговорной тематике с предприятиями речного флота и ремонтными предприятиями ОАО Газпром.
Целью работы является повышение ресурса и реновация деталей узлов трения судовых машин и механизмов, снижение расхода цветного металла.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Установить и обосновать на основании аналитического обзора эффективность применения электродугового нанесения покрытий при изготовлении и ремонте деталей.
-
Исследовать антифрикционные свойства и пределы работоспособности электродуговых бронзовых покрытий в сравнении с антифрикционными свойствами одноименных материалов, получаемых металлургическим путем.
-
Установить закономерности изменения антифрикционных свойств электродуговых покрытий из псевдосплавов в зависимости от величины контактного давления в различных условиях трения: со смазкой, прекращением подачи и обводнением смазки.
-
Разработать методику исследования характера разрушения покрытия в системе «покрытие - основа» и обосновать его работоспособность в пределах упругой деформации основного материала.
-
Исследовать влияние электродуговых покрытий на механические свойства основного материала.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать технологию электродугового напыления антифрикционных материалов на детали судовых узлов трения скольжения.
Материалами для исследований и испытаний выбраны электродуговые покрытия из бронз Бр АМц 9-2, Бр ОЦ 4-3, баббита марки Б83 и псевдосплавов системы Fe-Al, Fe-Cu, Cu-Al.
Объектом исследований являются детали судовых трибосопряжений.
Научная новизна. Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
-
Выполнено научное обоснование целесообразности применения электродуговых антифрикционных покрытий, как для ремонта, так и при изготовлении новых деталей узлов трения, включающее комплексное решение задач установления их прочностных и трибологических свойств и разработки технологического процесса нанесения.
-
Разработаны применительно к газотермическим покрытиям методики оценки прочностных и трибологических свойств.
-
Впервые экспериментально и теоретически доказана работоспособность электродуговых покрытий из бронз марок Бр АМц9-2 и Бр ОЦ4-3 в системе «покрытие - основа» при растяжении в области упругой деформации основного материала.
-
Разработана ресурсосберегающая технология нанесения антифрикционных электродуговых покрытий, устанавливающая оптимальные режимы напыления.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Методики оценки износостойкости и прочностных свойств электродуговых покрытий.
-
Результаты испытаний антифрикционных и прочностных свойств покрытий, влияния покрытий на прочностные свойства основного материала при статическом, ударном и циклическом воздействии нагрузки.
-
Технологические основы процесса электродугового нанесения антифрикционных покрытий.
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора сформулированы основные цели и задачи испытаний и исследований, выполнен анализ, разработка новых и уточнение действующих методик испытаний, выполнена большая часть экспериментальных работ и металлографических исследований, непосредственно автором разработана технология нанесения электродуговых покрытий, обобщенные результаты диссертационной работы внедрены в производство.
Практическая ценность работы в следующем:
-
Установлена взаимозаменяемость по антифрикционным свойствам электродуговых покрытий и компактных материалов из цветных сплавов на основе меди и олова, получаемых металлургическими способами.
-
Разработана ресурсосберегающая технология нанесения антифрикционных покрытий, позволяющая экономно использовать цветные металлы и сплавы при ремонте и изготовлении сменно-запасных частей.
-
Подтверждена эффективность применения электродуговых антифрикционных покрытий для ремонта и изготовления деталей узлов трения снижением расхода цветного металла, уменьшением трудоемкости и повышением ресурса деталей судовых узлов трения в опытно-промышленной деятельности ОАО ННИИММ «Прометей». Научная работа позволила расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей в
ОАО «СК «Волжское пароходство», организовать участок электродугового нанесения покрытий на ремонтном предприятии ДОАО «Центрэнерго-газ ОАО «Газпром».
Достоверность полученных результатов обеспечена применением апробированных методов исследования микроструктуры, механических и антифрикционных свойств материалов и покрытий, подтверждена большим объемом экспериментальных данных, применением математических способов обработки. Результаты испытаний хорошо согласуются с полученными ранее другими исследователями результатами экспериментов. Достоверность результатов подтверждена промышленным апробированием разработанных технологических процессов и натурными испытаниями.
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались и получили положительную оценку на Международном научно-промышленном форуме «Великие реки - 2007» (Нижний Новгород, 2007). Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, одном авторском свидетельстве и представлены 5 научно-исследовательскими отчетами по хоздоговорной тематике.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Основной текст диссертации изложен на 159 машинописных страницах, в том числе 64 рисунка и 36 таблиц. Список библиографических источников включает 157 наименований.
